管翅式換熱器性能及結(jié)構(gòu)綜合優(yōu)化的

畢業(yè)設(shè)計(jì)論文姓名：學(xué)號(hào)：0714390521學(xué)院：能源與動(dòng)力工程學(xué)院專業(yè)：題目：管翅式換熱器性能及結(jié)構(gòu)綜合優(yōu)化的熱設(shè)計(jì)方法指導(dǎo)教師：（副教授）（姓名） 術(shù)職務(wù)）2010年5月TOC\o"1-5"\h\z摘要 I\o"CurrentDocument"Abstrast II主要符號(hào)表 W第1章緒論 1\o"CurrentDocument"1.1換熱器的重要性 11.2換熱器設(shè)計(jì)研究現(xiàn)狀 11.3換熱器性能評(píng)價(jià)與優(yōu)化方程評(píng)述 3\o"CurrentDocument"1.4一種新的換熱器優(yōu)化設(shè)計(jì)方法 6第2章?lián)Q熱器優(yōu)化設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)\o"CurrentDocument"2.1流動(dòng)換熱過程的火用（可用能）損失率分析 7\o"CurrentDocument"2.2傳熱過程的換熱表面最佳匹配準(zhǔn)則 12\o"CurrentDocument"2.3熱量傳遞過程的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化 17第3章管翅式換熱器的結(jié)構(gòu)特征及優(yōu)化設(shè)計(jì)方法\o"CurrentDocument"3.1管翅式換熱器基本結(jié)構(gòu) 20\o"CurrentDocument"3.2管翅式換熱器的工作特性 20\o"CurrentDocument"3.3結(jié)構(gòu)特征及導(dǎo)致的流動(dòng)特征 213.4小結(jié) 22論謝文論謝文考結(jié)致參換熱器作為熱量傳遞中的過程設(shè)備，在工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用極為廣泛。換熱器性能的好壞，直接影響著能源利用和轉(zhuǎn)換的效率。因此，針對(duì)換熱器中的流體流動(dòng)、熱量傳遞和結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行綜合性能分析并進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，無疑是一件具有理論指導(dǎo)意義和工程實(shí)用價(jià)值的工作。為了實(shí)現(xiàn)換熱器的性能評(píng)價(jià)與優(yōu)化，文中依次闡述了換熱器各種不同的評(píng)價(jià)與優(yōu)化方法；以流動(dòng)換熱過程的可用能損失率為基礎(chǔ)的性能分析方法，并導(dǎo)出最佳運(yùn)行參數(shù)關(guān)系式；基于換熱器傳熱性能與結(jié)構(gòu)尺寸間的關(guān)系在使換熱器傳熱量最大的前提下導(dǎo)出換熱器兩側(cè)換熱面積間的最佳匹配準(zhǔn)則；針對(duì)流動(dòng)換熱過程基于給定材料獲得最大換熱量而導(dǎo)出最佳結(jié)構(gòu)尺寸關(guān)系式。基于以上分析，本文以一種由翅片（或肋片）管組成的管翅式換熱器為研究對(duì)象提出一種新的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。該方法綜合利用換熱器兩側(cè)換熱表面的最佳匹配準(zhǔn)則、兩側(cè)流體流動(dòng)換熱過程的最佳的結(jié)構(gòu)尺寸準(zhǔn)則，以及使可用能損失率最小的最佳運(yùn)行參數(shù)準(zhǔn)則，采用迭代方式最終完成換熱器的性能評(píng)價(jià)與優(yōu)化設(shè)計(jì)。這樣的設(shè)計(jì)方法能使換熱器在設(shè)計(jì)階段就能達(dá)到材料省、換熱效果好與運(yùn)行費(fèi)用低的目的。此外，文中也介紹了基于可用能分析的流動(dòng)換熱過程的性能實(shí)驗(yàn)方法，在該方法的指導(dǎo)下能夠通過實(shí)驗(yàn)獲得過程的最佳運(yùn)行參數(shù)關(guān)鍵詞：管翅式換熱器,換熱表面間的最佳匹配準(zhǔn)則，換熱過程最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)準(zhǔn)則,換熱過程可用能損失率分析,考慮綜合性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)法TitleThefirewithanalysisandevaluationmethodofheattransferperformanceAbstractAstheheattransferprocessofheatexchangerinthefieldofindustrialequipment,widelyapplied.Heatexchangerperformance,directlyaffectstheefficiencyofenergyutilizationandtransformation.Therefore,inthefluidflow,heattransferandcomprehensiveperformanceanalysisofstructuresizeandthecorrespondingoptimizationdesign,isundoubtedlyatheoreticalsignificanceandpracticalvalue.Inordertorealizetheheatexchangerperformanceevaluationandoptimization,thepaperexpoundsheatexchangerinvariousevaluationandoptimizationmethod,Intheprocessofheatflowcanbeusedfortheperformanceanalysisoftheloss,andtheoptimaloperationparameterequationisderived,Basedontheanalysisofthefire,andbyusingheatexchangerperformanceandstructuresizeoftherelationshipbetweentheheatexchangerinthebiggestpremisebothheatexchangerareaarethebestmatchbetweenrule,Basedontheheattransferprocessflowinamaterialgainmaximumheattransferequationisderivedandthebeststructuresize.Keywords:Thesurfaceofheattransferbetweenthebestmatchingcriterion；Heattransferprocessofstructuralparametersofthebest；Heatlossanalysiscanprocessavailable主要符號(hào)表一、物理量a一、物理量a熱擴(kuò)散率Af流體的通流面積，m2b寬度，md直徑，mFm、FF溫度因子f肋片橫截面積，m2L長(zhǎng)度；特征尺寸，mm質(zhì)量密度，Pt傳熱表面投資費(fèi)用q熱流密度，5R熱阻，K/WT熱力學(xué)溫度，kTf流體溫度，k△T溫度差Uf平均速度，m/sv流體黏度P單位表面費(fèi)用￡換熱表面積比n效率，%入導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m.K)p密度，kg/m3A換熱表面積，m2At換熱面積，m2cp定壓比熱，工"屈式JE可用能(火用)損失率Fs面積因子h焓，J;高度，mm質(zhì)量，kgP壓力，Pa△P壓力差Q熱量，JS比熵，熵產(chǎn)率，T0環(huán)境參考溫度，kTm平均溫度，Kt攝氏溫度，樹V體積，m3a換熱系數(shù)，W/(m2.K)6厚度，mZ投資單價(jià)比0過余溫度，K或oCV運(yùn)動(dòng)粘度，m2/s二、準(zhǔn)則（特征）數(shù)1、普朗特?cái)?shù)F「二包a』2、努謝爾數(shù)3、雷諾數(shù)S=—-—4、斯坦登數(shù)15、畢歐數(shù)Bi=aL/兒第1章緒論1.1換熱器的重要性換熱器是國(guó)民生產(chǎn)中的重要設(shè)備，其應(yīng)用遍及動(dòng)力、冶金、化工、煉油、建筑、機(jī)械制造、食品、醫(yī)藥及航空航天等各工業(yè)部門。例如，鍋爐熱力系統(tǒng)中的過熱器、省煤器、空氣預(yù)熱器、凝氣器、除氧器、給水加熱器、冷卻塔等；金屬冶煉系統(tǒng)中的熱風(fēng)爐、空氣或煤氣預(yù)熱器、廢熱鍋爐等；制冷及低溫系統(tǒng)中的蒸發(fā)器、冷凝器、回?zé)崞鞯?；石油化工工業(yè)中廣泛采用的加熱及冷卻設(shè)備等，制糖工業(yè)和造紙工業(yè)的糖液蒸發(fā)器和紙漿蒸發(fā)器，這些都是換熱器應(yīng)用的大量實(shí)例。