CN109635505A - 一种锯齿形翅片换热器流动传热特性预测方法 - Google Patents

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崔梦梦
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Abstract

本发明提供一种锯齿形翅片换热器流动传热特性预测方法，通过设置不同的换热器流道长度、翅片高度、厚度、间距、错列长度、换热器层数和流动介质密度、黏度、流量等参数，得到翅片性能曲线基本参数，基于锯齿形翅片换热压降关联式，分别计算热流体、冷流体流道换热因子和摩擦因子，由此得到锯齿形翅片换热器的压降、有效度等流动传热性能指标，并结合换热器入口参数计算出口参数。本发明得到的锯齿形翅片换热器流动传热特性预测精度高、覆盖范围广、通用性强。

Description

一种锯齿形翅片换热器流动传热特性预测方法
技术领域
本发明涉及板翅式换热器技术领域，具体而言，涉及一种锯齿形翅片换热器流动传热特性预测方法。
背景技术
板翅式换热器是实现工业生产过程热量交换和传递不可缺少的设备，广泛应用于航天、航空、化工、制冷等领域。翅片是板翅式换热器的基本元件，主要包括平直翅片、锯齿形翅片、波纹翅片、百叶窗翅片、多孔翅片等类型。锯齿形翅片制造工艺简单、比表面积大、传热效率高，在工业领域具有巨大的应用潜力，其流动传热特性研究的核心在于得到用换热因子j和摩擦因子f表征的换热压降关联式。
基于拟合得到的实验结果，目前通用的换热压降关联式包括Wieting关联式[Wieting,A.R.(1975).Empirical correlations for heat transfer and flowfriction characteristics of rectangular offset-fin plate-fin heatexchangers.Journal of Heat transfer,97(3),488-490]、Joshi&Webb关联式[Joshi,H.M.,&Webb,R.L.(1987).Heat transfer and friction in the offset stripfin heatexchanger.International Journal of Heat and Mass Transfer,30(1),69-84]、Mochizuki关联式[Mochizuki,S.,Yagi,Y.,&Yang,W.J.(1987).Transport phenomena instacks of interrupted parallel-plate surfaces.Experimental Heat Transfer AnInternational Journal,1(2),127-140]、Manglik&Bergles关联式[Manglik,R.M.,&Bergles,A.E.(1995).Heat transfer and pressure drop correlations for therectangular offset strip fin compact heat exchanger.Experimental Thermal andFluid Science,10(2),171-180]和日本神钢ALEX关联式。然而，以上关联式对不同尺寸锯齿形翅片流动传热性能的预测存在精度较低、通用性差的缺点。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有方法存在的不足，提供一种预测精度高、覆盖范围广、通用性强的锯齿形翅片换热器流动传热特性预测方法。
为实现上述目的，本发明所述锯齿形翅片换热器处于稳态运行状态；流体流动过程中传热面积及传热系数保持恒定；忽略隔板厚度对传热的影响，即忽略壁面热阻和壁面温度梯度；流体流动过程中物性保持恒定；热物流侧和冷物流侧分别具有一致的翅片规格；冷流体与热流体交替布置，冷流体布置于换热器两端，即冷流体比热流体多一层；流动方式为两股流错流；包括以下步骤：
步骤S1：输入换热器流道长度L、翅片高度hf、厚度tf、间距s、错列长度lf、换热器层数N和流动介质密度ρ、黏度μ、流量m等基础参数；
步骤S2：根据输入参数，计算翅片性能曲线基本参数ξ、δ、η：
ξ＝s/hf,δ＝tf/lf,η＝tf/s
步骤S3：基于锯齿形翅片换热压降关联式，分别计算热流体、冷流体流道换热因子j和摩擦因子f：
当0.129≤ξ≤1.185、0.012≤δ≤0.06、0.038≤η≤0.214时，
当0.129≤ξ≤1.185、0.012≤δ≤0.06、0.038≤η≤0.195时，
当0.129≤ξ≤1.185、0.012≤δ≤0.06、0.195＜η≤0.214时，
f＝exp[0.132856(lnReh2)2-2.28042(lnReh2)+6.79634]
其中，j为换热因子；f为摩擦因子；Reh1是以水力直径Dh1为基础得到的雷诺数；Reh2是以水力直径Dh2为基础得到的雷诺数；
其中，ρ为密度，kg/m3；μ为流体动力黏度，Pa·s；u为流速，m/s；Dh为水力直径，m；m为质量流量，kg/s；Ac为流体流动面积，m2；
除0.129≤ξ≤1.185、0.012≤δ≤0.06、0.038≤η≤0.214外，所述锯齿形翅片换热压降关联式的适用范围为300≤Re≤10000，当输入参数不满足关联式覆盖范围时，需对步骤S1输入参数进行调整；
