復(fù)合地源熱泵系統(tǒng)控制強(qiáng)化傳熱措施

1、0 前言地源熱泵系統(tǒng)具有效能高，污染低的特點(diǎn)，因此在世界范圍內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用1。在冬冷夏熱且夏季冷負(fù)荷遠(yuǎn)大于冬季熱負(fù)荷的地區(qū)，常采用帶輔助散熱設(shè)備的復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)，在保證全年熱平衡的同時(shí)減少鉆井所需的初投資和占地面積2 。在復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)中，常采用冷卻塔與土壤換熱器并聯(lián)的形式（圖1） , 通過(guò)有選擇性地運(yùn)行土壤換熱器或冷卻塔來(lái)保持地下土壤的全年熱平衡。Stephen P.Kavanaugh3提出一套復(fù)合式地源熱泵的設(shè)計(jì)方法，并計(jì)算了冷卻塔全年的運(yùn)行時(shí)間，以保證土壤熱平衡。但在滿足全年土壤熱平衡的前提下，在某一時(shí)刻運(yùn)行土壤換熱器還是冷卻塔的選擇存在著極大的自由度。 Cenk Yavuz

2、turk 4 對(duì)復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)的控制策略進(jìn)行了詳細(xì)的研究，但主要研究對(duì)象是土壤換熱器與冷卻塔串聯(lián)的系統(tǒng)，對(duì)并聯(lián)系統(tǒng)沒(méi)有太多探討。1500接自空調(diào)建筑冷卻塔1000送至空調(diào)建筑熱泵機(jī)組閥門W500K/0荷負(fù)板式換熱器循環(huán)水泵土壤換熱器-500-1000-15000 2000 4000 6000 8000 10000時(shí)間/h圖 1 復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖2 建筑逐時(shí)負(fù)荷圖Fig.1 Schematic diagram of the HGCHP systemFig.2 Annual hourly building load本研究以熱泵機(jī)組的瞬時(shí)效能系數(shù)為優(yōu)化目標(biāo)，通過(guò)比較與土壤換熱器相連的板

3、式換熱器機(jī)組側(cè)和冷卻塔的出口水溫，來(lái)決定某一時(shí)刻是運(yùn)行土壤換熱器還是冷卻塔，以獲得最低的機(jī)組進(jìn)水溫度，從而降低機(jī)組功耗。土壤換熱器的出口水溫在系統(tǒng)剛啟動(dòng)的一段時(shí)間內(nèi)上升較快，因此為避免頻繁切換，本研究比較土壤換熱器啟動(dòng)運(yùn)行半個(gè)小時(shí)后的板式換熱器機(jī)組側(cè)出口水溫與冷卻塔的出口水溫。但這兩個(gè)出口水溫中通常只有一個(gè)可以被實(shí)時(shí)測(cè)量，這就必須依賴一個(gè)可靠的數(shù)學(xué)模型，以便對(duì)另一個(gè)出口水溫進(jìn)行預(yù)測(cè)。冷卻塔出口水溫的預(yù)測(cè)已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)5 ，但與土壤換熱器相連的板式換熱器機(jī)組側(cè)循環(huán)水的出口溫度很難用傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)方法的模型進(jìn)行精確的預(yù)測(cè)。Michopoulos 6 利用解讀模型對(duì)地埋管出口溫度進(jìn)行了預(yù)測(cè)，但最大誤差高達(dá)

4、6。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有強(qiáng)大的信息處理能力、自組織和自適應(yīng)性，在模式識(shí)別和人工智能領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用7 。本研究利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)與土壤換熱器相連的板式換熱器機(jī)組側(cè)出口水溫的預(yù)測(cè)。本研究以武漢某辦公建筑為對(duì)象，設(shè)計(jì)一套復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)，利用FLUENT軟件建立三維動(dòng)態(tài)數(shù)值模型，利用所得數(shù)據(jù)建立人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，預(yù)測(cè)與土壤換熱器相連的板式換熱器的機(jī)組側(cè)出口水溫，從而實(shí)現(xiàn)新的控制方法。1 系統(tǒng)描述辦公樓的全年逐時(shí)負(fù)荷見(jiàn)圖2。可見(jiàn)，該建筑的冷負(fù)荷遠(yuǎn)大于熱負(fù)荷，因此采用復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)。土壤換熱器根據(jù)冬季熱負(fù)荷進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)有281 孔井，井深為60m，管的內(nèi)徑為26mm，外徑為32mm，管井直徑為2

