流量分布不均勻?qū)Π迨綋Q熱器傳熱性能的影響

1、流量分布不均勻?qū)Π迨綋Q熱器傳熱性能的影響趙鎮(zhèn)南 (天津大學(xué) 摘 要 運(yùn)用并聯(lián)聯(lián)箱流量分布精確解的結(jié)果 , 對(duì)流量非均勻分布導(dǎo)致板式熱交換器典型運(yùn)行工況下 傳熱性能的下降作了計(jì)算和分析 :當(dāng)冷 、 熱流體進(jìn)出口均位于換熱器同一側(cè)時(shí) , 各分支通道的傳熱量不 均勻性相當(dāng)嚴(yán)重 , 但是總傳熱量變化不大 ; 當(dāng)兩流體進(jìn)出口分別位于換熱器兩側(cè)時(shí) , 傳熱分布的均勻性 雖然有了明顯改善 , 但總傳熱量卻比按均勻分布計(jì)算偏低近 20%。 此外 , 還發(fā)現(xiàn)兩側(cè)流體流量的相對(duì)變 化沒有對(duì)傳熱量的分布狀況帶來明顯的影響 。 實(shí)測(cè)結(jié)果亦表明 , 上述理論分析和計(jì)算是正確的 。關(guān)鍵詞 流量分布 板式換熱器 傳熱性能

2、聯(lián)箱 傳熱量分布中圖分類號(hào) T Q05115 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 025426094(2003 01200012符 號(hào) 說 明A 流通截面積 ,m 2;D 直徑 ,m ;f 摩擦系數(shù) ;G ;K 總傳熱系數(shù) ,W 2K ;L 聯(lián)箱全長 ,m ;n 支管數(shù)目 ;Q 傳熱量 ,kW;X 無量綱坐標(biāo) ; 表征阻力的特征參數(shù) ; 性能特征參數(shù) ; 阻力系數(shù) ; 靜壓變化系數(shù) 。下標(biāo)b 支管 ;e 聯(lián)箱出口 ;i 聯(lián)箱入口 。 板式換熱器在眾多工業(yè)領(lǐng)域里有著廣泛的應(yīng) 用 , 如化工企業(yè)中各種工藝流體的冷卻 、 冷凝 , 模 塊式空調(diào)機(jī)組中的冷凝器 、 蒸發(fā)器以及集中供熱 換熱站中的熱媒換熱器等 ,

3、 都是通過聯(lián)箱 (集管 把幾十個(gè)甚至上百個(gè)換熱通道并聯(lián)在一起 。 不少學(xué)者采用各種方法研究了聯(lián)箱導(dǎo)致的流 量分配不均勻性 13, 但對(duì)這種不均勻性究竟給, 存在哪些主要 。 , 由此引發(fā)的問題在設(shè)計(jì)單位和企業(yè)里普 遍存在 , 反映在設(shè)計(jì)計(jì)算方法上 , 至今仍沿用按均 勻流量分配估算換熱性能的傳統(tǒng)慣例 。文獻(xiàn) 1, 2已給出了不同參數(shù)情況下 U 形與 Z 形布置時(shí) 板式換熱器流量分配的精確解 。 本文針對(duì)使用最 廣的 U 形布置液 2液板式熱交換器 , 通過計(jì)算和分 析得出在不同運(yùn)行工況和連接方式情況下流量非 均勻分配對(duì)總傳熱性能的影響 , 從而為換熱器的 設(shè)計(jì)和使用提供有益的指導(dǎo) 。1 U 形

4、聯(lián)箱的流量分配特性對(duì)于 U 形布置的聯(lián)箱 , 文獻(xiàn) 1得出無量綱 參數(shù) 2>0時(shí) , 并聯(lián)通道中的流量分布函數(shù)如下 :G b (X =C 1exp C 1(1-X +C 2exp -C 2(1-X exp (C 1 -exp (-C 2(1式中 C1=cos3; C2=sin 3+cos3;=arctan627-40. 5/2; 1第 30卷 第 1期 化 工 機(jī) 械 趙鎮(zhèn)南 , 男 ,1946年 7月生 , 副教授 。 天津市 ,300072。2=2-iA e2-1bA i2; 2=D i +D e A ebA i2。2是表征聯(lián)箱系統(tǒng)特征的一個(gè)綜合性參數(shù) ,2則代表了聯(lián)箱與板間通道的相

5、對(duì)阻力。對(duì)這兩個(gè)無量綱參數(shù)的詳細(xì)分析請(qǐng)參閱文獻(xiàn) 1,2。 2 主要計(jì)算參數(shù)以天津板式換熱器廠生產(chǎn)的 BR 250型雙人字 波紋板為計(jì)算對(duì)象 , 板片的幾何參數(shù)及板間的摩 擦系數(shù) 、 對(duì)流傳熱計(jì)算公式均取自文獻(xiàn) 4。采用 文獻(xiàn) 5推薦的方法按最粗糙表面來估計(jì)角孔的 摩擦系數(shù) 。 得出 值的變化范圍一般在 210, 而 值基本位于 1156. 0之間。 按照這一分析 ,取比較保守但又不失典型意義的 =2、 =2作 為本文計(jì)算的主要依據(jù)。圖 1給出了當(dāng) =2,0 2的流量分配狀況。 可見在所給定的 變 化范圍內(nèi) , 流量分布基本上沒有差別。圖 1=2角孔軸向的流量分布狀況 3 板間通道流量不均勻?qū)?/p>

