換熱器英文參考文獻(xiàn)

1、應(yīng)用計算數(shù)值的方法來研究流體的粘度變化對板式換熱器性能的影響M.A. Mehrabian and M. KhoramabadiDepartment of Mechanical Engineering, Shahid Bahonar University of Kerman,Kerman, Iran摘要目的一本文的目的是在逆流和穩(wěn)態(tài)條件下，通過數(shù)值計算，研究流體粘度的 變化對板式換熱器熱特性的影響。設(shè)計/工藝/方法一實現(xiàn)這篇文章目的的方法，源于由4部分組成的熱量交 換板中間通道中冷熱流體的一維能量平衡方程。有限差分法已經(jīng)用于計算溫度分 布及換熱器的熱性能。在側(cè)邊通道中，水作為將被冷卻的熱流體，然

2、而在中央通 道中，大量隨溫度變化同時粘度隨之變化劇烈的流體作為將要被加熱的冷流體。 發(fā)現(xiàn)一這個程序的運行實現(xiàn)了工作流體的結(jié)合，例如水與水，水與異辛烷，水與 苯，水與甘油和水與汽油等。對于以上所有工作流體的結(jié)合，兩種流體的溫度分 布已經(jīng)沿流動通道劃分。總傳熱系數(shù)可以通過冷流體和熱流體的溫度來繪制。研 究發(fā)現(xiàn)，若總傳熱系數(shù)呈線性變化，在溫度變化范圍內(nèi)既不是冷流體和熱流體的 溫度。當(dāng)粘度已受溫度影響或者冷流體的性質(zhì)改變時，換熱器的影響效果并不是 很顯著。創(chuàng)意/價值一對于由2塊板為邊界的溫度控制體來說，本文包含一個可以得 到能量平衡方程數(shù)值解的新方法。通過對數(shù)值計算結(jié)果與實驗結(jié)果進(jìn)行比較，驗 證了這種

3、數(shù)值計算方法。關(guān)鍵詞:熱交換器、熱傳遞、數(shù)值分析、有限差分法 研究類型:研究性論文。A :板傳熱面積，m 2b :板間距，mC :等式常數(shù)C :熱容，W/。CC :定壓比熱容，J / kg。CD :當(dāng)量直徑，mh :對流傳熱系數(shù)，W / m 2.。Cj :指定軸截面k :板傳導(dǎo)率， W / m.。CL :板長度，mm :粘度修正系數(shù).m :質(zhì)量流量，kg / sn : NuP -與R之間的斜率NTU:傳熱單元數(shù)Nu:努塞爾數(shù)Pr:普朗特數(shù)Q：傳熱速率，WRe:雷諾數(shù)r:方程指數(shù)(8)t:時間，sT:溫度，Cu:流速，m/sU:總傳熱系數(shù)，W / m 2。CU :平均傳熱系數(shù)， W / m 2注

4、CV :通道體積，m 3w:流動寬度，mx:橫向坐標(biāo)y:軸向坐標(biāo)m :流體動粘度系數(shù)，kg / m - sr :流體密度，kg / m 3l:換熱器有效性d:板厚度，mf:板投影面積的比值c :冷流體Cv:控制體 h :熱流體 m :平均值 min:最小值 w :板壁介紹板式換熱器在不同產(chǎn)業(yè)發(fā)展進(jìn)程中的貢獻(xiàn)日益增加。它被認(rèn)為是工程應(yīng)用換 熱器中首要選擇，因為它們的優(yōu)點和顯著的特質(zhì)，例如結(jié)構(gòu)緊湊(占用空間小)， 良好的熱性能，能從一個較小溫度差恢復(fù)熱量，靈活性較強，事故風(fēng)險低，人工 清洗方便，維修保養(yǎng)費用較低。在滿足嚴(yán)格的衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)和精確的溫度控制(Dunkley et al., 1961)條件下

5、， 板式換熱器在牛奶、藥品及液態(tài)食品加工工程中證實了它們的優(yōu)勢要超過管殼式 換熱器。板式換熱器也適用于橡膠和造紙工業(yè)(Reppich, 1999)。在加熱和冷卻系 統(tǒng)中，板式換熱器應(yīng)用于蒸發(fā)器和冷凝器(Mazza, 1984).熱流體和冷流體溫差隨著換熱器的長度而變化，使得傳熱率的計算變得復(fù)雜。 在大氣壓下，Haseler等(1992年)，用一個有三個通道單向流的板式換熱器進(jìn)行 了沿V型區(qū)域的溫度測量。在中央通道，水和R113作為冷流體。在中央通道的五 個測量點進(jìn)行了溫度的測量。準(zhǔn)確的溫度估算偏差不超過0.2K。對于板式換熱器 的設(shè)計和模擬，這些數(shù)據(jù)常被用來驗證HTFS計算機程序APLE。在逆

