專利名稱：一種提高叉流式換熱設(shè)備效能的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及各種叉流式換熱設(shè)備的產(chǎn)品改進(jìn)，優(yōu)化設(shè)計(jì)和效能的提高。
現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和人類的生活中廣泛應(yīng)用各種各樣的換熱設(shè)備，如化學(xué)工業(yè)及石油化學(xué)工業(yè)中廣泛使用各類換熱器，空氣冷卻器;火力發(fā)電廠中的省煤器，空氣預(yù)熱器;制冷、空調(diào)系統(tǒng)中使用的蒸發(fā)器，冷凝器;房屋供暖使用的散熱器等。多少年來(lái)國(guó)內(nèi)、外專家、學(xué)者為了提高各類換熱設(shè)備的性能而努力探討，但歷來(lái)的努力多集中在改進(jìn)換熱設(shè)備的結(jié)構(gòu)，增大單位容積的換熱面積及采用各種方法強(qiáng)化換熱，增強(qiáng)對(duì)流換熱系數(shù)等。而涉及冷、熱兩種流體的流動(dòng)安排對(duì)換熱設(shè)備性能的影響考慮的較少。目前國(guó)際、國(guó)內(nèi)只限于指明當(dāng)冷、熱兩種流體成逆流時(shí)，換熱效能優(yōu)于叉流和順流，但尚未見(jiàn)到對(duì)各種叉流式換熱設(shè)備在各種安排中指明如何優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高換熱效能的方法。
本發(fā)明的目的是針對(duì)如何提高換熱效能中存在的問(wèn)題，而提出以改善溫差場(chǎng)的均勻度提高叉流式換熱設(shè)備效能的方法。
本發(fā)明的基本點(diǎn)是依據(jù)“溫差場(chǎng)均勻性原理”，通過(guò)改變流動(dòng)布置和傳熱面布置以改善溫差場(chǎng)的均勻度來(lái)提高叉流式換熱效能。并結(jié)合實(shí)施例來(lái)說(shuō)明對(duì)叉流式換熱器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的具體方法。
附1.a、b熱流體橫掠單管或單層管束加熱冷流體流動(dòng)布置及溫差場(chǎng)示意圖。
圖2.a板翹式換熱器隔板兩側(cè)流體流動(dòng)示意圖。
b、c板翹式換熱器，熱流體來(lái)流溫度不均勻時(shí)流動(dòng)安排及溫差場(chǎng)示意圖。
d、e板翹式換熱器熱流體和冷流體來(lái)流溫度都不均勻時(shí)流動(dòng)安排及溫差場(chǎng)示意圖。
圖3.a兩管程空冷器常采用的流動(dòng)安排示意圖。
b兩管程空冷器流動(dòng)安排A-A剖視圖。
圖4.a改進(jìn)后的兩管程空冷器流動(dòng)安排斷面示意圖。
b改進(jìn)后的兩管程空冷器A-A斷面流動(dòng)安排示意圖。
圖5.改變空冷器翹片疏密來(lái)改善溫差場(chǎng)均勻度的示意圖。
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例來(lái)說(shuō)明本發(fā)明通過(guò)改善溫差場(chǎng)均勻度提高叉流式換熱設(shè)備效能的方法。
