（机械制造及其自动化专业论文）换热器性能测试的数值模拟与实验回路的设计.pdf

合肥工业大学 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大 学硕士学位论文质量要求。 海钟 合肥工业大学1教授 委员： 蹴合肥工业大学 郡修肥工业大学 懒中国通用机械设并研究院 导师： 教授 教授 高级工程师 合肥工业大学副教授 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得金胆王些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签字：淳媾移签字日期叩，【年够月访日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金胆王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金星垦工业太 堂可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 靴做糍轹1 醵 导师签名：湘 签字日期：v l 年妒日 签字日期：v i1 年缈月叼日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 换热器性能测试的数值模拟与实验回路的设计 摘要 换热器是广泛应用于化工、石油化工、医药、动力、轻工、制冷等行业的 一种通用的设备。在当前局面下，能源短缺，能源被利用的潜力需要被充分挖 掘，热交换过程的合理组织、高效利用和余热的回收在当今显得尤为重要，而 这往往又与如何正确地设计和选用热交换器密不可分。 那么如何正确地设计和使用换热器，这通常会涉及到对所设计的换热器进 行相关的性能测试，以验证该换热器是否能高效、准确而又安全地达到换热要 求。若测试结果显示换热效率低，或者换热器在测试过程中会产生结构的破坏 等情况，则需在测试结果的基础上对该换热器采取相应的解决措施，例如，换 热器结构上的改进等。针对某研究所工业换热设备在工作过程中出现的u 形管 换热器发生流体介质内露的现象，根据换热器换热性能测试的两种常用方法， 即数值模拟与实验验证，本课题对换热器设备展开了相关的研究工作。首先， 本课题设计出了应用于该研究所换热设备某一冷却工作段的同心管换热器，其 相对于u 形管换热器来说，结构更简单、造价更低廉，并在f l u e n t 软件平台上 对其换热过程进行了相应的数值模拟，验证了该换热器理论设计计算的可行性； 其次，就换热设备在工作过程中出现的u 形管换热器的失效原因进行了分析， 根据对遭受结构破坏的部件的观察判断，认为u 形管换热器管、板结合处过大 的热应力是造成结构破坏的最主要原因，在此基础上，本课题提出了u 形管换 热器相应的结构改进措施，并在a n s y s 软件平台上模拟了管板结构改进前、后 的热应力分布，发现结构改进后管、板结合处的热应力明显减小，从而为u 形 管换热器的结构改进提供了依据。最后，本课题设计出了一个可供多种换热器 进行测试的实验回路，针对第三、四两章中同心管换热器与u 形管换热器的工 作要求，实验采用了相同的换热器以及相同的工况进行了测试实验。对换热器 性能测试的实验数据进行了采集与分析，为换热器的性能测试提供了直接依据。 关键词：同心管换热器；u 形管换热器；性能测试；结构改进；有限元分析 h e a te x c h a n g e rp e r f o r m a n c e t e s t i n go fn u m e r i c a l s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a ll o o pd e s i g n a bs t r a c t h e a te x c h a n g e ri sw i d e l yu s e di nc h e m i c a l ，p e t r o c h e m i c a l ，p h a r m a c e u t i c a l ， p o w e r ，l i g h t ，r e f r i g e r a t i o na n do t h e ri n d u s t r i e sa sac o m m o nd e v i c e u n d e rt h e c u r r e n te n e r g ys h o r t a g es i t u a t i o n ，t h ep o t e n t i