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流体相对流动对套管式换热器效率的影响分析

点击:1217 日期:[ 2014-04-26 21:14:18 ]
                       流体相对流动对套管式换热器效率的影响分析                                    袁尚科1,赵子琴2 (1.兰州工业高等专科学校建筑工程系,甘肃兰州 730050; 2.兰州理工大学石油化工学院,甘肃兰州 730050)     摘要:采用效率传热单元法(ε-NTU)分析了顺流和逆流2种形式套管式换热器效率的影响因素, 给出了效率计算公式和线算图。分析认为,当采用单管式换热器时,逆流连接方式的换热效率较高,当采用双程套管换热器时,顺流连接方式的换热效率较高。     关键词:换热器;换热效率;顺流;逆流;影响因素     中图分类号:TQ 051.501 文献标志码:A     换热器是各类工业和民用设备中重要的能量交换设备之一,也是影响换热系统运行效率的重要因素之一。其中套管式换热器因结构简单、传热面积大、传热效果好以及适应性强等特点在污水源热泵空调系统中得到广泛使用[1]。在实际工程中,根据冷、热流体的相对流向,换热器分为顺流和逆流2种形式。一般逆流换热效率比顺流高[2~4]。但对于双程套管换热器,顺流的换热效率并不比逆流差[5]。笔者利用效率-传热单元数法(efficiency-number o transfer units method,ε-NTU)对几类套管式换热器的换热效率进行分析,分别给出了顺流和逆流时换热效率的计算公式、变化特点、最大值等。     1 单程套管换热器换热效率     换热器的换热效率ε一般定义为小热容量流体的进、出口温差与冷、热2种流体的进口温差之比。 ε值越大,小热容量流体的温度变化也越大,换热量就越大,换热效率就越高。引入量纲一参数(即换热 单元数,Number of Transfer Units,NTU)NTU= KF/Cmin。其中K为传热系数,W/(m2·℃);F为传热面积,m2;Cmin=m1cp,为换热时热容较小的流 体的热容,kJ/℃;m1为流体的质量,kg;cp为比定 压热容,kJ/(kg·℃)。     根据文献[4]的分析可知,顺流时的换热效率 ε1s的通用表达式为:                           式(1)~式(2)中,Cmax=m2cp,为换热时热容较高流 体的热容,kJ/℃;m2为流体的质量,kg;Cr=Cmin/ Cmax,为换热过程中2种流体的热容比或水当量比。 由文献[4]分析可知,Cr在0.54~0.85。     根据式(1)和式(2)可得顺流和逆流过程中ε与 Cr和NTU的关系曲线图,分别见图1和图2。                       对比图1和图2可知,在一定的热容比值下, NTU增大,不论Cr为何值,换热器的换热效率ε的极限将趋于1。对于顺流换热器,即使换热面积为无限大,热容为Cmin流体的温度变化也不可能达到换热器中的最大温差,极端情况是2种换热流体达到相同的出口温度。例如,当Cr=1时,顺流过程的 效率极限为0.5,只有逆流的一半左右。所以,在一定的NTU下,逆流时的ε1n较顺流时的ε1s大,亦即单程套管换热器中逆流方式的换热效果较顺流好。 所以,当使用单程套管换热器时,应使冷、热2种流体逆向流动。     2 双程套管换热效率分析     逆、顺流式双程套管换热器示意分别见图3和图4。图中,th1为高温流体的入口温度,th2为高温流体的中间温度,th3为高温流体的出口温度,tc1为低温流体的入口温度,tc2为低温流体的中间温度,tc3为低 温流体的出口温度,℃。     双程套管换热器和单程套管换热器相比,增加了换热面积和换热时间,换热效果较单程好。但是冷、热2种流体的相对流向仍然是影响换热器换热效率的主要因素。                       需要指出的是,根据文献[4]的定义,虽然大热容量流体的进出口温差与冷、热2种流体的进口温差之比已不再具有换热效率的含义,但是相应的ε与NTU之间的数学关系依然正确,且ε越大,得到的换热量越大。实验测试表明,水-水换热器中,冷、热水的密度和比热容相差甚小,可以认为相同,计算 关系式较简单,对于2种不同类型的冷、热流体间的换热,密度和比热容一般不相同,换算关系式较复 杂。但用水-水换热器得出的结论仍然适用。故以水-水换热器为例进行分析。 根据换热效率ε的定义式,由文献[5]中的图1可知,对于逆流单程套管换热器有:                                     3 结论     (1)给出了单程套管换热器顺流和逆流换热效 率的计算公式,采用ε-NTU法分析了单程套管换热 器换热效率的影响因素,对同一换热器,采用逆流换 热方式的效率较顺流换热效率高。     (2)采用ε-NTU法得到了双程套管换热系统逆 流和顺流的换热效率公式,发现逆流换热效率并不 随换热面积增加而单调增加,该反常现象是返热等 因素造成的。     (3)对双程套管换热系统,顺流效率始终大于逆 流效率,说明双程套管换热系统应采用顺流形式。 参考文献: [1] 蒋能照,刘道平.水源、地源、水环热泵空调技术及应用[M].北 京:机械工业出版社,2007:84-86. [2] 曾文良,马晓旭,邓先和·换热器不可逆性损失分析及评价 [J].石油化工设备,2008,37(1):16-20. [3] 王 军,陈良才,冯志力·并、逆流间壁换热器冷热流体温度分 布方程[J] .石油化工设备,2008,37(3):9-12. [4] 章熙民,任泽霈.传热学[M].北京:中国建筑工业出版社, 2001:275-280. [5] 张承虎,孙德兴,吴荣华.城市污水冷热源输送换热法(2)换热 形式与效率分析[J].暖通空调,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] 马最良,吕 悦.地源热泵系统设计与应用[M] .北京:机械工 业出版社,2007:127-129. (杜编) 
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