专利名称：一种提高叉流式换热设备效能的方法
技术领域：
本发明涉及各种叉流式换热设备的产品改进，优化设计和效能的提高。
现代工业生产和人类的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。多少年来国内、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。而涉及冷、热两种流体的流动安排对换热设备性能的影响考虑的较少。目前国际、国内只限于指明当冷、热两种流体成逆流时，换热效能优于叉流和顺流，但尚未见到对各种叉流式换热设备在各种安排中指明如何优化设计，提高换热效能的方法。
本发明的目的是针对如何提高换热效能中存在的问题，而提出以改善温差场的均匀度提高叉流式换热设备效能的方法。
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传热面布置以改善温差场的均匀度来提高叉流式换热效能。并结合实施例来说明对叉流式换热器进行优化设计的具体方法。
附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板翘式换热器隔板两侧流体流动示意图。
b、c板翘式换热器，热流体来流温度不均匀时流动安排及温差场示意图。
d、e板翘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.改变空冷器翘片疏密来改善温差场均匀度的示意图。
下面结合附图和实施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，对冷、热两种流体的流动安排，改善温差场的均匀性，对换热设备效能的影响考虑较少。本发明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，从而提高了叉流式换热器的效能。所说的温差场是指传热温差，即传热壁面两侧冷、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，冷、热流体的温差场越均匀，则换热器的效能越高。
温差场的均匀度可以直观的估计，也可用均匀度ζ定量描述。
式中△t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ζ＝1。若温差不是处处相等，则ζ＜1。ζ越小，换热效能越小，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ζ尽可能接近于1。依据本发明所提出的改善温差场的均匀度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%。因此本发明所提出的方法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。下面结合实施例说明对各种叉流式换热器优化设计的贝体的方案。
实施例1当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th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。tc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。当冷流体自热流体的高温端流入，见图1a中虚线所示方向，不难看出，传热面左侧温差大。右侧温差小所以整个温差场是很不均匀的，见图1b虚线表示。
本发明对该种情况，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。这种流动安排改善了温差场的均匀度，从而提高了换热效能。见图1b中实线表示。
实施例2，板翘式换热器板翘式换热器常用于多股流体之间的换热，流体流动成叉流方式布置。现仅分析一块隔板7两侧流体之间换热情况，见图2a。当热流体来流温度th不均匀，冷流体来流温度tc均匀时，其温度高、低由图2b中箭头长、短表示。则冷流体从对应热流体温度较低端流入，从另一端流出。冷流体在流动过程中不断与热流体进行热量交换，故沿流动方向即y方向温度不断升高，与热流体温度分布趋势一致。因此这种安排温差场比较均匀，则换热效率高。其某一冷流体通道温差场见图2c。
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。沿y方向流动的冷流体与热流体进行热交换，温度逐渐提高，与热流体温度分布趋势一致。同时沿X方向流动的热流体与冷流体进行热交换，温度沿X方向逐渐下降，与冷流体温度分布的趋势一致。因此作这种流动安排，温差场均匀度ζ最接近1，换热效能高。图2E示出一个热流体通道中流体的温度分布。
