热交换器原理与设计第6章-热交换器的试验与研究

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：Q1=cp1·m1·(t1′–t1″)冷流体吸热量：Q2=cp2·m2·(t2″–t2′)对数平均温差Δtm：传热系数：K=Q/(FΔtm)tΔtΔlntΔtΔtΔtΔlntΔtΔΔtm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)流量若干次，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4～6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6.3K=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：试验过程误差总是避免不了。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：δ=|Q1-Q2|/[(Q1+Q2)/2]≤5%凡δ5%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ΔP)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t1/℃出口温度t2/℃流量计读数V1/l·h-1进口温度t1/℃出口温度t2/℃流量计读数V1/l·h-1顺流逆流实验数据记录mfnfPrReCNu6.1.2对流换热系数的测定对常规定型结构的换热器：Nu=αl/λRe=wl/v对新型结构，或已知壁温；或要求壁温的场合Q=α(tw–tf)FiswooRRRRK11）估算分离法如，采用水蒸汽管外冷凝αo一定。则：Ro+Rw+Rs=R’待测定：’oioR-K1RR或ioiswooFFα1RRα1K1一般管内流动是处于湍流状态，αi与流速w0.8成正比，可写成αi=ci·w0.8，代入上式：2）威尔逊(E.E.Wilson)图解法—拟合曲线分离法io0.8iiswooFFwc1RRα1K10.8iioiow1FFc1K1定数上式右边前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：ioiFFc10.8iow1baK1改变管内流速wi，则可测得一系列总传热系数，绘制成图，则是一条直线。由→从而，得到管内的对流换热系数αi：ioiioiFFb1cFFc1b0.8iiiwcα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则式为：(6.8)假设套管环隙流体的对流换热准则关系式为：(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0.14w221/32m222/2)μ(μPrRecNu0.14w111/320.8111/)μ(μPrRecNu0.14w22m2220.14w110.8111//2μBRecαμBRecα2sw1α1rrα1K10.14iw2,i2,mi2,2sw0.14iw1,i1,0.8i1,1i/1/112μBRecrrμBRecK再将它改写为：该式相当于一个直线方程：y=a+bx，截距a=1/c2及斜率b=1/c1可通过线性回归求得。式中的每一个试验点的值相应为：0.14iw1,i1,0.8i1,0.14iw2,i2,mi2,120.14iw2,i2,mi2,swi//1/22μBReμBRecc1μBRer-r-K10.14iw2,i2,mi2,swi10.14iw1,i1,0.8i1,0.14iw2,i2,mi2,1///22μBRer-r-K1yμBReμBRex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τ及传热单元数NTU间函数关系tf,2(τ,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tf,2(τ,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=αF/(mfcp)(mf—质量流率，cp—流体定压比热)，因而可求得平均对流换热系数α。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表面各处的厚度变化、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Δpi和局部阻力Δp1Δpa=ρ2w22–ρ1w22(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：Δps=±g(ρo–ρ)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Δp=Δpf+Δp1+Δpa+Δps(6.17)☆根据计算或测试求得的Δp，再由下式确定所需要的泵或风机的功率N：N=VΔp/(1000η)，kW(6.18)V—体积流量，m3/s；Δp—总阻力，N/m2；η—泵或风机效率图6.7Δp=f(w)曲线图6.8Eu=f(Re)曲线6.3传热强化及结垢与腐蚀6.3.1增强传热的基本途径根据Q=KFΔt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Δt的途径来实现。1)扩展传热面积F2)加大传热温差Δt3)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。121222112121121ααααααααααααα1α1K可见，K值比α1和α2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α1和α2分别求偏导。22121α2'222122α1'1)α(αααKK)α(αααKK12☆偏导数K1′及K2′分别表示了传热系数K随α1及α2的增长率。如设α1α2，则可写为α1=nα2，得：K2′=n2K1′☆表明当α1=nα2时候，K值随α2增长率要比随α1增长率大n2倍。可见，提高α2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，从而提高以光管表面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)改变换热表面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、增加表面粗糙度等；＊主动式，如外加静电场、机械方法使传热表面振动等。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rs或污垢系数hs:rs=δs/λs=1/hsm2·℃/W＊单位面积上沉积量m，垢阻rs、垢密度ρs、垢的导热系数λs及沉积厚度δs之间有以下关系：m=ρsδs=ρsλsrs3)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)×24×365×10-3/(Aτρ)=Km×24×365×10-3/ρ，mm/yrm1、m2—腐蚀前后挂片质量，g；A—挂片表面积，m2；τ—挂片试验的时间，h；ρ—挂片密度，g/cm3，对钢，ρ≈7.8g/cm3；Km—以失重表示的腐蚀率，g/(m2·h)。耐腐蚀性分类耐蚀性等级腐蚀速度，mm/yrⅠ完全耐蚀10.001Ⅱ很耐蚀230.001~0.0050.005~0.01Ⅲ耐蚀450.01~0.050.05~0.1Ⅳ尚耐蚀670.1~0.50.5~1.0Ⅴ欠耐蚀891.0~5.05.0~10.0Ⅵ不耐蚀1010.0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，一个或数个指标达到最好。☆“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”达到最佳值，亦即达到最经济。☆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基本要求：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)ε=Q/Qma