热交换器原理与设计-热交换器的试验与研究.pptx

6.1 传热特性试验6.1.1 传热系数的测定传热系数的测定在换热器上进行冷、热水的顺、逆流实验，在换热器上进行冷、热水的顺、逆流实验，测得不同温度、流量，再进行换热计算。测得不同温度、流量，再进行换热计算。热流体放热量：热流体放热量：Q1=cp1 m1(t1 t1)冷流体吸热量：冷流体吸热量：Q2=cp2 m2(t2 t2)对数平均温差对数平均温差 tm：传热系数：传热系数：K=Q/(F tm)图图6.1 水水水管套式热交换器实验系统水管套式热交换器实验系统1 电热水箱；电热水箱；2 水泵；水泵；3、11、12、13、14、19 阀门；阀门；4、10 流量计；流量计；5 内管；内管；6 套管；套管；7 保温套；保温套；8 冷水箱；冷水箱；9水泵；水泵；15、16、17、18 温度测点；温度测点；20 电加热器电加热器实验步骤1)了解试验系统、操作方法及测量仪表使用方法。了解试验系统、操作方法及测量仪表使用方法。2)接通热水箱电加热器的电源，将水加热到预定温度。接通热水箱电加热器的电源，将水加热到预定温度。3)启动冷、热水泵。启动冷、热水泵。4)根据预定的试验要求，分别调节冷、热水流量达根据预定的试验要求，分别调节冷、热水流量达 到预定值，然后维持在此工况下运行。到预定值，然后维持在此工况下运行。5)当冷、热水的进、出口温度均达稳定时，测量并当冷、热水的进、出口温度均达稳定时，测量并 记录冷、热水流量及各项温度值。记录冷、热水流量及各项温度值。6)改变冷水改变冷水(或热水或热水)流量若干次，即改变运行工况，流量若干次，即改变运行工况，再进行再进行5的测量。的测量。7)如需要，调节加热功率，将水加热到另一预定温度，如需要，调节加热功率，将水加热到另一预定温度，重复重复46步骤。步骤。8)试验中如有必要，可以改变任一侧流体的流向，试验中如有必要，可以改变任一侧流体的流向，重复重复5、6两步骤。两步骤。9)试验完毕依次关闭电加热器、热水泵及冷水泵等。试验完毕依次关闭电加热器、热水泵及冷水泵等。图图6.3 K=f(w)曲线曲线试验数据的整理试验数据的整理1)传热量传热量Q：由于种种原：由于种种原因，因，试验试验测试的冷流体吸测试的冷流体吸热量不会完全等于热流体热量不会完全等于热流体的放热量，可以它们的算的放热量，可以它们的算术平均值，术平均值，Q=(Q1+Q2)/2 作为实际的传热量。作为实际的传热量。2)数据点选取：试验过程数据点选取：试验过程误差总是避免不了。为保误差总是避免不了。为保证结果的正确性，在数据证结果的正确性，在数据整理时应舍取一些不合理整理时应舍取一些不合理的点。通常，工程上以热的点。通常，工程上以热平衡的相对误差：平衡的相对误差：=|Q1-Q2|/(Q1+Q2)/2 5%凡凡5%的点，应予舍弃。的点，应予舍弃。3)传热面积：计算传热系数时，有以哪一种表传热面积：计算传热系数时，有以哪一种表 面积为基准的问题，在整理试验数据时同样面积为基准的问题，在整理试验数据时同样 应注意这一问题。应注意这一问题。4)为较直观地表示热交换器的传热性能，通常为较直观地表示热交换器的传热性能，通常 要用曲线或图表示传热系数要用曲线或图表示传热系数K与流体流速与流体流速w 之间的关系。并且，常常选取流速之间的关系。并且，常常选取流速w=1m/s时时 的的K值作为比较不同型式热交换器传热性能值作为比较不同型式热交换器传热性能 的标准的标准(同时，还应比较它们的阻力降同时，还应比较它们的阻力降P)5)为使试验结果清晰明了和便于分析，可将测为使试验结果清晰明了和便于分析，可将测 得的数据和整理结果列成表格。得的数据和整理结果列成表格。