CN1049488C - 一种提高叉流式换热设备效能的方法 - Google Patents

Abstract

一种提高叉流式换热设备效能的方法，是依据本发明者提出的“温差场均匀性原理”，即传热面两侧冷、热流体间的温度差分布得越均匀，则换热设备效能越高。本发明提出的流体横掠单管或单层管束，板翅式换热器，空冷器等三类换热设备，通过改变流动安排或改变翅片密度或同时改变流动安排和翅片密度的办法，改善温差场均匀度。在结构方面仅作少量的变动就可达到节约换热面积8-20%的效果。

Description

一种提高叉流式换热设备效能的方法

本发明涉及各种叉流式换热设备的产品改进。

现代工业生产和人类生活中广泛应用各种各样的换热设备，如化学工业及石油化学工业中广泛使用各类换热器、空气冷却器；火力发电厂中的省煤器、空气预热器；制冷、空调系统中使用的蒸发器、冷凝器；房屋供暖使用的散热器等。国内外专家、学者为了提高各类换热设备的性能而努力探讨，但历来的努力多集中在改进换热设备的结构，增大单位容积的换热面积及采用各种方法强化换热，增强对流换热系数等方面，而涉及冷、热流体的流动安排和翅片疏密的排列对换热设备性能的影响考虑较少。目前国内外文献只限于指明当冷、热两种流体成逆流时，换热效能优于叉流和顺流，但并未指明提高叉流式换热设备换热效能的方法。

本发明的目的是通过改善温差场均匀性，来提高叉流式换热设备的效能。

本发明的基本点是：依据“温差场均匀性原理”，通过改变流动布置和翅片疏密布置以改善温差场的均匀性，来提高叉流式换热器的效能。将结合实例来说明对叉流式换热器进行优化设计的具体方法。

附图

图1.a、b热流体横掠单管或单层管束加热冷流体流动布置及温差场示意图。

图2.a板翅式换热器隔板两侧流体流动示意图。

b、c板翅式换热器，热流体来流温度不均匀时流动安排及温差场示意图。

d、e板翅式换热器热流体和冷流体来流温度都不均匀时流动安排及温差场示意图。

图3.a两管程空冷器常采用的流动安排示意图。

b两管程空冷器流动安排A-A剖视图。

图4.a改进后的两管程空冷器流动安排断面示意图。

b改进后的两管程空冷器A-A断面流动安排示意图。

图5.改变空冷器翅片疏密来改善温差场均匀度的示意图。

下面结合附图和实例来说明本发明通过改善温差场均匀度提高叉流式换热设备效能的方法。

多年来人们为了提高各种换热设备性能而不懈努力，但历来努力大多集中在增大单位容积的换热面积或增强对流换热系数方面。人们没有建立“温差场”概念，更未曾考虑过温差场的均匀性对换热设备效能的影响。本发明的基本点是：依据本发明者提出的“温差场均匀性原理”，对叉流式换热器进行优化设计，通过提高温差场均匀性来达到提高换热器效能的目的。所说的温差场是指传热壁面两侧冷、热流体间的温差在换热器整个空间的分布。“温差场均匀性原理”是：在传热单元数和热容量流比相同的条件下，温差场越均匀，则换热器的效能越高。

温差场的均匀性可以直观估计，也可用均匀度ξ定量描述。 $\mathrm{\ξ}=\frac{\frac{1}{F}{\∫\∫}_F\mathrm{\ΔtdF}}{\sqrt{\frac{1}{F}{\∫\∫}_F{\left(\mathrm{\Δt}\right)}^2\mathrm{dF}}}$ 式中Δt为传热面F的微元面dF上的传热温差。若传热温差处处相等，则ξ＝1。若温差不是处处相等，则ξ＜1。ξ越小，换热设备效能越低。在布置传热面和安排流动时，应使温差场尽可能均匀，即应使ξ尽可能接近于1。依据本发明提出的通过改善温差场的均匀性提高叉流式换热设备效能的方法，对不同结构、不同热容量流比的叉流式换热器，经改进后，在相同换热量的条件下，换热面积可减少8-20％。因此本发明是改进现有各种叉流式换热设备产品性能和新产品优化设计的有效方法。下面结合实例说明对各种叉流式换热器优化设计的具体方案。

实施例1

温度为非均匀分布的热流体横掠单管或单层管束加热冷流体，见图1a。图中t_h表示热流体温度，箭头的方向表示流动方向，箭头的长短表示温度的高低。t_c表示冷流体温度。此种情况，冷流体的流动方向如何安排将严重影响温差场的均匀度。当冷流体如图1a中虚线所示方向自热流体的高温端流入，它的温度变化将如图1b虚线表示。不难看出，传热面左侧温差大右侧温差小，整个温差场是很不均匀的。

对该种情况，应安排冷流体自热流体的低温端流入，见图1a中实线箭头所示方向，此时冷流体的温度变化将如图1b中实线所示。这种流动安排改善了温差场的均匀性，从而提高了换热效能。实施例2，板翅式换热器