a lu s e do fe n e r g yn e e d st ob ef u l l y t a p p e d ，r a t i o n a lo r g a n i z a t i o no fh e a te x c h a n g e rp r o c e s s ，e f f i c i e n te n e r g yu s ea n d w a s t eh e a tr e c y c l i n ga r ee s p e c i a l l yi m p o r t a n t ，a n dt h e s ea r ea l li n s e p a r a b l yr e l a t e d t oh o wt op r o p e r l yd e s i g na n da d o p th e a te x c h a n g e r s h o wt op r o p e r l yd e s i g na n da d o p th e a te x c h a n g e r s ，w h i c hu s u a l l yr e l a t e dt o h e a te x c h a n g e r sp e r f o r m a n c et e s t i n gf o rv e r i f y i n gw h e t h e rt h eh e a te x c h a n g e r sc a n m e e th e a t e x c h a n g i n gr e q u i r e m e n t se f f i c i e n t l y ，a c c u r a t e l ya n ds a f e l y i ft e s t r e s u l t ss h o wl o we f f i c i e n th e a te x c h a n g i n gr a t eo rh e a te x c h a n g e rh a sp o t e n t i a lr i s k o f p r o d u c i n g s t r u c t u r e d a m a g ed u r i n g t h ew o r k c o u r s e ，c o r r e s p o n d i n g m e a s u r e m e n t ss h o u l db et a k e nb a s e do nt h et e s t i n gr e s u l t s ，f o r e x a m p l e ，h e a t e x c h a n g e rs t r u c t u r a li m p r o v e m e n t s a c c o r d i n gt oo n er e s e a r c hi n s t i t u t e su - t u b e h e a te x c h a n g e rf l u i dm e d i u ml e a k i n gp h e n o m e n o n ，b a s e do nt w oc o m m o nh e a t e x c h a n g e rp e r f o r m a n c et e s t i n gm e t h o d sw h i c ha r en u m e r i c a l s i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n t a lv a l i d a t i o n ，t h i sp a p e rc a r r i e s o u tc o r r e s p o n d i n gr e s e a r c h o nh e a t e x c h a n g e rd e v i c e f i r s t ，o n ec o n c e n t r i ct u b eh e a te x c h a n g e ri sd e s i g n e df o ro n e c o o l i n gs e c t i o n ，c o m p a r i n gt ou - t u b eh e a te x c h a n g e ri t ss t r u c t u r ei sm o r es i m p l e a n dm a n u f a c t u r i n gp r i c ei sm u c hl o w e