基于Visual C++數(shù)值分析優(yōu)化設(shè)計(jì)肋片管換熱器的研究

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工業(yè)安全與環(huán)保

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2013年第39卷第3期

M眥h2013

基于visualC++數(shù)值分析優(yōu)化設(shè)計(jì)

肋片管換熱器的研究*

文遠(yuǎn)高1楊恒2趙波峰2

(1．武漢理工大學(xué)土建學(xué)院武漢430Cr70；2．武漢科技大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院武漢430065)

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變化而變化，且忽略基管軸向?qū)釋?duì)換熱的影響。

(5)忽略輻射換熱和重力影響。

(6)改變工況對(duì)肋片效率的影響忽略不計(jì)。

2熱阻因子

對(duì)于結(jié)構(gòu)一定的換熱器而言，對(duì)流換熱熱阻Rc

可以視為常數(shù)，它反映的是換熱器對(duì)流換熱層次的

阻抗，而換熱器熱阻R。反映的是換熱器流體傳熱能

力損失這一層次上的阻抗。用對(duì)流換熱熱阻尺。將

換熱器熱阻吼無(wú)量綱化后得到換熱器熱阻因子廠E。

在無(wú)內(nèi)熱源的一維換熱器中，熱阻因子．廠E即為算術(shù)

平均溫差與對(duì)數(shù)平均溫差之比【3J。如式(1)所示。

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oE一△乃珊rD一2(△“一△t。)

、u式中，△nm，△r帥分別為算術(shù)平均溫差和對(duì)數(shù)平均溫差；△“，△t。分別為冷、熱流體的進(jìn)口溫差和出口溫差。

熱阻因子．廠E反映了多種因素對(duì)換熱器換熱性能的影響。從傳熱的不可逆角度來(lái)看，流經(jīng)換熱器后冷、熱流體的傳熱能力必然有所損失，而熱阻因子廠E即反映了換熱器造成這種損失的能力，熱阻因子越小，則單位傳熱量對(duì)應(yīng)的傳熱能力損失就越小，熱阻因子就傳熱不可逆性的角度反映了換熱器換熱性能的優(yōu)劣。

3基于、，i圈lalC++求解換熱量及熱阻因子選定基準(zhǔn)工況煙氣進(jìn)口溫度300℃，煙氣速度10In／s，水的進(jìn)口溫度20℃，水的流速0．5∥s。

利用visualC++編程求解，首先假定煙氣平均溫度茹=200℃，利用經(jīng)驗(yàn)公式[4】求得換熱器的傳熱系數(shù)墨，然后分別計(jì)算出對(duì)流換熱量①l、煙氣釋放的熱量垂2以及兩者的差值△西，重復(fù)上述做法，找到△西的最小值，并輸出此時(shí)的石和西=(西1+西2)／2，具體方法見(jiàn)圖l。

圖1C++程序設(shè)計(jì)

最后結(jié)果為菇=259．6℃，西=144．6kW。當(dāng)煙氣進(jìn)口溫度為300cc、煙氣流速為10rn／s、進(jìn)口水溫為20℃、水流速度為0．5n∥s時(shí)，求解出煙氣出口溫度為219．2℃、出口水溫為51．5℃、傳熱系數(shù)為70．9W／(m2K)、換熱量為144．6kW以及熱阻因子1．0218。

4傳熱性能分析

為了更好地比較和分析不同因素對(duì)換熱性能的影響，在基準(zhǔn)工況的基礎(chǔ)上，分別研究煙氣流速、煙氣溫度、水流速度和進(jìn)口水溫這4個(gè)因素對(duì)換熱量和熱阻因子的影響【5|。

4．1煙氣流速

根據(jù)傳熱學(xué)基本理論可知，對(duì)于幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)和換熱工質(zhì)的物性參數(shù)已經(jīng)確定了的換熱設(shè)備，流體的流速是影響換熱系統(tǒng)換熱性能比較顯著的因素。因此，本文在基準(zhǔn)工況下，通過(guò)改變管外煙氣人口流速，計(jì)算了煙氣側(cè)流動(dòng)與換熱情況。流速分別取為5，7，9，11，13，15In／s，結(jié)果見(jiàn)圖2。

煙氣流速／(ms。)