6、流和并流的流動過程中，如果總傳熱系數(shù)為常數(shù)，對數(shù)平均差可以作為 冷熱流體的真實溫度差。然而，傳熱系數(shù)取決于流體的熱性能，因此隨溫度而變 化。Colburn (1933)和許多研究者通過液-液熱交換器液的實驗，已經(jīng)證實了總傳 熱系數(shù)是溫度的函數(shù)，并且隨換熱器長度而變化。因此，假定總傳熱系數(shù)是不真 實的，流體的物理性能隨溫度變化劇烈。對于這樣的流體，對數(shù)平均溫差并不代 表冷流體和熱流體的真實溫差。Foote (1967)，在特殊流體流程中，通過研究通 過校正系數(shù)來修正對數(shù)平均溫差。這些修正系數(shù)只適用于無限數(shù)目換熱板的換熱 器和一些有限數(shù)目換熱板的換熱器。一些不同的來解決多變的總傳熱系數(shù)方法已經(jīng)在經(jīng)

7、典的研究傳熱類文獻(xiàn) (Kern, 1950)或近代的(Schlunder, 1989)中提出。Mehrabian (2003)延伸了一種 analytical-numerical的方法來研究出板式換熱器內(nèi)的流體軸向溫度變化。 Uniformheat通量、不變的總傳熱系數(shù)、U和T之間的線性關(guān)系，U和DT之間的線 性關(guān)系，可使系統(tǒng)微分方程組合，在冷熱流體流動通道中建立能量平衡方程的四 種特殊情況。除非一個簡單的關(guān)系，例如在(Mehrabian, 2003)中提到的總傳熱系數(shù)和溫度 變化的存在關(guān)系，如果在數(shù)值分析(有限分差法、有限單元、有限體積)的基礎(chǔ) 上，總傳熱系數(shù)和板式換熱器通道中的流體溫度分布

8、就可以確定。通過這種方法， 換熱器的通道分為多個足夠小的軸向部分，這樣溫度可以假定在每個部分是恒定 的，但是每一部分之間是有變化的。一個有限差電腦程序可以確定總傳熱系數(shù)和 在每個軸向部分冷熱流體的溫度。顯而易見，結(jié)果的準(zhǔn)確性取決于軸向分開的數(shù) 量。本文的目的是探討粘度的變化如何影響板式換熱器的總傳熱系數(shù)、溫度分布 和換熱器的熱性能。從實驗中獲得的數(shù)字結(jié)果已得到應(yīng)用，此流板尺寸和流動細(xì) 節(jié)納入(Haseler高慶宇，1992年)，后來又編入計算機程序之中。數(shù)字預(yù)算的結(jié)果 與實驗結(jié)果吻合。數(shù)學(xué)模型板式換熱器數(shù)值分析法用到了對流結(jié)構(gòu)和U型結(jié)構(gòu)中。四個APV SR3標(biāo)準(zhǔn)的 板形成三個流動通道。兩側(cè)的通

9、道有向下流的熱流體，然而中間通道有向上流動 的冷流體。換熱器的中間通道的V型區(qū)域被分為五個軸向部分，這樣流體從一個 軸向部分進(jìn)入下一個部分。進(jìn)口和出口處是在板的左下角和右上角?？墒窍鄬χ?間通道而言，兩側(cè)通道進(jìn)口和出口處是與之相反的。應(yīng)該指出的，在換熱器的不 同區(qū)域，三角形分布器的存在會使熱交換部位每一單元長度都是有區(qū)別的。然而 這種區(qū)別在本文并不值得推崇，因為這些節(jié)點是在主要的V型部位，這樣軸向分 段被假設(shè)是均等的。板的幾何體和流程在（Haseler高慶宇，1992年）中用于局部溫 度測量實驗。這使兩種數(shù)據(jù)的對比更加有意義。數(shù)學(xué)模型基于以下假設(shè)條件可通過能量平衡方程建立：軸向流傳導(dǎo)在流動通道

