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在換熱情況下減少管與管發(fā)生熱傳遞的方法 Somchai WongwisesChi-Chuan Wang著，陳翔譯 摘要：這項研究提出了一個新方法，即在換熱情況下，分析管板換熱器在完全工作情況下管與管之間的工作狀態(tài)，在公開的文獻(xiàn)里很少見到關(guān)于傳質(zhì)系數(shù)方面的記載，在充滿濕空氣情形下，人們發(fā)現(xiàn)在焓傳熱性能和傳質(zhì)性能不受進(jìn)口濕空氣的改變而受影響，不象以前的實驗都在干燥的情況下完成，在進(jìn)行換熱時，焓傳熱性能不是依賴于板的設(shè)計，傳熱和傳質(zhì)性能之比在0.6~1.0范圍內(nèi)，而且這個比率不受板間隔最小雷諾數(shù)改變的影響，當(dāng)雷諾系數(shù)足夠高的時候，板間距輕微的改變都會影響比率，由于冷凝物被水蒸汽移動所帶來的顯著影響，金屬板構(gòu)造的熱量和質(zhì)量性能要求被描敘，這些情況表敘如下：Chilton占89%，Colburnj傳熱因素在15%以內(nèi)，和Chilton.Colburn相關(guān)的81%傳質(zhì)因素在20%以內(nèi)。 關(guān)鍵字：管板換熱器 干燥 傳熱性能 傳質(zhì)性能 命名法： 板的表面積 總表面積 · 管的內(nèi)部表面積 管的外部表面積 內(nèi)外管溫度的飽和曲線 平均水溫和管壁溫度 板表面水溫度的飽和曲線 管表面水溫度的飽和曲線 濕空氣定壓比熱 水定壓比熱 管的外徑 管的內(nèi)徑 管內(nèi)水摩擦因素 修正因素 最小流程內(nèi)混合物的最大流速 傳熱系數(shù) 傳質(zhì)系數(shù) 內(nèi)部傳熱系數(shù) 外部板的總傳熱系數(shù) 第一類貝塞耳系數(shù) 空氣焓 進(jìn)口空氣焓 平均空氣焓 出口空氣焓 平均焓 進(jìn)口溫度空氣焓 平均水溫的空氣焓 出口溫度的空氣焓 板平均水溫的空氣焓 板表面溫度的空氣焓 管內(nèi)平均水溫的平均溫度焓 管外平均水溫的平均溫度焓 霧點的焓 板表面的霧點平均焓 傳熱因素 傳質(zhì)因素 第二類解決方法 第一類解決方法 板的導(dǎo)熱性 水的導(dǎo)熱性 管的導(dǎo)熱性 管長 空氣流量 水流量 管排數(shù) 壓力 管縱向間距 普朗特常數(shù) 管的橫向間距 傳熱率 空氣邊傳熱率 平均傳熱率 總傳熱率 水邊傳熱率 傳熱特性與傳質(zhì)特性的比率 相對濕度 板底到中心的距離 內(nèi)徑雷諾數(shù) 外徑雷諾數(shù) 施密特常數(shù) 板間距 空氣溫度 水溫度 霧點平均溫度 內(nèi)管平均溫度 外管平均溫度 水平均溫度 板厚度 總傳熱系數(shù) 平均速度 濕空氣的濕氣比率 平均濕氣比率 外管平均濕氣飽和率 板因素 散熱片效率 動態(tài)黏度 質(zhì)量密度 1：介紹：在空調(diào)系統(tǒng)與冷藏系統(tǒng)中換熱最廣泛地采取管板相結(jié)合的方式，換熱器 往往用于冷凝器和蒸發(fā)器中，蒸發(fā)器的板最廣泛的用鋁板制作，其表面溫度一般在露 點溫度之下，結(jié)果，熱量和質(zhì)量的傳遞同時發(fā)生在板的表面上，總之，在干燥情況下， 管板換熱器間復(fù)雜的的濕空氣流程使得做理論模仿非常的困難，所以，它必須在實驗 中獲得。在換熱情況下，許多關(guān)于管板換熱器的研究實驗已經(jīng)完成，例如：關(guān)于介紹 管板換熱器的McQuiston[11.12]實驗數(shù)據(jù)，大家都了解的濕表面和干燥表面都相關(guān)的 傳熱和摩擦影響，Mirth和Ramauhgyani[13.14]研究關(guān)于換熱器的熱量與質(zhì)量特性， 他們的研究表明。入口露點溫度的改變使Nusselt很劇烈的改變，Nusselt減少和露點 溫度的增加，F(xiàn)U[7]也提出了在干燥的換熱器中有一個板結(jié)構(gòu)，他們的報告提出在合 適的溫度下，傳熱系數(shù)會隨著入口相對濕度增加而明顯下降，相比之下，Seshimo的 實驗數(shù)據(jù)表明：Nusselt的入口條件是相對獨立的，Wang[23]研究了在干燥情況下， 散熱片間距.