它不但是一種廣泛應(yīng)用的通用設(shè)備，并且在某些工業(yè)企業(yè)中占有很重要的地位。例如在石油化工工廠中，它的投資要占到整個(gè)建廠投資的1/5左右，它的重量占工藝設(shè)備總重的40%；在年產(chǎn)30萬噸的乙烯裝置中，它的投資占總投資的25%［1］由于世界上燃煤、石油、天然氣資源儲(chǔ)量有限而面臨著能源短缺的局面，各國(guó)都致力與新能源的開發(fā)，并積極開展預(yù)熱回收及節(jié)能工作，因而換熱器的應(yīng)用又與能源的開發(fā)及節(jié)約有著密切的聯(lián)系。在這一工作中，換熱器也充當(dāng)著一個(gè)重要的角色，其性能的好壞也直接影響到能源利用的效益。熱交換器作為一種利用能源與節(jié)約能源的有效設(shè)備，在余熱利用、核能利用、太陽能利用和地?zé)崮芾玫确矫嬉财鹬匾淖饔?。隨著我國(guó)工業(yè)的不斷發(fā)展，對(duì)能源利用、開發(fā)的合理性與有效性的要求不斷提高，因而對(duì)換熱器性能的要求也日益加強(qiáng)。特別是對(duì)換熱器的研究必須滿足各種特殊情況和苛刻條件的要求，對(duì)它的研究也就顯得更為重要。因此，在換熱器的生產(chǎn)及研究開發(fā)上除了滿足各種必需的工藝條件之外，對(duì)它的綜合性能也提出了更高的要求。1.2換熱器設(shè)計(jì)研究現(xiàn)狀1.2.1研究現(xiàn)狀隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大和生產(chǎn)技術(shù)的現(xiàn)代化，換熱器技術(shù)的研究必須滿足各種情況特殊而又條件苛刻的要求，因而各國(guó)在組織大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)的同時(shí)，為適應(yīng)形勢(shì)的需要，世界各國(guó)十分重視換熱器的研究，并組織了較強(qiáng)的專業(yè)研究中心，例如早在六十年代就在傳熱工程領(lǐng)域內(nèi)出現(xiàn)了有影響的兩大國(guó)際性研究集團(tuán)，即1962連成立的美國(guó)傳熱研究公司［2］（HeatTransferResearchInc，簡(jiǎn)稱HTRI），它是由傳熱設(shè)備的使用、設(shè)計(jì)及制造者為了促進(jìn)整個(gè)傳熱及流體流動(dòng)領(lǐng)域的系統(tǒng)研究，于1962年發(fā)起組建的一個(gè)國(guó)際性、非贏利性的合作研究機(jī)構(gòu)。1968年英國(guó)也成立了傳熱及流體流動(dòng)服務(wù)公司［3］（HeatTransfer&FluidFlowService,簡(jiǎn)稱HTFS）。在我國(guó)，也有蘭州石油機(jī)械研究所，通用機(jī)械研究所、中國(guó)環(huán)球化學(xué)工程公司、中國(guó)石油化工總公司洛陽石油化工總公司等單位。在換熱器的研究和設(shè)計(jì)方面進(jìn)行了多年的工作，對(duì)我國(guó)換熱器的設(shè)計(jì)和改進(jìn)、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制定和推廣作了很大的推動(dòng)。有統(tǒng)計(jì)資料表明，目前世界上發(fā)表的有關(guān)換熱器的論文平均每年在6000篇以上，從這些論文來看，研究的重點(diǎn)是傳熱機(jī)理、傳熱強(qiáng)度、兩相流、模擬、振動(dòng)、污垢以及計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，換熱器在能源利用和環(huán)境保護(hù)之間的關(guān)系等［4］根據(jù)換熱器在生產(chǎn)中的地位、作用的不同，它應(yīng)滿足多種多樣的要求，一般來說，對(duì)其基本要求有：（1） 滿足工藝過程所提出的要求，有較高的換熱強(qiáng)度，并使設(shè)備在有利的平均溫差下的工作；（2） 具有適合于溫度和壓力條件的、盡可能是不易破壞的工藝結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，安裝、修理方便，運(yùn)行安全；（3） 熱損失少，效率高。然而換熱設(shè)備的特點(diǎn)是由傳熱過程及其相關(guān)工藝所決定的，在流程工業(yè)中為了實(shí)現(xiàn)不同的物理化學(xué)的反映，工藝工程常常千變?nèi)f化，因此換熱設(shè)備的工藝性很強(qiáng)；其次過程裝置趨向于單系列化，裝置規(guī)模趨向于大型化，要求更長(zhǎng)的運(yùn)行周期，對(duì)其中換熱設(shè)備的長(zhǎng)期可靠性提出了極高的要求。由于換熱設(shè)備服役條件千差萬別，有高溫、低溫、深冷；有超高壓、高壓、中壓、低壓、真空；有強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、劇毒、易爆、易燃；因而決定了換熱設(shè)備相關(guān)知識(shí)體系的復(fù)雜性，并由此導(dǎo)致了產(chǎn)品開發(fā)周期長(zhǎng)、設(shè)計(jì)效率低等問題。由此可見，實(shí)現(xiàn)換熱設(shè)備的先進(jìn)制造，首先是設(shè)計(jì)速度的提高。產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵在于創(chuàng)新，“設(shè)計(jì)是制造業(yè)的靈魂”，現(xiàn)代的設(shè)計(jì)理論和方法是我國(guó)制造業(yè)發(fā)展的首要問題。由于換熱設(shè)備涉及知識(shí)體系的復(fù)雜性，影響換熱設(shè)備創(chuàng)新的瓶頸主要是設(shè)計(jì)，因此提高設(shè)計(jì)創(chuàng)新的速度是換熱設(shè)備先進(jìn)制造的核心。同時(shí)由于其涉及只是的廣泛性和復(fù)雜性，設(shè)計(jì)工作的完成必須有多方面人員的參與，如研究、設(shè)計(jì)，制造、等方面。1.2.2換熱器先進(jìn)設(shè)計(jì)方法的發(fā)展動(dòng)向以數(shù)值分析為基礎(chǔ)的分布式設(shè)計(jì)方法與仿真利用計(jì)算機(jī)數(shù)進(jìn)行數(shù)值分析是近代發(fā)展的一門新興學(xué)科，國(guó)外開發(fā)的ANSYS、PHOENICS、FLUENT、CFX等應(yīng)用軟件為這一領(lǐng)域的研究工作提供了很好的技術(shù)支撐。利用它們可以對(duì)換熱器的流動(dòng)傳熱與結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行分析設(shè)計(jì)，從而得到換熱器內(nèi)的流體流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的分布參數(shù)，以及構(gòu)件的應(yīng)力參數(shù)。這無疑為常規(guī)熱設(shè)計(jì)和強(qiáng)度設(shè)計(jì)工作提供更為準(zhǔn)確和可靠的信息，也使得換熱器設(shè)計(jì)工作更加深化計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的應(yīng)用目前發(fā)達(dá)國(guó)家的換熱設(shè)備制造商對(duì)先進(jìn)制造技術(shù)表現(xiàn)出了極大的熱情，普遍采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件提高設(shè)計(jì)效率。此外還特別總是創(chuàng)新速度的提高、個(gè)性化的設(shè)計(jì)方法等等。如美國(guó)的YUBA換熱器公司積極采用計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)（CFD）、有限元技術(shù)（FEM）等手段來提高創(chuàng)新速度；瑞典ALFALAVAL公司［15］發(fā)展基于互聯(lián)網(wǎng)的CAD技術(shù)、產(chǎn)品和部件管理技術(shù)，使得客戶可以自行設(shè)計(jì)其產(chǎn)品并再網(wǎng)羅數(shù)據(jù)庫(kù)中選擇產(chǎn)品和配件；Thermacore公司致力于微小換熱設(shè)備的制造，采用CFD技術(shù)預(yù)測(cè)換熱器的性能，并開發(fā)了基于互聯(lián)網(wǎng)的熱管設(shè)計(jì)系統(tǒng)；美國(guó)EXERGY公司致力于發(fā)展微小換熱器制造工藝。為了提高換熱器制造商的設(shè)計(jì)能力，美國(guó)HTRI傳熱研究公司開發(fā)了許多設(shè)計(jì)分析軟件，如強(qiáng)化傳熱設(shè)計(jì)（EHT）/空冷換熱器設(shè)計(jì)與模擬（ACE）、單相與兩相流管殼式換熱器設(shè)計(jì)與模擬（1ST）、板式換熱器設(shè)計(jì)（PHE）、換熱器振動(dòng)分析（VIB）等等。