雙側(cè)翅化板式換熱器綜合性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)(兩種排列)修改

一種雙側(cè)翅化的板式換熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)陳維漢華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院摘要：本文利用式換熱器綜合性能優(yōu)化的設(shè)計(jì)方法對(duì)一種雙側(cè)翅化板式換熱器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。該方法應(yīng)用換熱器換熱表面的最經(jīng)濟(jì)匹配準(zhǔn)則、最小可用能損失率的最佳運(yùn)行參數(shù)準(zhǔn)則以及最合理通道結(jié)構(gòu)準(zhǔn)則等重要關(guān)系式，采用迭代的方式完成換熱器的結(jié)構(gòu)、流動(dòng)特征與換熱性能的綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)。采用這樣的設(shè)計(jì)方法能在給定極少設(shè)定數(shù)據(jù)的情況下使設(shè)計(jì)的換熱器達(dá)到材料省、換熱效果好及運(yùn)行費(fèi)用低的目的。關(guān)鍵詞：雙側(cè)翅化板式換熱器、換熱表面最佳匹配準(zhǔn)則、流動(dòng)換熱過(guò)程可用能損失率分析、合理流道結(jié)構(gòu)尺寸的確定、考慮綜合性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)圖書(shū)分類(lèi)號(hào)：TK1241引言雙側(cè)翅化的板式換熱器是廣泛應(yīng)用的緊湊式換熱器之一。常常用于兩側(cè)流體的換熱性能相差不大而又需要減少換熱器的結(jié)構(gòu)尺寸時(shí)，以?xún)蓚?cè)換熱表面的肋化來(lái)減小熱阻，從而達(dá)到強(qiáng)化傳熱減小體積的目的。對(duì)于雙側(cè)翅化的板式換熱器，通常是采用常規(guī)的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，而對(duì)于兩側(cè)的翅化表面，在設(shè)計(jì)上沒(méi)有一定的規(guī)則可循，而傳統(tǒng)的做法只要使兩側(cè)的換熱熱阻達(dá)到一致，以獲得最大的傳熱效果［1］。這種認(rèn)識(shí)如果從投資成本上來(lái)考慮是十分不經(jīng)濟(jì)的選擇。這里采用的是本文作者提出的處理方法，即在給定投資費(fèi)用（或換熱面材料）的條件下以傳熱量最大為前提導(dǎo)出兩側(cè)換熱表面的最佳匹配關(guān)系式，即換熱面積之比與其換熱性能比和投資費(fèi)用比之間的平方根關(guān)系式［2］。這樣就能達(dá)到單位傳熱量的投資成本最低，從而實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化。同時(shí)，換熱器設(shè)計(jì)的另一個(gè)問(wèn)題是流動(dòng)參數(shù)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化，具體辦法是以單位傳熱量可用能損失率最小為目標(biāo)來(lái)尋求流動(dòng)參數(shù)的最佳值［3］。此外，還必須考慮換熱器兩側(cè)的流動(dòng)換熱過(guò)程特征及由此導(dǎo)出的最佳結(jié)構(gòu)尺寸，這就是以材料省散熱量大為原則的經(jīng)濟(jì)合理的翅片最佳高度和最佳通道長(zhǎng)度的關(guān)系式。利用上述的準(zhǔn)則關(guān)系式就能實(shí)現(xiàn)綜合考慮換熱器的結(jié)構(gòu)參數(shù)、流動(dòng)參數(shù)與換熱性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)。