多年來(lái)人們?yōu)榱颂岣吒鞣N換熱設(shè)備性能而不懈努力，但歷來(lái)努力大多集中在增大單位容積的換熱面積或增強(qiáng)對(duì)流換熱系數(shù)，對(duì)冷、熱兩種流體的流動(dòng)安排，改善溫差場(chǎng)的均勻性，對(duì)換熱設(shè)備效能的影響考慮較少。本發(fā)明依據(jù)本發(fā)明者提出的“溫差場(chǎng)均勻性原理”，對(duì)叉流式換熱器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而提高了叉流式換熱器的效能。所說(shuō)的溫差場(chǎng)是指?jìng)鳠釡夭?，即傳熱壁面兩?cè)冷、熱流體間的溫差，在換熱器整個(gè)空間的分布?！皽夭顖?chǎng)均勻性原理”是在傳熱單元數(shù)和熱容量流比相同的條件下，冷、熱流體的溫差場(chǎng)越均勻，則換熱器的效能越高。
溫差場(chǎng)的均勻度可以直觀的估計(jì)，也可用均勻度ζ定量描述。
式中△t為傳熱面F的微元面dF上的傳熱溫差。若傳熱溫差處處相等，則ζ＝1。若溫差不是處處相等，則ζ＜1。ζ越小，換熱效能越小，在布置傳熱面和安排流動(dòng)時(shí)，應(yīng)使溫差場(chǎng)盡可能均勻，即應(yīng)使ζ盡可能接近于1。依據(jù)本發(fā)明所提出的改善溫差場(chǎng)的均勻度提高叉流式換熱設(shè)備效能的方法，對(duì)不同結(jié)構(gòu)，不同熱容量流比的叉流式換熱器，經(jīng)改進(jìn)后，在相同換熱量的條件下，換熱面積可減少8-20%。因此本發(fā)明所提出的方法是改進(jìn)現(xiàn)有各種叉流式換熱設(shè)備產(chǎn)品性能和新產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)的有效方法。下面結(jié)合實(shí)施例說(shuō)明對(duì)各種叉流式換熱器優(yōu)化設(shè)計(jì)的貝體的方案。
實(shí)施例1當(dāng)溫度為非均勻分布的熱流體橫掠單管或單層管束，加熱冷流體，見(jiàn)

圖1a。圖中th表示熱流體溫度，箭頭的方向表示流動(dòng)方向，箭頭的長(zhǎng)、短表示溫度的高低。tc表示冷流體溫度。此種情況，冷流體的流動(dòng)方向如何安排將嚴(yán)重影響溫差場(chǎng)的均勻度。當(dāng)冷流體自熱流體的高溫端流入，見(jiàn)圖1a中虛線所示方向，不難看出，傳熱面左側(cè)溫差大。右側(cè)溫差小所以整個(gè)溫差場(chǎng)是很不均勻的，見(jiàn)圖1b虛線表示。
本發(fā)明對(duì)該種情況，應(yīng)安排冷流體自熱流體的低溫端流入，見(jiàn)圖1a中實(shí)線箭頭所示方向。這種流動(dòng)安排改善了溫差場(chǎng)的均勻度，從而提高了換熱效能。見(jiàn)圖1b中實(shí)線表示。
實(shí)施例2，板翹式換熱器板翹式換熱器常用于多股流體之間的換熱，流體流動(dòng)成叉流方式布置?，F(xiàn)僅分析一塊隔板7兩側(cè)流體之間換熱情況，見(jiàn)圖2a。當(dāng)熱流體來(lái)流溫度th不均勻，冷流體來(lái)流溫度tc均勻時(shí)，其溫度高、低由圖2b中箭頭長(zhǎng)、短表示。則冷流體從對(duì)應(yīng)熱流體溫度較低端流入，從另一端流出。冷流體在流動(dòng)過(guò)程中不斷與熱流體進(jìn)行熱量交換，故沿流動(dòng)方向即y方向溫度不斷升高，與熱流體溫度分布趨勢(shì)一致。因此這種安排溫差場(chǎng)比較均勻，則換熱效率高。其某一冷流體通道溫差場(chǎng)見(jiàn)圖2c。
