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间壁式热交换器的换热计算

对于常规的两流体热交换器,与换热性能有关的参数列举如下:

U=传热系数,Btu/(h * °F • ft2)或 W/(m2 • K)
定义U的表面枳,ft2或

流动方式布置=逆流、顺流、叉流、顺逆流或这些基本流动方式的组合。

这些参数之间的关系是热交换器换热计算的基础,

除了传热系数U之外,前面所有变暈的意义不言而喻。传热系数U由-个总的传热方程给出,而这个方程类似于电流稳定流动的欧姆定律,综合考虑热量由热流体向冷流体传递过程中的对流换热和导热机理:

式中,dq/dA是热交换器内温差th-tc处单位面积的热通量 [Btu/(h • ft2)或W/m2]。该式明显地反映了U是基于温差th-tc和单位传递面积的一个总传热系数。U的倒数是总的传热热阻,它由下述几项组成:

(1)热流体侧对流项,包括该侧扩展表面或肋片的温度不均匀性。

(2)壁的导热项。

(3)冷流体侧对流项,包括该侧扩展表面或肋片的温度不均匀性。

(4)污垢热阻,它考虑了热冷流体两侧运行过程屮的结垢影响。

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对流換热系数hg和ha是表面几何形状、流体物性参数和流 动条件的复杂函数。除了某些简单的几何形状,工程技术人员通常利用模型实验确定这些系数。在后文中提到,运用无因次参数将这些系数以图表形式给出。将考虑随温度变化的流体物性参数对换热系数的影响。

如果两侧都不采用扩展表面,可作相应地简化。然而,如果采用扩展表面,肋片伸人流体中间,沿肋片的温度梯度降低了传热表面的温度效率,因而是一次表面的百分之百效率和肋表而低于百分之百的效率的加权平均,因此

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如果肋片由壁延伸至壁,有效肋长度l是两壁间距的一半。图2-13 表达了这个关系式。图中所示对应于广泛应用于圆管外侧的圆环肋片。圆环肋片的解以一簇曲线表示,其极限和直肋[方程(2-4)] 的解趋于一致。

对于普通气-气或
气-液热交换器,相对于流体侧热阻,方程 (2-2)中的固体壁热阻项可以忽略不计。在诸如水冷式中间冷却器的气-液热交换器中,空气侧的热阻通常远远超过水侧的热阻,而成为所谓传热过程的控制热阻。对于气-气热交換器,两侧的热阻数量级相当。

为了建立前面所提到的热交换器变量之间的关系,传热速率 方程(2-1)必须和能量方程相结合。这个能量方程反映的是,热流体失去的焓等于冷流体得到的焓。这些变量太多,难以将它们之间的关系以图表表示.然而,将它们组成几个无因次参数,可以将其间的关系用图表示之。最方便、物理意义最清楚的一些无因次参数 定义如下:


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这些无因次参数不仅可用于热交换器性能的简洁图表表达,而且具有容易理解的物理意义。有效度e是实际传热速率q 与热力学极限意义上的最欠可能传热量之比。只能在传热面积无限大的逆流式热交换器内实现。因此,从热力学观点来看,e具热交换器率的意义。


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