5、00mm。系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行會(huì)使土壤換熱器換熱性能下降，因此系統(tǒng)采用間歇運(yùn)行方式8 ，即土壤換熱器和冷卻塔交替運(yùn)行。冷卻塔的選型要滿足辦公樓夏季最大冷負(fù)荷的要求。2 控制策略分析在復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)中，常用的控制方法如下。（ 1）設(shè)定特定值，當(dāng)熱泵機(jī)組的進(jìn)口或出口溫度超過(guò)某一個(gè)值時(shí)，冷卻塔啟動(dòng)。（ 2）溫差控制法，當(dāng)熱泵機(jī)組的進(jìn)口或出口溫度與室外干球或濕球溫度差值高于某一個(gè)值時(shí)，冷卻塔啟動(dòng)。（ 3）時(shí)間控制法，設(shè)置特定的冷卻塔或土壤換熱器的工作時(shí)間。上述控制方法均基于冷卻塔與土壤換熱器串聯(lián)的系統(tǒng)，關(guān)于并聯(lián)系統(tǒng)并沒(méi)有太多的研究。本文提出另外一種控制方法，即直接比較板式換熱器機(jī)組側(cè)出口水溫與冷卻塔出口

6、水溫，以獲得最低的機(jī)組進(jìn)口水溫，從而降低機(jī)組功耗。3 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ Artificial Neural Networks, ANN ）是由神經(jīng)元相互連接，通過(guò)模擬人的大腦神經(jīng)處理信息的方式，進(jìn)行信息處理的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。它具有強(qiáng)大的學(xué)習(xí)功能，可以比較輕松地實(shí)現(xiàn)非線性映射過(guò)程，在模式識(shí)別、人工智能、控制工程和信號(hào)處理方面得到大量的應(yīng)用。輸入層隱含層輸出層圖 3 三層 BP 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Schematic diagram of typical BP networksBP(Back Propagation) 網(wǎng)絡(luò)是目前應(yīng)用最為廣泛和成功的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，典型的BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由輸入層、

7、輸出層和隱含層組成（圖3）。本研究利用 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)預(yù)測(cè)板式換熱器出口水溫，并通過(guò)均方根誤差來(lái)評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)結(jié)果（式1）。RMSmn1( ypre, mtmea,m )2（ 1）n式中： RMS 均方根；n - 數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)；y pre ,m 為第 m個(gè)數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)值；tmea ,m 為第 m 個(gè)數(shù)據(jù)的計(jì)算值。4 復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)的數(shù)值模型通過(guò)計(jì)算流體力學(xué)軟件FLUENT模擬本研究建立的復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)用來(lái)訓(xùn)練和檢測(cè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。熱泵機(jī)組模型：采用 Gordan的機(jī)組模型 9 ，結(jié)合樣本數(shù)據(jù)擬合出功耗與冷卻水進(jìn)水的關(guān)系式（式 2）。W Qe (10.667Tcl ,in1. 001(

8、10. 651（ 2）)Tch,out)QeLdLd式中： Tcl ,in表示冷凝器側(cè)冷卻水進(jìn)口水溫，K ； Tch,out 為蒸發(fā)器側(cè)冷凍水出口溫度，K ； Qe為機(jī)組額定負(fù)荷負(fù)荷，kW ； Ld 為負(fù)荷率。N ( 冷卻數(shù) ) 和所需要的冷冷卻塔模型：采用Merkel焓差法，使冷卻塔本身冷卻能力卻任務(wù) N ' ( 冷卻塔特性數(shù) ) 相等，見(jiàn)式3， 4。N 'xAZ （3）WNc t (''1''4''1) （4）6 K i1i1imimi 2i2式中：x 為以含濕量差表示的傳質(zhì)系數(shù)，kg / (m2s) ；為填料的比表面積，m2