r ，t h e nn u m e r i c a ls i m u l a t i o no nf l u e n t p l a t f o r mi sd o n et ov e r i f yw h e t h e rt h eh e a te x c h a n g e rd e s i g na n dc a l c u l a t i o n p r o c e s si sr e a s o n a b l e ；s e c o n d ，a c c o r d i n gt oo b s e r v a t i o na n de x p e r i e n c e s ，o v e r t h e r m a ls t r e s so n j u n c t i o np a r to ft u b ea n dp l a t ei sc o n s i d e r e da st h em a i nr e a s o no f s t r u c t u r a l d a m a g e b a s e d o nt h i s ，c o r r e s p o n d i n gs t r u c t u r a l i m p r o v e m e n t i s p r o p o s e d t h e nu s i n ga n s y ss o f t w a r et os i m u l a t et h eu - t u b eh e a te x c h a n g e rc a d m o d e la n di m p r o v e dc a dm o d e lo ff a i l u r ep a r t ，s i m u l a t i o no u t c o m es h o w st h a tt h e t h e r m a ls t r e s so ni m p r o v e dp a r ti ss i g n i f i c a n t l yr e d u c e d t h i sp r o v i d e sab a s i sf o r u - t u b eh e a te x c h a n g e rs t r u c t u r a li m p r o v e m e n tm e t h o d s l a s t ，o n eh e a te x c h a n g e r s e x p e r i m e n t a lt e s tl o o pi sd e s i g n e d i no r d e rt oc o m p a r ew i t ht h ec o n c e n t r i ch e a t e x c h a n g e r sa n du - t u b eh e a te x c h a n g e r sw o r k i n gp e r f o r m a n c ew h i c hb e i n gs t u d i e d i nt h i sp a p e r ，t h ee x p e r i m e n ta d o p t st h es a m eh e a te x c h a n g e r sa n dt h es a m e w o r k i n gc o n d i t i o n r e l a t e de x p e r i m e n t a ls t a t i s t i c si sc o l l e c t e da n da n a l y z e dw h i c h p r o v i d e sd i r e c tb a s i sf o rh e a te x c h a n g e rp e r f o r m a n c e t e s t k e yw o r d s ：c o n c e n t r i ct u b eh e a te x c h a n g e r ： t e s t ； s t r u c t u r a li m p r o v e m e n t ： u t u b eh e a te x c h a n g e r ；p e r f o r m a n c e f i n i t ea n a l y s i s 致谢 本次毕业论文能够顺利完成，离不开那些曾给予我关怀、指导和帮助的 老师、同学和朋友们，在此谨向他们表示由衷的感谢l 衷心感谢导师王晓枫老师三年来的悉心指导和大力支持。