步骤S4：计算锯齿形翅片换热器的压降Δp、有效度ε等流动传热性能指标：
其中，Δp为压降，Pa；f为摩擦因子；
其中，ε为换热有效度；C*为热容比，C*＝Cmin/Cmax；NTU为传热单元数；As为传热表面积，m2；α为流体对流传热系数，W/m2·K；j为换热因子；Cp为流体等压比热，J/kg·K；Pr为普朗特数；
热物流和冷物流侧流体的流动面积Ac由如下公式确定：
其中，下标h代表热流体；下标c代表冷流体；
热物流和冷物流侧流体的传热表面积As由如下公式确定：
步骤S5：结合换热器入口参数计算出口参数：
出口温度Tout由如下公式确定：
其中，T为温度，K；C为热容量，W/K；下标out表示出口参数；下标in表示进口参数；
出口压力pout由如下公式确定：
pout,h＝pin,h-Δph
pout,c＝pin,c-Δpc
其中，p为流体压力，Pa。
本发明的优点在于提供一种预测精度高、覆盖范围广的锯齿形翅片换热器流动传热特性预测方法，与数值模拟结果相比，换热压降关联式对换热因子j和摩擦因子f的预测精度高于前人提出的Wieting关联式、Joshi&Webb关联式、Mochizuki关联式、Manglik&Bergles关联式和日本神钢ALEX关联式，且弥补了传统关联式涵盖范围较窄的缺陷，具有较强的通用性。
附图说明
图1是本发明所述一种锯齿形翅片换热器流动传热特性预测方法的实施步骤。
图2是本发明所述锯齿形翅片换热器的结构示意图。
图3是本发明所述锯齿形翅片的结构示意图，(a)为正视图，(b)为俯视图。
图4是本发明所述锯齿形翅片换热压降关联式计算结果及前人提出的Wieting关联式、Joshi&Webb关联式、Mochizuki关联式、Manglik&Bergles关联式、日本神钢ALEX关联式计算结果与数值模拟结果对某锯齿形翅片流动传热特性预测结果对比图(介质为空气)，(a)为换热因子j；(b)为摩擦因子f。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段易于说明，下面结合附图及实施例，对本申请实施例中的技术方案进行详细描述。
实施例1
本发明提供的一种锯齿形翅片换热器流动传热特性预测方法，所述锯齿形翅片换热器结构如图2所示，所述锯齿形翅片如图3所示，图1是本发明所述一种锯齿形翅片换热器流动传热特性预测方法的实施步骤，包括：
步骤S1：结合附图2、附图3所示的结构示意图，输入两股流错流锯齿形翅片换热器(介质为空气)的流道长度L、翅片高度hf、厚度tf、间距s、错列长度lf、换热器层数N和流动介质密度ρ、黏度μ、流量m等基础参数，如下表所示：
步骤S2：根据输入参数，结合公式ξ＝s/hf,δ＝tf/lf,η＝tf/s计算翅片性能曲线基本参数ξ、δ、η，如下表所示：
步骤S3：基于锯齿形翅片换热压降关联式，分别计算热流体、冷流体流道换热因子j和摩擦因子f：
当0.129≤ξ≤1.185、0.012≤δ≤0.06、0.038≤η≤0.214时，
当0.129≤ξ≤1.185、0.012≤δ≤0.06、0.038≤η≤0.195时，
当0.129≤ξ≤1.185、0.012≤δ≤0.06、0.195＜η≤0.214时，
f＝exp[0.132856(lnReh2)2-2.28042(lnReh2)+6.79634]
其中，j为换热因子；f为摩擦因子；Reh1是以水力直径Dh1为基础得到的雷诺数；Reh2是以水力直径Dh2为基础得到的雷诺数；
其中，ρ为密度，kg/m3；μ为流体动力黏度，Pa·s；u为流速，m/s；Dh为水力直径，m；m为质量流量，kg/s；Ac为流体流动面积，m2；
计算结果如下表所示：
步骤S4：计算锯齿形翅片换热器的压降Δp、有效度ε等流动传热性能指标：
其中，Δp为压降，Pa；f为摩擦因子；
其中，ε为换热有效度；C*为热容比，C*＝Cmin/Cmax；NTU为传热单元数；As为传热表面积，m2；α为流体对流传热系数，W/m2·K；j为换热因子；Cp为流体等压比热，J/kg·K；Pr为普朗特数；
热物流和冷物流侧流体的流动面积Ac由如下公式确定：
其中，下标h代表热流体；下标c代表冷流体；
热物流和冷物流侧流体的传热表面积As由如下公式确定：
计算结果如下表所示：
步骤S5：结合换热器入口参数计算出口参数：
入口参数如下表所示：
出口温度Tout由如下公式确定：
其中，T为温度，K；C为热容量，W/K；下标out表示出口参数；下标in表示进口参数；
出口压力pout由如下公式确定：
pout,h＝pin,h-Δph
pout,c＝pin,c-Δpc
其中，p为流体压力，Pa。
计算结果如下表所示：
实施例2
图4为本发明所述锯齿形翅片换热压降关联式计算结果及前人提出的Wieting关联式、Joshi&Webb关联式、Mochizuki关联式、Manglik&Bergles关联式、日本神钢ALEX关联式计算结果与数值模拟结果对某锯齿形翅片流动传热特性预测结果对比图，当300≤Re≤10000时，其平均相对偏差如下表所示：
从表中可以看出，与数值模拟结果相比，本发明所述关联式对换热因子j和摩擦因子f的综合预测精度高于前人提出的Wieting关联式、Joshi&Webb关联式、Mochizuki关联式、Manglik&Bergles关联式和日本神钢ALEX关联式，弥补了传统关联式预测精度差、涵盖范围小的缺陷，具有较强的通用性。

