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单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,6,热交换器的试验与研究,6.1,传热特性试验,6.1.1,传热系数的测定,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。,热流体放热量：,Q,1,=,c,p,1,m,1,(,t,1,t,1,),冷流体吸热量：,Q,2,=,c,p,2,m,2,(,t,2,t,2,),对数平均温差,t,m,：,传热系数：,K=Q,/(,F,t,m,),图,6.1,水,水管套式热交换器实验系统,1,电热水箱；,2,水泵；,3,、,11,、,12,、,13,、,14,、,19,阀门；,4,、,10,流量计；,5,内管；,6,套管；,7,保温套；,8,冷水箱；,9,水泵；,15,、,16,、,17,、,18,温度测点；,20,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。,2)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。,4)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。,5)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。,6)改变冷水(或热水)流量假设干次，即改变运行工况，,再进行5的测量。,7)如需要，调节加热功率，将水加热到另一预定温度，,重复46步骤。,8)试验中如有必要，可以改变任一侧流体的流向，,重复5、6两步骤。,9)试验完毕依次关闭电加热器、热水泵及冷水泵等。,图,6.3,K=f(w),曲线,试验数据的整理,1)传热量Q：由于种种原因，试验测试的冷流体吸热量不会完全等于热流体的放热量，可以它们的算术平均值，Q=(Q1+Q2)/2 作为实际的传热量。,2)数据点选取：试验过程误差总是防止不了。为保证结果的正确性，在数据整理时应舍取一些不合理的点。通常，工程上以热平衡的相对误差：,=|Q,1,-Q,2,|,/(,Q,1,+,Q,2,)/2 5%,凡,5%,的点，应予舍弃。,3)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,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,要用曲线或图表示传热系数K与流体流速w,之间的关系。并且，常常选取流速w=1m/s时,的K值作为比较不同型式热交换器传热性能,的标准(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,得的数据和整理结果列成表格。,顺逆流,换热器名称,热流体,冷流体,进口温度,t,1,/,出口温度,t,2,/,流量计读数,V,1,/l,h,-1,进口温度,t,1,/,出口温度,t,2,/,流量计读数,V,1,/l,h,-1,顺流,逆流,实验数据记录,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，或壁温；或要求壁温的场合,Q=(tw tf)F,1估算别离法,如，采用水蒸汽管外冷凝 o一定。,那么：Ro+Rw+Rs=R,待测定：,一般管内流动是处于湍流状态，,i,与流速,w,0.8,成正比，可写成,i,=,c,i,w,0.8,，,代入上式：,2威尔逊(E.E.Wilson)图解法,拟合曲线别离法,上式右边前,3,项可认为是常数，用,a,表示，物性,不变情况下，可认为 是常数，用,b,表示，,于是上式变为：,改变管内流速 wi，那么可测得一系列总,传热系数，绘制成图，那么是一条直线。,由 ,从而，得到管内的对流换热系数 i：,3)修正的威尔逊图解法,由?传热学?，湍流时管内流体的对流换热准那么式为：,(6.8),假设套管环隙流体的对流换热准那么关系式为：,(6.9),将上两式改写成：(6.10),(6.11),采用平均面积计算传热系数K：,(6.12),以角码 i 表示试验点序号，将式(6.10)、(6.11)代入上式,再将它改写为：,该式相当于一个直线方程：,y=a+bx,，截距,a,=1/,c,2,及斜率,b,=1/,c,1,可通过线性回归求得。,式中的每一个试验点的值相应为：,其他方法,1),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,模型，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,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,(,或冷却,),。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,体进口温度和流体与该传热面之间的传热单元数,NTU,的,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,及传热单元,数,NTU,间函数关系,t,f,2,(,NTU),。,由于,NTU,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,t,f,2,(,NTU),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,NTU,值，就是该传热面在测定工况下的,NTU,值。此处,NTU,定义为,NTU,=,F,/,(m,f,c,p,),(,m,f,质量流率，,c,p,流体定压比热,),，因而可求得,平均对流换热系数,。,2)热质类比法,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。,通过测定试验前后萘片的重量及沿萘片外表各处的厚度变化、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。,6.2 阻力特性试验,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。,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。