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换热器设计引论

热交换器设计涉及到流体间传热速率和克服流体摩擦阻力,以及推动流体流过热交換器需要的泵耗机械功。由于热交换器内工质是高密度流体,相对于传热速率一般克服摩擦阻力功耗的费用低,因此很少把克服摩擦阻力功耗费用看作决定性因素。然而, 对象气体这类的低密度流体,克服摩擦阻力功耗的机械能会轻而易举地多达所传递的热能。应当记住,在绝大多数热力系统中,机械能价格是同量热能的4—10倍.


不难证明,对作为热交换器传热表面的绝大多数类型的流道, 增加流体流动速度可增加单位表面积的传热速率,而这速率的变化略低于速度的一次幂。克服摩擦阻力的功耗也随着流速的增加而增加,但在这种情况下,阻力随流速的变化高达3次方,而绝不会低于1次方。正是这种属性,使得设计者必须兼顾传热速率和摩擦阻力(压降)两者的要求;正是这种属性,表明了不同类型热交换器的众多特点。


如果某一特定应用中的克服摩檫阻力的功耗过高,设计者则可通过增加热交换器内流道数目来降低流速。这个措施也将减小单位传热表面的传热速率,但根据上述关系可知,传热速率的降低显著地小于摩擦阻力的降低。增加传热表面积(延长管束)可补偿传热速率的损失,反过来这也增加克服摩擦阻力的功耗,但此时功耗仅与传热表面积以相同比例增加.
                            
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在气体流动热交换器内,摩擦阻力的限制迫使设计者选择相当低的质量流速。气体的低质量流速和低导热系数(低于绝大多数液体)导致单位传热表面的低传热速率。因此,传热表面积大是气体流动热交换器的一个典型恃征。在总传热速率和泵耗功率需求 相当的前提下,气-气式热交换器传热表面积多达冷凝器、蒸发器或液-液式热交換器表面枳的10倍。例如,如果-台燃气轮机的回热器能有效地工作,它所需要的传热表面积是发电容量相当的蒸汽发电装置的锅炉和冷凝器传热表面积之和的几倍。

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这些认识促使了许多种适用于气体流动的传热表面加工制造方法的发展。气休流动应用要求大的传热表面积密度。这类表面称之为紧凑式传热表面。


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