6、熱效果的影響計(jì)算 對(duì) 象 為 一 臺(tái) 由 81片 板 片 組 成 的 40m 2BR 250型換熱器 , 兩側(cè)均為單流程 , 板片組合為 40×1/40×1?？疾炝肆鲃?dòng)布置方式 (順流 /逆流 、 冷熱流體的流量比 (10. 6 和進(jìn)出口管路的 連接方式 (單側(cè) /兩側(cè) , 圖 2 等因素對(duì)傳熱量分布 均勻性的影響 。圖 2 單側(cè)與兩側(cè)進(jìn)出口示意311 計(jì)算條件針對(duì) 5種條件計(jì)算流量非均勻分配效應(yīng)的傳 熱情況 , 并與按流量均勻分配計(jì)算所得到的結(jié)果 進(jìn)行對(duì)比 。 這 5種條件分別是 :a. 順流 , 單側(cè) , 冷熱流量比 1 1;b. 逆流 , 單側(cè) , 流量比 1 1;c

7、. 順流 , 單側(cè) , 流量比 1 016(熱流體流速為 018m s ;d. 順流 , 兩側(cè) , 流量比 1 1; e. 逆流 , 兩側(cè) , 流量比 1 1。除第 c 種條件以外 , 其余的熱冷流體的板間 流速均取為 016m s 。 312 計(jì)算結(jié)果的分析和討論由圖 3可知 , 順流單側(cè)布置時(shí) , 板間通道傳熱量 分布的不均勻性十分明顯。 近端傳熱量竟達(dá)到遠(yuǎn)端 的 315倍 , , 遠(yuǎn)端則 , 換熱立即趨于15%20%。 , 順流單側(cè)布置時(shí) , 雖然各通道傳 , 但是換熱器的總傳熱量與流量均 勻時(shí)卻相差不大 , 僅偏低 3%左右。圖 3 傳熱量沿角孔軸線方向的分布 從圖 4可知 , 逆流布

8、置時(shí)情況與順流時(shí)相似 , 進(jìn)出口單側(cè)布置的不均勻性仍大大超過兩側(cè)布 置 。 但是均勻性較好的兩側(cè)布置時(shí)的總傳熱量卻比按流量均勻分布時(shí)偏低近 20%。究其原因是 此時(shí)冷 、 熱流體處于大流量與小流量交叉換熱的 狀態(tài) 。 這種換熱狀況導(dǎo)致總傳熱量和總傳熱系數(shù) 都顯著降低 。 把熱流體的流速提高到 018m/s , 相應(yīng)冷流體 的速度為 0148m/s 。 從表 1和圖 5可以看到 , 這時(shí) 無論沿程傳熱量分布或是總傳熱量都幾乎與圖 12 化 工 機(jī) 械 2003年所示的相同 , 其總傳熱量與流量均勻分布時(shí)相比 也基本相同 。表 1 在流量不均勻分布時(shí)整臺(tái)換熱器的傳熱量和總傳熱系數(shù)與流量均布時(shí)的比較

9、條件非均布時(shí)各通道 傳熱量之和流量均布時(shí)的 總傳熱量相對(duì)差異各通道傳熱系數(shù)的平均值 -2-1流量均布時(shí)的 傳熱系數(shù) -2-1相對(duì)差異a4383458345575039503751145039-10. 4-13. 0-10. 4-9. 6 圖 4 傳熱量沿角孔軸線方向的分布圖 5 傳熱量沿角孔軸線方向的分布 各通道總傳熱系數(shù)的變化情況反映在圖 6中 。 可以看到 , 除了條件 c 沿程 K 值比較均勻以 外 , 其余 4種的 K 值的變化狀況大致相同 , 兩端相差的幅度都達(dá)到一倍以上。 由于其中涉及平均, 所以 K 值沿程變化的原因變得 更加復(fù)雜 。 對(duì)不同的 和 值 , 可以通過類似的分析計(jì)

