一种基于场协同的换热器性能评价方法

摘要

一种基于流体温度、压力和流场三场协同的换热器性能评价方法，选定基准换热器，确定冷工况条件下基准换热器阻力系数与雷诺数的准则关系式，获得等泵功、等压降及等流量条件下，用于对比的换热器与基准换热器换热量比值的特征关系式，在等泵功条件、等压降条件和等流量条件三个约束条件下，将特征关系式表示为直角坐标系内过点(1,1)的三条直线，将工作区划分成四个部分，获得性能评价图，根据工况点在四个分区中的位置确定对比换热器的换热性能。通过四个分区的划分，能方便快捷地对不同强化换热技术进行定性比较分析，定量地判断强化换热技术是否真正节能；直观地比较强化换热技术在不同工作点的节能效率和不同强化换热技术的节能效率。

权利要求

1.一种基于流体温度、压力和流场三场协同的换热器性能评价方法，其特征在于，包括：

1)选定基准换热器，确定冷工况条件下基准换热器阻力系数f与雷诺数Re的准则关系m

式：f＝cRe，其中c，m为常数；

2)获得等泵功、等压降以及等流量条件下，用于对比的对比换热器与基准换热器换热量比值的形式统一特征关系式：

其中，Δpe和Δp0分别为对比换热器和基准换热器的压降；ΔTe和ΔT0分别为对比换热器和基准换热器的进出口温差，ki表示不同约束条件下的常数，等泵功、等压降以及等流量条件下的ki分别为m+2，m+1和1；

3)在直角坐标系中，以Δp0/Δpe为横坐标，ΔT0/ΔTe为纵坐标，在等泵功条件、等压降条件和等流量条件三个约束条件下，步骤2)中的特征关系式表示为坐标系内过点(1，1)的三条直线，即三条基准工作线；其中，直线与横坐标的交点为约束点(1‑ki，0)，直线的斜率为1/(CQ，iki)，三条直线将工作区划分成四个部分，获得性能评价图；

4)获得给定工况下，基准换热器与对比换热器压降之比Δp0/Δpe，以及进出口温差之比ΔT0/ΔTe，得到性能评价图中的工况点(Δp0/Δpe，ΔT0/ΔTe)，根据工况点在四个分区中的位置确定对比换热器的换热性能。

2.根据权利要求1所述基于流体温度、压力和流场三场协同的换热器性能评价方法，其特征在于，所述性能评价图中，逆时针方向分别用阿拉伯数字1，2，3，4表示四个分区，4个分区代表换热能力的四个等级，等级越高，表明换热性能越好，第1部分为低效区，表示的是在此区域中，换热量的增加小于泵功的增加；第2部分为收益区，表示在此区域中，相同泵功下强化表面比基准表面具有更高的换热量；第3部分为相对高效区，表示能够获得相同压降下的换热强化，即在等压降约束条件下强化表面比基准表面具有更高的换热量；第4部分为高效区，表示在相同流量下换热量的增加大于阻力系数的增加。

3.根据权利要求1所述基于流体温度、压力和流场三场协同的换热器性能评价方法，其特征在于，在性能评价图中作直线，过所述工况点与某约束条件下的约束点(1‑ki，0)，求出直线斜率1/(CQ，iki)，带入ki即可求出该约束条件下，对比换热器相对于基准换热器的换热量提升幅度。

4.根据权利要求1所述基于流体温度、压力和流场三场协同的换热器性能评价方法，其特征在于，所述基准换热器为光管或者平直翅片。

说明书

一种基于场协同的换热器性能评价方法

技术领域

[0001] 本发明属于换热器传热优化技术领域，特别涉及一种基于流体温度、压力和流场三场协同的换热器性能评价方法。

背景技术

[0002] 换热器作为常见的热量交换器件，被广泛的应用于生产实际中的各个领域，如火电站的省煤器、烟气余热回收器，空调冷凝器和蒸发器、电子设备散热器以及化工设备换热
器等。作为工业生产的重要组成部件，换热器的种类、大小和效率伴随着行业的发展，也在
不断的改进。特别是在节能减排大的时代背景下，降低能耗，提高换热器的换热效率，已经
成为行业的关注热点。常用的换热器的热阻主要由三部分构成：管内侧流体与管壁的对流
热阻，管壁的导热热阻以及管外侧流体的对流热阻。一般情况下，管壁的导热热阻很小，且
与材料的性质有关，而流体侧的热阻占总热阻的绝大部分，因而，使用强化换热翅片和强化
换热管是提高换热器整体性能最有效的方法。其中，受加工条件的限制，管内侧流体热阻改
变相对困难；而管外翅片侧流体的热阻，则可以简单地通过翅片形式的改变，而获得较大的
性能改善。