顺顺逆逆流流换热换热器名器名称称热流体热流体冷流体冷流体进口进口温度温度t1/出口出口温度温度t2/流量计流量计读数读数V1/lh-1进口进口温度温度t1/出口出口温度温度t2/流量计流量计读数读数V1/lh-1顺顺流流逆逆流流实验数据记录6.1.2 对流换热系数的测定 对常规定型结构的换热器：Nu=l/Re=w l/v对新型结构，或已知壁温；或要求壁温的场合对新型结构，或已知壁温；或要求壁温的场合 Q=(tw tf)F1）估算分离法）估算分离法如，采用水蒸汽管外冷凝 o一定。则：Ro+Rw+Rs=R待测定：一般管内流动是处于湍流状态，一般管内流动是处于湍流状态，i 与流速与流速 w0.8成正比，可写成成正比，可写成 i=ciw0.8，代入上式：代入上式：2）威尔逊）威尔逊(E.E.Wilson)图解法图解法 拟合曲线分离法拟合曲线分离法上式右边前上式右边前3项可认为是常数，用项可认为是常数，用 a 表示，物性表示，物性不变情况下，可认为不变情况下，可认为 是常数，用是常数，用 b 表示，表示，于是上式变为：于是上式变为：改变管内流速改变管内流速 wi，则可测得一系列总则可测得一系列总传热系数，绘制成图，则是一条直线。传热系数，绘制成图，则是一条直线。由由 从而，得到管内的对流换热系数从而，得到管内的对流换热系数 i：3)修正的威尔逊图解法修正的威尔逊图解法由由传热学传热学，湍流时管内流体的对流换热准则式为，湍流时管内流体的对流换热准则式为：(6.8)假设套管环隙流体的对流换热准则关系式为：假设套管环隙流体的对流换热准则关系式为：(6.9)将上两式改写成：将上两式改写成：(6.10)(6.11)采用平均面积计算传热系数采用平均面积计算传热系数K：(6.12)以角码以角码 i 表示试验点序号，将式表示试验点序号，将式(6.10)、(6.11)代入上式代入上式再将它改写为：再将它改写为：该式相当于一个直线方程：该式相当于一个直线方程：y=a+bx，截距，截距a=1/c2 及斜率及斜率b=1/c1可通过线性回归求得。可通过线性回归求得。式中的每一个试验点的值相应为：式中的每一个试验点的值相应为：其他方法其他方法1)瞬态法瞬态法威尔逊图解法要求凭经验预先确定反映放热规律的数学威尔逊图解法要求凭经验预先确定反映放热规律的数学模型模型，这一定程度上影响了结果的正确性。瞬态法同，这一定程度上影响了结果的正确性。瞬态法同样不需要测量壁温，也不必预先确定反映放热规律的数样不需要测量壁温，也不必预先确定反映放热规律的数学模型，要求在非热稳定下进行。原理如下：学模型，要求在非热稳定下进行。原理如下：在流体流入热交换器传热面时，对流体突然进行加热在流体流入热交换器传热面时，对流体突然进行加热(或冷却或冷却)。流体进口温度将按某种规律变化，流体的出。流体进口温度将按某种规律变化，流体的出口温度也相应发生变化。流体出口温度的瞬时变化是流口温度也相应发生变化。流体出口温度的瞬时变化是流体进口温度和流体与该传热面之间的传热单元数体进口温度和流体与该传热面之间的传热单元数NTU的的单值函数。通过建立热交换的微分方程组，由分析解或单值函数。通过建立热交换的微分方程组，由分析解或数值解可预先求得流体的出口温度与时间数值解可预先求得流体的出口温度与时间 及传热单元及传热单元数数NTU间函数关系间函数关系tf,2(,NTU)。由于由于NTU未知，所以，要将实验测得的流体未知，所以，要将实验测得的流体出口温度随时间的变化与计算所得的曲线簇出口温度随时间的变化与计算所得的曲线簇 tf,2(,NTU)进行配比。通过配比，与实测值进行配比。通过配比，与实测值最相吻合的那条流体出口温度的理论曲线的最相吻合的那条流体出口温度的理论曲线的NTU值，就是该传热面在测定工况下的值，就是该传热面在测定工况下的NTU值。此处值。