9、 / m3 ； A 為塔的橫截面積，m2 ； Z 為塔內(nèi)填料高度，m ； W 為進(jìn)水冷卻塔的冷卻水流量 kg / s ； c 為水的比熱容，J / (kg）；t 為冷卻水在塔內(nèi)的溫降； i1''， i2'' ， i m'' 分別為與冷卻塔進(jìn)水溫度t w1 、冷卻塔出水溫度t w2 、平均水溫 tm(tw1 tw2 ) / 2對(duì)應(yīng)的飽和空氣焓， kJ / kg ； i1 ， i2 分別為冷卻塔空氣出口處、冷卻塔空氣進(jìn)口處空氣的焓值；im (i1 i2 ) / 2。10 ，見(jiàn)式 5。板式換熱器模型：采用NTU 法計(jì)算其效能系數(shù)1exp NTU (1C

10、r )KA(Gc)min（5）， NTU， Cr( Gc)max1Cr exp NTU(1Cr )(Gc )min式中：(Gc)min ， (Gc)max 分別為板式換熱器兩側(cè)流量與比熱乘積較小、較大者。土壤換熱器模型：利用GAMBIT 建立幾何模型，劃分好網(wǎng)格后代入FLUENT設(shè)置邊界條11上述模型的詳細(xì)建立過(guò)程見(jiàn)文獻(xiàn)12 。另外，在土壤換熱器地下5m處沿 U型管中心連線的對(duì)稱面上設(shè)置6個(gè)溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)，包括U型管進(jìn)出管側(cè)管外壁溫度、U型管進(jìn)出管側(cè)回填材料外壁溫度、 U型管進(jìn)出管側(cè)距離中心0.2m處土壤溫度，為建立人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型提供幫助.圖 4 系統(tǒng)運(yùn)行模式Fig.4 Schedule of

11、HGSHPS-1-冷卻塔開(kāi)，土壤換熱器關(guān)；1-冷卻塔關(guān)，土壤換熱器開(kāi)；0-停機(jī)階段系統(tǒng)共運(yùn)行 12周，其中前 8周的運(yùn)行模式如圖4所示。在每個(gè)時(shí)間段，當(dāng)負(fù)荷不超過(guò)1臺(tái)機(jī)組的供冷能力時(shí)，運(yùn)行1臺(tái)機(jī)組，否則同時(shí)啟動(dòng)2 臺(tái)機(jī)組，并在原來(lái)土壤換熱器或冷卻塔的基礎(chǔ)上再啟動(dòng) 1 臺(tái)冷卻塔。在后 4 周運(yùn)行階段，冷卻塔和土壤換熱器隨機(jī)切換，運(yùn)行時(shí)間不規(guī)則。圖 5 為某一天土壤換熱器連續(xù)運(yùn)行 4h 過(guò)程中板式換熱器機(jī)組側(cè)出口水溫隨時(shí)間步長(zhǎng)的變化關(guān)系曲線。由圖 5 可以看出，在土壤換熱器剛開(kāi)始運(yùn)行的半小時(shí)內(nèi)，板式換熱器機(jī)組側(cè)出口水溫上升較快，由 295K 上升至 298K 。為避免冷卻塔與土壤換熱器的頻繁切換，

12、可預(yù)測(cè)土壤換熱器啟動(dòng)半個(gè)小時(shí)后的板式換熱器機(jī)組側(cè)出口水溫，并與當(dāng)前時(shí)刻冷卻塔的出口水溫進(jìn)行比較，作為是否實(shí)現(xiàn)兩者切換的依據(jù)。303302301300 299度 298溫一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)為 300 s297296半小時(shí)處29529429301020304050時(shí)間步長(zhǎng)數(shù)圖 5 板式換熱器機(jī)組側(cè)出口水溫隨時(shí)間步長(zhǎng)的變化關(guān)系曲線Fig.5 Change of cooling water temperature at outlet of PHE with increase of time steps5 土壤換熱器的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型本研究中神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出量為土壤換熱器運(yùn)行半個(gè)小時(shí)候后板式換熱器機(jī)組側(cè)出口水溫。板