10、和板上表現(xiàn)不顯著；換熱器的尾部板是絕緣的；穩(wěn)態(tài)條件；熱流體均勻分布在兩側(cè)邊通道；忽略熱損失； 沒有相變（沸騰和冷凝）；除了粘度，其他物理性質(zhì)不變； 一維流動；通過子通道的溫度變化忽略不計。假設(shè)在每條通道的垂直方向，一維流動的流體會保持一個平均速度運動。假設(shè)均勻分布的流體在冷熱流體通道的流速是恒定的?；谝陨系募僭O(shè)，圖1控制 體的能量方程是:采用穩(wěn)態(tài)假定條件，方程（1）可簡化為:對稱的幾何形狀和流動使控制體（如圖1）從兩側(cè)的通道均等的吸收能量，并且 th在側(cè)邊通道與之相同，由于這個原因，方程（2）可變?yōu)椋虹鞄攀|一以（八一Tc）（3）無論是左手邊的通道還是右手邊的通道，一個相似的控制體只從一邊的通

11、道來吸收能量。其中一邊通道的控制體的能量平衡方程是：腕成ph亨八4）將方程（3）和（4）組成方程組，通過方程組來控制換熱器相鄰?fù)ǖ懒黧w的溫度 分布。對U很大變化的解析解，除了如（Mehrabian, 2003）等一些特殊情況下，會 變得非常復(fù)雜并且不切合實際。圖1熱控制體數(shù)值分析數(shù)值分析法中使換熱器分成一些軸向的部分。一個典型的軸向部分都有一個表面積。對于這個增加的表面積，冷熱流體的溫度分別是和 ，我們 可以假設(shè)總傳熱系數(shù)可以作為這些溫度的函數(shù)而表示出來。這樣：Uj - Uj（Thj, TQ等式2可以應(yīng)用在軸截面上，表示為:等式（3）和（4）也可以運用在換熱器相鄰?fù)ǖ赖膬蓚€軸截面上， 可寫為:

12、上述方程的解的獲得是當(dāng)空間導(dǎo)數(shù)存在偏差時。以viscosities（Yaws, 2003） 為依據(jù)的溫度數(shù)據(jù)表被編入計算機程序中，并且這個程序可以表示出每個軸截面 上，流體流動時的溫度下的黏度。線性插值的操作就開始進(jìn)行，此時溫度數(shù)值與 表值不一致。像密度、熱導(dǎo)率等一些其他的流體性質(zhì)與溫度無關(guān)。每種流體的這 些特性的數(shù)值以平均流體溫度來指定，并且作為輸入數(shù)據(jù)。冷熱流體的入口溫度 作為數(shù)值分析的邊界條件。板式換熱器通道中的流體無量綱傳熱系數(shù)可看成是與熱傳遞相關(guān)的一種類型(Rao et al., 2002):Nu - CRPfY(8)Shah and Focke (1988)進(jìn)行了實驗研究板式換熱器

13、熱傳遞和壓降特性。他們注意 到，常數(shù)C取決于換熱板的類型和換熱器的幾何形狀，而常數(shù)n取決于流體的流 態(tài)。Edwards et al. (1974)研究證明得出，在雷諾數(shù)大約小于10時，實驗數(shù)據(jù) 是以標(biāo)繪的，而不是APV Junior Paraflow板落在表明典型傳熱關(guān)系的坡度線1/3處的Re值：Nh - 0.2泅明心在雷諾數(shù)較高時(Re大于10)，坡度約為0.7，這樣會得出過度條件和湍流 條件：這種關(guān)系也可能成為相互距離b的兩個平行板之間的湍流類型?？杉僭O(shè)為，由于 板的褶皺，取決于當(dāng)量直徑的雷諾數(shù)會影響熱傳遞的增加。對于牛頓流體，Edwards et al得到的結(jié)果，表明APV Junior

14、 Paraflow板被作為流動通道， 并可以推廣到任何板的類型，提供常數(shù)C來作為修正值。Mehrabian(1996年)進(jìn)行了廣泛的研究，從實驗和理論觀點探究流體動力學(xué)和 板式換熱器的熱性能。在湍流(Re大于10)條件下，他對APV SR3板提出了以下 的關(guān)系：M 0.12 迦 7利3(9)等式(9)同時適用于板式換熱器冷熱流體通道，傳熱系數(shù)分別為和h，軸 截面j的總傳熱系數(shù)是：(10)正如Edwards et al所提出的，在雷諾數(shù)低至10的情況，板式換熱器流動通 道中的流體也可能形成湍流。因此，湍流假設(shè)分析是合理的，并且等式（9）適用 于水為介質(zhì)的熱流體，同時甘油、苯和辛烷可作為冷流體。這