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的介入，使得計(jì)算機(jī)高效、準(zhǔn)確的特點(diǎn)代替了人的大量重復(fù)勞動(dòng)，不僅可以縮小設(shè)計(jì)周期，減少人的差錯(cuò)，而且能進(jìn)行最優(yōu)化設(shè)計(jì)，這樣一方面使得我們能有效地繼承前人通過大量實(shí)踐與探索得到的經(jīng)驗(yàn)，另一方面使設(shè)計(jì)人員從煩雜的手算工作中解放出來，集中精力更換換熱器設(shè)計(jì)和新型換熱器的開發(fā)。因此，開發(fā)這樣兼顧傳統(tǒng)和優(yōu)化的CAD軟件，無疑具有很大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。換熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)換熱器占工廠設(shè)備投資的比重可高達(dá)30?40%，而用于換熱器的能量消耗，最大可占產(chǎn)品成本的30?40%［1］。換熱器不僅是為滿足工藝的特定需要，而且也是回收熱量、節(jié)約能源的有效裝置，特別是在回收余熱方面也能發(fā)揮重大作用。而這種工業(yè)余熱，過去稱之為廢熱，如高溫?zé)煔?，低能位物流等。能源問題已經(jīng)成為當(dāng)今社會(huì)所關(guān)注的極為重大的中心問題。各國(guó)都在競(jìng)相采取措施，不僅是開源，而且還要節(jié)流，變廢為利，不斷從熱力學(xué)上分析來提高能源的有效利用率。采用一定的方法對(duì)換熱器性能進(jìn)行評(píng)價(jià)就顯得尤其重要。不少人對(duì)此作了相當(dāng)深入的研究工作［16?20］，并針對(duì)換熱優(yōu)化設(shè)計(jì)方法提出不少方案。但由于優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)的不確定性及換熱器種類的多樣性，換熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)目前還不完善。由于換熱器的多變量、多目標(biāo)性也使得優(yōu)化方程的選擇上遇到困難，因此不存在一個(gè)特定的最優(yōu)化方法，使之能適用于不同類型的換熱器，但是，如果從換熱器的基本結(jié)構(gòu)與流動(dòng)傳熱特性入手，換熱器的最優(yōu)化設(shè)計(jì)必將迎來一個(gè)新的局面。1.3換熱器性能評(píng)價(jià)與優(yōu)化方程評(píng)述1.3.1優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本思想在進(jìn)行換熱器設(shè)計(jì)時(shí)，若從所有的方案中選擇一個(gè)，以達(dá)到某種最優(yōu)的目標(biāo)，這就稱為最優(yōu)化，而尋求這以最優(yōu)方案的方法就稱為最優(yōu)化方法。用它來解決問題的步驟通常分為三步：首先，根據(jù)某工程問題的特點(diǎn)和求解目的，建立數(shù)學(xué)模型，其中包括確定變量、列出目標(biāo)函數(shù)及約束條件；其次，分析模型，選擇合適的求解方法；第三，編制程序，用計(jì)算機(jī)求解［21］。由于此類問題的復(fù)雜性，除簡(jiǎn)單問題外，一般均不可以手算。所以可以說，最優(yōu)化方法本身是計(jì)算數(shù)學(xué)的內(nèi)容，但必須通過計(jì)算機(jī)編程來實(shí)現(xiàn)。結(jié)合換熱器的最優(yōu)化計(jì)算應(yīng)解決一系列數(shù)學(xué)問題，主要有：.以什么樣的函數(shù)形式來表示大量工藝和經(jīng)濟(jì)參數(shù)的關(guān)系以及約束條件。.以什么樣的數(shù)學(xué)方法，即用哪種最優(yōu)化保證求得目標(biāo)函數(shù)的極值及選擇求多變量超越函數(shù)極值的算法。.如何確保迭代過程的快速收斂。

1.3.2評(píng)價(jià)換熱器性能方法概述一臺(tái)符合生產(chǎn)需要又比較完善的換熱器應(yīng)滿足幾項(xiàng)基本要求：保證滿足生產(chǎn)過程中所要求的熱負(fù)荷；強(qiáng)度及結(jié)構(gòu)合理；便于制造、安裝和檢修；經(jīng)濟(jì)上合理。在符合這些要求的前提下，尚需衡量換熱器技術(shù)上的先進(jìn)性一和經(jīng)濟(jì)上的合理性問題，即所謂換熱器的性能評(píng)價(jià)問題，以便確定換熱器的完善程度。廣義地說，換熱器的性能很廣，有傳熱性能、阻力性能、機(jī)械性能、經(jīng)濟(jì)性等。用一個(gè)指標(biāo)或多個(gè)指標(biāo)從一個(gè)方面或幾個(gè)方面來評(píng)價(jià)換熱器的性能問題一直是許多專家長(zhǎng)期探索的問題。長(zhǎng)期以來，換熱器的性能評(píng)價(jià)一般有以下幾種方法：（1） 換熱器的單一性能評(píng)價(jià)法這種方法主要是采用一些單一的熱性能指標(biāo)：如：冷、熱流體各自的溫度效率「_然流體溫降'%。流體迎I「_然流體溫降'%。流體迎II溫差L'=兩流體進(jìn)II溫差換熱粹效率（即有效度）傳然系數(shù)：田降：這些指標(biāo)直觀地從利用或消耗角度描述換熱器的傳熱和阻力性能，所以具有一定的方便性。但是，從能量合理利用的角度來分析，這些指標(biāo)只是從能量利用的數(shù)量上，并且常常是能量利用的一個(gè)方面來衡量其熱性能，因此應(yīng)用上有其局限性。而且可能顧此失彼。（2） 傳熱量和流動(dòng)阻力損失相結(jié)合的熱性能評(píng)價(jià)法單一地同時(shí)分別用傳熱量和流動(dòng)壓力降的絕對(duì)值的大小，難以比較不同換熱器之間的熱性能高低，這時(shí)比較科學(xué)的方法是將兩個(gè)兩相結(jié)合，采用比較這些量相對(duì)變化的大小。為此，有人提出以消耗能量單位的流體輸送機(jī)械的功率N所得的傳遞熱量Q，即Q/N作為評(píng)價(jià)換熱器性能的指標(biāo)，這種方法從一定程度上解決了上述方法的弊端，但不足之處是該項(xiàng)指標(biāo)僅能從數(shù)量上反映換熱器流動(dòng)換熱性能的相對(duì)差異，而不能得出對(duì)應(yīng)的優(yōu)化參數(shù)。（3） 熵分析法上節(jié)介紹的評(píng)價(jià)方法是把傳熱與阻力這兩大因素分開考慮，而沒有考慮能量的質(zhì)方面的因素。但是作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，應(yīng)綜合考慮熱力學(xué)第一、第二定律及傳熱學(xué)、流體力學(xué)中的基本定律。即把傳熱的數(shù)量、質(zhì)量（可用能）和流阻三大因素綜合。從熱流體間的溫度差以及流體流動(dòng)中的壓力損失，必然是一個(gè)不可逆過程，也就是熵增過程。這樣，雖然熱量與阻力是兩種不同的能量形態(tài)，但是都可以通過熵的產(chǎn)生來分析他們的損失情況。熵分析方法把^T和^P造成的影響都統(tǒng)一到系統(tǒng)熵的變化這一個(gè)參數(shù)上來考慮，無疑地在換熱器性能評(píng)價(jià)上是一個(gè)重要的進(jìn)展，但是它的價(jià)值更多地體現(xiàn)在量上，不能很直觀地反映二者在質(zhì)量上的差別。而且在緊湊式換熱器中，由于受到空間位置的限制，難以安裝壁溫測(cè)點(diǎn)，在結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜的換熱表面上，由于存在溫度場(chǎng)的畸變，也較難選擇壁溫測(cè)點(diǎn)。同時(shí)安裝工藝，測(cè)試手段也直接影響測(cè)量結(jié)果，難以保證壁溫測(cè)量精度，因此，該方法的應(yīng)用受到限制。另外，運(yùn)行使用中的換熱器一般事先沒有采取相應(yīng)的壁溫測(cè)量，無從進(jìn)行工業(yè)性的或運(yùn)行使用條件下的實(shí)驗(yàn)研究，所以實(shí)驗(yàn)中難于采用。此外流行的還有Webb等提出的傳熱表面縱向比較法（即PEC法），London等人提出的不可逆性的價(jià)值評(píng)價(jià)法，但這些方法都有這樣或者那樣的不完善的地方。可以這樣說，至今尚未找到換熱性能于投資費(fèi)用之間的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則。通常，對(duì)換熱器進(jìn)行成本核算時(shí)只是憑借經(jīng)濟(jì)學(xué)的常規(guī)做法，采取投資成本與運(yùn)行費(fèi)用的綜合評(píng)價(jià)。