热交换器翅片设计

小型热交换器热导率以及各热阻

4.1 热导率

如在第2章所说明的概要一样，所谓热导率是指相当于全体温度差的热量的通过难易程度的系数。所以它表示热交换器全体的传热性能，并在设计时，这是非常重要的指标。

在这里，要对小型热交换器的热导率K和它包含在热导率上的各热阻加以说明。如果认为管外侧（叶片侧）的全部传热面积A0为基准的话，热导率K则如下式所示。

A01 K Ap AF 1A0 tPA0 A0

hA A hApipippiw

f

A0

ACO hc

在上式中，右边的第一项是叶片以及管和空气之间的热阻。h是导热面的平均导热率。

是为了考虑叶片的温度下降，而采用的叶片效率。第2项是沿管的厚度方向的热阻（ P

是管材料的热阻）。通常（在管的材料是铜，铝等的易导热材料的情况下）都非常小，所以也可以忽略掉。第3项是管内壁和管内流体之间的热阻，hw是管内平均热导率。第4项是管内壁和管内污垢所引起的热阻， f是被称作生垢因素的污垢系数。第5项是叶片和管的接触热阻，hc是相应接触部的热导率。在板状叶片管热交换器中，不需要第5项。

并且在上式中，AP是管的外表面积，AF是叶片的面积，Api是管内导热面积，AC0是接触部分面积（一般在波纹状板管热交换器上，因为散热片将管表面全部覆盖起来，所以与管的外表面积AP相等。A0/Api被称作内外面积比。

4．2叶片效率

如在第2章所叙述，叶片效率是被定义为“实际的叶片的热交换量”与“在叶片的全表面等

叶片效率

于来源温度时的热交换量”之比。

叶片实际的热交换量

叶片全表面在与来源温度相等时的热交换量

如式（4。1）所示，叶片效率 是由管外侧平均热导率h，以及与叶片导热面积Ap之积，形成传导的形式构成的。继而，叶片效率 的值是可以左右热导率的值的。从这里可知，在热交换器的设计中，正确地求出叶片效率 的值，具有非常重要地意义。

4．2．1版状叶片管热交换器的叶片效率的计算

在以前，一般用来计算小型热交换器的叶片效率的计算方法是基于大胆的假设前提下的。即“实际的矩形的连续叶片之中是二元的问题，但是我们却将其视作等价的环状叶片或者是直线叶片，而以一元对待”，并且“假定在叶片表面上热导率是一样的”等等。但是，通过最近一段时间的详细的研究，以下的近似计算式在实际中应用的适当性已经被验证了。版状叶片管热交换器的叶片效率，是根据假定为等价环状叶片的下式计算出来的。

2 d d dF ＝ 1＋h d6 tFF c

在这里

dF：叶片的等价直径

0.5

1

4

S1 S2

0.5

F：叶片材料的热导率 tF：叶片材料的厚度

表4。1式验证式4。2的适当性的分析结果。表中的2种叶片效率是“实测出的叶片的二元的，已经考虑了偏离很多的局部热导分布（图4。1参照…..图中Re是雷诺数），和流体的温度分布而分析的与现实非常接近的叶片效率 1”和“等价环状叶片－一样热导率-

在前一章中，我们对于板状叶片管热交换器的热导率和热阻的构成，以及进一步对于为了正确得出热导率，而对构成其热导率的各种热阻的计算方法，即对“考虑了叶片温度下降的叶片效率”，“叶片和管的接触热阻”，“污垢系数”加以了说明。在本章中，要对有助于从热导率求出热交换量的平均温度差的决定方法，或对温度效率于移动单位之间的关系进行说明。首先，要说明平均温度差的意义。

5．1平均温度差的意义

热交换其的热交换量Q，是由如在第2章所述的导热面积，导热率，温度差之积赋予的。所谓的热交换器的设计，简单地讲是“已知热交换量，热导率，而计算出必要的导热面积”，或者“已知导热面积，导热率，而求出热交换量”。在这种场合下，导热面积如在第3章所述，可由热交换气的几何形状来决定。继而，出现的问题就是“温度差该如何决定”。

热交换气的工作，如果是在等温导热壁等理想化条件下进行的话，温度差的采用方法是很明显的，所以没有必要进行讨论。但是在一般的热交换器伤得温度差的决定方法就有一点复杂了。在这里要对这一点进行说明。如果把结论先讲出来的话，就是热交换器的平均温度差是根据其流体形式，两流体的热容量容量比以及移动单位数（后述）而不同的。所以，一般情况下使用的对数平均温度差不过是单纯的对流或同向流情况的特殊例子。继而在设计上不使用于使用着的热交换器和其流体形式一致的平均温度差是不行的。如果，单纯地将对数平均温度差看作平均温度差而赋予地话，因为没有考虑热交换器地流体形式和热量流量比地影响，而会有产生重大误差地情况。

所以，对于一般的热交换器也采用修正系数F，并换成对流地情况加以进行表示，则就成为了一种方法。

5．2对数平均温度差的修正系数

在以前，对于这个问题，从多管路热交换器、直交流热交换器上已经研究很久了。在1900年代初期，作为一直以来沿用的算术平均温度差[ATMD](Arithmetical Mean Temperature Difference)的替代,开始以对数平均温度差[LMTD](Logarithmic Mean Temperature Difference)作为温度差开始使用了。从30年代初期，替代[LMTD]的，为了求出真正的平均温度差而使用的对数平均温度差[LMTD]的修正系数F，对于各种不同的流体形式而被提出来了。

通常，热交换器的平均温度差[MTD]的值，大多是由把热交换器当作纯粹的对流而得出的对数平均温度差[LMTD]CF和修正系数F之积所给予的。

即，热交换量Q，由下式所定义

Q A K [MTD] A K F[LMTD]CF （5.1）

即式5.1是在一般的情况下也采用了修正系数F，而说明着可以表示换作对流的情况。

5．3对数平均温度差以及温度效率和移动单位之间的关系

一方面式5。1也可以由后述的温度效率ε（Effectiveness）和移动单位数NTU来表达。即，在热交换器的设计中，有使用对数平均温度差[LMTD]CF和其修正系数F的[LMTD]法，和利用温度效率ε和移动单位数NTU之间的关系[ε－NTU]法。在这里，如果要明确两者的意义，则多少有一点困难。

图5.1 对流与其温度变化

小型热交换器的平均温度差以及温度效率和移动单位之间的关系

那就以如图5。1所示的，以纯粹的对流的情况为例加以说明。 5．3．1对数温度差的导出

对于在图5。1上的微小的面积dA，其从温度为T的给热流体向温度为t的受热流体转移的热量dQ，则由下式所表示

dQ K T 1 dA

一方面，如果将这种场合下的对流体的平均温度差设为[LMTD]CF，并认为热导率K不依靠于温度变化，且随着流动方向一定的话

Q K T t dA K LMTD CF A

A

在这里，对于工作流体的热容量流量（是流量于比热之积，也称为水当量），将其大的一侧的值设为W，其小的一侧的值设为w。并进一步，将热容量流量大的一侧（这种情况是给热流体的一侧，所以在下面就称为[W侧]），和热容量流量小的一侧（这种情况是受热流体一侧，所以在下面就称为[w侧]）的入口处以及出口处的温度，分别设为T1,T2,t1,t2的话，关于热交换量的下式就会成立。

Q W T1 T2 w t2 t1

为了将这种关系简单地表示出来，我们来考虑一下下面的重要的无元量。即关于热量

NTUT K （W侧的移动单位数）（5。2） NTUt K w (w …… 此处隐藏：7258字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……