這里給出的雙側(cè)翅化的板式換熱器的綜合性能優(yōu)化設(shè)計(jì)的具體做法是，從設(shè)定某一側(cè)的換熱性能及翅片的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)入手，以翅片最佳高度關(guān)系式確定翅片高度，計(jì)算翅片通道的當(dāng)量尺寸；然后設(shè)定換熱熱流密度和選定恰當(dāng)?shù)牧鲃?dòng)換熱準(zhǔn)則關(guān)系式，從而確定最佳流動(dòng)參數(shù)值；進(jìn)而計(jì)算出這一側(cè)的換熱性能。在完成一側(cè)的設(shè)計(jì)計(jì)算之后，再設(shè)定另一側(cè)的換熱性能而得以從最佳匹配準(zhǔn)則關(guān)系中確定兩側(cè)換熱熱流密度的比值，以及計(jì)算出相應(yīng)的結(jié)構(gòu)尺寸，同樣可以從可用能分析中得出最佳流動(dòng)參數(shù)和換熱性能。由于計(jì)算得到的換熱性能與設(shè)定數(shù)值存在差異，應(yīng)進(jìn)行用新值不斷取代原設(shè)定值的迭代過(guò)程。通常可以在給定允許誤差下結(jié)束迭代過(guò)程。這樣做就能達(dá)到雙側(cè)翅化的板式換熱器設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)參數(shù)與流動(dòng)參數(shù)的同時(shí)確定，從而做到設(shè)計(jì)的雙側(cè)翅化的板式換熱器具有結(jié)構(gòu)(成本)省、運(yùn)行費(fèi)用低而換熱性能佳的良好性能。下面將具體對(duì)優(yōu)化方法進(jìn)行討論。2換熱器傳熱過(guò)程綜合性能分析的關(guān)系式為了進(jìn)行雙側(cè)翅化的板式換熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)，有必要將設(shè)計(jì)方法所涉及的理論關(guān)系式作一個(gè)簡(jiǎn)單的介紹。它們是本文作者推導(dǎo)出傳熱過(guò)程兩側(cè)換熱面積的最佳匹配關(guān)系式和換熱過(guò)程的可用能損失率關(guān)系式以及合理或經(jīng)濟(jì)的管長(zhǎng)管徑比。2.1傳熱過(guò)程的換熱表面最佳匹配準(zhǔn)則［2］TOC\o"1-5"\h\z對(duì)于如圖1所示的充分簡(jiǎn)化的換熱器的傳熱過(guò)程而言，投資費(fèi)用與換熱面的結(jié)構(gòu)特征相關(guān)，而結(jié)構(gòu)特征又與傳熱性能密不可分。因此，我們就能夠 I從換熱器傳熱過(guò)程的傳熱方程和投資費(fèi)用方程出發(fā)導(dǎo)出換熱器 I換熱表面與換熱性能之間的最佳匹配關(guān)系式。 IA/A二［Q/a)(p/p)卜1/2。 (1) ■121212!a如果令G=a/a =p/p和￡=a/a，它們分別表示換 ip121212:p熱器兩側(cè)的換熱系數(shù)比，投資單價(jià)比及換熱表面積比。于是換L.._J熱器傳熱表面的最佳換熱面積比關(guān)系式可以改寫(xiě)為如下簡(jiǎn)潔的形式. 圖1換熱器傳熱過(guò)程示意圖￡=(匹)-“2。 (2a)上式即為換熱器兩側(cè)換熱性能和投資單價(jià)不隨換熱表面而改變情況下的換熱表面隨換熱性能和投資單價(jià)變化的關(guān)系式，被稱(chēng)為傳熱過(guò)程換熱表面的最佳匹配準(zhǔn)則或最佳結(jié)構(gòu)配比準(zhǔn)則。如果考慮翅片效率的影響(2)式可以改寫(xiě)為￡= /耳bql1/2， (2b)12式中耳1和耳2分別為兩側(cè)的翅化表面效率。2.2流動(dòng)換熱過(guò)程的可用能損失率方程［3］對(duì)于一般的流動(dòng)換熱過(guò)程(如圖2所示)，總可以視之為一個(gè)穩(wěn)定的流動(dòng)換熱系統(tǒng)，其包含流體沿固體壁面的流動(dòng)過(guò)程和流體與壁面間的換熱過(guò)程。相應(yīng)的參數(shù)有:流體的比焓h、比熵s、質(zhì)量流率m、流體溫度弓、壁面溫度Tw、流體進(jìn)出系統(tǒng)的壓力分別為P］和p2、流體與壁面間的換熱熱流密度q、以及流體的通流面積和換熱面積分別是人”與人,。