10、算得出傳熱量的分布以及總量與按均勻分布計(jì)算 時(shí)的差異 ?？偟内厔?shì)是 值越大流量的不均勻 性越嚴(yán)重 , 傳熱量的不均勻性也相應(yīng)增大。但只 要總傳熱量的變化幅度不是太大 , 對(duì)一般換熱器 似乎影響并不嚴(yán)重。但是必須注意到 , 如果外側(cè) 是高溫?zé)煔?, 或者被加熱側(cè)的支路中有汽化發(fā)生 , 由于很難保證讓高溫?zé)煔獾牧髁恳才c并聯(lián)支路中 不均勻的流量相 “配合” , 故有可能導(dǎo)致很嚴(yán)重的 后果 。圖 7 順流與逆流時(shí)按流量均布計(jì)算的傳熱量和單側(cè)、 兩側(cè)進(jìn)出口的測(cè)試值4 測(cè)試結(jié)果 為了驗(yàn)證理論計(jì)算的結(jié)果 , 用 20×1/20×1組合的 BR 20. 05板片作了實(shí)測(cè) , 順流或逆流布置

11、 ,流體進(jìn)出口分別位于一側(cè)或兩側(cè) 。 BR 20105板片3第 30卷 第 1期 化 工 機(jī) 械 的有關(guān)參數(shù)取自文獻(xiàn) 4。 冷熱流體的流速相同 , 進(jìn)口溫度分別等于 18 和 48 , 溫度波動(dòng)幅度控 制在 ±115 以內(nèi) 。 從圖 7可見 , 無論順流或是逆 流 , 進(jìn)出口位于一側(cè)時(shí) , 傳熱量的衰減均很少 , 一 般不超過 3%5%; 進(jìn)出口位于兩側(cè)時(shí) , 傳熱量 的衰減相當(dāng)明顯 , 幅度達(dá)到 10%18%?？紤]到 測(cè)試本身的誤差 , 換熱器的散熱量 , 板片的無量綱 特征參數(shù)的差異等因素 , 可以認(rèn)為這一結(jié)果與理 論計(jì)算是基本一致的 。5 結(jié)論上述計(jì)算結(jié)果表明 , 無論順流或是

12、逆流 , 若兩 側(cè)流體的進(jìn)出口均布置在同一側(cè) , 因流量分配不 均勻?qū)е碌目倐鳠崃肯陆递^少 ; 但如果冷 、 熱流體 分別布置在換熱器的兩側(cè) , 總傳熱量將出現(xiàn)嚴(yán)重 下降 。 另外 , 流量比的相對(duì)變化不會(huì)使上述規(guī)律 發(fā)生明顯改變 。 值和 值不同時(shí) , 也可以用相 同的方法進(jìn)行計(jì)算 , 且 的影響大于 。顯然 , 緩 解乃至消除聯(lián)箱導(dǎo)致的傳熱性能降低問題的根本 途徑 , 是使并聯(lián)支路的流量盡可能均勻地分配。 參 考 文 獻(xiàn)1 趙鎮(zhèn)南 1集管系統(tǒng)壓力與流量分布的研究 ( U 形布置時(shí)的分析解 1太陽能學(xué)報(bào) ,1999,20(4 :377 3842 趙鎮(zhèn)南 1集管系統(tǒng)壓力與流量分布的研究 ( Z

13、 形布置時(shí)的分析解 1太陽能學(xué)報(bào) ,2001,22(3 :363 3663 Wilkins on W L. Flow Distribution in Plate Heat Exchangers. The Chem Engnger ,1974(May :2892934 楊崇麟主編 1板式換熱器工程設(shè)計(jì)手冊(cè) 1北京 :機(jī)械 工業(yè)出版社 ,19945 Schlinder H , Heat Exchanger Design Handbook , V ol. 3. Hemisphere Publishing C orporation ,1983(收稿日期 :20012112, :2002207222In

14、fluence of Uneven FlowofZhennan(Tianjin Univer sity , Tianjin , 300072, China Abstract Based on analysis of the accurate s olution of the flow distribution of parallel mainfolds , the performance lowering of plate heat exchangers in typical w orking condition induced by uneven flow distribution was

15、calculated. When the inlet and outlet of the cold and hot flows were at the same side of the heat exchanger , although there was serious uneven heat trans fer in the main folds ,there were few changes in the total heat trans fer perfor 2 mance. When the cold and hot flows were at each side of the pl

16、ate heat exchanger separately , there were significant im provements in the uniform of heat trans fer distribution , but the total heat trans fer quantity was lower 20%than that of the calculated from the even distribution. It was found out that the relative change of the flow ratio of the tw o side

17、s had no significant in fluence on the heat trans fer performance. The measured result shows that the above theo 2 retical analysis and calculation were correct.K eywords Flow Distribution ,H eat E xchanger , H eat T rans fer Per form ance , M ain fold ,H eat T rans fer Quantity Distribution 化工機(jī)械 榮獲第五屆全國石油和化工行業(yè)優(yōu)秀期刊一等獎(jiǎng) 日前 , 中國石油和化學(xué)工業(yè)協(xié)會(huì)公布了第五屆全國石油和化工行業(yè)優(yōu)秀科技期刊的評(píng)選結(jié)果 , 化工機(jī)械 榮獲此次 評(píng)選的一等獎(jiǎng) 。參加本次評(píng)選的期刊共 129