[0003] 换热器的性能不仅包括热工性能(传热与阻力)，在工程应用当中性能指标还应该考虑很多因素，包括经济性、可行性、可靠性、安全性、等等。在换热器众多的性能指标中，热
工性能往往是决定换热器能否满足生产需要的最重要的指标。因而，热工性能是换热器选
择过程中需要首要考虑的指标。现有的换热器评价体系也往往以热工性能为基准。然而，这
些换热设备的性能评价指标，大多给出的是换热性能和阻力的定性分析，无法定量判断强
化换热技术是否真正达到节能的目的。

发明内容

[0004] 为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于流体温度、压力和流场三场协同的换热器性能评价方法，三场协同理论表明，高效低阻的综合性能较好的
换热器，必定是流体温度、压力和流场协同性较好的换热器。本发明不仅能够定量分析强化
技术的节能收益，还能定性比较不同结构的换热综合性能，可以根据节能效率简单而清晰
地对不同强化技术进行划分，基本实现了对强化技术的综合性能的精准评估。

[0005] 为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

[0006] 一种基于流体温度、压力和流场三场协同的换热器性能评价方法，包括：

[0007] 1)选定基准换热器，确定冷工况条件下基准换热器阻力系数f与雷诺数Re 的准则m
关系式：f＝cRe，其中c，m为常数；

[0008] 2)获得等泵功、等压降以及等流量条件下，用于对比的换热器与基准换热器换热量比值的形式统一特征关系式：

[0009] 其中，Δpe和Δp0分别为用于对比的换热器和基准换热器的压力损失；ΔTe和ΔT0分别为用于对比的换热器和基准换热器的进出口温差，ki表示不同约束条件下的常数，等
泵功、等压降以及等流量条件下的ki分别为m+2，m+1和1；

[0010] 3)在直角坐标系中，以Δp0/Δpe为横坐标，ΔT0/ΔTe为纵坐标，在等泵功条件、等压降条件和等流量条件三个约束条件下，步骤5)中的特征关系式表示为坐标系内过点(1,
1)的三条直线，即三条基准工作线；其中，直线与横坐标的交点为约束点(1‑ki,0)，直线的
斜率为1/(CQ,iki)，三条直线将工作区划分成四个部分，获得性能评价图；

[0011] 4)获得给定工况下，基准换热器与对比换热器压降之比Δp0/Δpe，以及进出口温差之比ΔT0/ΔTe，得到性能评价图中的工况点(Δp0/Δpe，ΔT0/ΔTe)，根据工况点在四个
分区中的位置确定对比换热器的换热性能。

[0012] 所述性能评价图中，逆时针方向分别用阿拉伯数字1,2,3,4表示四个分区，4 个分区代表换热能力的四个等级，等级越高，表明换热性能越好，第1部分为低效区，表示的是在
此区域中，换热量的增加小于泵功的增加；第2部分为收益区，表示在此区域中，相同泵功下
强化表面比基准表面具有更高的换热量；第3部分为相对高效区，表示能够获得相同压降下
的换热强化，即在等压降约束条件下强化表面比基准表面具有更高的换热量；第4部分为高
效区，表示在相同流量下换热量的增加大于阻力系数的增加。

[0013] 在性能评价图中作直线，过所述工况点与某约束条件下的约束点(1‑ki,0)，求出直线斜率1/(CQ,iki)，带入ki即可求出该约束条件下，对比换热器相对于基准换热器的换热
量提升幅度。

[0014] 所述基准换热器可为光管或者平直翅片。

[0015] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过分区的方式，可以非常方便的甄选出满足节能要求的强化换热技术；能够简单的对不同强化换热技术的节能效率，进行定性的
比较以及定量的分析；实现了不同强化表面的换热性能进行直观的比较的目的。能够非常
便捷的求出当前强化结构的性能提升极限及对应的极限工况点，得到换热在某工况下最大
的理论提升幅度，为换热器设计和开发指明了目标。