圖2煙氣流速對(duì)傳熱性能的影響

由圖2可知，隨著煙氣流速的增加，管外側(cè)的肋片對(duì)流動(dòng)的擾動(dòng)增強(qiáng)，破壞了邊界層，使其換熱得到加強(qiáng)，表現(xiàn)為換熱量的不斷增加。當(dāng)煙氣流速為5n∥s時(shí)，換熱量為124．6kW；當(dāng)煙氣流速達(dá)到15In／s時(shí)，其他條件相同，換熱量可達(dá)153．8kw?？梢?jiàn)煙氣流速對(duì)換熱量影響相當(dāng)明顯，這說(shuō)明增大煙氣流速有利于傳熱的進(jìn)行。

隨著煙氣流速的增大，熱阻因子逐漸降低，熱阻因子就從傳熱不可逆性的角度反映了換熱器的優(yōu)劣，熱阻因子越小，表明換熱器性能越好。因此，煙氣流速的增大可以提高換熱器的性能。

4．2煙氣溫度

除了煙氣流速之外，煙氣溫度變化也對(duì)換熱器性能有重要影響。由于本文主要針對(duì)中低溫?zé)煔獾挠酂崂?，所以在基?zhǔn)工況不變的情況下，模擬計(jì)算了200，220，240，260，280，300℃時(shí)的管外煙氣側(cè)換熱性能，結(jié)果見(jiàn)圖3。

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煙氣溫度／℃

圖3煙氣溫度對(duì)傳熱性能的影響

由圖3可以看出，換熱量隨著煙氣溫度的升高而逐漸增大。從理論上分析，煙氣進(jìn)口溫度越高，管內(nèi)外換熱溫差越大，越有利于傳熱，本文計(jì)算結(jié)果也正好驗(yàn)證了這一理論。當(dāng)煙氣溫度為200℃時(shí)，換熱藿僅為67．01kW；當(dāng)煙氣溫度為300℃時(shí)，換熱量可以達(dá)到144．58l【W(wǎng)，換熱量增加1倍有余，煙氣溫度每升高l℃，換熱量平均能增大O．74kW，這說(shuō)明煙氣溫度對(duì)換熱效果的影響較大。

隨著煙氣溫度的升高，熱阻因子增大，這表明煙氣溫度愈高，傳熱的不可逆損失愈大。進(jìn)口的煙氣溫度過(guò)高一方面會(huì)對(duì)換熱器和其他管道的壽命產(chǎn)生負(fù)面影響，另一方面會(huì)使傳熱的不可逆損失加大。4．3水流速度

在基準(zhǔn)工況下，通過(guò)改變水的進(jìn)口速度來(lái)研究水在管內(nèi)的流動(dòng)與換熱的情況，取進(jìn)口流速分別為O．3，0．5，O．7，0．9，1．1，1．3ln／s，所得結(jié)果見(jiàn)圖4。

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水流速度／(ms．1)

圈4水流速度對(duì)傳熱性能的影響‘

從圖4可以看出，隨著水流速度的增加，換熱量呈增大趨勢(shì)。這是由于管內(nèi)側(cè)雷諾數(shù)m隨著水流速度的增加而增大，雷諾數(shù)越大紊流愈充分，換熱量也就越大。

熱阻因子隨著水流速度的增大而減小，表明水流速度越大，傳熱的不可逆性越小，換熱性能越好。4．4進(jìn)口水溫

為了研究不同工質(zhì)溫度對(duì)換熱性能的影響，本文在基準(zhǔn)工況的基礎(chǔ)上通過(guò)改變工質(zhì)的入口溫度。

分別計(jì)算了進(jìn)口水溫在5，10，15，20，25，30℃時(shí)的換熱情況。計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

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進(jìn)口水溫／℃

圖5進(jìn)口水溫對(duì)換熱性能的影響

從圖5可以看出，隨著進(jìn)口水溫的變大，換熱量略有減小。這也符合一般規(guī)律，當(dāng)煙氣與水溫差相差越大，換熱量越高，換熱效果越好。當(dāng)進(jìn)口水溫為5℃時(shí)，換熱量為151．49kW；當(dāng)進(jìn)口水溫為30℃時(shí)，換熱量為141．52kW，進(jìn)口水溫每升高1℃，換熱量平均能降低O．4lcW。熱阻因子隨著進(jìn)口水溫的增加而增大，表明煙氣與水溫差相差越大，換熱性能愈好。

5結(jié)語(yǔ)

本文在肋片管換熱器結(jié)構(gòu)一定的條件下，在利用VisualC++編程求解的基礎(chǔ)上