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。目前两管程空冷器一般都采用如图3a、b所示的流动安排，四层翘片管束分为两组，上部1、2两层为第Ⅰ组，下部3、4两层为第Ⅱ组，两组串联。热流体自第Ⅰ组流入，由第Ⅱ组流出。(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b管中‘X’表示热流体方向为流入，纸面‘·’表示热流体流出。)图中每层仅画6根翘片管，在工业上实际使用的空冷器翘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。从温差场均匀性原理考虑，上述安排是不合理的。
本发明将上述空冷器流动安排改为如图4a、b所示，图4b为图4a的A-A剖示图。将管束分为Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ，Ⅵ，Ⅶ，Ⅷ，共8组，见图4a，分别使Ⅰ-Ⅵ，Ⅲ-Ⅷ，Ⅱ-Ⅴ，Ⅳ-Ⅶ串联联接，空气自下向上流动。热流体流入Ⅰ，Ⅲ组管束，再从管束Ⅵ，Ⅷ流出，见图4b。在热流体流入Ⅰ，Ⅲ管束的同时热流体也从管束Ⅱ，Ⅳ的另一端流入，然后再流入管束Ⅴ，Ⅶ内。这种流动安排温差场均匀度将有明显的改善，换热效能高。
目前空冷器中翘片管的翘片是均匀分布的。依据温差场均匀性原理来改变翘片的疏密，则可以进一步提高换热效能。如图4所示的空冷器，将外翘片的疏密排列作图5所示的分布。在保证原有换热量不变的条件下，可进一步节约换热面积。图5仅仅表示Ⅰ，Ⅲ，Ⅴ，Ⅶ四组管束翘片疏密，沿热流体管内流动方向，Ⅰ组翘片管的翘片由密到疏，Ⅶ组翘片管的翘片则由疏到密，Ⅲ，Ⅴ两组翘片密度分布均匀。对Ⅱ，Ⅳ，Ⅵ，Ⅷ四组的翘片排列是，沿管内热流体流动方向Ⅱ组翘片管的翘片由密到疏，Ⅷ组翘片管的翘片由疏到密，Ⅳ，Ⅵ两组翘片密度分布均匀。所有各管翘片总数不变。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8-10%。本实施例中每根翘片管的翘片密度总有二个数值，以便加工制造。
权利要求
1.一种提高叉流式换热设备效能的方法，其特征在于依据温差场均匀性原理，改变流动布置和传热面布置，以改善温差场的均匀性，提高换热设备效能。
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，其特征在于当温度非均匀分布的热流体横掠单管或单层管束加热冷流体时，改善温差场的均匀度提高换热效能的方法是，冷流体流动的方向应自热流体的冷端，即低温端流入。
3.按照权利要求1所说的提高叉流式换热设备效能的方法，其特征在于对板翘式换热器，多股流体之间的换热，流体流动成叉流方式布置，当冷流体温度是均匀分布，热流体温度为非均匀分布，为改善温差场的均匀度提高换热设备效能，则冷流体应从对应的热流体温度较低的一端流入，从另一端流出。
4.按照权利要求1所说的提高叉流式换热设备效能的方法，其特征在于对板翘式换热器，多股流体之间的换热，冷、热流体流动成叉流方式，当热流体与冷流体来流温度分布都不均匀时，可改善温差场的均匀度提高换热设备效能，则冷流体应从对应热流体低温端流入，而在入口处冷流体的高温端应靠近热流体的低温端。
5.按照权利要求1所说的提高叉流式换热设备效能的方法，其特征在于对水平式空冷器，改善温差场均匀度提高换热效能其流动布置是将管束Ⅰ-Ⅵ，Ⅲ-Ⅷ，Ⅱ-Ⅴ，Ⅳ-Ⅶ，串联连接，空气自下向上流过Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ，Ⅵ，Ⅶ，Ⅷ，管束，热流体在管束Ⅰ，Ⅲ，Ⅴ，Ⅶ内流动为相同方向，而在Ⅱ，Ⅳ，Ⅵ，Ⅷ管束内热流体流动方向与热流体在管束Ⅰ，Ⅲ，Ⅴ，Ⅶ内流动方向相反。
6.按照权利要求1所说的提高叉流式换热设备效能的方法，其特征在于所说的改善温差场均匀度提高换热设备效能的方法是，改变空冷器中翘片管翘片的疏密布置。
7.按照权利要求1或权利要求6所说的提高叉流式换热器效能的方法，其特征在于所说的改变翘片管翘片疏密的布置办法是，Ⅰ，Ⅱ组翘片管的翘片沿管内热流体流动的方向由密到疏布置，Ⅶ，Ⅷ组翘片管的翘片沿管内热流体流动的方向由疏到密布置，其它组翘片管的翘片分布均匀。
全文摘要
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的方法，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。
文档编号F28D1/04GK1080047SQ93106838
公开日1993年12月29日 申请日期1993年6月10日 优先权日1993年6月10日
发明者过增远, 胡桅林, 李志信, 周森泉, 熊大曦 申请人:清华大学