在我求学的过 程中，王晓枫老师给予了热心的指导和无私的帮助。王老师开阔的思路，敏锐 入微的洞察力，渊博深厚的知识，严谨求实的治学态度，勤奋忘我的工作热情， 永不止步的追求精神，诲人不倦的高尚师德给我留下的不仅是深深的记忆，更 是我人生奋斗的标杆。王老师在学业上的教导、一言一行使我受益终生。 另外，c a d c a m 中心的曹文钢老师、陈科老师、吕新生老师、张晔老 师在我的论文工作期间，也给予我亲切的建议和指导，在此深表谢意。 感谢已毕业的师兄连学通、陈敬栋、乔一男、师姐韩燕、黄艳艳、周海 琴，感谢他们在学习、生活各方面的帮助和支持。衷心感谢和我一起奋斗学习 的铁巍巍、陶龙风、金薇、李晓峰、刘文辉、曾环。在这个集体里，大家互相 学习，互相帮助，相互交流，浓厚的学习氛围使我顺利完成了硕士论文，衷心 感谢大家的支持。 作者：周雍 2 0 1 1 年3 月7 目录 第一章绪论1 1 1换热器的应用l 1 2换热器的分类l 1 3换热器的基本要求2 1 4换热器的测试与改进简介2 1 5课题研究的理论背景2 1 6本课题的研究意义3 第二章理论基础和模拟测试软件平台4 2 1换热器的设计理论4 2 2热计算基本方程式4 2 2 1传热方程式4 2 2 2 热平衡方程式5 2 3平均温差5 2 3 1流体的温度分布6 2 3 2 顺流和逆流情况下的平均温差7 2 4换热器性能测试模拟软件平台介绍9 2 4 1s o l i d w o r k s 建模介绍9 2 4 2a n s y s 热应力计算介绍9 2 4 3f l u e n t 介绍1 0 2 4 4g a m b i t 软件介绍1 2 第三章同心管换热器的设计与验证= 1 3 3 1同心管换热器设计背景介绍1 3 3 2同心管换热器的设计1 3 3 2 1逆流换热与顺流换热的选择1 3 3 2 2 逆流式同心管换热器的设计性计算1 5 3 2 3同心管换热器的结构布置。1 8 3 3流体流动及换热的基本控制方程1 9 3 3 1物质导数1 9 3 3 2质量守恒方程2 0 3 3 3 动量守恒方程2 1 3 3 4能量方程和导热方程2 2 3 4同心管换热器设计的f l u e n t 数值模拟2 2 3 4 1g a m b i t 模型的导入及网格的划分2 2 3 4 2f l u e n t 数值模拟2 4 3 4 3模拟结果的分析2 7 3 4 4结构改进理论基础2 9 3 5 小结3 l 第四章u 形管换热器性的数值模拟以及结构改进3 2 4 1换热器类型的选择3 2 4 2 传统u 形管换热器的结构介绍3 2 4 3传统u 形管换热器的失效原因分析。3 3 4 4传统u 形管换热器的工况分析3 3 4 4 1工况介绍与失效形式3 3 4 4 2操作压力对u 形管产生的轴向推力3 4 4 4 3温差对u 形管产生的轴向力3 4 4 4 4操作压力与温度差引起的轴向合力3 5 4 5传统u 形管管、板结合处热应力模拟3 5 4 5 1热应力有限元模型的建立3 5 4 5 2有限元计算单元的选择与网格划分3 6 4 5 3热分布的数值模拟3 6 4 5 4热应力的数值模拟3 7 4 6结构改进方案的提出3 8 4 7新型u 形管换热器的设计3 9 4 8新型u 形管换热器热应力分析3 9 4 8 1热应力的数值模拟3 9 4 8 2热应力的结果分析。4 0 4 9 ，j 、结4 0 第五章换热器性能测试回路的设计：4 2 5 1实验回路的设计背景与目的4 2 5 2实验回路功能与意义4 2 5 2 1回路的功能4 2 5 2 2 回路的意义4 3 5 3回路设计说明及展示4 3 5 3 1回路的设计展示4 3 5 3 2回路实验器材的说明4 4 5 4实验数据分析4 6 5 4 1实验数据的收集4 7 5 4 2实验数据的分析4 9 5 5换热器传热系数测试原理。4 9 5 6 小结5 0 第六章总结5 1 参考文献一5 3 攻读硕士学位期间发表的论文5 6 图表目录 图2 1 流体平行流动时的温度分布7 图2 2 顺流热交换器中流体温度的变化8 图2 3 逆流热交换器中流体温度的变化8 图3 - 1 顺流式换热器的温度分布1 4 图3 2 逆流换热器的温度分布1 4 图3 - 3 同心管换热器结构布局1 8 图3 4 逆流同心管换热器二维模型1 9 图3 5 同心管换热器二维简化示意图2 3 图3 6 逆流同心管换热器局部网格模型：2 4 图3 7 热流体进口边界条件设置2 5 图3 8 冷流体进口边界条件设置。