管列數(shù)和入口相對濕度對傳熱的影響，得出合適的傳熱相對于獨立于入 口濕度，現(xiàn)有的文獻(xiàn)的差別歸因于不同的還原方法。雖然對馬口鐵進(jìn)行很多的研究， 為設(shè)計師區(qū)分管板換熱器提供的信息非常的有限，這可以由報告數(shù)據(jù)主要集中在對傳 熱特性的研究，而很少對傳質(zhì)系數(shù)的研究來解釋，因此，現(xiàn)今的研究的目的是提供更 多的.系統(tǒng)的有關(guān)傳質(zhì)的實驗信息，并提出確定在干燥環(huán)境下，管板換熱器的空氣端 活動的新的還原方法，管板空間和入口相對濕度對傳質(zhì)特性在研究中也涉及到。 2：實驗設(shè)備 空氣環(huán)路實驗圖如圖1所示，它由離心式鼓風(fēng)機(jī)（7.46Kw 10Hp）造成的空氣閉環(huán) 風(fēng)洞組成，輸氣管是由渡鋅的鋼板于850mm*550mm的橫截面組成，進(jìn)氣口的干燥球部分和濕部溫度是由空氣通風(fēng)筒所控制的，空氣流通率 測量是由出口限制和多噴管組成的，這是愛ASHRAE41.2基礎(chǔ)上設(shè)定的，測量不同的噴管處壓力用不同的壓力變換裝置，在換熱器進(jìn)口與出口區(qū)域的空氣濕度是在建立在ASHRAE41.1的兩個測冷裝置測量的。 工作介質(zhì)和管邊都是水，恒溫是由提供設(shè)置溫度的冷水所控制的，水里的水溫是 由兩個RTD裝置測量的，水容率是由精度為0.001L/SZ裝置測量的，所以溫度是 由溫度阻抗裝置測量，其誤差為0.05度，在實驗中，唯一令人感到滿意的是 ASHRAE33~78[1]，在最后的分析里提到，管板換熱器的詳細(xì)情況被制成表1L型 圈和管板換熱器測試緊緊相關(guān)，進(jìn)口空氣的實驗條件如下，不確定性報告， Moffat[15]分析被制作成表2。 3 數(shù)據(jù)分析 3.1熱傳遞系數(shù) 基本上當(dāng)前的分析方法是根據(jù)Threlkeld[20]提出的，對于最初的Threlkeld方法的一些重要數(shù)據(jù)如下：被用語計算總的傳熱率的平均表達(dá)式為： 全部的傳熱系數(shù)是以Vo,w為基礎(chǔ)的，依下列如： 依照Bump和Myers[16]，對于流程結(jié)構(gòu)，平均焓為 在Eq.4里是未混合其他雜物結(jié)構(gòu)的訂正因素，全部的傳熱系數(shù)被涉及到抗熱性[16]，如下： 雷諾數(shù)被用于Eq.10和Eq.11是基于直徑為1的水管上的，在所以的情況下，水邊的運(yùn) 動遠(yuǎn)少于全部運(yùn)動的10%，在Eq.8中有4個量（b`w.p和b`w.m和b`p和b`m）他們包含焓 ——溫度的比率，b`p和b`r能被看作 b`w.p和b`w.m的價值是飽和的焓曲線被外在的低估了，在粗糙的表面和板面，沒有 b`w.p的損失能接近飽和的焓曲線，在低表面溫度測量[23]下，板效率是以焓的不同為 基礎(chǔ)的，由Threlkeld[20]得到is.fm是在低的飽和空氣焓溫度和is.fb是飽和空氣焓在以 板為基礎(chǔ)的溫度，焓的使用率一樣，單一的板效率如Kandlikar所舉例[10]一樣， 然 而濕板效率的最初提出是Threlkeld[20]給的直板結(jié)構(gòu)，對于一個圓板其效率為： 換熱器的測試如圖3所示 因此，對應(yīng)板效率被看作圓板來計算，在圖中描敘了b`w.m需要實驗與錯誤的程序， is.wm必須計算如下： 解決熱傳遞的系數(shù)，管與管，排與排的計算方式如下： 1基于測量數(shù)據(jù)，計算總傳熱效率 2 所以的ho.c因素 3 計算傳熱效率的方法 3.1邊傳熱效率 3.2 出口空氣焓 3.3 計算ia.m 3.4 Tp.i.m 和 Tp.o.m 3.6 Tw.m 3.7 計算nf.m 3.8 uo 3.9 is.w.m 3.10 Tw. N是is.w.m 3.11 如果Tw.m在3.10是不相等的，那在3.6假設(shè)，計算3.5與3.13，將 會于Tw.m重復(fù)，直到Tw.m為常數(shù)。 