今在流場(chǎng)ft中取一包含微元面積dA/勺微元控制體，將其視為一個(gè)穩(wěn)定流動(dòng)系統(tǒng)，分析其熱平衡和熵平2雷諾數(shù)(Re)值,optRe雷諾數(shù)(Re)值,optReopt也就是最佳的過(guò)程運(yùn)行參數(shù)，即2nq2L4F m XTpv3abFF(3-m)Prkm fs(3+n-m)5)衡情況可以得出流動(dòng)換熱過(guò)程的可用能（火用）損失率方程的兩種形式對(duì)于給定熱流密度和換熱特征尺寸有Ne二羋Nu-iF+竺3CdResFF,XT mqL2fsm對(duì)于給定熱流密度和流體流速有q pu3cNe= St-iF+fdFF,pcuTmq2fspfm式中，Ne=TS為無(wú)量綱可用能（火用損失率數(shù)，q二dAT為換熱熱流密度，Nu"L/九為努謝爾特?cái)?shù),Re二uL/v為雷諾數(shù)，St=a/（pcu）為斯坦登數(shù)，f pfApc= "為流動(dòng)阻力系數(shù)，uf為流體的平均流速，LDpu2/2 ff為流場(chǎng)特征尺寸,為流體導(dǎo)熱系數(shù)，為流體運(yùn)動(dòng)黏度,c為流體定壓比熱，t=JrT為平均溫度，m wfF=T/T和F=T/T分別為溫度因子，而F=A/A則為面積因子。從這兩個(gè)公式m0mf0f sft中不難看出，無(wú)量綱的的可用能損失率Ne的大小與流動(dòng)換熱特征參數(shù)（準(zhǔn)則數(shù)）Nu,St，Re及cD是密切相關(guān)的。對(duì)于一個(gè)流動(dòng)換熱過(guò)程而言，無(wú)量綱的可用能損失率越小過(guò)程的流動(dòng)換熱性能就越好。因此，通過(guò)這兩個(gè)關(guān)系式就可以找出各種流動(dòng)換熱過(guò)程的可用能損失率隨著過(guò)程特征參數(shù)的變化關(guān)系，并從中導(dǎo)出使過(guò)程可用能損失率最小的最佳過(guò)程參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)。這里將對(duì)具體流動(dòng)換熱過(guò)程進(jìn)行可用能損失率分析而尋求最佳的過(guò)程運(yùn)行參數(shù)。從對(duì)流換熱過(guò)程的分析中我們可以設(shè)定流動(dòng)換熱過(guò)程準(zhǔn)則關(guān)系式的一般形式：如換熱關(guān)系式Nu=aRenPrk，和流動(dòng)阻力關(guān)系式c=bRe-m，將它們代入方程（3）并對(duì)該式求ReD的導(dǎo)數(shù)且令其為零，即QNe：3Re=0。這樣就可以得出無(wú)量綱火損失率最小時(shí)對(duì)應(yīng)的最佳將其代入換熱關(guān)系式則可得到最佳的努謝爾特?cái)?shù)Nu異進(jìn)而計(jì)算出過(guò)程最佳的對(duì)流換opt熱系數(shù)at。對(duì)于一個(gè)流動(dòng)換熱過(guò)程當(dāng)給定換熱熱流和換熱特征尺寸之后，就可以利用上述opt方法而獲得最佳的運(yùn)行狀態(tài)及相應(yīng)的換熱性能。顯然，對(duì)于雙側(cè)翅化的板式換熱器兩側(cè)的流動(dòng)換熱過(guò)程也可以利用這一方法而得到相關(guān)的優(yōu)化數(shù)據(jù)，成為其綜合性能評(píng)價(jià)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。如換熱關(guān)系式Nu=a(Re*-c)Pk，和流動(dòng)阻力關(guān)系式c=bRe-m，將它們代入tD方程(3)采用相同的處理辦法可以得到如下試湊形式的最佳雷諾數(shù)表達(dá)式1/(3+1/(3+n-m)。6)Re(1—cRe-n)2/(3+n-m)=opttopt2nq2L4F m XTpv3abFF(3—m)Prkm fs2.3通道內(nèi)流動(dòng)換熱的經(jīng)濟(jì)合理管長(zhǎng)管徑比的確定[4]通道內(nèi)流動(dòng)換熱是屬于個(gè)管(槽)內(nèi)流動(dòng)換熱過(guò)程，如圖1所示。設(shè)管壁溫度均勻一致為T(mén)W，流體進(jìn)口溫度為T(mén)；，經(jīng)過(guò)管長(zhǎng)L后出口溫度為T(mén)"，管內(nèi)、外徑分別為d.