此处NTU定义为定义为NTU=F/(mf cp)(mf 质量流率，质量流率，cp流体定压比热流体定压比热)，因而可求得，因而可求得平均对流换热系数平均对流换热系数。2)热质类比法热质类比法原理：先将萘在模型中浇铸成型，再按实际的热原理：先将萘在模型中浇铸成型，再按实际的热交换器结构组合成试件。让与试件温度相同、不交换器结构组合成试件。让与试件温度相同、不含萘的空气流过试件，由于萘的升华作用，构成含萘的空气流过试件，由于萘的升华作用，构成传热面的萘片重量和厚度都将发生变化。传热面的萘片重量和厚度都将发生变化。通过测定试验前后萘片的重量及沿萘片表面各处通过测定试验前后萘片的重量及沿萘片表面各处的厚度变化、气流温度、试验持续时间及空气流的厚度变化、气流温度、试验持续时间及空气流量等，计算出萘与空气的总质量交换率及局部质量等，计算出萘与空气的总质量交换率及局部质量交换率，再根据热质交换的类比关系即可求得量交换率，再根据热质交换的类比关系即可求得平均及局部的对流热交换系数。平均及局部的对流热交换系数。6.2 阻力特性试验阻力特性试验热交换器性能好坏，不仅表现在传热性能上，热交换器性能好坏，不仅表现在传热性能上，而且表现在它的阻力性能上。而且表现在它的阻力性能上。应对热交换器进行阻力特性试验，一方面测定应对热交换器进行阻力特性试验，一方面测定流体流经热交换器的压降，以比较不同热交换流体流经热交换器的压降，以比较不同热交换器的阻力特性，并寻求减小压降的改进措施；器的阻力特性，并寻求减小压降的改进措施；另一方面为选择泵或风机的容量提供依据。另一方面为选择泵或风机的容量提供依据。流动阻力通常为流动阻力通常为2.4节所述的摩擦阻力节所述的摩擦阻力pi 和局部阻力和局部阻力p1 pa=2w22 1w22 (6.15)非定温流情况下，还应考虑受热流体受迫运动在流道非定温流情况下，还应考虑受热流体受迫运动在流道 下沉的浮升力的阻力。数值上它等于浮升力：下沉的浮升力的阻力。数值上它等于浮升力：ps=g(o )h (6.16)下沉流动时，压力降为正；上升流动时，压力降为负。下沉流动时，压力降为正；上升流动时，压力降为负。因而上述情况下总的流动阻力为因而上述情况下总的流动阻力为 p=pf+p1+pa+ps (6.17)根据计算或测试求得的根据计算或测试求得的p，再由下式确定所需要的，再由下式确定所需要的 泵或风机的功率泵或风机的功率N：N=Vp/(1000)，kW(6.18)V体积流量，体积流量，m3/s；p总阻力，总阻力，N/m2；泵或风机效率泵或风机效率图图6.7 p=f(w)曲线曲线 图图6.8 Eu=f(Re)曲线曲线6.3 传热强化及结垢与腐蚀传热强化及结垢与腐蚀6.3.1 增强传热的基本途径增强传热的基本途径根据根据 Q=KFt 可见，传热量可见，传热量 Q 的增加可以的增加可以通过提高传热系数通过提高传热系数 K、扩展传热面积、扩展传热面积 F、加大传热温差加大传热温差 t的途径来实现。的途径来实现。1)扩展传热面积扩展传热面积 F 2)加大传热温差加大传热温差 t 3)提高传热系数提高传热系数 K增强传热的积极措施是提高传热系数。要改变增强传热的积极措施是提高传热系数。要改变传热系数就必须分析传热过程的每一项热阻。传热系数就必须分析传热过程的每一项热阻。可见，可见，K值比值比1和和2值都要小。那么加大传热值都要小。那么加大传热系数时，应加大哪一侧的换热系数更为有效？系数时，应加大哪一侧的换热系数更为有效？今将今将K对对1和和2分别求偏导。分别求偏导。偏导数偏导数K1及及K2分别表示了传热系数分别表示了传热系数K随随1及及2 的增长率。如设的增长率。如设12，则可写为，则可写为 1=n2，得：，得：K2=n2 K1表明当表明当 1=n2 时候，时候，K值随值随2增长率要比随增长率要比随1 增长率大增长率大n2倍。