3.12 計算部分Q 3.13 計算Tp.i.m和 Tp.o.m對流傳熱和加強(qiáng)傳熱效率 3.14 如果Tp.i.m和 Tp.o.m在3.13不相等，在3.4假設(shè)，計算3.5和 3.13，將會與Tp.i.m和 Tp.o.m一起重復(fù)，直到Tp.i.m和 Tp.o.m是持續(xù) 的， 3.15 計算Eq1空氣汗和出口水溫 4 如果Q的總和Qtotai不相等，ho.c將會被假定新的值與計算方式直到相等。 3.2 傳質(zhì)系數(shù) 對于冷而且非常濕的表面同時包括熱傳遞，可以被描敘為Threlkeld[20] R對普遍傳熱特性有可以比較的特性。 對于管板換熱器Eq.18不能正確的表達(dá)換熱情況，這是因為低的飽和空氣焓在板表面不同平均溫度為基礎(chǔ)的，這方面，程序修改為一個對圓板符合，得出以下各項干燥能源表達(dá)式 傳熱用第二個指示，水的潛熱為： 由此得出傳熱和傳質(zhì)比R被一個運(yùn)算公式作為Eq.22，可以獲得良好的傳質(zhì)性能。 3.3 熱量和質(zhì)量傳遞因素 在換熱器中，傳熱與傳質(zhì)特性被表達(dá)如下： 4 結(jié)果與討論 板的傳熱表現(xiàn)和換熱器根據(jù)叁數(shù) j, 施加給板的影響力的測試的一個典型的情形如圖 5所示。 在這里, 現(xiàn)在減少管的結(jié)果被有 N 一 2 的 Threlkeld 方法所顯示。 因為熱傳遞，來自兩方法的減少結(jié)果的表現(xiàn)幾乎是相同的。 這因為現(xiàn)在的管-被-管方式起于 Threlkeld 方法。 從結(jié)果所示，板的熱傳遞表現(xiàn)是相對地沒有表現(xiàn)出來的。 這一現(xiàn)象相當(dāng)不同于在完全干的情況先完成的[22] 和 [17], 熱傳遞的表現(xiàn)不依賴板，當(dāng) N>_4， 在完全干燥的情況操作。 然而, 對于 N 一 1 或 2, [21] 顯示熱傳遞表現(xiàn)為板間隔的增加而降低。 當(dāng)雷諾數(shù)<5,000. [21] 解釋為 Saboya 和實驗觀察為基礎(chǔ)的結(jié)果 naphthalene 實驗 18]和換熱器。 他們的結(jié)果指出邊界是最重要的因素, 然而流程慣性的效果發(fā)生是由較高的雷諾數(shù)字控制。 因此, 對于完全干的表面, 板的效果減少為雷諾數(shù)>5,000. 和板的減少的熱傳遞表現(xiàn)增加更加明顯。 這一種現(xiàn)象為 N <2, 而且是為 N 一 1 被發(fā)現(xiàn)的 espedally. 相反地，現(xiàn)在明顯的熱傳遞表現(xiàn)對于 N 一 1 和 2 展現(xiàn)的對于板間隔的變化的沒有顯著的影響。 顯然地，結(jié)果被歸因于在干燥情況下的濃縮物的出現(xiàn)。這是因為濃縮物為氣流式樣而改變,粗糙的板表面提供較好的氣流的混合效果。結(jié)果，板的影響適當(dāng)?shù)乇粶p少。這一種現(xiàn)象就像是使用可提高的板表面在完全干的情況。 為可提高的表面粗糙程度 ,[5] 和其他人關(guān)于板的報告的可以忽略。 因為干燥的 N 一 1 或者 2 移動表現(xiàn)被稱如沒有限制的j因素， 因為樣品 5 和 10 號在圖 6 被列舉， 濕空氣對換熱器的熱傳遞的影響最初由Threlkeld 方法提出，典型的比較現(xiàn)在的和那之間的特性。 產(chǎn)生使用現(xiàn)在的管與管方法出示 inletrelative 濕氣的相對影響較小。 這對1排和2排結(jié)構(gòu)是可以適用的。 相反地，對于最初 Threlkeld 方法的減少的結(jié)論，有關(guān)熱傳遞表現(xiàn)的20-40%增加到當(dāng)之前的濕氣從 50-90% 被增加的進(jìn)入物.對于熱轉(zhuǎn)移表現(xiàn), 如之前的所述, 進(jìn)入物的濕氣混合效果幾乎可以忽略不計，熱傳遞表現(xiàn)方面的影響也是很小的。 適用于Threlkeld 方法的最初程序和獨有的主要表面的效果，結(jié)果誤差正在略微減少。 