和d，W f f io壁厚為C，流體截面上的平均流速為的對(duì)流換熱量為：Q——d2pcu°4 .pmu。利用元體內(nèi)的能量平衡關(guān)系可以得出整個(gè)管長(zhǎng)內(nèi)壁厚為C，流體截面上的平均流速為的對(duì)流換熱量為：Q——d2pcu°4 .pmu。利用元體內(nèi)的能量平衡關(guān)系可以得出整個(gè)管長(zhǎng)內(nèi)m1-e、—4oL—pcudpm.7)從上式可以看，當(dāng)管長(zhǎng)趨于無(wú)窮大時(shí)換熱熱流量最大，有兀Q —一d2pcu0'。max4.pm于是相對(duì)熱流率為：I —1-e-Z，max圖3管內(nèi)流動(dòng)換熱示意圖式中，Z—4StL/d，St—a/(pcu)。. pm從上式可以看出，當(dāng)zT8時(shí)9—1,當(dāng)z23時(shí)9>0.95，因此，在實(shí)際使用中可以選取Z=3作為無(wú)成本使用管子時(shí)傳熱量最大的數(shù)值。于是可以得到換熱量最大時(shí)的管長(zhǎng)管徑比：3)—St-1—0.75St-1。max4i圖4管內(nèi)流動(dòng)換熱合理Z值示意圖如果需要還可以進(jìn)一步減小L/d.的數(shù)值。i具體做法是Z從0到3,其相對(duì)熱流量從0到0.95，其平均變化率為0.3167。如果我們讓申函數(shù)的變化等于平均值的點(diǎn)處的Z值作為Z的合理取值的話(huà)，那么有：賓=0.3167,可以得到Z=1.1499,于是得到管內(nèi)流動(dòng)換熱過(guò)程dZ合理的管長(zhǎng)管徑比：(L/d)二0.2875St-1 。 (8)irat如果考慮成本因素，應(yīng)該是在給定管材的體積下實(shí)現(xiàn)管內(nèi)流動(dòng)換熱過(guò)程的換熱量最大。在管壁較薄的情況下，管材體積為V=^d?L,于是有L=V(冗辺)，將其代入(6)式得i到：兀d2 -4aVQ二一-pcu61—e叫忖叫。 (9)4pm\丿求上式對(duì)d.的導(dǎo)數(shù)并令其為零，即dQ/d(d)=0就可以得出各種管槽內(nèi)流動(dòng)換熱時(shí)ii的最經(jīng)濟(jì)管長(zhǎng)管徑比。對(duì)于充分發(fā)展的層流管內(nèi)流動(dòng)，換熱計(jì)算關(guān)系式為：Nu=3.66即a=3.66氣將其代i入(9)式得到：TOC\o"1-5"\h\z(L/d) 二0.1907St-1。 (10)iecom對(duì)于充分發(fā)展的紊流管內(nèi)流動(dòng)，換熱計(jì)算關(guān)系式為：Nu=0.023R0.8P0.3，可以得到:e丫(L/d) 二0.04693St-1。 (11)iecom如果考慮管長(zhǎng)修正，上式可改寫(xiě)為：(L/d) 二0.04693St-11+(21.3083St)2/3^1。 (12)iecon從上面的分析我們可見(jiàn)，把管內(nèi)流動(dòng)換熱的經(jīng)濟(jì)合理的管長(zhǎng)管徑比的范圍可選定為：(L/d)二(0.037?0.2875St-1)。 (13)irat

3雙側(cè)翅化的板式換熱器的結(jié)構(gòu)特征及性能優(yōu)化3.1結(jié)構(gòu)特征及導(dǎo)致的流動(dòng)特征一般的結(jié)構(gòu)特征如圖5所示。在由平板平行組成的兩側(cè)流體流動(dòng)的空間中，均用折疊的金屬薄片嵌入而形成翅片，從而構(gòu)成一個(gè)雙側(cè)翅化的板式換熱器的基本單元。這也是本文分析討論的對(duì)象。設(shè)定雙側(cè)翅片的厚度均為為5，翅片間距均為s（這兩個(gè)參數(shù)不同翅片側(cè)可以不同），兩側(cè)翅片高度分別為翅片側(cè)各自通道寬度的1/2，即為J和h2。為了研究問(wèn)21圖5板翅式換熱器基本單元結(jié)構(gòu)圖Si題的便利這里僅僅分析討論換熱器的一個(gè)最小單元，即一個(gè)翅片間距s所對(duì)應(yīng)的兩側(cè)幾何結(jié)構(gòu)與流動(dòng)傳熱性能。分析該單元不難看出，兩側(cè)單位深度的換熱面積分別為A]=s+2h]和A=s+2h（（忽略翅片厚度5）。