附图说明

[0016] 图1为换热器流速与换热量、泵功的关系图示。

[0017] 图2为换热器流速与换热量、压降的关系图示。

[0018] 图3为本发明所述综合性能评价图。

[0019] 图4为实验半丁胞涡发生器翅片结构。

[0020] 图5为实验百叶窗翅片结构。

[0021] 图6为两种结构不同管排数在综合性能评价图中的的性能评估。

具体实施方式

[0022] 下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。

[0023] 本发明为一种基于流体温度、压力和流场三场协同的换热器性能评价方法，如图1所示，建立换热器流速与换热量、泵功的关系图示。如图2所示，建立换热器流速与换热量、
压降的关系图示。通过数学推导和利用图形化的方法，先获得相同泵功或相同压降下强化
表面所对应的流速，然后算出该流速对应的换热量，再进行比较。即基于三场协同性原理，
分别建立换热器换热量以及阻力损失与流速的关系，拟合出阻力损失与流速的准则关系
式。并在此基础上通过数学处理，得出等泵功、等压降和等流量三种约束条件下的阻力损失
与换热量的特征关系式，根据该关系式，在直角坐标系中绘制出这三个约束条件对应的三
条直线，即基准工作线，这三条直线将工作区划分成四个部分，获得换热器的性能评价图，
如图3所示。从而得到了以节能为目标的性能评价分区图的评估方法。通过四个分区的划
分，能够方便快捷地对不同强化换热技术进行定性比较分析，能够定量的判断强化换热技
术是否真正的节能；能够直观的比较强化换热技术在不同工作点的节能效率；能够直观的
比较不同强化换热技术的节能效率。

[0024] 本发明的具体过程如下：

[0025] 泵功可以表示为

[0026] P(u)＝AcucΔp

[0027] 其中，Ac为最小横截面积，uc为最小横截面处平均速度。

[0028] 将 代入上式，可得

[0029]

[0030] 其中，L为特征尺寸，D为特征直径(管外径)，f是冷工况条件下基准换热器阻力系数，ρ为密度；

[0031] 同理，压降可以表示为

[0032]

[0033] 流量可以表示为

[0034] Qm(u)＝ρAcuc

[0035] 同时，换热量可以表示为

[0036] Q(u)＝ρ·uc·Ac·cp·ΔT

[0037] 其中cp为热容，ΔT为进出口温差；

[0038] 以泵功P和换热量Q为纵坐标，以迎面风速uc为横坐标，在同一坐标中画出泵功P和换热量Q随迎面风速uc的变化关系曲线，如图1所示。在图1中，标号1曲线代表的是基础结构
的性能曲线，标号2代表的是强化结构的性能曲线。过P1(u)曲线上的一点a，作横坐标的平
行线交P2(u)曲线及纵坐标于b点和 P1点；过点a作纵坐标的平行线，交P2(u)曲线于点f，作
横坐标的平行线交纵坐标于P1点；同时，在图中作出a点和b点对应的换热量Q1和Q2。a点和b
点可以看做是两种结构在等泵功P1条件下对应的工作点，即a点和b点对应的工况点分别为
(P1，Q1)和(P1，Q2)。如图1所示，在等泵功条件下，在两种结构工况点对应的工况三角形中可
以看出，两个点的速度差为Δu。下面通过数学推导，求出Δu。

[0039] 通过对P(u)求导可得

[0040]

[0041] f与雷诺数Re的准则关系式为：f＝cRem；

[0042] 对f求导可得

[0043]

[0044]

[0045] 假定工况三角形的夹角θ，则有

[0046]

[0047] 等泵功速度的增量Δu可以表示为

[0048]

[0049] 其中，ua表示泵功P1对应的结构1的流速；Δp1和Δp2分别代表在相同流速 ua下，两种结构对应的压降。

[0050] 根据条件设定，横截面积相等，则

[0051]

[0052] 速度变化量可以表示为

[0053]

[0054] 则等泵功P1条件下的换热量之比为

[0055]

[0056] 进一步，可得等泵功条件下的换热量之比：

[0057]

[0058] 一般而言Δu很小，进出口温差对流速的灵敏度不高，可以认为ΔT1和ΔT2是在相同流速下取得。

[0059] 同理，根据图2，可得等压降条件下的换热量之比：

[0060]

[0061] 等流量条件下的换热量之比：

[0062]

[0063] 定义等泵功、等压降和等流量条件下用于对比的换热器与基准换热器换热量比值的定量关系式分别为：

[0064]

[0065]

[0066]

[0067] 可得

[0068]

[0069]

[0070]

[0071] 统一形式为：

[0072]

[0073] 进一步，可得特征关系式为

[0074]