板翅式换热器常用于多股流体之间的换热，各股流体常呈叉流方式布置，见图2a。现仅分析一块隔板7两侧流体之间换热情况。当热流体来流温度t_h不均匀，冷流体来流温度t_c均匀时(其温度高、低由图2b中箭头长短表示)，若使冷流体从热流体温度较低端流入，从另一端流出，如图2b，则冷流体沿y方向温度不断升高，与热流体温度分布趋势一致。其某一冷流体通道温差场见图2c。因此这种安排温差场比较均匀，则换热效率高。

当冷流体与热流体来流温度都不均匀，如图2d所示，为了改善温差场的均匀度，本实施例对其流动安排是：冷流体应从热流体低温端流入，同时在入口处，冷流体的高温端应靠近热流体的低温端。这样，沿y方向冷流体温度逐渐提高，与热流体温度分布趋势一致，同时沿x方向热流体温度逐渐渐下降，与冷流体温度分布的趋势也一致。图2e表示出一个热流体通道中流体的温度分布。因此作这种流动安排，温差场均匀度ξ最接近1，换热效能高。实施例3空冷器

在石油化工等部门，空冷器的应用非常广泛。两管程空冷器一般都采用如图3a所示的流动安排：四层翅片管束分为两组，上部1、2两层与下部3、4两层翅片管分别并联后再串联。在图3a中用箭头表示热流体由管箱5流入1、2两层。再由3、4两层经管箱6流出。图3b为图3a的A-A剖视图。图3b管中‘X’表示热流体方向为流入纸面，‘·’表示热流体流出纸面。图中每层仅画6根翅片管，实际使用的空冷器翅片管数要大大多于此数。空气流动方向用箭头表示由下向上流动，热流体与空气成叉逆流布置。从温差场均匀性原理考虑，上述安排是不够合理的。

本发明将上述空冷器流动安排作如下改变：首先改进原有叉逆流布置，由上部1、2两层与下部3、4两层分别并联后串联改为1层与3层、2层与4层分别串联，这样，沿空气流动方向四层管内热流体温度逐步升高，温差场更为均匀。其次，要改善沿管长方向上的温差场均匀性。为此，要使得沿空气流动方向，四层管内的热流体均沿同一方向流动。这样，在每层管子上沿管长方向，空气的温度分布都与热流体温度趋势一致。具体办法如图4a、b所示，图4b为图4a的A-A剖视图。图中将全部翅片管分为八组，见图4a。左上一、二和左下一、二四组翅片管内的热流体均流入纸面；右上一、二和右下一、二四组翅片管内的热流体均流出纸面。左上一、二分别与右下一、二组翅片管串联，见图4b。与此类似，右上一、二也分别与左下一、二组翅片管串联。热流体同时从两个方向经联箱进入左上一、二与右上一、二组翅片管；然后分别由右下一、二和左下一、二组翅片管经联箱流出。上述流动安排明显改善了整个温差场的均匀性，使换热效能提高。

目前空冷器中翅片管的翅片是均匀分布的。依据温差场均匀性原理来改变翅片的疏密，也可以提高换热效能。如图4所示的空冷器，在改变流动安排的基础上若将翅片的疏密排列作图5所示的分布，还可进一步提高换热效能。图5仅仅表示对图4a左侧四组管束翅片疏密的排列。沿热流体管内流动方向，左上一组翅片管的翅片由密到疏，左下二组则由疏到密、中间两组翅片密度分布均匀。与此类似，对右侧四组的翅片排列是：沿管内热流体流动方向，右上一组翅片由密到疏，右下二组翅片由疏到密；中间两组翅片密度分布均匀。所有各管翅片总数不变。经上述改进的空冷器，在换热量相同的情况下，可节约换热面积8-10％。本实施例中每根翅片管的翅片密度仅有二个数值，以便加工制造。

Claims (3)

1.一种提高叉流式换热设备效能的方法，其特征在于对水平式空冷器改善空气流动方向与沿管长方向温差场的均匀性，提高换热效能，其流动布置是：全部翅片管分为八组，左侧四组的热流体均沿一个方向流动，右侧四组的热流体均沿另一方向流动，左上一、二两组翅片管分别与右下一、二两组串联，右上一、二两组翅片管分别与左下一、二两组翅片管串联，热流体同时从两个方向经联箱进入左上一、二与右上一、二两组翅片管，然后分别由右下一、二和左下一、二两组翅片管经联箱流出，空气由下往上流动。

2.按照权利要求1所说的提高叉流式换热设备效能的方法，其特征在于改变空冷器中翅片管翅片的疏密布置，改善温差场的均匀性，其方法是：左上一组和右上一组翅片管的翅片密度沿管内热流体流动方向由密到疏布置，左下二组和右下二组翅片管的翅片沿管内热流体流动方向由疏到密布置，其他各组翅片管和翅片分布均匀。

3.按照权利要求1，2所说的提高叉流式换热设备效能的方法，共特征在于所说的对水平空冷器改善温差场的均匀性，其方法是：既改变流动的布置又改变翅片管翅片疏密的布置。

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