在這里節(jié)熱量的傳遞是經(jīng)過(guò)翅片面積2h1（或2h2）和肋基面積ss2與流體換熱而實(shí)現(xiàn)的。由于雙側(cè)翅化的板式換熱器單元的結(jié)構(gòu)，其兩側(cè)流體只能在由翅片構(gòu)成的窄小的通道中流動(dòng)。因此兩側(cè)均屬于管糟中流體流動(dòng)換熱的過(guò)程，相應(yīng)的流動(dòng)換熱計(jì)算的特征尺寸應(yīng)為當(dāng)量直徑。按照當(dāng)量直徑的定義，其計(jì)算公式為de1=4h]S/（2h]+s）或de2=4h2s/（2h2+s）21圖5板翅式換熱器基本單元結(jié)構(gòu)圖Si在實(shí)際構(gòu)成中兩側(cè)通道常常垂直錯(cuò)開(kāi)，變成交叉錯(cuò)流的形式，后面列舉的算例就是這樣設(shè)計(jì)的。3.2綜合性能優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法與步驟優(yōu)化設(shè)計(jì)首先從有工藝要求一側(cè)的開(kāi)始。設(shè)定該翅片側(cè)的換熱系數(shù)71由此計(jì)算翅片的無(wú)因次特征尺寸mh=[2a/（A5）]i/2h，，式中人1為翅片材料的導(dǎo)熱系數(shù)。按照平直翅片結(jié)構(gòu)的優(yōu)化結(jié)果有⑸mh1=1.42，于是得出翅片高度h=1.42[Ap/（2a1）]1/2。在翅片厚度5給定的條件下，翅片通道的當(dāng)量尺寸d=4hs/（2h+s）就可以得到。e11 1如果設(shè)定翅片通道的流體運(yùn)動(dòng)換熱屬于管糟內(nèi)過(guò)渡流動(dòng)換熱過(guò)程，那么在確定通道的1/(3+1/(3+n—m)Re(1—cRe-n)2/(3+n-mRe(1—cRe-n)2/(3+n-m)二1opt t1opt 1——1 —e^ ml

尢Tpv3abFF(3—m)Prk1m11111f1s 11經(jīng)迭代得出Re ，將其代入換熱準(zhǔn)則關(guān)系式Nu=a（Ren-c）Prk就可從中計(jì)算出a'1opt t 1opt用新計(jì)算出的a'代替設(shè)定值a1重新計(jì)算出h和對(duì)應(yīng)的d，直至重新計(jì)算出a 。重復(fù)1opt 11e1 1opt上述計(jì)算，直到前后兩次計(jì)算結(jié)果僅相差一個(gè)設(shè)定的小量時(shí)就可結(jié)束計(jì)算工作。

接下來(lái)就可以計(jì)算St1=Nu1/(Re1Prl),并由公式(L/d)二0.2875St-1得到合1opt1opt1opt1 irat理(或經(jīng)濟(jì))的通道長(zhǎng)度L”計(jì)算優(yōu)化情況下的翅片效率°嚴(yán)叫)/mJ和翅面效率。1=(s+2nf]h])/(s+2h])；計(jì)算最佳流體流速u(mài)1op=Re1opV/de1；計(jì)算通道截面積ACJ=2hJs和換熱面積As1=(4h1+2s)L1；計(jì)算流體溫差△tf1=q1As1^(pCpUAd丿和換熱溫差△ts1=q/(ain丿.計(jì)算流體沿翅片通道的流動(dòng)阻力△p1=f1(L1/de1)(p呻2)至此就完成了該側(cè)翅化通道的流動(dòng)換熱和結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行另一側(cè)的優(yōu)化設(shè)計(jì)工作，同樣設(shè)定該翅片側(cè)的換熱系數(shù)a2值，由此之后可以得到?/仙丿值，利用結(jié)構(gòu)參數(shù)與換熱性能間的最佳匹配關(guān)系就能確定該側(cè)的換熱熱流密度q2=q^A^As2=q1(a/a2)-1/2。由設(shè)定的換熱系數(shù)a。2值可以計(jì)算翅片的無(wú)因次特征尺寸mh2=[2a/(人5)]1/2h2,式中人s為該翅片側(cè)材料的導(dǎo)熱系數(shù)。同樣有mh2=1.42，于是得出翅片高度嘰=1.42[入5(2a7)]1/20在翅片厚度5給定的條件下，該側(cè)的當(dāng)量尺寸d=4hs/2 s 2 e221/(3+n—m)(1/(3+n—m)Re(1—cRe-n)2/(3+n-mRe(1—cRe-n)2/(3+n-m)二2opt t2opt 2e22m