當(dāng)冷流體與熱流體來(lái)流溫度都不均勻，如圖2d所示，為了改善溫差場(chǎng)的均勻度，本實(shí)施例對(duì)其流動(dòng)安排是冷流體應(yīng)從熱流體低溫端流入，同時(shí)在入口處，冷流體的高溫端應(yīng)靠近熱流體的低溫端。沿y方向流動(dòng)的冷流體與熱流體進(jìn)行熱交換，溫度逐漸提高，與熱流體溫度分布趨勢(shì)一致。同時(shí)沿X方向流動(dòng)的熱流體與冷流體進(jìn)行熱交換，溫度沿X方向逐漸下降，與冷流體溫度分布的趨勢(shì)一致。因此作這種流動(dòng)安排，溫差場(chǎng)均勻度ζ最接近1，換熱效能高。圖2E示出一個(gè)熱流體通道中流體的溫度分布。
實(shí)施例3空冷器在石油化工等部門，空冷器的應(yīng)用非常廣泛。目前兩管程空冷器一般都采用如圖3a、b所示的流動(dòng)安排，四層翹片管束分為兩組，上部1、2兩層為第Ⅰ組，下部3、4兩層為第Ⅱ組，兩組串聯(lián)。熱流體自第Ⅰ組流入，由第Ⅱ組流出。(在圖3a中用箭頭表示熱流體由管箱5流入1、2兩層，再由3、4兩層經(jīng)管箱6流出。圖3b為圖3a的A-A剖視圖。圖b管中‘X’表示熱流體方向?yàn)榱魅?，紙面‘·’表示熱流體流出。)圖中每層僅畫6根翹片管，在工業(yè)上實(shí)際使用的空冷器翹片管數(shù)要大大多于此數(shù)。空氣流動(dòng)方向用箭頭表示由下向上流動(dòng)。從溫差場(chǎng)均勻性原理考慮，上述安排是不合理的。
本發(fā)明將上述空冷器流動(dòng)安排改為如圖4a、b所示，圖4b為圖4a的A-A剖示圖。將管束分為Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ，Ⅵ，Ⅶ，Ⅷ，共8組，見(jiàn)圖4a，分別使Ⅰ-Ⅵ，Ⅲ-Ⅷ，Ⅱ-Ⅴ，Ⅳ-Ⅶ串聯(lián)聯(lián)接，空氣自下向上流動(dòng)。熱流體流入Ⅰ，Ⅲ組管束，再?gòu)墓苁觯鞒?，?jiàn)圖4b。在熱流體流入Ⅰ，Ⅲ管束的同時(shí)熱流體也從管束Ⅱ，Ⅳ的另一端流入，然后再流入管束Ⅴ，Ⅶ內(nèi)。這種流動(dòng)安排溫差場(chǎng)均勻度將有明顯的改善，換熱效能高。
目前空冷器中翹片管的翹片是均勻分布的。依據(jù)溫差場(chǎng)均勻性原理來(lái)改變翹片的疏密，則可以進(jìn)一步提高換熱效能。如圖4所示的空冷器，將外翹片的疏密排列作圖5所示的分布。在保證原有換熱量不變的條件下，可進(jìn)一步節(jié)約換熱面積。圖5僅僅表示Ⅰ，Ⅲ，Ⅴ，Ⅶ四組管束翹片疏密，沿?zé)崃黧w管內(nèi)流動(dòng)方向，Ⅰ組翹片管的翹片由密到疏，Ⅶ組翹片管的翹片則由疏到密，Ⅲ，Ⅴ兩組翹片密度分布均勻。對(duì)Ⅱ，Ⅳ，Ⅵ，Ⅷ四組的翹片排列是，沿管內(nèi)熱流體流動(dòng)方向Ⅱ組翹片管的翹片由密到疏，Ⅷ組翹片管的翹片由疏到密，Ⅳ，Ⅵ兩組翹片密度分布均勻。所有各管翹片總數(shù)不變。經(jīng)上述改進(jìn)的空冷器，在換熱量相同的情況下，可節(jié)約換熱面8-10%。本實(shí)施例中每根翹片管的翹片密度總有二個(gè)數(shù)值，以便加工制造。
權(quán)利要求
1.一種提高叉流式換熱設(shè)備效能的方法，其特征在于依據(jù)溫差場(chǎng)均勻性原理，改變流動(dòng)布置和傳熱面布置，以改善溫差場(chǎng)的均勻性，提高換熱設(shè)備效能。
