第23卷 第6期 2003年12月湛江海洋大学学报JournalofZhanjiangOceanUniversityVol.23No.6
Dec.2003板翅式换热器综合性能优化的设计方法
高俊忠, 陈维汉
(华中科技大学能源与动力工程学院,湖北 武汉 430074)
摘 要:应用给定换热器结构材料而使换热量最大的两侧换热表面的最佳匹配准则和使可用能损失率最小的最佳运行参数准则。利用两个准则间的关系,采用迭代的方式完成换热器的优化设计,使换热器的设计达到材料省、换热效果好及运行费用低的目的,且能在设计阶段实现。
关键词:板翅式换热器;优化设计;最佳匹配准则;可用能损失率
中图分类号:TK124 文献标识码:A文章编号:100727995(2003)1220045205
ANewDesignMethodofOptimizingComprehensive
PerformancesforaFinedPlateHeatExchanger
GAOJun2zhong, CHENWei2han
(CollegeofEnergyResource&PowerEngineering,HUST,Wuhan430074,China)
Abstract:AnOptimaldesignMethodoffinedplateheatexchangerhasbeengiven,inwhichthestructuralcharacteristicsandperformancesoffluidflowandheattransferhavebeenconsid2eredcomprehensively.Inordertoachievetheoptimalmatchrelationshipofthedesignwork,theoptimalmatchrelationshipbetweentheratioofheat2transfersurfacesandtheratioofcon2vectiveheat2transfercoefficientshasbeenderivedundertheconditionofthemaximumheattransferflowforgivenheatexchangearea,andtheoptimalflowparameters(Reopt)relativetostructuresize,heatfluxandphysicalproperties,havebeenobtainedbyanalyzingtheusableenergylossrateofthefluid2flowandheat2transferprocessesoftheexchanger.Thentheoptimaldesigncanbeexecutedbythelinkageofabovetworelationshipsandbytheutilizationofitera2tivedata.ThereforetheSyntheticperformanceoptimizationforconsideringthestructuresize,fluidflowandheattransfercanbecompletedinthedesignstageoftheplateheatexchangerbythenewdesignmethod.
Keywords:finedplate2heat2exchanger;optimaldesign;optimalmatchbetweenheat2transfer
surfaces;usableenergylossrate
收稿日期:2003206203
),男,在读工程硕士研究生,助理研究员,研究方向为动力工程。第一作者:高俊忠(1962—
46湛江海洋大学学报 第23卷板翅式换热器是广泛应用的紧凑式换热器之一。当两侧流体的换热性能相差甚大时,应以一侧换热表面肋化来减小热阻,从而达到强化传热的目的。传统的做法是力求使两侧的换热热阻达到一致,以获得最大的传热效果[1〗,但这种方法成本较大。笔者曾针对这一问题进行过专门的分析,导出了在给定投资费用(或换热面材料)前提下的两侧换热表面的最佳匹配关系式,即换热面积之比与其换热性能比和投资费用比之间的平方根关系式[2〗,以此能使单位传热量的投资成本最低,从而实现结构设计优化。同时,换热器设计的另一个问题是流动参数的设计。传统的做法是以不超过允许的阻力损失为最后标准来选取流动参数。这种做法人为因素的影响很大。正确的办法是以单位传热量可用能损失率最小为目标来寻求流动参数的最佳值[3〗。这样就能实现单位传热量的运行费用最低,从而使流动参数的设计得以优化。综合结构参数与流动参数的优化设计,就可以完成板翅式换热器的综合性能优化设计的工作。1 换热器传热过程综合性能分析的关系式
1.1 传热过程的换热表面最佳匹配准则[2〗
对于充分简化的换热器传热过程(图1)而言,投资费用与换
热面的结构特征相关,而结构特征又与传热性能密不可分。因
此,能从换热器传热过程的传热方程和投资费用方程出发导出换
热器换热表面与换热性能之间的最佳匹配关系式。
换热器传热过程可用热阻形式表达:
(1)R=1/(α1A1)+1/(α2A2)
而换热表面的投资费用方程则可表示为
Pt=β1A1+β2A2(2)
在以上两式中:R为传热过程的总热阻;Pt为传热表面的投资费Fig.1 Heat2transferprocessof用;α单1和α2,β2和β2,A1和A2分别为换热器两侧的换热系数、heat2exchanger图1 换热器传热过程示意图位表面的费用和换热表面积。
(2)式可以得出在给定投资费用(或给定换热材料)下获得最大传热量的最佳换利用(1)、
热面积比
-1/2ε=A1/A2=[(α(3)1/α2)(β1/β2)]
(3)式被称为传热过程的换热表面最佳匹配准则或最佳结构配比准则。
1.2 流动换热过程的可用能(火用)损失率方程
流动换热过程的可用能(火用)损失率方程的推导详见文献[3]。对于一般的流动换热过程(图2),总可以视之为一个稳定的流动换热系统,其包含流体沿固体壁面的流动过程和流体与壁面间的换热过程。相应的参数有:流体的比焓h、比熵s、质量流率m
