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低温换热器涌传递特点

吴苏月

（中国重庆大学动力工程学院，重庆，400044）

袁秀芳，李远瑞，彭亮

（中国重庆大学动力工程学院，重庆，400044）

2007年1月9日收入

通过分析运行在低于环境温度的低温换热器的涌传递过程，提出了涌传递总效率的概念，并得到了涉及涌传递总效率相关量的表达式，如热交换单元数，冷流体到热流体热能率等。以顺流，逆流，交叉流为例，给出它们涌传递总效率的数字结果，并将涌传递总效率与热传递总效率进行比较。 关键词 ：低温换热器，涌传递总效率，热传递总效率

1.引言

低温换热器主要用于制冷和低温产业，将热量从一种流体传递到另一种流体，并具有极高的重要性。在低温换热器中涌传递不可避免地伴随着热传递。另外，在工程中我们通常关注的是某一确定流体增加的涌。这篇文章为工程中低温换热器的运行评价提供了参考，并帮助工程师设计更好的低温换热器。

2.低温换热器涌传递总效率

图1.换热器中典型的热交换

考虑低温换热器对流换热典型的热量交换（如图1所示），假设热量传递和流动过程处于稳定状态，不考虑换热器轴向热传递，粘性损失和热损失。另外，假设流体的物理特性为常数。

对于一个工作在环境温度以下的换热器，热流体把热量传给冷流体，冷涌增加，但冷流体吸收热量，冷涌下降，即热传递和涌传递的方向是相反的。增加的涌是热流体冷涌的增加。

体积为dFx的微元体的热和涌传递速度为

dQ=kdFxDTx=-GhcphdTh （1） dE=kexdFxDTx （2）

当忽略压力涌损失，体积为dFx，质量流量为Gh的微元的涌传递速度为

dE=-Ghcph(T￥Th-1)dTh （3）

结合上面的等式，工作在环境温度以下的换热器的当地涌传递总效率是

kex=k(T￥Th-1) （4）

由换热器的能量平衡，可得到逆流换热时热流体温度Th随着Fx的变化。并引入了三个影响换热器的非维度因素：热流体与冷流体热量速度比率

R=GccpcGhcph，热传递效率e=(Tco-Tci)/(Thi-Tci)，传热单元数

NTU=kF/Gccpc，且

kexco[R-eNTU(1-R)]=-1 （5） kRc-eNTU(1-R)+R(1-c)eNTU(1-R)F*

其中F*=Fx/F，c=Tci/Thi，co=T￥/Thi 平均涌传递总效率定义是

FkeFDTm=

ò0kexDTxdFx （6）

结合等式（5）和（6）

keeR(1-c)+coLn[1-=-keR(1-c)eR(1-c)] （7）

工作在低于环境温度的换热器顺流和交叉流（热流体混合，冷流体不混合）的当地涌传递总效率是

kexco(R+1)=-1 （8） -NTU(1+R)F*k(Rc+1)+R(1-c)ekexco=-1 （9） [RX*(e-NTU-1)]kc+(1-c)e其中，X*=x/L ，（x是热流体的流动方向， L是换热器的长度） 对于顺流流动和交叉流流动的低温换热器的平均涌传递总效率和逆流流动是一样的，只是对于不同的流动形式 有着不同的表达式。

3．结论及讨论

表二给出了不同流动形式低温换热器kek随着 NTU和R的变化。如图2所示，当R 或NTU为定值，当NTU 或kek 会随着NTU或R的增加而增加，R更大些时，kek 趋于一定值。当R 或 NTU为常数时，对于不同的流动形式，一般逆流的kek 最大，交叉流次之，顺流最小。

低温换热器顺流流动或交叉流流动时，kexk随NTU的变化和kek 随

k会随NTU慢慢减小。

NTU的变化相同。但对于逆流，当NTU>4 时，ke同时，kek 会随着R的增加而增加并接近一定值。但当R 偏大或偏小时相对的影响程度不同。

图2.不同流动形式ke/k随NTU和R的变化

鸣谢

这项研究工作由 CQCSTC自然科学基金计划提供资金支持。