2 6 图3 9 流体出口设置2 6 图3 1 0 求解方程的选择2 7 图3 1 1 弯管段速度分布矢量图2 7 图3 1 2 同心管换热器温度分布云图2 8 图3 1 3 热流体进口温度分布云图2 8 图3 1 4 冷流体进口温度分布云图2 8 图4 1 单管板u 形管换热器结构示意图3 3 图4 2 操作压力产生的u 形管轴向压力3 4 图4 3 温差产生的u 形管轴向力3 5 图4 4 传统换热器管、板l 2 模型3 5 图4 5 传统换热器管、板有限元模型3 6 图4 6 传统换热器管、板温度场云图3 7 图4 7 传统换热器管、板热应力云图3 8 图4 8 新型换热器结构示意图3 8 图4 9 新型换热器进口处管、板热应力云图。4 0 图4 1 0 新型换热器出口处管、板热应力云图4 0 图5 1 换热器测试回路示意图4 4 图5 2 实验回路传感器布置示意图4 5 图5 3 流量传感器结构示意图4 5 图5 4 温度采集电路原理图4 6 图5 5 压力传感器测量电桥原理图4 6 图5 6 同心管换热器进口流量实验数据图。4 7 图5 7 同心管换热器进、出口温度实验数据4 8 图5 8u 形管热器进口流量实验数据4 8 图5 - 9u 形管换热器进、出口温度实验数据4 9 表3 1 逆流同心管换热器工况参数1 8 表3 2 逆流同心管换热器结构参数1 8 表3 3 边界条件参数2 5 表3 - 4 流体进出、口温度理论计算与模拟结果比较2 9 表4 1 传统、新型换热器结构尺寸参数。3 9 表5 1 同心管换热器冷、热流体进、出口流量与温度数据采集4 7 表5 - 2u 形管换热器冷、热流体进、出1 3 流量与温度数据采集4 5 第一章绪论 在工程中，换热器的定义是指将某种流体的热量以一定的传热方式传递给 其他种类流体的设备。在这种工业设备内，至少有两种不同温度的流体参与传 热，其中一种流体温度较高，在冷流体的作用下，放出热量：另一种流体温度 较低，在热流体的作用下，吸收热量【l 】。在有些工业中的设备，例如精馏设备、 制冷设备等，在完成其所指定的特定生产工艺过程的同时，都伴随着热量的交 换，但这些设备的主要目的并非传热，对它们的研究就不属于本课题研究的范 畴之内。本课题所研究的换热器是指以传热、交换热量为主要目的工业设备。 1 1换热器的应用 在工业生产中，换热器的应用相当普遍，例如制冷工业中的冷凝器、蒸汽 压缩式制冷机或吸收式制冷机中的蒸发器；动力工业中锅炉设备的过热器、电 厂热力系统中的冷凝器、空气预热器、给水加热器、除氧器、冷水塔；在航空 航天工业中，发动机及辅助动力装置在运行时会产生的大量热量，为了及时取 出这些热量，换热器是不可缺少的部件；在石油化学工业和化学工业的生产过 程中，换热器应用的场合更是不胜枚举【2 】。 1 2 换热器的分类 目前，各种工业部门所要求的各种换热器的结构和类型都在不断改进。流 体的运动、流体的种类、流体的阻力、设备的温度和压力等也都必须与不断提 高的生产过程要求相适应【3 】。随着尖端技术的不断发展，低温、超低温、高温 高压、高速等新兴技术【4 】在换热器行业中的应用，促使了高效率、高强度的紧 凑型热交换器的出现。虽然换热器的种类繁多，但所有的换热器设备都仍可按 照他们的一些共同特征来加以区分： ( 1 ) 按照用途来分：冷却器、预热器、蒸发器、冷凝器等； ( 2 ) 按照换热器制造的材料来分：陶瓷的、金属的、石墨的、玻璃的、塑 料的等； ( 3 ) 按照温度分布状况来分：有些热交换器温度工况稳定，在其制定的热 交换区域内的温度以及热流大小不随时间的变化而变化；有些热交换器的温度 工况不稳定，其传热面上的温度和热流都随时间的变化而变化： ( 4 ) 按照冷流体与热流体的流动方向来分：顺流式、逆流式、混流式、错 流式； ( 5 ) 按照传送热量的方法来分：混合式、间壁式、蓄热式。 1 3 换热器的基本要求 根据换热器在生产过程中的应用场合、地位以及作用，换热设备应满足多 种多样的工艺条件。一般来说，对换热器的基本要求如下： ( 1 ) 能满足工艺过程的要求，即换热器的热损失少，热交换强度高，在有 利的平均温差下工作【5 ，6 1 ； ( 2 ) 换热器的工艺结构要与温度和压力条件相适应，不易遭到破坏，维修 方便，制造简单，运行可靠，经济合理【_ 7 j ； ( 3 ) 换热器设备的结构要紧凑【8 1 。这特别对大型企业、新能源开发、航空 航天以及余热回收装置有着重要的意义【9 1 ； ( 4 ) 为减少换热器的动力消耗，换热器在工作过程中应当保证较低的流动 阻力【1 0 1 。 1 4 换热器的测试与改进简介 通常，在完成换热器的选用与设计以后，一般需要对换热器的换热效果进 行测试与分析，然后采取相应的结构改进措施。