13、式換熱器的出口水溫與機(jī)組出口水溫、土壤換熱器的出口水溫有關(guān)，將啟動(dòng)前機(jī)組出口水溫、土壤換熱器出口水溫和地下6 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度作為輸入變量，同時(shí)考慮系統(tǒng)的負(fù)荷特征，將啟動(dòng)當(dāng)前時(shí)刻機(jī)組的進(jìn)出口水溫差也作為輸入變量之一。為獲得足夠的訓(xùn)練和測(cè)試數(shù)據(jù)，將土壤換熱器運(yùn)行前5 個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)的數(shù)據(jù)也作為樣本，即用啟動(dòng)前6， 5，4， 3， 2， 1 個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)的數(shù)據(jù)分別預(yù)測(cè)板式換熱器運(yùn)行1， 2， 3， 4， 5， 6 個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)的機(jī)組側(cè)出口水溫，此時(shí)引入變量,記錄開(kāi)始運(yùn)行的時(shí)間步長(zhǎng)數(shù)。實(shí)際本研究?jī)H需預(yù)測(cè)為6 時(shí)的板式換熱器機(jī)組側(cè)的出口水溫。采用經(jīng)驗(yàn)算法確定隱含層神經(jīng)元數(shù)目為 23 個(gè)。通過(guò)文獻(xiàn) 7 可知， L

14、evenberg-Marquardt 算法具有比較快的收斂速度，因此將其作為本研究中的學(xué)習(xí)算法。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)確定后，將輸入輸出變量進(jìn)行歸一化處理便可開(kāi)始計(jì)算。6 結(jié)果與討論為探討神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型是否適用于不同運(yùn)行模式的復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)，本研究根據(jù)樣本來(lái)源特點(diǎn)將系統(tǒng)分為 4 類，建立 4 個(gè)模型，結(jié)果見(jiàn)表 1。由表 1 可知，訓(xùn)練和測(cè)試樣本無(wú)論取自固定的還是非穩(wěn)定的運(yùn)行模式下的復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)，樣本的均方根誤差都非常小，最大為 0.32，最小為 0.08。由此說(shuō)明利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)運(yùn)行半個(gè)小時(shí)后板式換熱器機(jī)組側(cè)出口水溫，其中當(dāng)系統(tǒng)采用基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測(cè)控制時(shí)，系統(tǒng)更多地處于M4

15、模式。M4的訓(xùn)練和測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖6，7。表 1 各種模式下訓(xùn)練與測(cè)試結(jié)果Table.1 Training and testing results with samples from different modes標(biāo)訓(xùn)練樣本特點(diǎn)測(cè)試樣本特點(diǎn)訓(xùn)練結(jié)測(cè)試結(jié)號(hào)果 RMS果 RMSM1取自 1-6 周，固定運(yùn)行模式下取自 7-8 周，固定運(yùn)行模式下0.10.28M2取自 1-8 周，固定運(yùn)行模式下取自 9-10 周，非穩(wěn)定模式下0.080.32M3取自 1-8，9-10 周，固定、非穩(wěn)定模式下取自 11-12 周，非穩(wěn)定模式下0.10.17M4取自 9-11 周，非穩(wěn)定模式下取自 12 周，非穩(wěn)定模式下0

16、.20.170.80.80.60.40.4 0.2差差0誤 0誤對(duì)-0.2對(duì)絕絕 -0.4-0.4-0.6-0.8-0.801002003000306090120數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)圖 6 訓(xùn)練樣本絕對(duì)誤差圖 7測(cè)試樣本絕對(duì)誤差Fig.6 Absolute error of training samples in M4Fig.7 Absolute error of testing samples in M4由圖6， 7 可知，訓(xùn)練樣本絕對(duì)誤差不超過(guò)0.8，測(cè)試樣本絕對(duì)誤差不超過(guò)0.5，且大多數(shù)點(diǎn)位于 0附近，可見(jiàn)采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型可準(zhǔn)確預(yù)測(cè)板式換熱器的出口水溫，且訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)模型具有較好的泛化能力。

17、0.40.2差誤0對(duì)絕-0.2-0.40204060數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)圖 8 M4 訓(xùn)練結(jié)果Fig.8 Absolute error of training samples used to predict water temperature exiting PHE at exact half an hour later after GHErun.0.40.2差誤 0對(duì)絕-0.2-0.405101520數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)圖 9 M4 測(cè)試結(jié)果Fig.9 Absolute error of testing samples used to predict water temperature exiting PHE at