現(xiàn)在的管與管之間是更適當(dāng)?shù)某^在熱傳遞系數(shù)方面在完全濕的情況 Threlkeld 方法的最初表現(xiàn)。 Threlkeld 方法和現(xiàn)在的方法之間的結(jié)果以熱傳遞率增加表現(xiàn)。 這能從圖 7 被清楚地表達(dá)出來， 由Threlkeld方法和現(xiàn)行方法中樣品的入口相對濕度對j的影響 正如圖7所見的 1000，在這兩種方法之間，這個結(jié)果偏離較小值，更為重要的是，當(dāng) 1000時，對現(xiàn)行方法而言，入口濕度的影響可以忽略，盡管如此，我們應(yīng)該注意到當(dāng) 1000時，RH=50%時，傳質(zhì)系數(shù)的顯著上升，這和在水蒸氣沿表面冷凝提高更多的空間的較高的下放出冷凝液是分不開的，這個現(xiàn)象隨著排除冷凝液管列被隨后管列堵塞的樹木的上升而消減，干燥過程包含加熱和傳質(zhì)之間的類推就比較方便了，這種類推的存在就是因為液體中的傳導(dǎo)和擴(kuò)散是由數(shù)字恒等式的自然定律控制的，因此，對空氣，水蒸氣的混合，的比值通常等于1的，即。 在等式19中的形式可近似為像接近大氣壓的水蒸氣一樣的稀釋單元，等式26的正確性依賴與傳質(zhì)率，Hong和Webb[9]的實驗數(shù)據(jù)表明這個值在0.7到1.1之間，Seshi等人[19]給出的是1.1Eckels和Rabas[6]也得出了相似的值1.1到1.2，因為他們對管板換熱器的測試結(jié)果有簡單的版面幾何，已提及的研究都表明了等式26的可用性。在現(xiàn)今研究中，我們應(yīng)該注意到的值大多在0.6到1.0之間。 最初的Threlkeld方法與現(xiàn)行的行列和管列方法有兩點不同， 首先，當(dāng)采用Threlkeld方法時會出現(xiàn)較大偏差，這和Threlkeld方法中入口溫度的顯 著影響有關(guān)，對現(xiàn)今的簡化方法，這個比值在表面全濕時對入口溫度的影響不太敏感， 其次，簡化后的方法說明的比值隨雷諾數(shù)有微小下降，而原始的方法 顯示的是相反的趨勢，前一節(jié)中已提及，隨著入口流動慣性的增加，冷凝液可通過進(jìn) 一步的排放提更多空間輕易出除，此狀況在板間距減少時更為嚴(yán)重，此條件下，冷凝 液的去除在流動慣量較大時，一旦滯留現(xiàn)象消失，有助與大大改善傳質(zhì)。 因此，可見的值隨著板間距有微減，如圖8所示 管列數(shù)為1時的板間距對R的影響 值得注意的是此種影響只在雷諾數(shù)足夠大時才成立，這和較高的流動率會增加蒸汽切應(yīng)力有關(guān)，相反的，板間距對此值的影響在較低雷諾數(shù)下相對小，很明顯，單一曲線無法描述和的復(fù)雜特性，這能從實驗的數(shù)據(jù) (300< Re<5500) 的圖 7 被清楚地表達(dá), ih 和 i 的相互關(guān)系為： 如圖10,11,和12所示, 27 能在 15% ，里面描述 88.9% 的 jh 因素。 28 能使有相互關(guān)系 81.2% 的 j 在 20%以內(nèi)和里面的因素。 29 能使有相互關(guān)系 h 的 85.5% 在 20% 里面 4. 結(jié)論 這一項研究是調(diào)查管板換熱器的傳熱和傳質(zhì)特性，由以前的結(jié)論得出現(xiàn)在的結(jié)論： 1 分析管的Threlkeld方法在研究中去檢驗，對于空氣完全濕的情況下，它是為兩者的傳質(zhì)和傳熱性能發(fā)生改變，即外物對傳質(zhì)性能的影響。 2 在完全干燥情況下，板的傳熱能力是相對獨立的，這是因為外物改變空氣含量，即更適合換熱器的混合特性。 3傳熱和傳質(zhì)性能之比在0.6~1.0范圍內(nèi)，在版的雷諾數(shù)高時，很明顯影響傳熱比。 4 相關(guān)板的結(jié)構(gòu)為Chilton占89%，Colburnj傳熱因素在15%以內(nèi)，和Chilton.Colburn相關(guān)的81%傳質(zhì)因素在20%以內(nèi)。 1. 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