Claims (7)

1.一种锯齿形翅片换热器流动传热特性预测方法，其特征在于，包括：
步骤S1：输入换热器流道长度、翅片高度、厚度、间距、错列长度、换热器层数和流动介质密度、黏度、流量等基础参数；
步骤S2：根据输入参数，计算翅片性能曲线基本参数；
步骤S3：基于锯齿形翅片换热压降关联式，分别计算热流体、冷流体流道换热因子和摩擦因子；
步骤S4：计算锯齿形翅片换热器的压降、有效度等流动传热性能指标；
步骤S5：结合换热器入口参数计算出口参数。
2.根据权利要求1所述的一种锯齿形翅片换热器流动传热特性预测方法，其特征在于，所述翅片性能曲线基本参数由如下公式确定：
ξ＝s/hf,δ＝tf/lf,η＝tf/s
其中，ξ、δ、η为翅片性能曲线基本参数；s为翅片间距，m；hf为翅片高度，m；lf为翅片的错列长度，m；tf为翅片厚度，m。
3.根据权利要求1所述的一种锯齿形翅片换热器流动传热特性预测方法，其特征在于，所述锯齿形翅片换热压降关联式为：
当0.129≤ξ≤1.185、0.012≤δ≤0.06、0.038≤η≤0.214时，
当0.129≤ξ≤1.185、0.012≤δ≤0.06、0.038≤η≤0.195时，
当0.129≤ξ≤1.185、0.012≤δ≤0.06、0.195＜η≤0.214时，
f＝exp[0.132856(lnReh2)2-2.28042(lnReh2)+6.79634]
其中，j为换热因子；f为摩擦因子；Reh1是以水力直径Dh1为基础得到的雷诺数；Reh2是以水力直径Dh2为基础得到的雷诺数。
4.根据权利要求3所述的一种锯齿形翅片换热器流动传热特性预测方法，其特征在于，所述雷诺数Reh由以下公式确定：
其中，ρ为密度，kg/m3；μ为流体动力黏度，Pa·s；u为流速，m/s；Dh为水力直径，m；m为质量流量，kg/s；Ac为流体流动面积，m2。
5.根据权利要求3所述的一种锯齿形翅片换热器流动传热特性预测方法，其特征在于，所述水力直径Dh1、Dh2由如下公式确定。
6.根据权利要求3所述的一种锯齿形翅片换热器流动传热特性预测方法，其特征在于，所述锯齿形翅片换热压降关联式的适用范围为0.129≤ξ≤1.185、0.012≤δ≤0.06、0.038≤η≤0.214、300≤Re≤10000。
7.根据权利要求1所述的一种锯齿形翅片换热器流动传热特性预测方法，其特征在于，当输入参数不满足权利要求6所述关联式覆盖范围时，需对输入参数进行调整。
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