18、 exact half an hour later after GHErun.取樣本中土壤換熱器運(yùn)行了半個(gè)小時(shí)的數(shù)據(jù)組，即為 6 的數(shù)據(jù)組進(jìn)行訓(xùn)練和測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)圖8 和圖 9。從圖 8， 9 中可見(jiàn)，訓(xùn)練樣本和測(cè)試樣本絕對(duì)誤差均不超過(guò)0.4，由此可知利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)土壤換熱器運(yùn)行半個(gè)小時(shí)后板式換熱器機(jī)組側(cè)的出口水溫具有較高的準(zhǔn)確性。對(duì)于如何對(duì)換熱器的傳熱進(jìn)行強(qiáng)化，不少教科書和文獻(xiàn)都作了分析，但在具體情況下采取何種措施，分析很少。本文結(jié)合關(guān)鍵熱阻 1的概念進(jìn)行了具體分析。1. 強(qiáng)化傳熱途徑分析：由傳熱速率方程式QKAt m 可以看出換熱器傳熱過(guò)程的強(qiáng)化可通過(guò)增大傳熱平均溫度差tm ，增大傳熱面積

19、A 和增大總傳熱系數(shù)三個(gè)途徑來(lái)實(shí)現(xiàn)。1.1 增大傳熱平均溫度差tm傳熱平均溫度差的大小主要取決于兩流體的溫度條件。物料的溫度由生產(chǎn)工藝決定，一般是不能隨意變動(dòng)，而加熱介質(zhì)和冷卻介質(zhì)的溫度因所選介質(zhì)的不同而不同。顯然這種方法受生產(chǎn)工藝、設(shè)備條件、環(huán)境條件及經(jīng)濟(jì)性等方面的限制，實(shí)際操作時(shí)有一定的局限性。1.2 增大傳熱面積A增大傳熱面積 A 可使傳熱量 Q 增大，這對(duì)新設(shè)計(jì)的換熱器而言，通常增大傳熱面積就意味著增加金屬材料的用量，使設(shè)備投資費(fèi)用提高，因此，我們?cè)谶M(jìn)行換熱器的設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)從設(shè)備結(jié)構(gòu)入手，盡可能增加單位容積所具有的傳熱面積，有些措施見(jiàn)下面分析。但是在既定的換熱器上想增大傳熱面積是不現(xiàn)實(shí)的。

20、1.3 增大總傳熱系數(shù)增大總傳熱系數(shù)（即降低總熱阻1/K）是換熱器強(qiáng)化傳熱的最主要的途徑，無(wú)論是在換熱器的設(shè)計(jì)時(shí)還是在換熱器的運(yùn)行中都必須設(shè)法提高 K 值。這也是當(dāng)今世界上強(qiáng)化傳熱研究的重要工作。那么如何提高總傳熱系數(shù)呢？下面就這一問(wèn)題筆者將作詳細(xì)的分析。2. 增大總傳熱系數(shù)的措施分析由總傳熱系數(shù)的估算公式：111KRAiRA0i0可見(jiàn)，傳熱過(guò)程是一較復(fù)雜的過(guò)程，傳熱的總熱阻是串聯(lián)各項(xiàng)熱阻之和。由于各項(xiàng)熱阻在總熱阻中所占的比例不同對(duì)傳熱速率的影響就不同，應(yīng)先分析哪一項(xiàng)熱阻是過(guò)程的控制性熱阻關(guān)鍵熱阻。再設(shè)法去減小它，從而可達(dá)到有效地降低總熱阻，增大傳熱系數(shù)，強(qiáng)化傳熱過(guò)程的效果。下面對(duì)各種情況下的

21、關(guān)鍵熱阻進(jìn)行分析。i02.1 給熱熱阻（1,1）的影響給熱熱阻（1 , 1 ）經(jīng)常是傳熱過(guò)程的主要矛盾，是重點(diǎn)研究的內(nèi)容。當(dāng)換熱器管壁熱阻，垢i0層熱阻可以忽略時(shí)，則有: 111 。 由于給熱熱阻有兩項(xiàng) :1 和1 ，誰(shuí)是關(guān)鍵熱阻應(yīng)作具Ki0i0體分析。2.1.1 間壁兩側(cè)流體的給熱系數(shù)相差較大時(shí)在一些管殼式換熱器中，若io 時(shí)，例如： 管外是蒸汽冷凝，給熱系數(shù)0104W /(m2 K) ；管內(nèi)i 30W /(m2K ) ，在這種情況下，由計(jì)算得2是氣體強(qiáng)制對(duì)流，給熱系數(shù)K 29.9W /( m K ) ，此時(shí) K 值接近于較小的值。即11。很明顯 1 就成為此類傳熱情況的關(guān)鍵熱阻，因此，在這

