基于努賽爾方程的逆流管式換熱器的性能研究

(天津現代職業技術學院，天津 300350)

換熱器是化工、石油、能源等工業中應用相當廣泛的單元設備之一。新型換熱元件與高效換熱器開發研究的結果表明, 列管式換熱器已進入一個新的研究時期, 無論是換熱器的傳熱管件, 還是殼程的折流結構，都比傳統的管殼式換熱器有了較大的改變[1]。本文以努賽爾方程為基礎建立數學模型，通過計算逆流管式換熱器的多個設計參數，并驗證所選用的數學模型是否合適，為數學模擬該型換熱器提供可行的方案。

1 換熱系數

1.1 總換熱系數

為了計算換熱管管內表面積，需要計算相對應的總換熱系數Ui；為了計算換熱管管外表面積，需先計算相對應的總外換熱系數Ue。Ui、Ue的計算方程分別如下：

(1)

(2)

式中：Di——換熱管的內徑；

De——換熱管的外徑；

hi——換熱管內的局部換熱系數；

he——換熱管外的局部換熱系數；

k′——不銹鋼的熱導率；

e——換熱修正系數。

1.2 局部換熱系數

為了計算管內和管外的局部換熱系數hi和he，需要使用努塞爾方程[2～5]：

(3)

式中：Nu——努賽爾系數；

h——流體的對流導熱系數；

k——靜止流體的導熱系數。

如果可以確定努賽爾系數，就可以求得hi和he。但是需要特別注意的是，對于hi和he來講，它們所對應的努賽爾系數是不同的。因此，需要使用到如下不同的方程。

(1)換熱管內部

Nu=0.023Re0.8Pr0.4

(4)

(5)

(6)

(7)

(2)換熱管外部

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

Gm=(GlGt)1/2

(14)

式(4)中，Re為雷諾數，Pr為普蘭德數。式(5)中，G為空氣的質量流量，μ為空氣在參考溫度下的粘度，下角標“m“表示平均值。式(6)中，w為空氣的體積流量，Dc為換熱器折流板的直徑；n為換熱管的數量。式(7)中，Cp為空氣的定壓比熱。式(9)中，Gm為質量流量。式(10)中，a為對流傳熱系數，下角標“1”表示換熱器非折流板部分。式(11)中，ε為換熱器非折流板部分(即空白部分)的橫截面積與換熱器折流板總的橫截面積之比。式(12)中，下角標“t”表示換熱器折流板部分。式(13)中，B為折流管之間的間距。

2 換熱溫差

表1為逆流管式換熱器換熱參數的理論計算結果。這些結果中除了前面推導過的總換熱系數

表1 逆流管式換熱器各換熱參數理論計算結果

表2 逆流管式換熱器換熱效率實驗的計算結果

U、局部換熱系數h外，還包括了冷熱流體間的換熱量，以及熱流體在換熱器進出口的溫差ΔT。這些理論數據的計算使用與后期的實驗數據計算相同的公式，以便進行對比研究。

3 實驗結果(表2)與討論

由表2可以看出，增加冷熱流體的流量，換熱量也隨之增加，并導致換熱效率的增大。還可以看出，對于換熱效率來講，冷流體的流量變化比熱流體的流量變化更為重要。比較換熱溫差，實驗數據要略高于理論計算數據，考慮到實際生產過程中存在的熱損耗，該誤差在合理的范圍內。比較理論計算結果與實驗結果, 換熱系數基本上是相同的，這也就驗證了所選用的數學模型是合適的，為數學模擬逆流管式換熱器提供了可行的方案。

參考文獻：

[1]馮國紅，曹艷芝，郝紅.管殼式換熱器的研究進展[J].化工技術與開發，2009，38(6)：41～45.

[2]楊明，孟曉風，張衛軍.管殼式換熱器的一種優化設計[J].北京航空航天大學學報，2009，54(5)：615～618.

[3]王永平.列管式換熱器的設計計算[J].內蒙古石油化工，2009，34(7)：95～96.

[4] 林宗虎.管式換熱器中的單相流體強化傳熱技術[J].自然雜志，2013，36(5)：313～319.

[5] 馬進，王兵樹，馬良玉.管式換熱器動態數學模型的蹺蹺板效應分析[J]. 系統仿真學報， 2006， 18(5)：1105～1107.