可见，提高倍。可见，提高2对增强传热更为对增强传热更为 有效。亦即，应该使对流换热系数小的那一项有效。亦即，应该使对流换热系数小的那一项 增大，才能更有效地增加传热系数。增大，才能更有效地增加传热系数。翅片管能加强传热就是针对对流换热系数小的翅片管能加强传热就是针对对流换热系数小的 一侧加翅片，通过以薄翅片方式来增加传热面，一侧加翅片，通过以薄翅片方式来增加传热面，也就相当于使这一侧的对流换热系数增加，也就相当于使这一侧的对流换热系数增加，从而提高以光管表面积为基准的传热系数。从而提高以光管表面积为基准的传热系数。6.3.2 增强传热的方法增强传热的方法由于扩展传热面积及加大传热温差常受到一由于扩展传热面积及加大传热温差常受到一定条件限制，这里探讨如何提高传热系数。定条件限制，这里探讨如何提高传热系数。1)改变流体的流动情况改变流体的流动情况 2)改变流体的物性改变流体的物性 3)改变换热表面情况改变换热表面情况增强传热按是否消耗外界能量分为两类：增强传热按是否消耗外界能量分为两类：被动式，即不需要直接使用外界动力，被动式，即不需要直接使用外界动力，如加插入物、增加表面粗糙度等；如加插入物、增加表面粗糙度等；主动式，如外加静电场、机械方法使传主动式，如外加静电场、机械方法使传 热表面振动等。这些技术可单独使用，热表面振动等。这些技术可单独使用，也可同时采用的称为复合式强化。也可同时采用的称为复合式强化。图图6.10 垢阻与时间关系垢阻与时间关系 6.3.3 热交换器的结垢与腐蚀热交换器的结垢与腐蚀结垢结垢影响流动与传热影响流动与传热；腐蚀腐蚀影响热交影响热交 换器使用寿命。换器使用寿命。1)污垢类型污垢类型 结晶型污垢结晶型污垢；沉积型污垢沉积型污垢；生物型污垢生物型污垢；其他其他2)污垢热阻污垢热阻 污垢热阻污垢热阻rs或污垢系数或污垢系数hs:rs=s/s=1/hs m2/W单位面积上沉积量单位面积上沉积量m，垢阻垢阻rs、垢密度垢密度s、垢的导热系数、垢的导热系数s 及沉积厚度及沉积厚度s 之间有以下关系：之间有以下关系：m=s s=s s rs3)腐蚀类型及腐蚀测试腐蚀类型及腐蚀测试由于所接触介质的作用使材料遭受损害、由于所接触介质的作用使材料遭受损害、性能恶化或破坏的过程称为腐蚀。性能恶化或破坏的过程称为腐蚀。腐蚀产物会形成污垢；污垢也会引起腐蚀产物会形成污垢；污垢也会引起腐蚀，因此腐蚀与污垢的形成都不是腐蚀，因此腐蚀与污垢的形成都不是独立的过程，两者密切相关、相互影响。独立的过程，两者密切相关、相互影响。腐蚀种类很多，影响因素也很多。热交腐蚀种类很多，影响因素也很多。热交换器的材料、结构、参与热交换的流体换器的材料、结构、参与热交换的流体种类、成分、温度、流速等都影响腐蚀。种类、成分、温度、流速等都影响腐蚀。腐蚀类型腐蚀类型溶解氧腐蚀；电偶腐蚀；缝隙腐蚀；点腐蚀；应力溶解氧腐蚀；电偶腐蚀；缝隙腐蚀；点腐蚀；应力腐蚀开裂腐蚀开裂(SCC)；磨损腐蚀；氢危害；微生物腐蚀；磨损腐蚀；氢危害；微生物腐蚀图图6.12 腐蚀率腐蚀率-时间曲线图时间曲线图腐蚀测试腐蚀测试金属遭受腐蚀后，其重量、厚度、机械性能、组织金属遭受腐蚀后，其重量、厚度、机械性能、组织结构等都会发生变化。常用深度表示腐蚀率。结构等都会发生变化。常用深度表示腐蚀率。金属腐蚀的深度表示法是用单位时间金属腐蚀的深度表示法是用单位时间(通常以年计通常以年计)的腐蚀深度来表示腐蚀率，我国常用单位的腐蚀深度来表示腐蚀率，我国常用单位mm/yr。以深度表示的腐蚀率可按下式计算：以深度表示的腐蚀率可按下式计算：K1=(m1 m2)2436510-3/(A)=Km 2436510-3/，mm/yr m1、m2腐蚀前后挂片质量，腐蚀前后挂片质量，g；A挂片表面积，挂片表面积，m2；挂片试验的时间，挂片试验的时间，h；挂片密度，挂片密度，g/cm3，对钢，对钢，7.8 g/cm3；Km以失重表示的腐蚀率，以失重表示的腐蚀率，g/(m2h)。