這里的成本是購(gòu)入成本，這里的運(yùn)行費(fèi)用是按將要運(yùn)行的實(shí)際消耗量估計(jì)的，因而人為因素太多，且受市場(chǎng)影響大，因此是不太可靠的綜合分析上述優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，最早對(duì)換熱器性能的評(píng)價(jià)是采用單一參數(shù)，如采用傳熱系數(shù)K及壓降?P，這種方法簡(jiǎn)單且直觀，這些指標(biāo)是從能量利用的某一個(gè)方面來考慮問題，因此顯得不夠全面；于是有人主張采用換熱量Q與消耗的泵（或風(fēng)機(jī)）的功率N的比值，即能量系數(shù)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，它反映了換熱器的運(yùn)行能量消耗，但不能表達(dá)具有溫差傳熱過程的不可逆損失，而且也僅是單一地從能量利用角度來考慮換熱器的熱性能。隨著傳熱技術(shù)的發(fā)展，換熱器日益向體積小、重量輕的方向發(fā)展，Webb在綜合分析的基礎(chǔ)上，提出了一套較完整的換熱器性能評(píng)價(jià)準(zhǔn)則（PEC），該法仍然是以熱力學(xué)第一定律為基礎(chǔ)，未能區(qū)分傳熱量Q與動(dòng)力消耗N之間的能質(zhì)差別，且評(píng)價(jià)指標(biāo)瑣碎，有時(shí)甚至在結(jié)果中很難得出一個(gè)正結(jié)論。近年來，Bejan以熱力學(xué)第二定律為基礎(chǔ)，提出了以熵產(chǎn)單元數(shù)作為換熱器性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，它雖然克服了上述方法的不足，但不直觀。目前對(duì)換熱器性能的優(yōu)劣找到了各種形式的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，大多數(shù)文獻(xiàn)提出增強(qiáng)換熱器性能地方法有：熱力準(zhǔn)則：減小熱介質(zhì)的平均溫差；熱力水力準(zhǔn)則：減少由于流動(dòng)阻力所引起的火用損；效益最優(yōu)原則：火用損最少，熵產(chǎn)最少（優(yōu)化準(zhǔn)則），換熱器面積最小、設(shè)備重量最輕、體積最小等（結(jié)構(gòu)準(zhǔn)則），總成本費(fèi)用（經(jīng)濟(jì)成本、熱費(fèi)用、火用費(fèi)用）最低（經(jīng)濟(jì)準(zhǔn)則）根據(jù)上述準(zhǔn)則得出換熱器最佳流速、最佳流量和最佳效率（熱效率、火用效率）等。例如，把傳熱量與流動(dòng)阻力相比較的熱性能評(píng)價(jià)法；利用熱力學(xué)第二定律的熵產(chǎn)分析法和火用損失率分析法Webb提出的傳熱表面縱向比較法（即PEC法），等等。這些評(píng)價(jià)方法都都側(cè)重傳熱與流動(dòng)兩種特性，即主要考慮其運(yùn)行狀況及收益，也就是使換熱器單位收益的運(yùn)行費(fèi)用最省。London等人提出的不可逆性的價(jià)值評(píng)價(jià)方法也只是把火用損失率納入價(jià)格評(píng)價(jià)評(píng)價(jià)體系。以上的優(yōu)化評(píng)價(jià)和分析中至少存在三個(gè)不足：按上述理論設(shè)計(jì)的換熱器只是對(duì)熱收益、火用收益或經(jīng)濟(jì)費(fèi)用中的一個(gè)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，其中在經(jīng)濟(jì)準(zhǔn)則中還引入了價(jià)格因子，優(yōu)化參數(shù)必然受到時(shí)間因素干擾；到目前為止，在換熱器過程中我們還沒有發(fā)現(xiàn)既簡(jiǎn)單又方便的確定冷、熱流體狀態(tài)及冷、熱流體最佳出口溫度的分析理論；優(yōu)化分析在強(qiáng)調(diào)火用收益、熱收益、經(jīng)濟(jì)成本等因素中的某個(gè)因素時(shí)，往往忽視其他因素的重要性。此外，當(dāng)對(duì)換熱器進(jìn)行成本核算時(shí)通常只憑借經(jīng)濟(jì)學(xué)的常規(guī)做法，采取投資成本與運(yùn)行費(fèi)用的綜合評(píng)價(jià)。這里的成本往往是購(gòu)入成本，而這里的運(yùn)行費(fèi)用也是按實(shí)際運(yùn)行的實(shí)際消耗估計(jì)的。由于該方法容易受到設(shè)計(jì)人員和運(yùn)行人員的主觀因素的干擾，且市場(chǎng)的因素不能忽視，從而導(dǎo)致評(píng)價(jià)的可靠性較差。這些都為換熱器的綜合性能評(píng)價(jià)與優(yōu)化帶來困難。因此，如何尋找一種好的綜合性能評(píng)價(jià)與優(yōu)化方法是一件十分有益且十分必要的工作。1.4一種新的換熱器優(yōu)化設(shè)計(jì)方法上述換熱器的性能評(píng)價(jià)與優(yōu)化方法往往只是側(cè)重于換熱器的傳熱與流動(dòng)過程、而對(duì)于結(jié)構(gòu)特征和投資費(fèi)用等因素的影響考慮較少，至于綜合分析流動(dòng)、傳熱及結(jié)構(gòu)尺寸，并進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化就更為少見［45］。因此，本文提出的新的換熱器優(yōu)化設(shè)計(jì)方法則是抓住換熱器的換熱性能、流動(dòng)特征與結(jié)構(gòu)尺寸這三個(gè)影響換熱器綜合性能的主要因素，著手尋找性能與費(fèi)用間的關(guān)系以及傳熱流動(dòng)特征與運(yùn)行費(fèi)用間的關(guān)系。傳統(tǒng)的傳熱學(xué)致力于研究熱量傳遞的規(guī)律，且追求如何使傳熱效果更好或者是如何使熱量不至于散失，而流體流動(dòng)造成的損失以及采用裝置的結(jié)構(gòu)卻不是關(guān)注的重點(diǎn)。但是，隨著技術(shù)的進(jìn)步和人們節(jié)能（或者確切地說是合理使用能源）意識(shí)的提高，傳熱學(xué)才逐步把目光放到實(shí)際的熱量傳遞過程中的傳熱性能、流動(dòng)性能和結(jié)構(gòu)特征的綜合分析與評(píng)價(jià)上。這無疑是傳熱學(xué)理論的重要發(fā)展，其結(jié)果必然會(huì)對(duì)熱能的合理而有效地使用以及熱設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計(jì)產(chǎn)生重要影響。按照熱力學(xué)的觀點(diǎn)，熱量傳遞過程是一個(gè)不可逆的熱力學(xué)過程，必然會(huì)引起熵產(chǎn)，從而導(dǎo)致可用能的損失（即火用損失）同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)該過程還必須要有相應(yīng)的裝置，也就是由某種材料制作的結(jié)構(gòu)，從而需要制作成本。這些就是為了實(shí)現(xiàn)一個(gè)熱量傳遞過程所必須付出的代價(jià)。有所得必有所失，這是常理，但是如何使所付出的最少或者最合理這是我們可以從熱力學(xué)，傳熱學(xué)，流體力學(xué)以及數(shù)學(xué)的相關(guān)理論導(dǎo)出的。對(duì)于實(shí)際的熱量傳遞過程，三種傳熱方式是綜合在一起的，遇到最多的是流動(dòng)換熱過程，也就是對(duì)流換熱過程。從熱力學(xué)第一和第二定律可以導(dǎo)出流動(dòng)換熱過程的可用能損失率（火用損失）的表達(dá)式，從中可得出火用損失率最小情況下的流動(dòng)參數(shù)與換熱（傳熱）參數(shù)的關(guān)系式；而從過程的結(jié)構(gòu)分析可以得出材料最省的結(jié)構(gòu)尺寸與換熱參數(shù)之間的關(guān)系式；最后兩個(gè)關(guān)系式的結(jié)合就可以得到使熱量傳遞過程綜合性能最佳的結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)。這就是熱量傳遞過程綜合性能評(píng)價(jià)方法的基本思路和操作步驟。第2章?lián)Q熱器優(yōu)化設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)為了實(shí)現(xiàn)換熱器綜合性能評(píng)價(jià)與優(yōu)化，有必要對(duì)其涉及的理論分析方法進(jìn)行簡(jiǎn)要的論述。這里主要討論換熱過程的可用能分析，換熱器兩側(cè)換熱表面的最佳匹配準(zhǔn)則的推導(dǎo)，以及換熱過程最佳結(jié)構(gòu)關(guān)系式的推導(dǎo)。2.1流動(dòng)換熱過程的火用（可用能）損失率分析換熱器的流動(dòng)換熱過程是溫差下的換熱與壓力損失下的流體流動(dòng)的綜合過程，是一個(gè)不可逆的熱力學(xué)過程，必然引起系統(tǒng)的熵產(chǎn)，從而造成火用損失。近年來，在傳熱學(xué)中引入熱力學(xué)觀點(diǎn)對(duì)熱量傳遞過程進(jìn)行分析，以定量地評(píng)價(jià)一個(gè)傳熱過程的特性。