性能测试与分析的关注点一般 包括以下几个方面： ( 1 ) 冷、热流体的出口温度能否在该换热器所设定的工况下达到预定的换热温 度【1 。 ( 2 ) 针对所选用的换热器可能出现的结构破坏因素，进行相应的测试分析【l2 1 ， 并在测试分析结果的基础上，对换热器提出相应的结构改进，以避免结构破坏 的发生【”】。 ( 3 ) 针对可能会降低换热器换热效率的因素，如u 形管换热器管、壳程内污垢 的形成会明显降低换热效率等这类因素，进行相应的分析，并提出相应的解决 措旌，以提高换热效率【1 4 , 1 5 】。 本课题主要对同心管换热器和u 形管换热器进行了研究，就换热器的换热 效果、如何提高换热器的换热效率、如何就可能引发换热器结构破坏的部件进 行改进等几方面进行了阐述。 通常，在工业设计中，一般有实验测试【1 6 1 与数值模拟【1 7 】两种方法来检测所 设计产品是否满足设计要求，本课题基于此，分别对同心管换热器与u 形管换 热器的性能测试的数值模拟与实验测试两方面进行了研究。 1 5 课题研究的理论背景 在当今形势下，贸易自由化、经济全球化以及社会信息化已经深深影响着 社会经济的方方面面，制造业的经营战略也在不知不觉中发生了巨大的变化。 随着c a d c a e c a m 等新理论、新技术的发展和应用，人们接着又提出了虚拟 制造、并行工程、敏捷制造等先进的理论，以应付越来越短的新产品开发周期 与交货周期。 2 进入2 0 世纪9 0 年代以来，如何在最短的时间内，开发出高质量、低开发 成本的产品已成为市场竞争的新焦点。围绕如何提高新产品的开发能力，新的 产品开发软件随之迅速发展起来，比如s o l i d w o r k s 、c a t i a 、a n s y s 、f l u e n t 等 等。设计、试制、修改设计、规模生产的传统制造模式等等也因虚拟制造技术 的应用而将从根本上发生改变。在产品被真正研制出以前，工程师首先会在虚 拟制造环境中构建出产品模型以代替传统的样品，然后对其进行试验，并且对 其性能以及可制造性进行相关的、必要的评价和预测。这样，产品的设计与制 造周期被缩短了，产品的开发成本被降低了，系统对市场变化的快速响应能力 被提高了，最终提高了企业的经济效益。下面简单介绍一下虚拟设计的概念， 即，在c a d c a e 环境中进行3 d 结构设计一动力学运动学仿真一有限元分析 一物理样机一物理实验一产品制造。工程师可在有限元分析中获得产品的相关 性能参数，对初始的设计进行修改，建立其数字模型，对数字模型进行模拟分 析，然后根据模拟的结果来对原有的设计再进行二次结构修正，直至设计最终 满足企业与客户的要求，最后才大批量生产制造产品。本课题主要针对管壳式 换热器设备的设计、测试、结构改进进行了虚拟设计。 1 6 本课题的研究意义 首先，本课题针对某研究所换热设备冷却润滑油工作段所需的换热要求， 设计出了满足换热要求的同心管换热器；然后在f l u e n t 平台上，对该理论设 计的结果进行了的相关数值模拟，以验证所设计的同心管换热器是否能满足预 定的换热要求。从而，本课题该部分的研究为同心管换热器的设计提供了相应 的理论数值依据。 其次，就u 形管换热器出现的结构破坏的原因进行了分析，针对出现结构 破坏的部件提出了相应有效的结构改进；通过a n s y s 软件热应力模块的数值 模拟对所提出的结构改进的部件的工况进行了有效的数值模拟，从而为u 形管 换热器的结构优化提供了可靠的依据。 最后，本课题提出了换热器性能测试的物理实验方法，设计出可以用于对 多种换热器在不同工况下换热效果进行测试的实验回路，收集了有效的实验数 据，为换热器设备性能测试的实验验证提供了可行的方案。 第二章理论基础和模拟测试软件平台 2 1换热器的设计理论 在对换热器进行设计时，从开始收集原始资料，到正式绘出图纸为止，需 要进行一系列的设计计算工作，这种计算一般包括一下几个方面的内容： ( 1 ) 热计算根据给出的具体条件，例如换热器的类型，流体的进、出口 温度，压力，他们的物理化学性质，在传热过程中有无相变等，求出热交换器 的传热系数，进而计算出传热面积的大小。 ( 2 ) 结构计算根据传热面积的大小计算换热器的主要部件和构件的尺 寸，例如管子的直径、长度、根数、壳体的直径，纵向隔板和折流板的尺寸和 数目，分程隔板的数目和布置，以及连接管尺寸等【i 引。 ( 3 ) 流动阻力计算进行流动阻力的计算的目的在于为选择泵或风机提供 依据，或者核算其压降是否在限定的范围之内。