第23卷 第6期 2003年12月湛江海洋大学学报JournalofZhanjiangOceanUniversityVol.23No.6
Dec.2003板翅式换热器综合性能优化的设计方法
高俊忠, 陈维汉
(华中科技大学能源与动力工程学院,湖北 武汉 430074)
摘 要:应用给定换热器结构材料而使换热量最大的两侧换热表面的最佳匹配准则和使可用能损失率最小的最佳运行参数准则。利用两个准则间的关系,采用迭代的方式完成换热器的优化设计,使换热器的设计达到材料省、换热效果好及运行费用低的目的,且能在设计阶段实现。
关键词:板翅式换热器;优化设计;最佳匹配准则;可用能损失率
中图分类号:TK124 文献标识码:A文章编号:100727995(2003)1220045205
ANewDesignMethodofOptimizingComprehensive
PerformancesforaFinedPlateHeatExchanger
GAOJun2zhong, CHENWei2han
(CollegeofEnergyResource&PowerEngineering,HUST,Wuhan430074,China)
Abstract:AnOptimaldesignMethodoffinedplateheatexchangerhasbeengiven,inwhichthestructuralcharacteristicsandperformancesoffluidflowandheattransferhavebeenconsid2eredcomprehensively.Inordertoachievetheoptimalmatchrelationshipofthedesignwork,theoptimalmatchrelationshipbetweentheratioofheat2transfersurfacesandtheratioofcon2vectiveheat2transfercoefficientshasbeenderivedundertheconditionofthemaximumheattransferflowforgivenheatexchangearea,andtheoptimalflowparameters(Reopt)relativetostructuresize,heatfluxandphysicalproperties,havebeenobtainedbyanalyzingtheusableenergylossrateofthefluid2flowandheat2transferprocessesoftheexchanger.Thentheoptimaldesigncanbeexecutedbythelinkageofabovetworelationshipsandbytheutilizationofitera2tivedata.ThereforetheSyntheticperformanceoptimizationforconsideringthestructuresize,fluidflowandheattransfercanbecompletedinthedesignstageoftheplateheatexchangerbythenewdesignmethod.
Keywords:finedplate2heat2exchanger;optimaldesign;optimalmatchbetweenheat2transfer
surfaces;usableenergylossrate
收稿日期:2003206203
),男,在读工程硕士研究生,助理研究员,研究方向为动力工程。第一作者:高俊忠(1962—
46湛江海洋大学学报 第23卷板翅式换热器是广泛应用的紧凑式换热器之一。当两侧流体的换热性能相差甚大时,应以一侧换热表面肋化来减小热阻,从而达到强化传热的目的。传统的做法是力求使两侧的换热热阻达到一致,以获得最大的传热效果[1〗,但这种方法成本较大。笔者曾针对这一问题进行过专门的分析,导出了在给定投资费用(或换热面材料)前提下的两侧换热表面的最佳匹配关系式,即换热面积之比与其换热性能比和投资费用比之间的平方根关系式[2〗,以此能使单位传热量的投资成本最低,从而实现结构设计优化。同时,换热器设计的另一个问题是流动参数的设计。传统的做法是以不超过允许的阻力损失为最后标准来选取流动参数。这种做法人为因素的影响很大。正确的办法是以单位传热量可用能损失率最小为目标来寻求流动参数的最佳值[3〗。这样就能实现单位传热量的运行费用最低,从而使流动参数的设计得以优化。综合结构参数与流动参数的优化设计,就可以完成板翅式换热器的综合性能优化设计的工作。1 换热器传热过程综合性能分析的关系式
1.1 传热过程的换热表面最佳匹配准则[2〗
对于充分简化的换热器传热过程(图1)而言,投资费用与换
热面的结构特征相关,而结构特征又与传热性能密不可分。因
此,能从换热器传热过程的传热方程和投资费用方程出发导出换
热器换热表面与换热性能之间的最佳匹配关系式。
换热器传热过程可用热阻形式表达:
(1)R=1/(α1A1)+1/(α2A2)
而换热表面的投资费用方程则可表示为
Pt=β1A1+β2A2(2)
在以上两式中:R为传热过程的总热阻;Pt为传热表面的投资费Fig.1 Heat2transferprocessof用;α单1和α2,β2和β2,A1和A2分别为换热器两侧的换热系数、heat2exchanger图1 换热器传热过程示意图位表面的费用和换热表面积。
(2)式可以得出在给定投资费用(或给定换热材料)下获得最大传热量的最佳换利用(1)、
热面积比
-1/2ε=A1/A2=[(α(3)1/α2)(β1/β2)]
(3)式被称为传热过程的换热表面最佳匹配准则或最佳结构配比准则。
1.2 流动换热过程的可用能(火用)损失率方程
流动换热过程的可用能(火用)损失率方程的推导详见文献[3]。对于一般的流动换热过程(图2),总可以视之为一个稳定的流动换热系统,其包含流体沿固体壁面的流动过程和流体与壁面间的换热过程。相应的参数有:流体的比焓h、比熵s、质量流率m