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基于MATLAB快速式汽水换热器传热与流动研究

点击:965 日期:[ 2014-04-26 21:53:33 ]
                  基于MATLAB的快速式汽-水换热器传热与流动特性研究                            张艳乔1,张金霞2,韩吉田1,邵 莉1     (1·山东大学能源与动力工程学院,山东济南250061; 2·潍坊市建筑设计研究院,山东潍坊261031)     摘要:采用传热有效度-传热单元数(ε-NTU)的方法建立快速式汽-水换热器传热与流动特性的数学模型,利用MATLAB的SIMULINK建立相应的仿真模型,对快速式汽-水换热器的传热与流动特性进行模拟分析,得到了换热器出口混合水温度和压降随换热器的冷水质量流量及混合阀的冷、热水混合比的变化关系,并进一步分析了温度调节混合阀的调节特性。     关键词:快速式汽-水换热器;ε-NTU方法;MATLAB; SIMULINK     中图分类号:TK124 文献标识码:A 文章编号: 1004-7948(2009)11-0024-05     引言     快速式汽-水换热器(也称即热式换热器)是由基于前馈控制原理的温度控制阀(混合阀)和螺旋管换热器所组成的一个换热系统。由于其具有结构紧凑、安装方便、无需常用温控装置、节能等优点,在石化、采暖、制冷空调和生活热水等领域中得到了广泛的应用。快速式汽-水换热器通过带有压差感应装置的混合阀替代传统的温度控制阀和温度传感器实现温度的自动调节,具有温度调节快速和精度高等优点。     目前国内外已对螺旋管式换热器的传热和流动特性进行了研究[1-3],前馈式温度控制技术在换热器的温度控制中也得到了成功应用[4]。但对由螺旋管式换热器和前馈式温度调节混合阀组成的换热器系统传热和流动特性研究却很不够。由于快速式汽-水换热器的传热与流动特性对于该类换热器的有效设计、制造和安全经济运行是至关重要的,因此,其传热和流动特性研究具有重要的理论意义和工程应用价值。     本文采用传热有效度-传热单元数(ε-NTU)的方法建立快速式换热器的传热与流动数学模型,通过MATLAB的SIMULINK建立相应的仿真模型,对传热和流动模型进行模拟分析,得到了换热器出口混合热水温度和压降随着进入换热器的冷水质量流量与进入混合阀的冷、热水混合比的变化关系,并分析了混合阀的调节特性,为快速式换热器的优化设计分析与安全经济运行提供基本数据和依据。     1·工作原理     快速式汽-水换热器的工作原理如图1所示。                       混合阀感应头内膜片上部的压力P1是混合阀入口侧的冷水压力,它通过混合阀入口侧的冷水管接口引至混合阀压差感应头内。膜片下部的压力P2是通过混合阀内通道感应混合热水的压力。混合阀在二者压力差的作用下通过调节冷、热水的比例对混合水的温度进行调节。由于作用于混合阀的压差可以迅速反应混合水流量的变化,因而该换热器系统可根据负荷的变化通过调节冷热水的混合比对热水温度进行快速调节。     2·数学模型     为了建立快速式汽-水换热器传热和流动特性的数学模型,可作如下假定:冷、热流体在换热器内的流速是均匀的,可用平均对流换热系数关联式计算螺旋管内外两侧流体的对流换热系数,可忽略不计换热器各部分与周围环境之间的散热损失、液膜热阻和污垢热阻。     2·1几何分析     图2是螺旋管的结构尺寸示意图。                        假定每一圈螺旋管间是均匀排列的,则可以用a来表示相邻两螺旋管之间表面间通道的螺旋通道间距。以螺旋盘管的圆心O到螺旋管的最内端管子中心线为基准线,绕螺旋盘管的圆心逆时针旋转后所得的角为螺旋角θ。假设每一圈螺旋管均为半径均匀增加的圆,任意微小螺旋角对应的弧线都近似为圆弧,且螺旋盘管上下层之间无间隙紧密排列。则可用极坐标表示螺旋盘管的内径为:                       2·2快速式换热器的传热     本文考虑的是壳侧蒸汽凝结为饱和水后并被进一步冷却的冷凝冷却过程。在利用ε-NTU方法建立的数学模型中引入一个中间温度th,m。假设水蒸气凝结释放的潜热量恰好使冷水温度上升到th,m,而冷凝水的显热量使冷水温度由th,m继续上升到最终温度。则潜热过程的传热量Q1可表示为:                    2·2·1换热器出口热水温度     通过将对应公式代入ε-NTU模型中,可得到换热器出口热水温度随管内水质量流量变化的表达式:                     2·2·2混合热水的温度     在无散热损失和泄漏的情况下,混合阀内冷、热水混合的热平衡方程式为:     mccp, c(tb-th, in)=mhcp, h(th, out-tb) (14)     式中:mc—进入混合阀的冷水质量流量;     tb—混合阀出口的混合热水温度;     cp, c、cp, h—分别为冷、热水的定压比热容;     mh—进入混合阀的热水质量流量。     由于进入混合阀的热水温度不高,在此范围内可忽略水的定压比热随温度的变化,近似有cp, c=cp, h。     