耐腐蚀性耐腐蚀性分类分类耐蚀性耐蚀性等级等级腐蚀速度，腐蚀速度，mm/yr 完全耐蚀完全耐蚀110.0表表6.1 均匀腐蚀的十级标准均匀腐蚀的十级标准4)腐蚀的防止腐蚀的防止加添加剂加添加剂电化学保护电化学保护采用耐腐蚀材料采用耐腐蚀材料 或涂或涂(镀镀)层层改进结构设计改进结构设计控制运行工况控制运行工况热交换器的清洗热交换器的清洗 6.4 热交换器的优化设计简介热交换器的优化设计简介热交换器优化设计，是要求所设计的热交换器热交换器优化设计，是要求所设计的热交换器在满足一定要求下，一个或数个指标达到最好。在满足一定要求下，一个或数个指标达到最好。“经济性经济性”常常成为热交换器优化设计目标。常常成为热交换器优化设计目标。通过优化设计，使这个目标函数通过优化设计，使这个目标函数“经济性经济性”达到最佳值，亦即达到最经济。达到最佳值，亦即达到最经济。实际问题要求不同，如有的要实际问题要求不同，如有的要求求阻力最小；阻力最小；有的要求传热面最小等等，因而就有不同的有的要求传热面最小等等，因而就有不同的 目标函数。目标函数目标函数。目标函数F(X)可写作可写作：F(X)F(x1，x2，xn)最优化问题的一般形式可表达为最优化问题的一般形式可表达为 minF(X)约束条件约束条件：hi(X)=0(i=1，2，m)gj(X)0(j=1，2，l)6.5 热交换器性能评价热交换器性能评价一台符合生产需要又较完善的热交换器一台符合生产需要又较完善的热交换器应满足几项基本要求：应满足几项基本要求：1)保证满足生产过程所要求的热负荷；保证满足生产过程所要求的热负荷；2)强度足够及结构合理；强度足够及结构合理；3)便于制造、安装和检修；便于制造、安装和检修；4)经济上合理。经济上合理。6.5.1 热交换器的单一性能评价法热交换器的单一性能评价法热交换器的热性能，采用了一些单一的热热交换器的热性能，采用了一些单一的热 性能指标，如：冷、热流体的温度效率性能指标，如：冷、热流体的温度效率：热交换器效率热交换器效率(即有效度即有效度)=Q/Qmax；传热系数传热系数 K；压降压降 p。6.5.2 传热量与流动阻力损失相结合的热性能评价法传热量与流动阻力损失相结合的热性能评价法单一地或同时分别用传热量和压力降的绝对值大小单一地或同时分别用传热量和压力降的绝对值大小，难于比较不同热交换器之间或热交换器传热强化前后难于比较不同热交换器之间或热交换器传热强化前后 的热性能的高低。较为科学的办法应该是把两个量相的热性能的高低。较为科学的办法应该是把两个量相 结合结合，采用比较这些量的相对变化的大小。采用比较这些量的相对变化的大小。以流体消耗单位功率以流体消耗单位功率N所得传递的热量所得传递的热量Q，即即Q/N作为作为 评价热交换器性能的指标。它把传热量与阻力损失结评价热交换器性能的指标。它把传热量与阻力损失结 合在一个指标中加以考虑了合在一个指标中加以考虑了，但不足之处是该项指标但不足之处是该项指标 仍只从能量利用的数量上来反映热交换器的热性能。仍只从能量利用的数量上来反映热交换器的热性能。6.5.3 熵分析法熵分析法热力学第二定律知，对于热交换器中的传热过程，由于存热力学第二定律知，对于热交换器中的传热过程，由于存在冷、热流体间的温差以及流动中的压力损失，必然是一在冷、热流体间的温差以及流动中的压力损失，必然是一个不可逆过程，也就是熵增过程。个不可逆过程，也就是熵增过程。虽然热量与阻力是两种不同的能量形态，但是都可以通过虽然热量与阻力是两种不同的能量形态，但是都可以通过熵的产生来分析它们的损失情况。本杰熵的产生来分析它们的损失情况。