如熵產(chǎn)分析法，將一個(gè)熱量傳遞過程視為一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)，用熱力學(xué)第二定律分析該系統(tǒng)的熵產(chǎn)率，進(jìn)而尋找使熵產(chǎn)率最小的過程參數(shù)。但是，這種方法不能考慮到不可逆損失在能量上的差別，即溫差引起的傳熱熵產(chǎn)與壓差引起的流動(dòng)熵產(chǎn)不等價(jià)。而火用損失率分析雖實(shí)質(zhì)上與熵產(chǎn)分析法一致，但是卻可以體現(xiàn)傳熱火用損失率與流動(dòng)火用損失率在質(zhì)量上的差別，因而可以進(jìn)一步結(jié)合熱經(jīng)濟(jì)學(xué)進(jìn)行分析。換熱器的火用損失率損失率分析方法的基本思路是：用熱力學(xué)第一定律和第二定律分析過程的熱平衡和熵平衡，從而建立起換熱系統(tǒng)的火用損失率關(guān)系式，從此就可以對(duì)具體的換熱過程進(jìn)行火用損失率的計(jì)算。在明確各種已知條件后，就可以對(duì)剩下的參數(shù)作求極值運(yùn)算，找出使火用損失率為最小的過程參數(shù)，如雷諾數(shù)的最佳值，「「III廠-北翻一5+/]+a一迫0一耳3a勺珞匚PF.'、：?2-1般流動(dòng)換熱過程疝戴并可進(jìn)一步確定最佳的尺寸或者流速。同時(shí)，還可以通過各種換熱過程的火用損失率大小進(jìn)行比較，從而尋出最優(yōu)的換熱方式。2.1.1傳熱過程一般形式的火用損失率方程此部分在文獻(xiàn)［24］和［25］中已經(jīng)有較為詳細(xì)的論述，這里將省去大部分的推導(dǎo)過程。對(duì)于一般的流動(dòng)換熱過程（如圖2—1所小），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)過程和流體與壁面間的換熱過程。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Tf、壁面溫度Tw,、流體進(jìn)出系統(tǒng)的壓力分別為pl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Af與At。今在流場(chǎng)中取一包含微元面積dAt的微元控制體，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衡情況。由熱力學(xué)第一定律有mdh=dQ和dQ=-Tf-'）dAs,式中，Q為通過換熱面的熱流量；a為流體流過壁面的換熱系數(shù)；m&為流體質(zhì)量流率。由熱力學(xué)第二定律有用=MS孔'式中：S為系統(tǒng)的熵產(chǎn)率，單位為W/°C。利用以上關(guān)系式，同時(shí)認(rèn)為熱力學(xué)關(guān)系式dh=Tds+dp/p（式中p為流體的密度）成立，就可整理得出：式中定義：溫度差A(yù)*七和平均溫度在整個(gè)換熱面上積分上式，且假定換熱系數(shù)為常數(shù)，可以得到:式中，12?p=p?p為系統(tǒng)進(jìn)出口壓力之差。此式為流動(dòng)換熱過程的熵產(chǎn)率的表達(dá)式，從中不難看出，過程的熵產(chǎn)率由兩個(gè)部分構(gòu)成，即由換熱溫差引起的熵產(chǎn)率和由流動(dòng)壓差引起的熵產(chǎn)率，它們反映出流動(dòng)換熱過程的不可逆性。按照可用能（火用）損失率的定義E=T0S（T0為環(huán)境參考溫度），代入上式則得出流動(dòng)換熱過程的可用能（火用）損失率方程(2-1)TS號(hào)曲+器(2-1)上面方程右邊的第一項(xiàng)為溫度差引起的可用能損失率而第二項(xiàng)為壓力差引起的可用能損失率。為了流動(dòng)換熱過程可用能損失率分析的方便，通常將這個(gè)方程無量綱化。在無量綱化的過程中引入無量綱可用能（火用）損失率數(shù) G它

表示單位換熱熱結(jié)果流量的系統(tǒng)可用能損失率，引用了G=七"（其中Af為流體通流面積，uf為流體的平均流速）這兩個(gè)關(guān)系式，且定義流動(dòng)阻力系數(shù)變?yōu)榻Y(jié)果如下兩種形式：對(duì)于給定熱流密度和換熱特征尺寸有對(duì)于給定熱流密度和流體流速有對(duì)于給定熱流密度和流體流速有式中，"立為換熱熱流密度，-頃=《在、為努謝爾特?cái)?shù)，&?為雷諾數(shù)，以=世；（尸上'七）為斯坦登數(shù)，L為流場(chǎng)特征尺寸，入為流體導(dǎo)熱系數(shù)，v為流體運(yùn)動(dòng)黏度，cp為流體定壓比熱，弦=字如頂r=2馬分別為溫度因子，L旦=%項(xiàng)則為面積因子。這兩個(gè)公式稱為流動(dòng)換熱過程的可用能損失率方程。從中不難看出，無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)換熱過程而言，無量綱的可用能損失率越小，過程的流動(dòng)換熱性能就越好。因此，通過這兩個(gè)關(guān)系式就可以找出各種流動(dòng)換熱過程的可用能損失率隨著過程特征參數(shù)的變化關(guān)系，并從中導(dǎo)出使過程可用能損失率最小的最佳過程參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)。說得具體一點(diǎn)，利用（2—2）式，在給定換熱熱流密度（q）和過程的結(jié)構(gòu)特征（L）的條件下可以導(dǎo)出使可用能損失率最小的最佳運(yùn)行參數(shù)（Re或uf）；而從（2—2）式中，在給定換熱熱流（q）和過程的運(yùn)行參數(shù)（Re或uf）的條件下可以導(dǎo)出使火用損失率最小的最佳結(jié)構(gòu)特征（L）。這里將對(duì)具體流動(dòng)換熱過程進(jìn)行可用能損失率分析而尋求最佳的過程運(yùn)行參數(shù)。從對(duì)流換熱過程的分析中可以設(shè)定流動(dòng)換熱過程準(zhǔn)則關(guān)系式的一般形式：換然關(guān)系式 匕-4）和流動(dòng)阻力關(guān)系式 db 匕-5）將它們代入方程（2—2）得出在給定換熱熱流密度和換熱結(jié)構(gòu)尺寸下無量綱火用損失率Ne隨流動(dòng)準(zhǔn)則Re的變化關(guān)系式為Ne=號(hào)-口t臉frT?；+寫臉"馬碼 （2-6）

(2-7)將上式對(duì)Re求導(dǎo)數(shù)且令其為零，即有?Ne?Re=0，就可以得出無量綱火用損失率最小時(shí)對(duì)應(yīng)的最佳雷諾數(shù)（Reopt）(2-7)如管內(nèi)紊流流動(dòng)換熱時(shí)換熱準(zhǔn)則公式為：捍，=如^船■而管內(nèi)流動(dòng)阻力計(jì)算的準(zhǔn)則關(guān)系式為：將上面兩式代到公式（2—7）之中，得出最佳雷諾數(shù)的計(jì)算式為：r-“ nl/3.6將（2—7）式代入無量綱火用損失率Ne的表達(dá)式（2—6）中就可以得出最小無量綱火用損失率如管內(nèi)紊流流動(dòng)換熱時(shí)換熱準(zhǔn)則公式為：捍，=如^船■而管內(nèi)流動(dòng)阻力計(jì)算的準(zhǔn)則關(guān)系式為：將上面兩式代到公式（2—7）之中，得出最佳雷諾數(shù)的計(jì)算式為：r-“ nl/3.6(2-8)R⑶(2-8)R⑶=5.74144這就是流體在管內(nèi)紊流流動(dòng)換熱時(shí)基于火用損失率最小而導(dǎo)出的最佳運(yùn)行參數(shù)（Reopt數(shù)）的表達(dá)式。對(duì)于外側(cè)流體流過翅片管束的流動(dòng)與換熱過程，其換熱準(zhǔn)則關(guān)系式不同的文獻(xiàn)給出的關(guān)系式是各不同的，且在不同的Re范圍其表達(dá)式也不同。這里以雷諾數(shù)在10^Re^10的范圍為例進(jìn)行分析。在此范圍內(nèi)正三角叉排翅片管束的換熱準(zhǔn)則關(guān)系式［44］的變形，即Nil=0.1378［邑/（&-志）］。雙［邑/（'- Re0718Pr033,式中考慮了原準(zhǔn)則關(guān)系式中采用maxu而在本文中采用8u的偏差修正項(xiàng)!［耳隅-砌L設(shè)定/療+國(guó)產(chǎn)"+如而在此范圍內(nèi)的流動(dòng)阻力準(zhǔn)則關(guān)系式［45］為式中K練心=pU浦a乂圍為逐『強(qiáng)5以及4= 式中G皿=供皿。p將以上關(guān)系式與前述的標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)則形式，即（2—4）和（2—5）兩式，進(jìn)行比較可以得出：a=/（必一玳）］。沖［跖,』（品一瓜伊誓tn=0.718,k=0.33tb=37.86（Sjdb嚴(yán)，低/（況_我）］】澎tm=o.316fl把上述關(guān)系式代入最佳運(yùn)行參數(shù)表達(dá)式（7）中得出：