定义进入混合阀的冷水流量与热水流量的比为混合比,即:                      整理后可得混合阀出口混合热水的温度随混合比的变化关系为:     2·3快速式换热器的流动阻力     本文选用Srinivasan推导的适用于光滑螺旋管的单相摩擦阻力系数关联式计算螺旋管换热器的压力损失ΔPf为:                    式中:ρ—流体密度;uh—进入混合阀的热水流速。其中,摩擦阻力系数表达式为:                    3·快速式换热器的仿真模型     根据以上的数学模型,采用MATLAB的SIM-ULINK模块建立了图3和图4所示的快速式换热器的传热和流动特性的仿真模型。     4·仿真结果与分析     图5给出了在进入混合阀的冷、热水混合比不同时混合热水温度随水的总质量流量变化的关系。当换热器在某一特定条件下工作时,随着水需求量的增加,混合热水温度降低,其变化趋势与混合比有关。当混合比较小时,混合热水温度随水需求量的增加由急剧变化逐渐变缓,当混合比达到一定值时,混合热水温度随水需求量的增加则由缓慢而变快,且在一个很小的温度范围内变化。而混合热水温度随混合比的变化则是随着流量的增加呈现出一个先减小后增加的趋势。                        图6是水的总流量不变时混合热水温度、换热器出口热水温度随着进入混合阀的冷热水混合比及进入换热器的冷水质量流量的变化关系。由图6可知,当水的总流量不变时,随着进入混合阀的冷热水混合比的增加,进入换热器的冷水质量流量逐渐减小。混合热水温度随着进入混合阀的冷热水混合比增加而降低,换热器出口热水温度随着进入混合阀的冷热水混合比的增加而线性升高。且进入混合阀的冷热水混合比越大,混合热水温度与换热器出口热水温度之间的温差越大,当混合比等于零时,二者相等。这是因为当水的总流量不变时,随着进入混合阀的冷热水混合比的增加,进入换热器的冷水质量流量减小,而进入混合阀的冷水质量流量则增加。由于进入换热器的冷水质量流量减小,热源供给充足的热量而使换热器出口热水温度升高。但冷热水混合比对混合热水温度的影响比换热器出口热水温度对混合热水温度的影响更明显,因而混合热水温度是降低的。直到混合阀的水全部由冷水提供时,混合热水温度等于提供的冷水温度。而当流出混合阀的混合热水全部由换热器出口的热水提供时,即进入混合阀的冷水流量为零时,混合热水温度则等于换热器出口的热水温度。                        图7为在进入混合阀的冷热水混合比不同时混合阀出口压力随着进入混合阀的热水质量流量变化的关系。                        混合阀出口的压力随着进入混合阀的热水流量的增加而降低,但随着混合比的变化,混合阀出口的压力变化很小。当水的需求量增加时,混合阀出口的混合热水温度降低。由于混合阀出口的压力降低使作用于混合阀的压降增大,混合阀的调节作用减小了冷热水的混合比,使混合热水温度调整到设定值。     图8给出了当水的总流量一定时,混合阀出口压力、进入混合阀的冷热水混合比与进入混合阀的热水质量流量之间的变化关系。当水的总流量一定时,随着混合比的增加,进入混合阀的热水流量减少,混合热水的温度将降低,而混合阀出口的压力则随之升高。而混合阀出口压力的升高将使混合阀动作,不断地调节冷热水的混合比,改变进入换热器的冷水流量,使混合热水的温度调节到设定值。                      5·结论     应用ε-NTU方法建立快速式汽-水换热器传热与流动特性的数学模型,通过MATLAB的SIMU-LINK对传热和流动过程进行了模拟分析,得到了换热器的传热与流动特性。     研究结果表明:当换热器的负荷增大时,换热器出口混合水的温度会降低,且混合水温度变化的快慢与混合比的大小有关;当换热器的负荷不变时,换热器出口热水温度随着进入混合阀的冷热水混合比的增加而线性升高;混合阀出口的压力随着进入混合阀的热水流量的增加而降低。     快速式汽-水换热器的传热与流动特性不但与换热器本身有关,而且与混合阀的调节特性密切相关,开发调节性能优良的混合阀是提高该类换热器整体性能的关键之一。 参考文献 [1]Naphon P, Wongwises S. Heat transfer coefficients underdry-and  wet-surface conditions for a spirally coiled finnedtube heat exchanger [J]. International Communications inHeat andMassTransfer, 2005, 32 (3-4): 371-385. [2]王新晶,宋忠喜,国春凤.新型螺旋管式换热器的设计[J].节能, 2003, 25(5): 10-11. [3]韩志航,孙奉仲,韩吉田,等.螺旋管式换热器的过冷凝结方法研究[J].热能动力工程, 2004, 19(6): 645-647. [4]程卫军.前馈式蒸汽快速热水器的原理和应用[J].上海节能, 2005, (3): 66-69. 作者简介:张艳乔(1982-),女,河北秦皇岛人,硕士研究生,工程师,从事制冷与空调系统的研究开发与设计工作。
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