当压降超过允许的数值时，则 必须改变换热器的某些尺寸，或者改变流速等。 ( 4 ) 强度计算计算换热器各部件尤其是受压部件的应力大小，检查其强 度是否在允许范围之内，对于在高温高压下工作的换热器，这点尤为重要。 2 2 热计算基本方程式 通常，热计算包括设计性的热计算以及校核性的热计算两种类型。对于设 计性热计算，其目的在于决定换热器的传热面积，但是同样的传热面积又可以 采取不同的结构布局方式和对应的尺寸设计；另一方面，结构尺寸反过来又对 热计算的过程产生影响。因此，实际上，设计性热计算往往要与结构计算交叉 进行【1 9 】。而校核性的热计算则是针对现成的热交换器，计算出冷流体与热流体 的进、出口温度、传热效率，以验证该换热器能否在设计工况下完成预定的换 热要求。 然而，无论是设计计算还是校核计算，所采用的基本关系式都有两个，即 传热方程式和热平衡方程式【2 引。下面来介绍这两个方程。 2 2 1 传热方程式 曰=rkatda(2-1) 西 式( 2 一1 ) 是传热方程式的普遍形式， 其中q 一一传热速率，w ； d a - - - - 每个微元的传热面积，m 2 ； k 一一任意微元处传热面积上的传热系数，w ( m 2 ) ； 缸一一两种流体在该微元传热面处的温度差，。 4 由于不同换热器的函数关系式各不相同，式( 2 - 1 ) 的计算会非常复杂，因此， 在工程计算中经常采用以下简化过后的传热方程式： q = 尉帆 ( 2 2 ) 式中k 一一整个传热面上的平均传热系数，w ( m 2 ) ； a 一一传热面积，m 2 ； 乙一一两种流体之间的平均温差，。 2 2 2 热平衡方程式 如果对于散至周围环境中的热损失不予以考虑，则热流体所释放出来的热 量就应该等于冷流体所吸收进去的热量。热平衡方程式也因此可以写成： q = m 。( 一) = m 2 ( 艺- i 2 ) ( 2 3 ) 式中m l 、m 2 一一分别为热流体与冷流体的质量流量，k g s ： i l 、i 2 一一分别为热流体和冷流体的焓，j k g 。 不论流体相变上有无变化，式( 2 - 3 ) 都是正确可用的；当流体不存在相变时， 热负荷则可以用式( 2 - 4 ) 表示： q = - m 。rc l 戤= m 2rc 2 必 ( 2 - 4 ) 一c j 式中c l 、c 2 一一分别为两种流体的定压质量比热，j ( k g ) 。 然而，比热c 是温度的函数，在应用式( 2 - 4 ) 时必须知道此函数关系式。为简 化起见，工程中一般都采用在进、出口温度范围内的平均比热，即 吼= 一m , c , c t 。一瓦。，) = m q ( 死。，- r , ，。) = m l c , “ ( 2 5 ) q 2 = m 2 c 2 ( t 。一霉。，) = m 2 t ? , 2 , l t c 式中c l 、c 2 一一分别为两种流体在进、出口温度范围内的平均定压质量比热， j ( k g ) 。 其中，。一一热流体在换热器内的温降值，； 觚一一冷流体在换热器内的温降值，。 式中的乘积m c 称为热容量，它的数值大小代表着流体的温度每改变1 时所需 要的热量，用w 表示。因而上式又可写成q = w 1 f = w 2 f c 。由此可知，两种流 体在换热器内的温度变化与他们的热容量成反比。 以上讨论的是没有考虑散热损失的情况，但在工程实际中，任何换热器都 有散向周围环境的热损失g 。，这时候热平衡方程式就应该写成 q l = 9 2 + 吼或q , ，7 l = q 2 ( 2 6 ) 式中刁，一一以放热热量为准的对外热损失系数，通常为o 9 7 - 0 9 8 。 2 3平均温差 在对热交换器做设计性计算时，两种流体的进、出口温度均为已知或由热 平衡方程式求得，此时就可以利用平均温差的计算来对换热器的结构尺寸参数 5 进行设计。下面来介绍一下平均温差理论。 2 3 1流体的温度分布 流体在换热器内流动方式有多种形式，流体的温度变化过程以平行流动最 为简单。图2 - 1 为八种平行流动时的流体温度变化的示意图【2 1 1 。图中的纵坐标 为温度，横坐标为传热面积。 图2 - 1 - a 是一侧为液体沸腾，另一侧为蒸汽冷凝的换热过程，两种流体在 传热过程中都存在相变过程，两个过程都是在等温下进行的，其传热温差始终 为a t = 一厶；图2 - 1 - b 是热流体在等温条件下的冷凝过程，其热量被冷流体不 断吸收，冷流体的温度则渐渐升高，其进口处温差为a t = r 1 一t 2 ，而出口处的温 差为a t 。