本杰(Bejan A)提出使用提出使用熵产单元数熵产单元数Ns(Number of Entropy Production Units)作为作为评定热交换器热性能的指标。他定义评定热交换器热性能的指标。他定义 Ns 为热交换器系统为热交换器系统由于过程不可逆性而产生的熵增由于过程不可逆性而产生的熵增S与两种传热流体中热容与两种传热流体中热容量较大流体的热容量量较大流体的热容量Cmax 之比，即：之比，即：Ns=S/Cmax (6.24)(6.25)6.5.4 火用分析法火用分析法从能源合理利用的角度来评价热交换器的热性能，从能源合理利用的角度来评价热交换器的热性能，还可以应用火用分析法。还可以应用火用分析法。以热交换器的火用效率作为衡量热交换器热性能以热交换器的火用效率作为衡量热交换器热性能 的指标，并定义火用效率为的指标，并定义火用效率为：式中式中：E1,i、E1,o分别为热流体流入、流出的总火用；分别为热流体流入、流出的总火用；E2,i、E2,o分别为冷流体流入、流出的总火用。分别为冷流体流入、流出的总火用。可将此火用效率表达为三种效率的积：可将此火用效率表达为三种效率的积：e=t e,T e,P其中其中：t 为热交换器热效率，即冷流体的吸热量为热交换器热效率，即冷流体的吸热量 Q2与流体与流体的放热量的放热量Q1之比之比(t=Q2/Q1)，反映了热交换器的保温性能。，反映了热交换器的保温性能。e,T及及e,P分别为热交换器的温度火用效率与压力火用效率分别为热交换器的温度火用效率与压力火用效率。6.5.5 具有强化传热表面的热交换器热性能评价具有强化传热表面的热交换器热性能评价 纵向比较法纵向比较法传热强化分成三种目的传热强化分成三种目的减少表面积、增加热负荷和减少表面积、增加热负荷和减少功率消耗减少功率消耗。然后分别在三种不同几何限制条件下然后分别在三种不同几何限制条件下几何状况固定、流通截面不变、几何状况可变，几何状况固定、流通截面不变、几何状况可变，比较强化与未强化时的某些性能，如传热量之比比较强化与未强化时的某些性能，如传热量之比Q/Qs、功率消耗之比、功率消耗之比 N/Ns(s代表代表光管光管)。从这些比值的大小可以优选出某种确定的传热表面强从这些比值的大小可以优选出某种确定的传热表面强化技术下化技术下，针对某种目的最佳几何结构，并进而比较针对某种目的最佳几何结构，并进而比较出哪一种强化技术下的结果最佳。出哪一种强化技术下的结果最佳。这一方法是按强化目的分类，进行单项性能的比较法这一方法是按强化目的分类，进行单项性能的比较法(称为称为“纵向比较法纵向比较法”)。比较结果明确，具有一定的。比较结果明确，具有一定的实用价值，但还不够全面。实用价值，但还不够全面。6.5.6 热经济学分析法热经济学分析法上述几种方法的共同缺点是，它们都只从单一的上述几种方法的共同缺点是，它们都只从单一的 技术观点来评价热性能。技术观点来评价热性能。科学技术的进步必须和经济的发展相结合。科学技术的进步必须和经济的发展相结合。热经济学分析法除了研究体系与自然环境之间的热经济学分析法除了研究体系与自然环境之间的 相互作用外，还要研究体系内的经济参量与环境相互作用外，还要研究体系内的经济参量与环境 的经济参量之间的相互作用的经济参量之间的相互作用。它以第二定律分析它以第二定律分析 法为基础，而最后得到的结果却能直接地给出以法为基础，而最后得到的结果却能直接地给出以 经济量纲表示的答案。经济量纲表示的答案。由于热经济学分析法牵涉面广，复杂，使用中还由于热经济学分析法牵涉面广，复杂，使用中还 有许多具体问题有待解决。但应该肯定，这是一有许多具体问题有待解决。但应该肯定，这是一 种目前所提出的各种方法中最为完善的方法。种目前所提出的各种方法中最为完善的方法。