^=0.3222扣(y-db^=0.3222扣(y-db/品嚴(yán)部(§/dbf-927Pr^331l/i.402(2-9)這就是流體流過正三角形叉排翅片管束時(shí)基于火用損失率最小而導(dǎo)出的最佳運(yùn)行參數(shù)（Reopt數(shù)）的表達(dá)式。在上述兩個(gè)最佳運(yùn)行參數(shù)下就可以使管翅式換熱器兩側(cè)流體流動(dòng)換熱過程分別達(dá)到流動(dòng)特性與換熱性能之間的最佳配合。同樣的分析后，可以看出對(duì)于相同的Re，流速越大，相對(duì)用損失率就越小。圖2-2圖2-2已知換熱密度和兒何尺寸條件下不同兒何尺寸的禎一&圖式（2—8）和（2—9）以及圖2-2同時(shí)也給了一個(gè)設(shè)計(jì)和評(píng)估換熱器的方向。即評(píng)估換熱器性能時(shí)，若熱流密度和幾何尺寸為已知，則由流速?zèng)Q定的雷諾數(shù)越靠近最佳值，性能越佳，在設(shè)備運(yùn)行時(shí)，應(yīng)該盡量選取靠近最佳值的運(yùn)行參數(shù)；熱流密度和熱流密度一定時(shí)，同樣，有特征尺寸所決定的雷諾數(shù)值越靠近最佳值，性能越佳。在設(shè)計(jì)換熱器時(shí)，對(duì)流速的選擇可以按照?qǐng)D來選取與最佳雷諾數(shù)最接近的值，從而避免由經(jīng)驗(yàn)選擇值所帶來的不合理性。從圖中還可以看出，在流速不太大的情況下，最佳雷諾數(shù)通常很小，而火用損失率又是隨著特征尺寸所決定的Re的增加而增加的，這即是說，在流速不太大的情況下，可以盡可能地選擇較小的特征尺寸，只要這時(shí)的雷諾數(shù)大于最佳值，這個(gè)結(jié)論都是成立的。

1D205D1QD2005如10(3)2目1口㈤1F(4)勺四而兇：10(5)2”：1Q(E)10(E)^心口冏10(7)2^10(7)10(:'Ne-Re圖(已知挽熱密度和流體流速、V=l)圖2-3已知換熱密度和流體流速條竹卜不同流體流速的蹄一&圖2.2傳熱過程的換熱表面最佳匹配準(zhǔn)則換熱器是熱能利用的重要設(shè)備，其性能的優(yōu)劣一直是人們關(guān)注的問題。換熱器能實(shí)現(xiàn)冷熱流體間的熱量交換是通過一個(gè)典型的傳熱過程來實(shí)現(xiàn)的。在傳熱過程中換熱面的幾何特征、冷熱流體各自的流動(dòng)與換熱性能、以及間壁熱傳導(dǎo)特性都會(huì)影響整個(gè)換熱器的性能。長(zhǎng)期以來不少學(xué)者提出了各種性能分析和評(píng)價(jià)方法，且在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮了積極的作用。這些評(píng)價(jià)方法也不外是熱性能和流動(dòng)性能的比較，結(jié)構(gòu)特性分析以及投資成本評(píng)估。但是，這些方法共同的不足之處在于沒有找出流動(dòng)特性、換熱性能和幾何結(jié)構(gòu)這三個(gè)重要參數(shù)相互之間的可用以評(píng)價(jià)換熱器性能的準(zhǔn)則關(guān)系式，尤其是沒有尋找到換熱性能與幾何結(jié)構(gòu)之間的合理的準(zhǔn)則關(guān)系式。在這一節(jié)中將重點(diǎn)討論換熱器的換熱性能與結(jié)構(gòu)參數(shù)之間在考慮成本因素的前提下?lián)Q熱器的優(yōu)化問題，并導(dǎo)出換熱器的結(jié)構(gòu)參數(shù)與換熱性能之間的準(zhǔn)則關(guān)系式，將其稱為換熱器兩側(cè)換熱表面的最佳匹配規(guī)律。2.2.1最簡(jiǎn)單的最佳匹配關(guān)系對(duì)于如圖2-4所示的充分簡(jiǎn)化的換熱器的傳熱過程而言，投資費(fèi)用與換熱面的結(jié)構(gòu)特征關(guān)，而結(jié)構(gòu)特征又與傳熱性能密不可分。因此，能夠從換熱器傳熱過程的傳熱方程和投資費(fèi)用程出發(fā)導(dǎo)出換熱器換熱表面與換熱性能之間的最佳匹配關(guān)系式。1一4換熱器傳熱過程示意圖如圖所示的傳熱過程用熱阻形式表示的傳熱方程為：&=1/（但也）+ （2—10j上式中忽略了間壁熱阻；而對(duì)于換熱器的投資費(fèi)用，在扣除其它輔助費(fèi)用之后可以表示為：E= +歹?也占 （2-11）以上兩式中：R為傳熱過程的總熱阻；Pt為傳熱表面的投資費(fèi)用；a和a，P和P，A和A分別為換熱器兩側(cè)換熱系數(shù)，單位表面的費(fèi)用及換熱面積。將（2-11）式代入（2—10）式可得R=1/愆』1）+冉-ftA）］ f2_12）對(duì)（2-12）式求A1的導(dǎo)數(shù)并令其為零，有軟/喝=-1/（崩）+（腐/%）（￡一阻尸A=o，再用（2-11）式消取上式中的Pt，經(jīng)整理得出司/劣=［（"%）（印方尸門 （2-13）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，可稱之為換熱表面最佳匹配準(zhǔn)則關(guān)系式。這里令= ,它們分別為兩側(cè)的換熱系數(shù)比，投資單價(jià)比及換

熱面積比，于是最佳匹配關(guān)系式可以改寫為如下簡(jiǎn)潔的形式：￡=（奔產(chǎn) （2-14）分析一下上面的匹配關(guān)系式不難發(fā)現(xiàn)，當(dāng)換熱器兩側(cè)換熱性能不同時(shí)，為了獲得最佳的換熱效果換熱表面就必須發(fā)生相應(yīng)的改變，但是由于考慮了投資成本，這種改變不再是按照線性比例關(guān)系，而是要上式計(jì)算得出。例如，當(dāng)兩側(cè)換熱系數(shù)相差10倍? ‘時(shí)，如果兩側(cè)投資費(fèi)用單價(jià)相等CU從（2-14）由此可以計(jì)算出兩側(cè)換得出兩側(cè)換熱表面則相差0.3162倍’也出=Lrlu‘由此可以計(jì)算出兩側(cè)換）T= =0.3162''' '這與傳統(tǒng)的換熱器兩側(cè)力求達(dá)到等熱阻匹配的認(rèn)識(shí)是完全不一致的，而且還相差甚遠(yuǎn)。導(dǎo)致這一結(jié)果的主要原因在于考慮了換熱表面的成本，也就是考慮了換熱器幾何結(jié)構(gòu)的制造費(fèi)用。這實(shí)際上是在給定換熱表面情況下為了獲得最大傳熱效果的換熱表面的最佳分配。如果換熱表面無須成本費(fèi)用或者換熱表面的投資成本能夠隨著換熱表面的增加而相應(yīng)減小，等熱阻匹配關(guān)系還是可以成立的。但這純粹是一種理想的情形，是工程實(shí)際中極為少見的。因此，從（2-14）式中所反映出的換熱器兩側(cè)的結(jié)構(gòu)尺寸與換熱性能之間的最佳匹配關(guān)系是換熱器設(shè)計(jì)必須遵循的重要準(zhǔn)則，也是進(jìn)行換熱器綜合性能評(píng)價(jià)的主要關(guān)系式。2.2.2在更一般情況下的最佳匹配關(guān)系（1）換熱表面改變引起換熱性能變化時(shí)在上面的分析中假定流體的換熱性能與換熱表面無關(guān)，而在實(shí)際的傳熱過程中換熱性能時(shí)隨著換熱表面的變化而改變的。在這樣的情況下上述的最佳匹配關(guān)系就不再成立。為了分析問題的方便假設(shè)一側(cè)換熱表面不改變，因而換熱性能也就不變。今設(shè)Ah和a是不變的，而A1為擴(kuò)展表面且a1隨A1的增大而減小，并有如下關(guān)系式：式中C1為比例系數(shù)，n為指數(shù)，將其代入6-3-1式有1.*煩，再將（2-11）將（2-11）代入可得￡= -W+（A皿）團(tuán)-阻）t對(duì)上式求A1的導(dǎo)數(shù)并令其為零，有機(jī)/姑=［用脩皿）］［3-1）&一’（E +”/尸街一崗弟一卜］+防（用/%）（己一烙4尸=0=-一礎(chǔ)代入上式，經(jīng)整理得到W+代+『=U求解此式得出e= +（1-.吁）E）s （2_I6）這就是換熱表面改變會(huì)引起換熱性能發(fā)生變化的情況下兩側(cè)換熱表面的最佳匹配關(guān)系式，從中可以看出，n=0時(shí)（2-16）式退化為（2-14）。當(dāng)￡=0時(shí)，即沒有表面擴(kuò)展的情況下，可以得出臨界的n值如下：(2-17)若?;此式表明。越小，即兩側(cè)換熱性能差別越大，允許的nc值越大，但其極限值為nc=0.5。若。一0，nc—1，此為擴(kuò)展表面單價(jià)極低的情形。式（2-17）是反映了在考慮投資成本的條件下?lián)Q熱表面是否安裝肋片（即擴(kuò)展表面）的一個(gè)準(zhǔn)則，同時(shí)也表明實(shí)際肋化表面的n值一定要小于nc值，不然安裝的肋片不僅不能改善換熱條件反而會(huì)造成材料的浪費(fèi)。（2）換熱表面改變引起投資費(fèi)用變化時(shí)在實(shí)際中使用擴(kuò)展表面時(shí)，增加的換熱表面一定要比原有的換熱表面的費(fèi)用低才是有意義的。因此，隨著換熱表面的增加投資費(fèi)用應(yīng)該相應(yīng)地減少。這里假定A2不變，P2也不變，A1為擴(kuò)展表面，且A1的增大會(huì)使61發(fā)生相應(yīng)減小。設(shè)有如下關(guān)系：m （2-18）式中，C2為比例系數(shù)；m為指數(shù)。于是方程（2-11）可以寫成從傳熱方程6-3-1可以得出L,鹽=山［上- ，將其代入上式可得Pt=J烙也5｛由衣-1/（%也）］廣+烙｛由1/（%也）］廣為了使給定換熱量下投資費(fèi)用最小必須有瀘F=°-因而對(duì)上式求A1的導(dǎo)數(shù)且令其為零，經(jīng)整理可得口一 -1.UM=U解此方程得出：§=｛梆er】+［妒廠』+4（1一初（咨尸］心｝佇（1一機(jī)）（2_19）這就是考慮投資費(fèi)隨換熱表面變化時(shí)的兩側(cè)換熱表面的最佳匹配關(guān)系式。采用上述的方法同樣可以導(dǎo)出使安裝肋片失去作用的臨界m值，記為山馬即^二1時(shí)的m值，有憲=［1-饑尸］心+危）， （2_20）由于-=弘"而通常加裝肋片的一側(cè)換熱系數(shù)較小，且肋片表面的投資費(fèi)用較小，"=Li'%"'=總1,這樣mc就有可能小于0。這意味著當(dāng)肋片表面的投資費(fèi)用較大時(shí)，即使在。＞1的情況下，加裝肋片仍然有實(shí)際意義。

