空冷式换热器的优化

　　叶立\童正明S朱汝红2，李楠2（L上海理工大学动力工程学院，上海200093；2！扬州水箱有限公司，扬州225009）的优设计模型，并在此基础上编制出空冷器优设计程序。运用所编程序对进口温度不均匀的横交叉式和单程式空冷器进行分析，得出其佳进口温度分布形式具有一定的规律性，即佳温度分布应使换热器在换热初始部分尽可能保持小的温差传热，而在换热器中间部分尽可能保持大的温差传热。计算结果表明：对于小温差范围内传热的空冷器，优化不均匀进口温度其效果将非常显著；在相同温度水平条件下，管内流体进口温度不均匀的优化效果要大大高于空气进口温度不均匀的优化效果。通过对优化模型进行。建立数学模型时假定：流体为定常流动，无内热源，无相变；流体的物性参数不随温度和压力而变；忽略流体纵向导热、壁面纵向导热、换热器和环境之间的换热；两侧入口流量分别保持均匀。以上假设既保证了计算模型的简单，又比较接近实际。

　　四种情况下的换热器示意图优化计算的目标函数为：，\1（tinavgXmn为较小水当量流体进口平均温度；（T.￥vg）max为较大水当量流体进口平均温度。

　　设不均匀进口温度的平均值为Tm，则有等式约束对A、B两种情况采用不等约束：对C、D两种情况采用不等约束：不等约束（5）表示进口温度在其平均值Tm之间上下变化，不等约束（6）表示进口温度在TOP1与TOP2之间变化，二式本质一样，只是根据不同需要，采用不同形式。

　　换热器进口温度确定后，通过温度场的求解，便可求出e，从而确定目标函数。本文中使用传热单元数法进行温度场的求解，计算过程中用到的热力学参数，如管内膜传热系数h，管外膜传热系数h.内污垢热阻外污垢热阻~和翅片热阻等，本身是根据经验和试验得出的图表系数，本文按照的方法处理。

　　其中e为佳进口温度分布下的有效度；en为均匀进口温度分布下的有效度。

　　3优化结果分析3.1佳进口温度分布规律ill管内流体进口温度不均匀时，即A、B两种情况设不均匀进口温度的平均值为Tm，进口温度在Tm上下变化，其温度上限为T0P2，温度下限为T0P2）形式下取得的大有效度。例如：对于单程式换热器，保持两侧流体进口温差平均值为27.5oC，T0P1+T0P2=15oC，T0P1从增加到11oC，相应T0P2从11oC减小到4oC，其优化结果如所示，从图中可看出，TOP1 =TOP2=7.5°C时，T大，也即优化值大，且TOP越接近7.究，T值越大。此结论也适用于横交叉式换热器，见。

　　佳温度分布示意图佳分布有非常相似之处，即它们均在换热器中间部分发生温度突变，对于A、B两种情况，中间部分指中间管排处；对于C情况，中间部分指Z方向等分处，见（c）点划线；对于D情况，中间部分指X方向等分处，即管中央处，见）点划线。虽然空气进口温度在接近管内流体入口处取温度上限值，在接近管内流体出口处取下限值；而管内流体进口温度在接近空气入口处取下限值，在接近空气出口处取上限值，但无论是调节空气温度，还是调节管内流体温度，其佳温度分布应使换热器在换热初始部分，尽可能保持小的温差传热，而在换热器中间部分，尽可能保持大的温差传热。此结论对于换热器的设计有一定的价值。

　　换热器在小的平均温差at范围内进行换热时此种情况下，换热器进口温度不均匀性对有效度的影响，要比在大的平均温差内换热时更大。以管内流体进口温度不均匀的横交叉空冷器为例，其T-AT关系曲线如所示，从图中可看出其T线空气进口温度不均匀时，即C、D两种情况当进口温度在平均值附近上下波动的幅度相同时，空气进口温度佳分布同管内流体进口温度随着温差AT的增大而陡然下降，故对在小的平均温差下换热的空冷器，优化不均匀进口温度，其效果将非常显著。（图中，RRA为水当量比，DT为不均匀进口温度在平均值附近上下波度的平均幅度）空气进口温度不均匀与管内流体进口温度不均匀的优化之比较空气进口温度不均匀的单程空冷器T-NTUA关系曲线19，可赌腠高空冷器的换热效果，对管内流体进口腠不均匀的优化显得尤为魏大值娜点NTUA*，当NTUANTUA*时，T随着NTUA增大而减小。优化管内流体进口温度时，T值随着RRA的减小而增大，也即RRA较小时，优化效果显著，如所示；此时不存在大值转折点，当NTUA增大到一定时，T线趋于平坦。由于我们目前常用的空冷器，其传热单元数较小，水当量比RRA较小，由以上分析可知，在相同温度水平条件下，管内流体进口温度不均匀的优果要高于空气进口温度不均匀的优化效果。例如，对、所不的具有相同温度水平（温差AT，温度变化幅度DT）的单程式空冷器进行优化，当NTUA=1.5，RRA=0.2时，优化管内流体进口温度，其T18，而优化空气进□温度，其T值仅为序号计篇值实验值计算值由表可见，理论计算值与实验合，其有效等误差小于2，有效滕长率的相对误差小于11.5，故可证明理论模型是正确的。

　　5结论（1）不均匀来流温度分布形式对空冷换热器的性能具有很大影响，若要获得换热器佳性能，则应使换热器在换热初始部分尽可能保持小的温差传热，而在换热器中间部分尽可能保持大的温差传热。

　　对于小温差范围内传热的空冷器，优化不均匀进口温度其效果将非常显著。

　　（2）在相同温度水平条件下，管内流体进口温度不均匀的优化效果要大大高于空气进口温度不均匀的优化效果，因此对管内流体进口温度不均匀的优化显得尤为重要。与实验的有效度相对误差小于2，理论计算结果。

　　（3）通过对优化模型进行实验验证，得出理论计算与实验数据吻合良好证明了理论模型的正确性，可进一步推广使用。