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板翅式换热器的研究与应用进展
早在1930年英国顿*公司就用铜合
金浸渍钎焊方法制成发动机散热用板翅式换热器。经
过70年的发展,目前板翅式换热器作为一种高效、紧凑、
轻巧的的换热设备,已在石油化工、、电子、原
子能、工业、冶金、动力工程和机械等领域得到广泛
应用,并在利用热能、回收余热、节约原料、降低成本以
及一些特殊用途上取得了显著的经济效益。近年来,板翅
式换热器的设计理论、试验研究、制造工艺、开拓应用的
研究方兴未艾,特别是一些新技术的渗透,使其应用范围
更加广泛,进入了一个新的发展时期。
板翅式换热器设计理论
1.表面特性及选择
板翅式换热器中的传热过程主要是通过翅片来完成
的。斯坦福大学的Kays和London等人对紧凑表面进
行了较系统的实验研究,总结出40多种翅片形状的板翅式
换热器传热和阻力关联式。Shah对平直翅片的研究表明,
宽高比较大的矩形通道流道品质(j/f)优于三角形(正弦
形)通道。Joshi和Webb对锯齿翅片的表面特性进行了研
究,提出了一系列关联式。锯齿翅片传热特性随切开长度
[1]
而变化,切开长度越短,传热性能越好,但压降也增
加。Goldstein和Sparrow应用传质模拟方法对波纹翅片
进行了试验研究,发现对低Re层流(25%,Re=1000),波纹
翅片引起传热强化很少,而对低Re湍流具有明显的强化效
果(200%,Re=600~800)。多孔翅片亦属于高效翅片,
Shah通过多种多孔翅片表面传热、压降和流动特性试验,
提出了一些可供设计参考的结论。
总之,可供使用的多种翅形j因子和f因子数据已有
不少,但可供设计计算使用的拟合关联式却很有限。因
此,应用计算流体力学(Computationalfluid
dynamics,简称CFD)、流动可视化技术和模拟测试来研究
翅片流动和传热的本质,并建立j因子和f因子数据库将
是今后十分重要的工作。
表面选择一般可从定性分析和定量分析来考虑,定量
分析方法基本上可分为筛法和性能比较法,性能比较法适
用于管翅式换热器,而筛法则用于板翅式换热器。筛法每
次只考虑流体一侧,在给定压降时,根据最小迎风面和最
小换热面积(或体积)来选择最佳表面。
2.传热和流动分析
板翅式换热器传热分析一般采用传热单元数法(ε-
Ntu),该法为便于手工计算,作了一些理想化的假设,这
些假设条件有时会对换热器的设计产生显著影响,因此必
须考虑进行修正。如传热计算中确定流体物性的单一温度
值,在冷端温降不是很大的情况下,可用平均温度计算物
[2]
性。但若流体物性变化很大,则应将换热器按能量平衡
分成几部分,假定各部分内的物性为一常数。温度对j和f
的影响有时也需考虑,如j和f试验数据通常在常温下获
得,用于高温下时就要修正,文献[2]应用物性比法计入
了流体物性随温度变化对j或Ntu和f的影响。
物流不均匀会引起板翅式换热器性能显著下降,特别
是Ntu大的板翅式换热器尤甚。简单的总管分配不均匀性
[3]
分析可通过解析方法完成,如两股流板翅式换热器。复
杂的只有通过数值计算方法来分析传热过程,如Chiou研
究了两种情况量分配不均匀性对单程错流换热器热工
性能的影响。对通道间物流分配不均匀的研究,London采
用单通道模型对低Re层流状态下的情况进行了理论分析。
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