尢Tpv3abFF(3—m)Prk22m22222f2s 2經(jīng)迭代得出Re ，將其代入換熱準(zhǔn)則關(guān)系式就可從中計(jì)算出。用新計(jì)算出的代2opt 2opt 2opt替設(shè)定值a2重新計(jì)算出h和對(duì)應(yīng)的d2,直至重新計(jì)算出Q。重復(fù)上述計(jì)算，直到前后2 2 e2 2opt兩次計(jì)算結(jié)果僅相差一個(gè)設(shè)定的小量時(shí)就可結(jié)束計(jì)算工作。至此也部分完成了該側(cè)翅化通道的流動(dòng)換熱和結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化。接下來(lái)的計(jì)算與另一側(cè)的計(jì)算完全相同。在換熱器的兩側(cè)均完成性能與結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)工作之后，就可以根據(jù)實(shí)際換熱器的工藝要求和質(zhì)量流率進(jìn)行換熱器的整體結(jié)構(gòu)布置，并檢驗(yàn)設(shè)計(jì)是否滿(mǎn)足實(shí)際需要以及偏離優(yōu)化值的程度。3.3雙側(cè)翅化的板式換熱器優(yōu)化設(shè)計(jì)典型算例為了更加說(shuō)明雙側(cè)翅化的板式換熱器綜合性能優(yōu)化的全過(guò)程,這里以130°C的壓縮空氣和30C的常壓空氣間的流動(dòng)換熱為例設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的雙側(cè)翅化的板式換熱器，其工藝要求為壓縮空氣溫度降低到70C，質(zhì)量流率為0.16kg/s。設(shè)定壓縮空氣和常壓空氣均在裝有翅片的通道中流動(dòng)和換熱。已知壓縮空氣的物性參數(shù)為p產(chǎn)2.7992kg/m3，cp=1012J/(kgC),A廠(chǎng)0.0310W/(mC),v1=7.5045X10-6m2/s，Pr1=0.688；空氣的物性參數(shù)為p2=1.093kg/m3,cp2=1005J/(kgC),A2=0.0283W/(mC),v2=17.96X10-6m2/s,Pr=0.698o為了計(jì)算上的便利忽略溫度因子的影響。取壓縮空氣側(cè)為有工藝要求的一側(cè)，且設(shè)q1=4000W/m2,并選取翅片厚度51=0.0001m,翅間距s1=0.0015m,翅片材料的導(dǎo)熱系數(shù)As=174W/(mC)。當(dāng)假設(shè)換熱系數(shù)a1之后就可按照上述步驟進(jìn)行壓縮空氣側(cè)的流動(dòng)換熱與結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)工作。對(duì)于空氣側(cè)除利用最佳匹配關(guān)系確定q2之外，其優(yōu)化過(guò)程與壓縮空氣側(cè)相同。由于通道較窄小基本屬于管槽內(nèi)的層流或過(guò)渡流動(dòng)的換熱過(guò)程，可采用如下準(zhǔn)則關(guān)系式：換熱關(guān)系式Nu=0.0214(Re0-8-100)Pro.4和流動(dòng)阻力關(guān)系式c=O.O676Re-o.2285，因而D有壓縮空氣側(cè)的最佳雷諾數(shù)值計(jì)算公式Re(1-100Re-Q8)0.556=38989.909q0-556d1.111。1opt 1opt 1 e1同樣，可以得出空氣側(cè)流動(dòng)換熱的最佳雷諾數(shù)值計(jì)算公式Re (1-100Re-0.8)0.556=26075.922q0.556d1.111。2opt 2opt 2 e2經(jīng)采用上述方法迭代得出如表1所示的收斂結(jié)果。