,流动阻力通常为,2.4,节所述的摩擦阻力,p,i,和局部阻力,p,1,p,a,=,2,w,2,2,1,w,2,2,(6.15),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：,p,s,=,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。,因而上述情况下总的流动阻力为,p=,p,f,+,p,1,+,p,a,+,p,s,(6.17),根据计算或测试求得的,p,，再由下式确定所需要的,泵或风机的功率,N,：,N=Vp,/(1000,),，,kW(6.18),V,体积流量，,m,3,/s,；,p,总阻力，,N/m,2,；,泵或风机效率,图,6.7,p=f(w),曲线,图,6.8,Eu=f(Re),曲线,6.3,传热强化及结垢与腐蚀,6.3.1 增强传热的根本途径,根据 Q=KFt 可见，传热量 Q 的增加可以,通过提高传热系数 K、扩展传热面积 F、,加大传热温差 t的途径来实现。,1)扩展传热面积 F,2)加大传热温差 t,3)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,传热系数就必须分析传热过程的每一项热阻。,可见，,K,值比,1,和,2,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？,今将,K,对,1,和,2,分别求偏导。,偏导数K1及K2分别表示了传热系数K随1及2,的增长率。如设12，那么可写为 1=n2，得：,K2=n2 K1,说明当 1=n2 时候，K值随2增长率要比随1,增长率大n2倍。可见，提高2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,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,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，,从而提高以光管外表积为基准的传热系数。,6.3.2 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,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,2)改变流体的物性,3)改变换热外表情况,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，,如加插入物、增加外表粗糙度等；,主动式，如外加静电场、机械方法使传,热外表振动等。这些技术可单独使用，,也可同时采用的称为复合式强化。,图,6.10,垢阻与时间关系,6.3.3,热交换器的结垢与腐蚀,结垢,影响流动与传热,；,腐蚀,影响热交,换器使用寿命。,1),污垢类型,结晶型污垢,；,沉积型污垢,；,生物型污垢,；,其他,2),污垢热阻,污垢热阻,r,s,或污垢系数,h,s,:,r,s,=,s,/,s,=1,/,h,s,m,2,/W,单位面积上沉积量,m,，,垢阻,r,s,、,垢密度,s,、垢的导热系数,s,及沉积厚度,s,之间有以下关系：,m=,s,s,=,s,s,r,s,3),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、,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，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。,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,种类、成分、温度、流速等都影响腐蚀。,腐蚀类型,溶解氧腐蚀；电偶腐蚀；缝隙腐蚀；点腐蚀；应力,腐蚀开裂,(SCC),；磨损腐蚀；氢危害；微生物腐蚀,图,6.12,腐蚀率,-,时间曲线图,腐蚀测试,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。,金属腐蚀的深度表示法是用单位时间(通常以年计),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：,K1=(m1 m2)2436510-3/(A),=Km 2436510-3/，mm/yr,m1、m2腐蚀前后挂片质量，g；A挂片外表积，m2；,挂片试验的时间，h；挂片密度，g/cm3，对钢，,7.8 g/cm3；Km以失重表示的腐蚀率，g/(m2h)。,耐腐蚀性,分类,耐蚀性,等级,腐蚀速度，,mm/yr,完全耐蚀,1,10.0,表,6.1,均匀腐蚀的十级标准,4)腐蚀的防止,加添加剂,电化学保护,采用耐腐蚀材料,或涂(镀)层,改进结构设计,控制运行工况,热交换器的清洗,6.4 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,在满足一定要求下，一个或数个指标到达最好。,“经济性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“经济性,到达最正确值，亦即到达最经济。,实际问题要求不同，如有的要求阻力最小；,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F(X)可写作：,F(X)F(x1，x2，xn),最优化问题的一般形式可表达为 minF(X),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,一台符合生产需要又较完善的热交换器,应满足几项根本要求：,1)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；,3)便于制造、安装和检修；,4)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：,热交换器效率(即有效度)=Q/Qmax；,传热系数 K；,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,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,的热性能的上下。较为科学的方法应该是把两个量相,结合，采用比较这些量的相对变化的大小。,以流体消耗单位功率N所得传递的热量Q，即Q/N作为,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，但缺乏之处是该项指标,仍只从能量利用的数量上来反映热交换器的热性能。,6.
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