（3）換熱表面改變引起換熱性能和投資費(fèi)用同時(shí)變化在實(shí)際換熱器中，換熱表面的改變會(huì)同時(shí)引起換熱性能和投資費(fèi)用的變化。如果采用前面的假設(shè)鑿=GT，代入傳熱方程和投資費(fèi)用方程就可以得出相應(yīng)得準(zhǔn)則關(guān)系式。但由于代入后的方程求解困難，這里采用分析比較的方法得出方程的解。從上面兩小節(jié)的結(jié)果可以看出，方程（2-16）在n=0時(shí)和方程（2-19）在m=0時(shí)均應(yīng)退化為方程（2-14），那么在目前情況下的準(zhǔn)則方程就應(yīng)該是在m=0時(shí)退化為方程（2-16）而在n=0時(shí)退化為方程（2-19），進(jìn)而在m=n時(shí)退化為方程（2-14）?；谝陨戏治隹梢缘贸鲎罴哑ヅ潢P(guān)系式（2-21）此式就是換熱器兩側(cè)換熱表面比與換熱性能比和投資費(fèi)用比之間依變關(guān)系最一般的表達(dá)式，可以稱為一般形式的最佳匹配準(zhǔn)則關(guān)系式。（4）換熱表面的擴(kuò)展（加裝肋片，或肋化）影響換熱性能當(dāng)換熱表面的擴(kuò)展（加裝肋片，或肋化）會(huì)影響換熱性能時(shí)，假設(shè)有如下的關(guān)系:冬0=。；*氏'廣*皿=頃&/片廣（2-21）此式就是換熱器兩側(cè)換熱表面比與換熱性能比和投資費(fèi)用比之間依變關(guān)系最一般的表達(dá)式，可以稱為一般形式的最佳匹配準(zhǔn)則關(guān)系式。（4）換熱表面的擴(kuò)展（加裝肋片，或肋化）影響換熱性能當(dāng)換熱表面的擴(kuò)展（加裝肋片，或肋化）會(huì)影響換熱性能時(shí)，假設(shè)有如下的關(guān)系:冬0=。；*氏'廣*皿=頃&/片廣式中J''-11'為比例系數(shù)，A0為基礎(chǔ)傳熱面積（即不加裝肋片下的傳熱表面），a0為基礎(chǔ)表面與流體間的換熱系數(shù)。將此二式代入傳熱方程（2-10），并利用投資費(fèi)用方程（2-11）最后可使傳熱方程變?yōu)镽=布嵩一』）+瓦』網(wǎng)"gg-阻廠］利用前述的方法求上式對(duì)A1的導(dǎo)數(shù)并令其為零，即'郭""斗=°，則可求出在換熱器兩側(cè)均有擴(kuò)展表面（即安裝肋片），而且換熱表面的擴(kuò)展會(huì)影響換熱性能時(shí)換熱表面的最佳匹配關(guān)系式，（2-23）換熱表面的擴(kuò)展（加裝肋片，或肋化）會(huì)影響到投資費(fèi)用單價(jià)時(shí)，假設(shè)有如下的關(guān)系：（2-23）換熱表面的擴(kuò)展（加裝肋片，或肋化）會(huì)影響到投資費(fèi)用單價(jià)時(shí)，假設(shè)有如下的關(guān)系："=饋知4■廣;即島=5g廣(2-24)式中耳為比例系數(shù)，P0為基礎(chǔ)表面的投資費(fèi)用單價(jià)。將此二式代入投資費(fèi)用方程（2-11），并利用傳熱方程（2-10）最后使投資費(fèi)用方程變?yōu)榘晚?舟?+持*拉廣頃-1同樣地，求上式A1的導(dǎo)數(shù)并令其為零，即泠必Z,就可求得兩側(cè)均有擴(kuò)展表面，且投資費(fèi)用還受到換熱表面影響的情況下，兩側(cè)換熱表面最佳匹配的關(guān)系式，"｛［（If/（f）］（咨）一*(2-24)如果換熱表面的擴(kuò)展既會(huì)影響換熱性能又能使投資費(fèi)用發(fā)生改變時(shí)，可以從方程（2-23）和（2-25）導(dǎo)出（2-26）E=｛［（1_妃（1一叫）們_%）（1_峰）］（咨）-】｝心此式能滿足：當(dāng)?的=吐='0時(shí)，方程退化為式（2-23）；當(dāng)；；1=云=°時(shí)，方程退化為式（2-25）；（2-26）2.3熱量傳遞過程的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化2.3.1管內(nèi)流動(dòng)換熱過程的最佳管長(zhǎng)管徑比圖：一圖：一5管內(nèi)流動(dòng)換焦示意圖圖2-5給出一個(gè)管內(nèi)流動(dòng)換熱的示意圖。設(shè)管壁溫度均勻一致為TW，流體進(jìn)口溫度為Tf'，經(jīng)過管長(zhǎng)L后出口溫度為fT'，管內(nèi)、外徑分別為di和do,壁厚為＜5，流體截面上的平均流速為um。引入過余溫度 及辛，'「‘=矣-"在管子長(zhǎng)度為X處取一個(gè)微元長(zhǎng)度dx，利用dx元體內(nèi)的能量平衡可以得出管內(nèi)流動(dòng)換熱方程為：

當(dāng)換熱系數(shù)a與管長(zhǎng)L當(dāng)換熱系數(shù)a與管長(zhǎng)L無關(guān)時(shí)，方程的解為:對(duì)于整個(gè)管長(zhǎng)可以得到：，于是整個(gè)管長(zhǎng)內(nèi)的對(duì)流換熱量為:、(2-27)Q=三妲P"(2-27)為了獲得經(jīng)濟(jì)的管長(zhǎng)管徑比，應(yīng)該是在給定管材的體積下實(shí)現(xiàn)管內(nèi)流動(dòng)換熱過程的換熱量最大。在管壁較薄的情況下，管材體積為"二成，笆’于是將其代入（2—27將其代入（2—27）式得到:當(dāng)換熱系數(shù)與管徑大小無關(guān)時(shí)上式可寫為：G=C展Lpf-3--式中對(duì)管子換熱量Q求管內(nèi)徑di的導(dǎo)數(shù)，并令其為零，即就可以得到給兀定管材體積情況下的換熱量最大的管子結(jié)構(gòu)尺寸，即成以上工作得到：兀定管材體積情況下的換熱量最大的管子結(jié)構(gòu)尺寸，即成以上工作得到：從（2—28）式可見，只有Z=0才能得到最經(jīng)濟(jì)的管子結(jié)構(gòu)，也就是換熱最大或投資成本最低的情況。但是Z=0，意味著di—8或者L一0，但這也是不現(xiàn)實(shí)或不可取的。實(shí)際上，在管內(nèi)流動(dòng)換熱過程中，換熱系數(shù)a和管徑di及管長(zhǎng)L相關(guān)的，通常換熱計(jì)算中選取的換熱系數(shù)是相應(yīng)管長(zhǎng)的平均值，可以將a視為與L無關(guān)，但仍然是管徑di的函數(shù)（對(duì)于充分發(fā)展的管內(nèi)流動(dòng)）。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即將其代入（2—27）式得到:G= 」勺=2=14.64 （融匕用5）式中，4 '…，在上式中對(duì)熱流量求管徑的式中，1 里「，式中dO1 里「，式中導(dǎo)數(shù)E7并令其為零，可以得出最經(jīng)濟(jì)的Z值關(guān)系式：1+1.由

.E，'：./：，經(jīng)迭代可以求出Z=0.7628，于是有:(2-29)式中Um對(duì))為獲得最經(jīng)濟(jì)管子結(jié)構(gòu)參數(shù)令 "'得到Z值關(guān)系式:1+1.1Z式中‘■ “CpUm」】，迭代求解上式得出YWL制=Q.1907S尸對(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：泠="成*逆"3,即「=/"，式中J="ME；'LM，(2-29)式中Um對(duì))為獲得最經(jīng)濟(jì)管子結(jié)構(gòu)參數(shù)令 "'得到Z值關(guān)系式:1+1.1Z式中‘■ “CpUm」】，迭代求解上式得出(2-30)(2-30)Z=0.1877,（E皿）前皿=0.04693肉一】從關(guān)系式（2—29）和（2—30）式可以看出，iLd的值在通常情況下均沒有進(jìn)入管內(nèi)充分發(fā)展區(qū)，而處于進(jìn)口區(qū)，此時(shí)管內(nèi)流動(dòng)換熱計(jì)算式就不能采用上面的公式。對(duì)于管內(nèi)紊流流動(dòng)，通常進(jìn)行相應(yīng)的管長(zhǎng)修正，即將按長(zhǎng)管計(jì)算的換熱系數(shù)a換成：5=以1+江；口］方于是有S=0.023邳/喝產(chǎn)廣氣1+（禹/1）產(chǎn)。采用文獻(xiàn)［49］的做法得出：=0.04693象t［1+Q1.3083肉產(chǎn)十L （2-31）上式即為考慮管長(zhǎng)修正的管內(nèi)紊流流動(dòng)換熱的最經(jīng)濟(jì)的管長(zhǎng)管徑比。