表1雙側(cè)翅化板式換熱器優(yōu)化設(shè)計(jì)主要參數(shù)表主要參數(shù)壓縮空氣側(cè)常壓空氣側(cè)符號(hào)數(shù)值符號(hào)數(shù)值熱流密度q,4000W/m2q23026W/m2翅片高度h0.006669mh.0.008868m翅片通道直徑de10.002197mde20.002766m翅片效率nf,0.7615(取m,h,=1)nf,O.7615(取m2h2=1)翅面效率n,0.7857n,0.7804八最佳雷諾數(shù)值Re,5790Re,3515換熱系數(shù)a195.627W/(m2°C)a111.2814W/(m2C)最佳流速u(mài),16.1109m/su，22.8311m/s最佳通道長(zhǎng)度L0.1815mL,0.1794m翅片通道截面積Ac,2.001X10-5m2Ac，2.6594X10-5m2翅片通道換熱面積As,0.005386m2As,0.006889m2流體溫度改變值氐tf,18.53C24.45C換熱所需溫差J1卜ts,20.4471CJ丄27.19C通道阻力損失卜p,908.9530Pa1120.7913氐p,770.1980Pa從表1中可以看出壓縮空氣側(cè)的流體溫度改變不能滿(mǎn)足工藝要求，必須增加壓縮空氣側(cè)通道的長(zhǎng)度。按比例可以得到L'=0.5877m，從結(jié)構(gòu)上考慮采用雙流程，于是單程通道1長(zhǎng)度為L(zhǎng)*=0-2938m=0.3m。1由壓縮空氣的質(zhì)量流量m=puAt=0.16kg/s,可以得出總流通面積1 11c1At=0.003548m2-于是翅片通道數(shù)為N=At/A=177.3,取N=180；由此總通道寬c1 1 c1c1 1為B]=N]S]，如果考慮雙流程三層通道布置，則每個(gè)通道寬度為B/3=0.09m。由于采用交錯(cuò)

布置壓縮空氣側(cè)的兩個(gè)（或一個(gè)）通道寬度也就是空氣側(cè)的翅片通道的長(zhǎng)度，即L*=2B/3=0.18m（或L*=B/3=0.09m）；而單流程的壓縮空氣通道長(zhǎng)度也就是空氣側(cè)的總通道寬度的1/3（或1/6）,即L*=B2/3=03m（或L*產(chǎn)B/6=0.3m）,也就得出B=0.9m（或B2=1.8m）。在此基礎(chǔ)上可以確定空氣側(cè)的總通流面積為At二2hB二0.01596m（或C222At=2hB=0.0319）2而翅片通道數(shù)為N=B/s=600（或1200），分為三層（或C2 2222六層）布置每層個(gè)數(shù)為n2=200。由于結(jié)構(gòu)布置上不能將其中一個(gè)分為兩個(gè)半通道分別放在壓縮空氣側(cè)的上下，因而必須多安排一層空氣通道。圖6給出一個(gè)實(shí)際的換熱器三層布置一側(cè)雙流程另一側(cè)單流程的兩種結(jié)構(gòu)示意圖。圖6換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖V圖6換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖V」L 11r 1mi"1111亠L(fēng)*=B/3一盲2 1 ■按照上面的設(shè)計(jì)可以得出實(shí)際換熱器兩側(cè)的結(jié)構(gòu)尺寸如下壓縮空氣側(cè)：總通流面積At=NA=0.0036018m2,c1 1c1總換熱面積A「2NiAsiL*/2=3.2049m2,有效換熱面積(A"#=niA：=於唄2；常壓空氣側(cè)：實(shí)際總通流面積C)=n(3+1)A=0.02128m2，或Jn(6+1)A=0.03192m2；c2r 2 c2 c2r2c2實(shí)際總換熱面積At=n(3+1)AL*/L=5.5296m2，或At=n(6+1)AL*/L=4.8384m2；s2 2 s22 2 s2 2 s22 2實(shí)際有效換熱面積(At)=At(n+W)/2=3.5486m2，或(At)=A『(5耳+2qJ/7=3.3925m2,s2effs22 2 s2effs2 2 2s+2n‘h式中n= 才尸=0.5031,為換熱器上下兩側(cè)空氣側(cè)翅片的翅面效率。這是因?yàn)槠涑? s+2h2片高度為中心的兩倍，故而mh=2，其翅片效率n'=0.482。2 2 f2在此情況下的實(shí)際傳熱量對(duì)于壓縮空氣側(cè)有Q=qnAt=10072.2W，而對(duì)應(yīng)的流體溫度變化為1 11s1At=Q/(mc)=62.21°C；TOC\o"1-5"\h\zf1 1 1p1對(duì)于常壓空氣側(cè)有Q=q(n+n')At/2=10738.1W2 2 2 2s2或Q=qAt(5n+2n')/7=10265.8W。22s22 2比較可見(jiàn)，常壓空氣側(cè)略大于壓縮空氣側(cè)所需的散熱量，符合設(shè)計(jì)要求。由設(shè)計(jì)值可知m=pu(At)=0.5310kg/s或m=pu(At)=0.7965kg/s，如2 22c2r 2 22果按壓縮空氣側(cè)的換熱量計(jì)算，常壓空氣側(cè)對(duì)應(yīng)的溫度變化為Atf2=Q1WCp2)=18^3°C，或Atf2=Q1WCp2)=125820°C。