15、些冷流一定要選擇 其粘度隨溫度而變化。結(jié)果和討論為了得到獨立網(wǎng)格數(shù)據(jù)結(jié)果，程序運行時將軸向分為幾個不同的部分。將確 定的網(wǎng)格點的數(shù)值結(jié)果與相應(yīng)的(Haseler et al., 1992)的實驗結(jié)果進(jìn)行對比， 然后記錄兩者之間的差值。值得注意的是，增加網(wǎng)格點的數(shù)量會減少差值。然而， 當(dāng)軸向部分的數(shù)目是17的時候，此時可產(chǎn)生最小差值，當(dāng)超過17時，差值減小 并不明顯。通過實驗結(jié)果表明，軸向部分的數(shù)目為17。而3, 6,9,15這些數(shù)字都 是3的倍數(shù)。這是在(Haseler et al., 1992).中對比相應(yīng)點處實驗結(jié)果的目的。應(yīng)該被提及的是，在獲得數(shù)值解之初，兩種流體的出口溫度并不清楚，可通

16、 過兩者的進(jìn)口平均溫度來估算。當(dāng)?shù)玫匠隹跍囟葧r，每種流體的性質(zhì)可以由其本 身的平均溫度來估算。(Khoramabadi, 2004).換熱板尺寸和和流體流動條件的數(shù)值分析列于表1.這些數(shù)值都是(Haseler et al., 1992)中用于試驗溫度測量的所需尺寸和條件。水的典型溫度實驗的溫度列 于表II，以當(dāng)量直徑的熱流體和冷流體的雷諾數(shù)分別是879和304。 換熱器中間通道的局部溫度的數(shù)據(jù)結(jié)果然后與V型區(qū)域的實驗溫度相比較，列于 表II并得到數(shù)值上的一致。這種誤差在- ME范圍內(nèi)，這樣才表明 這種數(shù)值法的準(zhǔn)確性。由于數(shù)值計算程序已經(jīng)被驗證，進(jìn)口冷熱流體之間的變大 的溫度差會使流體粘度顯著影

17、響溫度分布、總傳熱系數(shù)和換熱器的傳熱性能。冷 流體和熱流體的進(jìn)口溫度分別是這個程序適用于水-水、水-苯、水-異辛烷四種類型的流體。冷熱流體的沿?fù)Q熱器溫度分布如圖2和3。水-苯與水- 苯的溫度分布相似，因此，并沒有在圖2和3中。對于每種類型的工作流體，恒 定和變化的流體粘度的溫度分布都有所體現(xiàn)?？梢宰⒁獾剑g的溫度分布的誤差大于甘油和異辛烷之間的誤差。然而，隨著溫度改變，水的粘度的變化比甘 油和異辛烷較為強烈。這種現(xiàn)象的原因是甘油和異辛烷的對流傳熱系數(shù)小于水之 間的對流傳熱系數(shù)，因此，它們控制了總傳熱系數(shù)。Lteve loped plate lengthL1 niFlow widthW0.3

18、5 mPlale heat transfer areaWXL0.35 m2Hot fluid.Cold RuidInlet lenipjenilure77.9X47.說(Juliet temperature7L7X7WCSped lie heal4,191 J/kgK4h184J/kgKMass How rale472.6kg/Iir1012kg/hr表1板的尺寸和流動細(xì)節(jié)Nunitrioil resultsExperinierilal results (Fhseler 魂 aL, 1992) (C)Ern)r(X)916691674230747.60.衍田74.7G77.9 9 815635

19、947.6L66.m 也74笊0.0174 089 2.01 214 1BB -0.17表2數(shù)值比較和實驗結(jié)果圖2冷流體沿流動通道的溫度分布圖3熱流體沿流動通道的溫度分布圖4總傳熱系數(shù)與冷流體溫度之間關(guān)系2EyM) D圖5總傳熱系數(shù)與熱流體溫度之間的關(guān)系(辛 LEMLq圖4和圖5分別描繪出了總傳熱系數(shù)與冷熱流體之間的變化關(guān)系。然而，當(dāng) 假設(shè)流體粘度不變時，總傳熱系數(shù)也是不變的。這樣使得粘度的變化是控制總傳 熱系數(shù)的一個重要的因素。U與T之間的線性關(guān)系和液體粘度與溫度的關(guān)系都在圖 6中體現(xiàn)。表2中，在在溫度范圍內(nèi)粘度顯示出了線性變化關(guān)系。然而，這種現(xiàn)象 并不違背大多數(shù)流體以指數(shù)函數(shù)與溫度之間作為