2.按照權(quán)利要求1所說(shuō)的提高叉流式換熱設(shè)備效能的方法，其特征在于當(dāng)溫度非均勻分布的熱流體橫掠單管或單層管束加熱冷流體時(shí)，改善溫差場(chǎng)的均勻度提高換熱效能的方法是，冷流體流動(dòng)的方向應(yīng)自熱流體的冷端，即低溫端流入。
3.按照權(quán)利要求1所說(shuō)的提高叉流式換熱設(shè)備效能的方法，其特征在于對(duì)板翹式換熱器，多股流體之間的換熱，流體流動(dòng)成叉流方式布置，當(dāng)冷流體溫度是均勻分布，熱流體溫度為非均勻分布，為改善溫差場(chǎng)的均勻度提高換熱設(shè)備效能，則冷流體應(yīng)從對(duì)應(yīng)的熱流體溫度較低的一端流入，從另一端流出。
4.按照權(quán)利要求1所說(shuō)的提高叉流式換熱設(shè)備效能的方法，其特征在于對(duì)板翹式換熱器，多股流體之間的換熱，冷、熱流體流動(dòng)成叉流方式，當(dāng)熱流體與冷流體來(lái)流溫度分布都不均勻時(shí)，可改善溫差場(chǎng)的均勻度提高換熱設(shè)備效能，則冷流體應(yīng)從對(duì)應(yīng)熱流體低溫端流入，而在入口處冷流體的高溫端應(yīng)靠近熱流體的低溫端。
5.按照權(quán)利要求1所說(shuō)的提高叉流式換熱設(shè)備效能的方法，其特征在于對(duì)水平式空冷器，改善溫差場(chǎng)均勻度提高換熱效能其流動(dòng)布置是將管束Ⅰ-Ⅵ，Ⅲ-Ⅷ，Ⅱ-Ⅴ，Ⅳ-Ⅶ，串聯(lián)連接，空氣自下向上流過(guò)Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ，Ⅵ，Ⅶ，Ⅷ，管束，熱流體在管束Ⅰ，Ⅲ，Ⅴ，Ⅶ內(nèi)流動(dòng)為相同方向，而在Ⅱ，Ⅳ，Ⅵ，Ⅷ管束內(nèi)熱流體流動(dòng)方向與熱流體在管束Ⅰ，Ⅲ，Ⅴ，Ⅶ內(nèi)流動(dòng)方向相反。
6.按照權(quán)利要求1所說(shuō)的提高叉流式換熱設(shè)備效能的方法，其特征在于所說(shuō)的改善溫差場(chǎng)均勻度提高換熱設(shè)備效能的方法是，改變空冷器中翹片管翹片的疏密布置。
7.按照權(quán)利要求1或權(quán)利要求6所說(shuō)的提高叉流式換熱器效能的方法，其特征在于所說(shuō)的改變翹片管翹片疏密的布置辦法是，Ⅰ，Ⅱ組翹片管的翹片沿管內(nèi)熱流體流動(dòng)的方向由密到疏布置，Ⅶ，Ⅷ組翹片管的翹片沿管內(nèi)熱流體流動(dòng)的方向由疏到密布置，其它組翹片管的翹片分布均勻。
全文摘要
一種提高叉流式換熱設(shè)備效能的方法，是依據(jù)本發(fā)明者提出的“溫差場(chǎng)均勻性原理”，即傳熱面兩側(cè)冷、熱流體間的溫度差分布得越均勻，則換熱設(shè)備效能越高。本發(fā)明提出的流體橫掠單管或單層管束，板翅式換熱器，空冷器等三類換熱設(shè)備，通過(guò)改變流動(dòng)安排或改變翅片密度的方法，改善溫差場(chǎng)均勻度。在結(jié)構(gòu)方面僅作少量的變動(dòng)就可達(dá)到節(jié)約換熱面積8—20％的效果。
文檔編號(hào)F28D1/04GK1080047SQ93106838
公開(kāi)日1993年12月29日 申請(qǐng)日期1993年6月10日 優(yōu)先權(quán)日1993年6月10日
發(fā)明者過(guò)增遠(yuǎn), 胡桅林, 李志信, 周森泉, 熊大曦 申請(qǐng)人:清華大學(xué)