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流體相對流動對套管式換熱器效率的影響分析

點擊:1742 日期:[ 2014-04-26 21:14:18 ]
                       流體相對流動對套管式換熱器效率的影響分析                                    袁尚科1,趙子琴2 (1.蘭州工業高等專科學校建筑工程系,甘肅蘭州 730050; 2.蘭州理工大學石油化工學院,甘肅蘭州 730050)     摘要:采用效率傳熱單元法(ε-NTU)分析了順流和逆流2種形式套管式換熱器效率的影響因素, 給出了效率計算公式和線算圖。分析認為,當采用單管式換熱器時,逆流連接方式的換熱效率較高,當采用雙程套管換熱器時,順流連接方式的換熱效率較高。     關鍵詞:換熱器;換熱效率;順流;逆流;影響因素     中圖分類號:TQ 051.501 文獻標志碼:A     換熱器是各類工業和民用設備中重要的能量交換設備之一,也是影響換熱系統運行效率的重要因素之一。其中套管式換熱器因結構簡單、傳熱面積大、傳熱效果好以及適應性強等特點在污水源熱泵空調系統中得到廣泛使用[1]。在實際工程中,根據冷、熱流體的相對流向,換熱器分為順流和逆流2種形式。一般逆流換熱效率比順流高[2~4]。但對于雙程套管換熱器,順流的換熱效率并不比逆流差[5]。筆者利用效率-傳熱單元數法(efficiency-number o transfer units method,ε-NTU)對幾類套管式換熱器的換熱效率進行分析,分別給出了順流和逆流時換熱效率的計算公式、變化特點、最大值等。     1 單程套管換熱器換熱效率     換熱器的換熱效率ε一般定義為小熱容量流體的進、出口溫差與冷、熱2種流體的進口溫差之比。 ε值越大,小熱容量流體的溫度變化也越大,換熱量就越大,換熱效率就越高。引入量綱一參數(即換熱 單元數,Number of Transfer Units,NTU)NTU= KF/Cmin。其中K為傳熱系數,W/(m2·℃);F為傳熱面積,m2;Cmin=m1cp,為換熱時熱容較小的流 體的熱容,kJ/℃;m1為流體的質量,kg;cp為比定 壓熱容,kJ/(kg·℃)。     根據文獻[4]的分析可知,順流時的換熱效率 ε1s的通用表達式為:                           式(1)~式(2)中,Cmax=m2cp,為換熱時熱容較高流 體的熱容,kJ/℃;m2為流體的質量,kg;Cr=Cmin/ Cmax,為換熱過程中2種流體的熱容比或水當量比。 由文獻[4]分析可知,Cr在0.54~0.85。     根據式(1)和式(2)可得順流和逆流過程中ε與 Cr和NTU的關系曲線圖,分別見圖1和圖2。                       對比圖1和圖2可知,在一定的熱容比值下, NTU增大,不論Cr為何值,換熱器的換熱效率ε的極限將趨于1。對于順流換熱器,即使換熱面積為無限大,熱容為Cmin流體的溫度變化也不可能達到換熱器中的最大溫差,極端情況是2種換熱流體達到相同的出口溫度。例如,當Cr=1時,順流過程的 效率極限為0.5,只有逆流的一半左右。所以,在一定的NTU下,逆流時的ε1n較順流時的ε1s大,亦即單程套管換熱器中逆流方式的換熱效果較順流好。 所以,當使用單程套管換熱器時,應使冷、熱2種流體逆向流動。     2 雙程套管換熱效率分析     逆、順流式雙程套管換熱器示意分別見圖3和圖4。圖中,th1為高溫流體的入口溫度,th2為高溫流體的中間溫度,th3為高溫流體的出口溫度,tc1為低溫流體的入口溫度,tc2為低溫流體的中間溫度,tc3為低 溫流體的出口溫度,℃。     雙程套管換熱器和單程套管換熱器相比,增加了換熱面積和換熱時間,換熱效果較單程好。但是冷、熱2種流體的相對流向仍然是影響換熱器換熱效率的主要因素。                       需要指出的是,根據文獻[4]的定義,雖然大熱容量流體的進出口溫差與冷、熱2種流體的進口溫差之比已不再具有換熱效率的含義,但是相應的ε與NTU之間的數學關系依然正確,且ε越大,得到的換熱量越大。實驗測試表明,水-水換熱器中,冷、熱水的密度和比熱容相差甚小,可以認為相同,計算 關系式較簡單,對于2種不同類型的冷、熱流體間的換熱,密度和比熱容一般不相同,換算關系式較復 雜。但用水-水換熱器得出的結論仍然適用。故以水-水換熱器為例進行分析。 根據換熱效率ε的定義式,由文獻[5]中的圖1可知,對于逆流單程套管換熱器有:                                     3 結論     (1)給出了單程套管換熱器順流和逆流換熱效 率的計算公式,采用ε-NTU法分析了單程套管換熱 器換熱效率的影響因素,對同一換熱器,采用逆流換 熱方式的效率較順流換熱效率高。     (2)采用ε-NTU法得到了雙程套管換熱系統逆 流和順流的換熱效率公式,發現逆流換熱效率并不 隨換熱面積增加而單調增加,該反常現象是返熱等 因素造成的。     (3)對雙程套管換熱系統,順流效率始終大于逆 流效率,說明雙程套管換熱系統應采用順流形式。 參考文獻: [1] 蔣能照,劉道平.水源、地源、水環熱泵空調技術及應用[M].北 京:機械工業出版社,2007:84-86. [2] 曾文良,馬曉旭,鄧先和·換熱器不可逆性損失分析及評價 [J].石油化工設備,2008,37(1):16-20. [3] 王 軍,陳良才,馮志力·并、逆流間壁換熱器冷熱流體溫度分 布方程[J] .石油化工設備,2008,37(3):9-12. [4] 章熙民,任澤霈.傳熱學[M].北京:中國建筑工業出版社, 2001:275-280. [5] 張承虎,孫德興,吳榮華.城市污水冷熱源輸送換熱法(2)換熱 形式與效率分析[J].暖通空調,2008,38(3):68-72. [6] Yoshii T.Technology for Utilizing Unused Low Temperature Difference Energy[J]. Journal of the Japan Institute of Ener- gy,2001,(8):696-706. [7] 馬最良,呂 悅.地源熱泵系統設計與應用[M] .北京:機械工 業出版社,2007:127-129. (杜編) 
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