= 一如；图2 - 1 - c 是冷流体在等温条件下的沸腾过程，热流体的温度被 冷流体不断吸收，热流体温度则不断的降低，进口处的传热温差a t = t 2 ，出 口的传热温差为a t 。= 。一如。 然而，两种流体都没有发生相变的过程是实际工程中遇到较多的情况，这 种情况又有以下两种不同的情形：顺流和逆流。图2 - 1 - d 是顺流换热的情形， 两种流体的流动是平行且方向一致的，在沿着传热面流动的过程中，热流体的 温度不断降低，而冷流体的温度则不断升高。两种流体进口处的温差为 a t = 一f ，而出口处的温差为a t 。= 。一如。；图2 - 1 - e 是逆流换热的情形，两种 流体平行流动但流动方向是相反的，一端的温差为a t = 一t 2 ，而另一端的温差 为a t 。= ，l 。- t , 。 图2 1 - f 所示的是冷凝器内的温度变化过程，蒸汽在进入换热器设备时其 状态是高于饱和温度的，蒸汽首先被冷却到饱和温度，接着在等温下冷凝；图 2 - 1 - g 所表示的是冷流体在液态情况下进入设备的吸热，沸腾，然后是过热； 当热流体是由非凝结性气体和可凝蒸汽组成时，温度分布的形式更为复杂，如 图2 1 - h 所示。 从以上列出的各种温度分布情况可以看出，换热器内两种流体之间在一般 情况下其传热温差在各处是不相等的，而所谓的平均温差就是指整个换热器各 处温差的平均值。 6 b c d p f g 图2 1 流体平行流动时的温度分布 2 3 2顺流和逆流情况下的平均温差 上一节简单介绍了一下两种流体都没有发生相变时顺流换热与逆流换热时的流 体温度分布情况，接下来详细介绍顺、逆流换热中平均温差的计算。通常，在对顺、 逆流换热器的传热温差的理论计算是建立在以下几个假定的基础上的： ( 1 ) 两种流体的比热和质量流量在整个传热面上都保持定值； ( 2 ) 整个传热面上的传热系数不变； ( 3 ) 不考虑换热器的热损失； ( 4 ) 忽略沿管子的轴向导热。 经研究发现，流体传热的平均温差在传热面是按以下规律变化的： 他= a t p 一敞 ( 2 7 ) 当4 = a 时，a t = 。，所以a t & 。= a t 。p 一z c a( 2 - 8 ) 其中，流体在传热面的初始端( a _ o ) 、传热过程中间某传热截面( a = a 。) 、终止端( a - _ a ) 7 等处的温差分别为缸。、出。，i l 为常数，其值为= 妄4 - 熹，此处“4 - “ ww lz 号分别用于顺流计算与逆流计算。 在顺流情形下，不管w i 、w 2 值的大小如何，总会有| l 0 ，因而，沿着热 流体在从进口到出口的方向上，两种流体之间的温差在不断降低的，如图2 2 所示；对于逆流时，沿着热流体从进口到出口的方向上，当w l 0 ， t 不断降低；当w i w 2 时，l l 1 h 图2 3 逆流热交换器中流体温度的变化 按照式( 2 - 8 ) 所示的温度变化关系式，推导出对于顺流、逆流换热器都 可以适用的平均温差计算公式 瓯2 譬 ( 2 - 9 ) 由于式( 2 9 ) 中包含了对数项，这种平均温差常被称为对数平均温差，以，卅或l m t d 表示。如果不区分传热面的始端与终端，而，和f 其中的较大者用瓴默代表，较小 者用。代表，则对数平均温差可以统一写成 瓯2 警i n = = 噬 ( 2 - 1 0 ) 如果沿传热面流体的温度变化不大，例如当 v i i i i i x 2 时，平均温差可用算 术平均的方法来计算，即 眈= 去( + ) ( 2 1 1 ) 二 称为算术平均温差。相比较于式( 2 一l o ) 所给出的对数平均温差，其误差不超过 + 4 的范围，而这是工程计算中所允许的。 2 。4 换热器性能测试模拟软件平台介绍 2 4 1s o l i d w o r k s 建模介绍 和所有的3 dc a d 软件一样，s o l i d w o r k s 是一个基于特征( f e a t u r e ) 的参数 化实体建模的软件，其特征如下所示： ( 1 ) 特征。特征是构建实体模型的重要元素，一般由拉伸、扫描、旋转或放样等“草 绘特征 以及诸如倒角和倒圆角这类的“应用特征 所组成。 ( 2 ) 参数化。在s o l i d w o r k s 中的图形可以通过创建尺寸或使用诸如几何体间的平行、 同心或相切等一系列几何关系来控制。前者称为“驱动尺寸控制法”，后者称为 “几何关系法 。 ( 3 ) 实体建模。实体建模是所有c a d 软件用来完整表达一个真实物体的几何方法。它 不但包含了完整描述模型的边和表面所必须的所有线框，还包含了表面几何信息。 除了几何信息外，另外它还包含了如何将这些几何体关