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三种不同换热面积的紧凑式换热器传热特性和功耗特性之间的比较

把单位表面积传热速率作为克服单位表面积摩擦阻力的机械功耗的函数绘制成图,则可了解紧凑式传热表面的一个有趣而又重要的特征。图1-2是针对三种不同表面的这种特征绘制的。单位温差下单位表面积的传热速率就是换热系数h,对于些特定的流体物性参数,可按下图中公式计算:

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单位表面积上克服摩擦阻力的功耗是雷诺(Reynolds)数、摩擦系数和流体物性参数的函数,可方便地根据下式确定:

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一旦基本对流换热特性和摩擦特性是雷诺数的已知函数,则可作出h-E曲线。任何特定的传热表面布置均由图中的一条曲线表(图1-2中,空气物性参数是取压力为1个大气压、温度为 260 C条件下的物性参数).

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—个有趣的特点是:对于给定的热通量,对应不同表面的克服摩擦阻力功耗之间出现很大的差别,或者相反地,对于给定克服摩擦阻力的功耗,对应不同表面的热通量之间差别较小.前面讨论了克服摩擦阻力的功耗对热交换器设计的重耍影响. 气体流动的热交換器,正是使摩擦阻力最小的必要性迫使人们采用高传热表面积,而这反过来推动了更为紧凑的传热表面积的研究和发展。但是,从图中可明显看出,使克服摩擦阻力功耗为最小的另一种方法是选择某些表面,它们的传热和摩擦特性之间的关系在传热速率-克服摩檫阻力功率曲线的上部区域。

应当强调的是,针对某一特定用途选择传热表面几何结构绝不是如此简单,还必须考虑其它许多因素.然而,在其它条件相同的情况下,采用图中的三种传热表而设计的具有相同传热和压降性能的三台热交换器的体积和重量将完全不同,而体积最小和重量最轻的热交换器是基于标号为1/8 20. 06(D)的表面结构,对图中偏上的一条曲线。然而,即使体积最小,这种设计可能产生很大的迎风面积,而这可能是也可能不是所希望的。

具有高热通量基本特征(相对于克服摩擦阻力的功耗)的传热表面,称之为高效能表面。需要回答的问题是,为什么某些传热表面具有这个特点。

首先应当注意到,紧凑性本身导致高效能.紧凑表面的通道小,而换热系数h总是随通道水力直径的负指数变化。因此,就其本来属性而言,紧凑表面具有高对流换热系数,这使得高性能曲线出现在传热速率-克服摩擦阻力功耗图表中的上部区域,尽管小水力直径对摩擦阻力功耗有影响。


然而,除了小水力直径的影响之外,通过改善传热表面结构以获得对应一定流速的较高换热系数的办法也能实现高性能。增加传热性能最常用的方法之-是,使壁表面间断,因而不会出现厚边界层。图中给出了这类间断式表面。翅片表面本身特别方便地适用这种处理办法。表面间断也产生较高的摩擦系数,但是,对流换热系数的小量增加可以补偿摩擦系数的较大增加,因为流速可随之降低,而摩擦功随速度的三次方变化。

通过改变流道几何形状获得高效能的其它方法包括诱发边界层分离的曲线形或波形通道.流体垂直流过的管束是高效能表面, 因为在每一管表面上形成新的边界层,其对流换热系数远远超过 流体以相同流速流经圆管内条件下的换热系数.为了提高对流换热系数,常常把各种类型的插入件(助扰器或湍流增进器)置放于管内,但这种方法没有那种直接破坏传热表面上的边界层底层有效。


显然,紧凑式高效传热表面可以加工成各种不同的几何形状。对于许多应用场合,最合乎需要的表面是具有非常复杂的几何结构的表而.仅仅对于几何结构简单的表面,才可能进行关于基本传热特性和摩擦阻力特性的纯理论分析;对于所有其它表面,只有通过实验确定其基本特征,利用模型定律扩展实验结果的应用范围。

提到的
换热器设计是运用统一的表述方法,提供大量的实验数据。后面的数据表和图包括了这些实验数据,覆盖了范围相当广的几何结构形式,因而有可能通过内插近似确定其它表面 的基本特征。


间断翅片(或锯齿翅片表面的一个有趣特征是,它的应用范围限于一定的雷诺数范围。对于光滑管,这个雷诺数范围对应的流动状态是从高层流区至低端流区。一般,这表明雷诺数(基于水力直径)的范围是500—15 000,显然包括流动过渡区。在这个范围之外,间断翅片失去它的优点,而光滑通道的效果与其相同。出于克服摩檫阻力所需功耗相对于传递热量的经济性(与使热力学不可逆性最小有关)考虑和制造小型、紧凑流道的可行性考虑,很多涉及气体流动的应用落在这个雷诺数范围内。随着用于周期流动式热交换器的非常紧凑的多孔芯体(常用玻璃、陶瓷制作)的加工成为可能。感兴趣的雷诺数范围向非常低的层流流动延拓。在这些场合,间断翅片“高效能”表面不再具有任何优点,一般优先选择简单的光滑通道。因为流道的长度与直径比值很大,流动通常是“充分发展的”,可以应用充分发展流动条件下得到的简单分析解。




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