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U型翅片管换热器传热单元数计算式

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U型翅片管换热器传热单元数计算式
吴小舟,赵加宁
(哈尔滨工业大学市政环境工程学院,150090哈尔滨)
摘要:为了得到U型翅片管换热器传热单元数计算式,以U型翅片管换热器为研究对象,通过建立翅片管换热模型,推导出了逆流和顺流2种流体流动趋势的传热单元数计算式(NTU计算式).分别采用推导出的传热单元数计算式(ε-NTU法)和前人推导出的平均温差关系式(LMTD法)计算U型翅片管传热系数,并进行对比分析.结果表明,当进水温度为45~60℃,热水流量为30~110kg/h时,由ε-NTU法和LMTD法计算出来的翅片管传热系数相差很小.所推导出来的U型翅片管换热器传热单元数计算式是合理的.
关键词:U型翅片管换热器;翅片管传热系数;ε-NTU法;LMTD法
中图分类号:TU833文献标志码:A文章编号:0367-6234(2012)04-0071-04
U型翅片管作为一种具有扩展受热面的换热设备,在自然对流散热器及强制对流散热器中有着广泛的应用[1-4].热水在U型管内流动,为管内不混合流,冷空气在管外翅片间流动,可认为被翅片分隔而不混合[5],因此U型翅片管的流动形式属于交叉流中2种流体均不混合且交叉次数为2次的情况.目前,国内外关于翅片管换热器翅片管传热系数的计算方法主要有效能-传热单元数法(ε-NTU法)和平均温差法(LMTD法)[5].文献[6-8]对U型翅片管换热器传热系数计算的ε-NTU法或ε-NTU关系式进行了相关研究,但这些关系式都是效能关于传热单元数及热容比的隐式非线性方程式,无法直接获得换热器设计计算所需要的传热单元数,同时也缺少对两侧流体热容比值大小进行分类讨论.而U型翅片管传热系数计算若采用平均温差法(LMTD法),则需要通过查图计算温差修正系数,造成人为误差,同时过程比较繁琐[9].因此本文通过建立U型翅片管换热模型,推导出了2种流体流动趋势为逆流和顺流时的传热单元数计算式,为U型翅片管换热器的设计、选型及优化提供依据.
1·ε-NTU关系式的推导
1.1推导假设
1)在流动过程中流体在垂直于流动方向上发生横向混合,可认为该流体在垂直于流动方向上的温度是均匀的[10],由此可认为翅片管进出口热水温度及空气温度在垂直于流动方向上是均匀的.
2)翅片管传热系数K沿着流程不发生改变,为一常数[5],同时翅片管中热水温度及空气温度变化不大,其定压比热变化很小,也可视为一常数.1.2U型翅片管换热器2种流体流动趋势
影响翅片管换热器换热效果的因素不仅包括2种流体流动曲折次数,还包括2种流体流动方向的总趋势是逆流还是顺流[9],如图1所示,tw,in为进水口热水平均温度,tw,out为出水口热水平均温度,ta,in为进风口空气平均温度,ta,out为出风口空气平均温度.

1.3传热单元数计算式的推导
1.3.1逆流趋势换热器传热单元数计算式的推导
逆流趋势换热器的传热模型如图2(a)所示,tw,1为U型管曲折点热水温度,ta,1为U型管之间空气平均温度.假设进水口到U型管曲折点为上段,U型管曲折点到出水口为下段.dΦ1为上段翅片管换热单元体,dΦ2为下段翅片管换热单元体.

1)曲折点热水温度及管间空气平均温度求解.
对于上段,整段管内水侧换热量为



1.3.2顺流趋势换热器传热单元数计算式的推导
顺流趋势换热器的传热模型如图2(b)所示.根据逆流趋势换热器效能ε和传热单元数NTU的关系式推导过程,同理可得顺流趋势换热器效能ε和传热单元数NTU的关系式.

2·U型翅片管换热器传热系数的计算结果与分析
翅片管换热器ε-NTU关系式主要用来计算翅片管传热系数,U型翅片管换热器属于二次交叉流动形式,传热系数也可通过LMTD法计算获得,具体计算过程如文献[9]所示.本文以文献[11]中U型逆流趋势换热器不同进水温度及热水流量时的进出口热水温度及空气温度为例,分别采用本文推导出的ε-NTU法和LMTD法计算U型翅片管传热系数,并进行对比分析,计算结果如图3~6所示.

由图3~6可知,当进水温度为45~60℃,热水流量为30~110kg/h时,由ε-NTU法和LMTD法计算出来的翅片管传热系数相差很小,两者最大相对误差不超过1%,因此本文推导的U型翅片管换热器NTU计算式准确合理.但LMTD法需要通过查图计算温差修正系数,过程比较繁琐,而ε-NTU法相对LMTD法计算过程简单容易.
3·结论
1)为了方便换热器设计及校核计算,通过建立U型翅片管换热模型,推导出了2种流体流动趋势为逆流及顺流时的传热单元数计算式.
2)采用此ε-NTU关系式计算翅片管传热系数相对LMTD法计算过程简单容易.当进水温度为45~60℃,热水流量为30~110kg/h时,由ε-NTU法和LMTD法计算出来的翅片管传热系数相差很小,两者最大相对误差不超过1%,说明U型翅片管换热器ε-NTU关系式准确合理.
参考文献:略

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