第3章管翅式換熱器的結(jié)構(gòu)特征及優(yōu)化方法3.1管翅式換熱器基本結(jié)管翅式換熱器的基本結(jié)構(gòu)如圖3—1,3-2所示，管翅式換熱器的結(jié)構(gòu)與一般管殼式換熱器基本相似，只是用翅片管代替了光管作為傳熱面。翅片管換熱器可以僅有一根或若干根翅片管組成。翅片管事管翅式換熱器中主要換熱元件。管內(nèi)管外流體通過管壁及翅片進(jìn)行熱交換，由于翅片擴(kuò)大了傳熱面積，使換熱得以改善。 匚"IIIIIlliIlliIlliHllIlliIlliIlliIllillllfTillIhiImimiiniinimimiIiii!^iiiiiiiiiiiiimIIiiitiiiiiiinimiiniiniiniiniiiii獸iiiiii甘iiinimiiniiniiniiuiiiiiiiiiiiiiiiini+f)+H+iiH+Hiiiniiiii14卜 卜l+PPHl+HHfl+ki+i-i~bH14卜肝Hd-Hi+Hniiiiiinimi+H+i-iH^M4-1管翅.式換熱器的基本結(jié)構(gòu)示意圖一翅片管規(guī)格品種很多。從材料上講，有碳鋼、銅鋁、不銹鋼等，還有復(fù)合材料，如鋼鋁復(fù)合，即基管采用鋼，翅片采用鋁；較常見的翅片形式大致有以下幾種：套脹的整體翅片、螺旋形纏繞或焊接或者釬焊翅片、環(huán)形翅片、螺旋型纏繞細(xì)金屬絲、縱向翅片管等。圖3-3和圖3-4示出了不同形式的翅片3.2管翅式換熱器的工作特性管翅式換熱器是廣泛應(yīng)用的熱交換設(shè)備之一。它常常應(yīng)用在兩側(cè)流體的換熱性能相差甚大的情況下，通常是以管外側(cè)安裝翅化表面來減小換熱性能較差流體的換熱熱阻，而換熱性能較好的流體在管內(nèi)流動(dòng)仍然保持較小的換熱熱阻，從而達(dá)到整體增強(qiáng)換熱器傳熱效果的目的。管翅式換熱器的優(yōu)點(diǎn)主要是：（1） 傳熱能力強(qiáng)，與光管相比，傳熱面積可增大2?10倍，傳熱系數(shù)可提高了1?2倍；(2)結(jié)構(gòu)緊湊。由于單位體積傳熱面加大，傳熱能力增強(qiáng)，同樣熱負(fù)荷下與光管相比，翅片管換熱器管子少。殼體直徑或高度可減小，因而結(jié)構(gòu)緊湊且便于布置；(2)（3） 可以更有效和合理地利用材料。不僅因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)緊湊使材料用量減少，而且有可能針對(duì)傳熱和工藝要求來靈活選用材料，例如不同材料制成地鑲嵌或焊接翅片管等；（4） 當(dāng)介質(zhì)被加熱時(shí)，與光管相比，同樣熱負(fù)荷下地翅片管管壁溫度tw有所降低，這對(duì)減輕輕金屬面的高溫腐蝕和超溫破壞是有利的。不管介質(zhì)是被加熱或冷卻，傳熱溫差|tf-tw|都比光管時(shí)小，這對(duì)減輕管外表面結(jié)垢是有利的。結(jié)垢減輕的另一重要原因是翅片管不會(huì)象光管那樣沿圓周或軸向結(jié)成均勻的整體垢層，沿翅片和管子表面結(jié)成的垢片在脹縮作用下，會(huì)在翅根處斷裂，促使硬垢自行脫落；（5） 對(duì)于相變換熱，可使換熱系數(shù)或臨界熱流密度增高。它的主要缺點(diǎn)是造價(jià)高和流阻大。例如空冷器的翅片管由于工藝復(fù)雜，其造價(jià)達(dá)設(shè)備費(fèi)用的30?60%；在以空冷代替水冷時(shí)，由于空氣密度遠(yuǎn)小于水，則相對(duì)于水冷卻器，空冷器的體積很大；因?yàn)楸砻嬗谐?，流?dòng)阻力就大，所以動(dòng)力消耗也大。當(dāng)然，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使它造型合理以盡量減少動(dòng)力消耗，使之與光管相比，達(dá)到傳熱增強(qiáng)的得益優(yōu)于動(dòng)力消耗的增加。3.3結(jié)構(gòu)特征及導(dǎo)致的流動(dòng)特征管翅式換熱器的一般的結(jié)構(gòu)特征如圖3-5所示。在由翅片管平行排列組成的換熱結(jié)構(gòu)中一側(cè)流體在管內(nèi)流動(dòng)，而另一側(cè)流體在垂直于翅片管的管間流動(dòng)。因此，任意一根翅片管就構(gòu)成一個(gè)管翅式換熱器的基本單元。這也是本文分析討論的對(duì)象。這里設(shè)定2d為翅片管的內(nèi)直徑，1d為翅片管的外直徑（即管基直徑db），0d為環(huán)翅片的外直徑，那么翅片高度就為01d?d，翅片厚度設(shè)為0，翅片間距設(shè)為bs。為了研究問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bs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且i="1匚+ 1■'-*』尸*：丫管內(nèi)流體的換熱面積A2傳遞的熱流量會(huì)再通過管外翅片側(cè)換熱面積A1傳給翅片側(cè)流體，在這里熱量的傳遞是經(jīng)過翅片面積（2）/2120nd?d和肋基面積sdbln與流體換熱而實(shí)現(xiàn)的（計(jì)算中忽略翅片厚度。的影響）。由于管翅式換熱器單元的結(jié)構(gòu)，有換熱面積比廣1"七+'Wo-J2廣V】，從中也可以得出奴=（況-心佇宮如最后將整理的數(shù)據(jù)列在表1中。至此就完成了整個(gè)管翅式換熱器綜合結(jié)構(gòu)、流動(dòng)與傳熱參數(shù)優(yōu)化的熱設(shè)計(jì)工作。這種設(shè)計(jì)方法在進(jìn)行的過程中僅僅采用了兩種人為設(shè)定參數(shù)，即熱流密度和翅片管的幾何尺寸，且這類數(shù)據(jù)極易于改變而得出更多種的選擇；而獲得的重要設(shè)計(jì)參數(shù)卻是有其理論根據(jù)。因此，這種方法要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于常規(guī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。表3-1管翅式換熱器綜合性能優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)列表翅片管內(nèi)直徑水側(cè)熱流密度水側(cè)雷諾數(shù)臉二水側(cè)換熱系數(shù)a2翅片管長(zhǎng)度丑0.022m10000W/mJ4.72032X1046967.4W/(m2'C)1.05m翅片管基直徑di翅片厚度8翅片效率七翅化效率，?j換熱面積比e=Aj/A20.025m2X10*4m0.700.72213.66翅片高度dtrdj環(huán)形翅片外直翅片管翅片間距兒管束橫向間距比管束縱向間距比0.0275m0.0525m3.87X10'3m2.101.82氣側(cè)熱流密度氣側(cè)雷諾數(shù)臉j氣側(cè)換熱系數(shù)L翅片管束縱向管排數(shù)N換熱治寬度1014W/mJ1762.4051.70W/(m2'C)2.46(取3)（由熱負(fù)荷定）3.4小結(jié)綜合性能優(yōu)化設(shè)計(jì)的具體做法是，選定換熱器的結(jié)構(gòu)形式、翅片管的結(jié)構(gòu)參數(shù)、及流動(dòng)類型，以可用能損失率最小為目標(biāo)首先確定管內(nèi)流體的最佳流動(dòng)參數(shù)，且以此計(jì)算出最佳的換熱性能參數(shù)，同時(shí)可以計(jì)算出最佳的管長(zhǎng)管徑比，這也就定下了管內(nèi)流體流動(dòng)方向上的尺寸；再設(shè)定安裝翅片的管外側(cè)（即肋化側(cè)）換熱性能參數(shù)以換熱表面最佳匹配關(guān)系確定換熱器兩側(cè)換熱表面積的比值，以此計(jì)算出安裝翅片一側(cè)的結(jié)構(gòu)尺寸，進(jìn)而可對(duì)其進(jìn)行可用能分析而得出最佳流動(dòng)參數(shù)并由此計(jì)算出換熱性能參數(shù)；以新得到的換熱性能參數(shù)取代設(shè)定值重復(fù)以上的計(jì)算，直至前后兩次相差甚小而得出收斂的結(jié)果；在翅化表面一側(cè)的結(jié)構(gòu)參數(shù)以收斂結(jié)果確定之后，以最佳的流動(dòng)參數(shù)計(jì)算出最佳的管排數(shù)，以此就能定下管外流體流動(dòng)方向上換熱器的結(jié)構(gòu)尺寸；還有一個(gè)方向上的尺寸由傳熱量及傳熱溫差來確定。簡(jiǎn)單的說給定換熱器結(jié)構(gòu)材料而使得換熱量最大的兩側(cè)換熱表面的最佳匹給定換熱器結(jié)構(gòu)材料而使得換熱量最大的兩側(cè)換熱表面的最佳匹配準(zhǔn)則和兩側(cè)流體流動(dòng)換熱過程最佳的結(jié)構(gòu)尺寸準(zhǔn)則，以及使可用能損失率最小