圖7換熱器冷熱流體溫度分布示意圖圖7換熱器冷熱流體溫度分布示意圖際的對(duì)數(shù)平均溫差A(yù)t和傳熱性能AK，最后m檢驗(yàn)傳熱過(guò)程的符合程度。由上面的溫度差值可以算出換熱器逆流下的對(duì)數(shù)平均溫差A(yù)t=52.96°C(或59.18°C)和穿叉流動(dòng)的mc修正系數(shù)屮=0.95，于是有At二At屮二50.31°C(56.21°C)。對(duì)照前面mmc優(yōu)化得出的兩側(cè)所需的換熱溫差，此對(duì)數(shù)平均溫差略大于兩側(cè)溫差之和，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。-1-1=219.186W/°C。AK=11

+

a(At)a(At)AK=1 s1eff2 s2eff于是換熱器的傳熱量為Q=AKAt=11026.73W，或Q=AKAt=12320.445Wmm比設(shè)計(jì)值略大，這是因?yàn)闆](méi)有考慮間壁熱阻所致。實(shí)際的流動(dòng)阻力損失分別為：對(duì)于壓縮空氣側(cè)有Ap'=Ap(2L*/L)=3004.803Pa；1111對(duì)于常壓空氣側(cè)有Ap'二Ap(L*/L)二772.774Pa(或386.387Pa)2222至此就完成了一個(gè)簡(jiǎn)單的雙側(cè)翅化的板式換熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中充分考慮了換熱器的結(jié)構(gòu)特征與尺寸、流體流動(dòng)及對(duì)流換熱過(guò)程的性能、以及它們之間存在的優(yōu)化關(guān)系。不難看出，采用這種優(yōu)化方法一定能夠獲得令人滿(mǎn)意的結(jié)構(gòu)省、運(yùn)行費(fèi)用低、與傳熱性能好的換熱器。同時(shí)表明設(shè)計(jì)方案2較設(shè)計(jì)方案1實(shí)際換熱效果好。參考文獻(xiàn)羅森諾WH傳熱學(xué)應(yīng)用手冊(cè)(上)北京：科學(xué)出版社1992陳維漢：換熱器兩側(cè)表面最佳匹配的一般化推導(dǎo)，華中理工大學(xué)學(xué)報(bào)；1999年，27(Sup1)陳維漢、孫毅：傳熱過(guò)程火失率方程及參數(shù)優(yōu)化，華中理大學(xué)學(xué)報(bào)；1996年.24(Sup1)91~95陳維漢：管內(nèi)流動(dòng)換熱過(guò)程的性能綜合分析，華中理大學(xué)學(xué)報(bào)；2001年.29(Sup1)18?21陳維漢：考慮流動(dòng)、換熱和結(jié)構(gòu)的肋片性能優(yōu)化，(待發(fā)表)AndesignMethodofOptimizingcomprehensivePerformancesforadouble

finedplateheatexchangerChenWeihanCollegeofEnergyresource&PowerEngineering,HUST,Wuhan,ChinaAbstractAnOptimaldesignMethodofdoublefinedplateheatexchangerhasbeengiven,inwhichthestructurecharacteristicandperformancesoffluidflowandheattransferhavebeenconsideredcomprehensively.Inordertoachievethedesignworktheoptimalmatchrelationshipbetween