[0075] 其中，Qe和Q0分别为用于对比的换热器和基准换热器的换热量；Pe和P0分别为用于对比的换热器和基准换热器的泵功；Δpe和Δp0分别为用于对比的换热器和基准换热器的
压力损失；ΔTe和ΔT0分别为用于对比的换热器和基准换热器的进出口温差，ki表示不同约
束条件下的常数，等泵功、等压降以及等流量条件下的ki分别为m+2，m+1和1，m即经典关联
m
式f＝cRe中的常数。

[0076] 在直角坐标系中，以Δp0/Δpe为横坐标，ΔT0/ΔTe为纵坐标，在等泵功条件、等压降条件和等流量条件三个约束条件下，特征关系式可以表示为坐标系内过点(1,1)的三条
直线，即基准工作线；其中，直线与横坐标的交点为约束点 (1‑ki,0)，直线的斜率为1/(CQ,
iki)。这三条直线将工作区划分成四个部分，获得性能评价图，如图3，所述综合性能评价图，
除了保留热物性为常数和横截面积相同的假设外，不受换热面积、换热温差、特征尺寸等其
他任何假设的限制。在图1中，逆时针方向分别用阿拉伯数字1,2,3,4表示四个分区，4个分
区代表换热能力的四个等级，等级越高，表明换热性能越好。第1部分称之为低效区，表示的
是在此区域中，换热量的增加小于泵功的增加；第2部分称之为收益区，表示在此区域中，相
同泵功下强化表面比基准表面具有更高的换热量；第3部分称之为相对高效区，表示能够获
得相同压降下的换热强化，即在等压降约束条件下强化表面比基准表面具有更高的换热
量；第4部分称之为高效区，表示在相同流量下换热量的增加大于阻力系数的增加。根据该
图，即可对换热器综合性能影响进行评价，评价方法与工况无关。

[0077] 评价时，获得给定工况下基准换热器与对比换热器压降之比Δp0/Δpe，以及进出口温差之比ΔT0/ΔTe，得到性能评价图中的工况点(Δp0/Δpe，ΔT0/ΔTe)，根据工况点在
四个分区中的位置确定对比换热器的换热性能。具体地，作直线，过所述的工况点与某约束
条件下的约束点(1‑ki,0)，求出直线斜率1/(CQ,iki)，带入ki即可求出该约束条件下，对比换
热器相对于基准换热器的换热量提升幅度。

[0078] 若以光管或者平直翅片作为基准换热器，则各种不同的换热器均可以在同一个性能评价图中，描绘出工况点，从而实现对不同换热器性能的综合评价和对比。

[0079] 对于本发明性能评价图中的约束条件，不仅仅局限于等泵功、等压降以及等流量条件。任意的对流速和压降同时进行限制的约束条件，均满足所述特征关系式。

[0080] 本发明综合性能评价图横纵坐标(进出口温差和压降)均为工程实际中最为关注且能够直接读取的物理量，提高了评估精度，使得制图更加方便，使用过程更加简单。能够
非常便捷的求出当前强化结构的性能提升极限及对应的极限工况点，得到换热在某工况下
最大的理论提升幅度，为换热器设计和开发指明了目标。

[0081] 以下通过一个案例对本发明进行说明。

[0082] 案例：以紧凑式换热器为例。在换热器参数优化设计的过程中，受空间的限制，管间距和管排数是一个重要的优化目标。用实验的方法对比分析了平直翅片、半丁胞翅片和
百叶窗翅片，在不同管排数下对应不同流速的换热性能。如图4和图5所示，分别是半丁胞涡
发生器和百叶窗翅片结构参数，平直翅片结构参数与二者保持一致。如图6所示，将两种强
化翅片(翅片间距2mm)在不同流速下的工作点在工程应用性能评价图中描绘出来(基准换
热器为平直翅片)。从图中可以看出，实验测量数据显示二者的工作点基本位于1区和2区。
从整体上看，百叶窗翅片的工作点更接近横坐标，表明百叶窗翅片的换热效果要优于半丁
胞翅片；从工作点在分区图的布置上看，在相同管排数下，百叶窗翅片的工作点大部分更接
近3区，表明百叶窗翅片的综合换热性能优于半丁胞翅片，这与实验得出的结论是一致的。
从图6中还可以看出，单排百叶窗结构的综合换热性能是这六种结构中最优的。此外，将两
者强化翅片在不同管排数下的工作点在同一坐标系下绘制出来，如图6中可以看出，对于两
种结构而言，四排管的综合换热性能都是最差的；其主要原因是：随着管排数的增加，由于
管子本身带来的流体的扰动已经很强，相对弱化了强化结构本身带来的换热增强效果。