20、的標(biāo)準(zhǔn)。熱流體和冷流體傳熱系 數(shù)隨溫度線性變化分別在圖7和圖8中。換熱器恒定粘度和多變粘度的關(guān)系圖在圖9中。此圖是表示水與異辛烷之間的關(guān)系。然而水-水、水-苯和水-甘油都有相似的圖形。換熱器的性能并 不因溫度控制下的粘度影響。當(dāng)粘度只受溫度限制時，對于不同的工作流體圖10描繪了圖形。只要NTU很小(NTU1)，換熱器的性能就會因不同的流體而改變。與圖9和圖10有關(guān)的性能計算基于NTU和U的定義:整合起來可以為Tc or Th.0.00180 00160.00140 00120 0010 00080 00060.00040 00020L 020Water Glycerin R134aGlycer

21、in l&ooctane T - K4060I IBO100r.0125:0.044.510.03840.0363.50.0343 0.0322.5 0.0320.021.50.02610.0240.50.022140TfC)圖6粘度隨流體溫度的變化圖7熱端傳熱系數(shù)與熱流體溫度之間的關(guān)系H (Water-Water)導(dǎo) (Water-Glycerin). (Water-Iso octane)0 (Water-Gasoline)655102030405060708090Tc(C)圖8冷端傳熱系數(shù)與冷流體溫度的關(guān)系山53常掃山圖9可變的U對水-異辛烷中8 -NTU的影響圖10流體種類對可變U的8

22、-NTU的影響0.2-0.6-3.4-waterisooctanegasoline總結(jié)對于受溫度影響的板式換熱器流動通道的流體，有限差分?jǐn)?shù)值計算方法已經(jīng) 可以預(yù)測軸向溫度的變化，像水-水、水-異辛烷、水-苯、水-甘油、水-汽油這樣 的工作流體的組合已經(jīng)通過檢驗。在以上工作流體組合中，換熱器側(cè)邊通道的水 作為將被冷卻的熱流體。然而，隨溫度而粘度變化強烈另一種流體，在中間通道 中作為將被加熱的冷流體。經(jīng)數(shù)值分析的換熱器是由四個APV SR3標(biāo)準(zhǔn)板而形成 三個通道。這種換熱器的幾何尺寸和流體流動條件與以前的實驗研究結(jié)果相符。 從本文已提出的數(shù)值分析方法獲得的預(yù)測溫度和在相同種類的板和形似條件情況 下

23、所作實驗的得出的結(jié)果相比較，誤差值在-2.18和+1.88C之間。這樣，符合相 應(yīng)的條件，證明了數(shù)據(jù)模型的正確性。經(jīng)過確認(rèn)后，程序?qū)⒁圆煌牟僮鳁l件運 行。在先前(Mehrabian,2003)的第一作者對板式換熱器總傳熱系數(shù)的變化的影 響已經(jīng)研究過。在這項調(diào)查研究中，總傳熱系數(shù)四種不同的變化模式被提出。其 中一種是U和T的直線關(guān)系。在采用研究的溫度范圍內(nèi)，目前獲得的數(shù)據(jù)結(jié)果看 出，U和Tc、U和Th也都呈直線關(guān)系。通過兩種不同方法所獲得的結(jié)果一致性對 于設(shè)計工程師和換熱器生產(chǎn)商是非常關(guān)注的。這就意味著，在U和Tc或Th之間 隨粘度呈指數(shù)變化而與溫度呈線性關(guān)系的流體類別存在比較緩和的操作溫度下

24、。分析中所獲得的結(jié)果表明，粘度的變化對換熱器的換熱效率只是有輕微的影 響。這可以得出這樣的結(jié)論，若或修正系數(shù)被納入等式(8)中，可以影響粘度的變化?；诂F(xiàn)在的計算機程序數(shù)值預(yù)算可以運用估算指數(shù)m。結(jié)論板式換熱器熱量分析中的平均粘度與局部粘度的影響，通過計算數(shù)值的方法 進(jìn)行研究。對于粘度隨溫度變化的流體，恒定粘度和可變粘度的流體溫度分布之 間的差別要比粘度受溫度影響較弱的流體要小。，對于粘度可變化的流體，當(dāng)溫度 變化較小且緩和時，總傳熱系數(shù)隨冷流體或熱流體溫度呈線性變化。若應(yīng)用粘度 受溫度控制的流體，則對換熱器的熱性能影響并不顯著。當(dāng)NTU較小時，流體的 性質(zhì)并不改變換熱器的性能。參考Colbu

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