22、種情況下，iK iii提高 K 值關(guān)鍵是提高i 的值即必須設(shè)法增大管內(nèi)流體的湍動(dòng)程度，減小管內(nèi)流體層流底層的厚度。具體的措施有： 1增加列管式換熱器的管程數(shù)，采用小直徑管，可提高管內(nèi)流體的流速而增強(qiáng)流體的湍動(dòng)程度。 2采用各種異徑管短管（如圖所示）圖1 異徑管圖 4 外翅片管3管內(nèi)壁做成翅片狀（如圖所示）。(a) (b)圖內(nèi)翅片管 4在管內(nèi)加裝金屬絲或彈簧圈（如圖所示）。彈簧圈的作用原理是：流體流動(dòng)時(shí)會(huì)沿著彈簧旋轉(zhuǎn)方向產(chǎn)生預(yù)旋，在近壁處，這種旋轉(zhuǎn)能使邊界層內(nèi)的速度梯度和溫度梯度層減薄，增加傳熱效果同時(shí)還有二次渦流產(chǎn)生，使傳熱系數(shù)進(jìn)一步提高。上述 3 4兩項(xiàng)措施不僅增加管內(nèi)流體的湍動(dòng)程度，提高i

23、 值，提高 K 值。且實(shí)現(xiàn)了在不增加金屬用量的前提下，增加管內(nèi)傳熱面積Ai 的目的，起到了K 值和 A 值兩方面的雙重強(qiáng)化效果。1反之若 io ，則就成為關(guān)鍵熱阻，增大0 就成為提高 K 值強(qiáng)化傳熱的有效途徑。提高管0外流體給熱系數(shù)0 的常見(jiàn)措施有：殼程裝設(shè)縱向擋板和折流擋板。這也是普通的列管式換熱器常用的方法。當(dāng)i10時(shí)，將管子的外壁做成翅片形式（如圖4 所示）。外翅片管已廣泛應(yīng)用于制冷、動(dòng)o力、能源中的冷凝器，是空冷器的核心和關(guān)鍵元件。i2 5 時(shí) , 采用螺紋管（如圖 5 所示）效果較好。如在南京煉油廠，常減壓蒸餾后的渣油和o原油進(jìn)行一次換熱時(shí)，原油走管程，渣油走殼程。因渣油的粘度較大，

24、若采用一般的光管，換熱器管外壁的層流底層較厚，其傳熱系數(shù)值較低，且因?yàn)樵透g性大，易結(jié)垢，使得換熱器的使用壽命短。更換螺紋管換熱器后，由于渣油在管外的螺旋運(yùn)動(dòng)，其層流底層明顯減薄，傳熱系數(shù)提高了一倍以上。此外由于螺紋管能產(chǎn)生“手風(fēng)琴”膨脹和收縮，這樣做也起到了從A0 和 K 值兩方面雙重強(qiáng)化作用。 22.1.2 當(dāng)間壁兩側(cè)流體的給熱系數(shù)相差不大時(shí)兩種強(qiáng)制對(duì)流的氣體或液體在管壁兩側(cè)進(jìn)行換熱時(shí)，i 和 0 值相差不大 , 此時(shí) ,i 和0對(duì) K值影響都很明顯，1 和1 都是關(guān)鍵熱阻，在這種情況下應(yīng)設(shè)法同時(shí)提高i 和0 ，才能有效地提高Ki0值。措施（ 1）采用內(nèi)外翅片管( 如圖 6 所示 ) 。

25、華南理工大學(xué)化學(xué)工程研究所傳熱與節(jié)能研究室研制的高效氣氣管殼式換熱器就是采用這種雙面整體型低翅片管管束來(lái)強(qiáng)化管程和殼程兩側(cè)的氣體對(duì)流傳熱，它在管程和殼程采用氣體流阻小的縱向沖刷形流道結(jié)構(gòu)可使流體在換熱器中的阻力損失較大程度地轉(zhuǎn)化為換熱器總傳熱系數(shù)的提圖 5外螺紋管高。普通使用的弓形隔板管殼式換熱器氣氣總傳熱系數(shù)K 值只能達(dá)到27W/(m2.K)，若采用這種高圖管內(nèi)插入彈簧圈效氣氣換熱器，則總傳熱系數(shù)可以大幅度提高，在同樣的氣體總壓降、傳熱負(fù)荷和傳熱溫差條件下，其總傳熱系數(shù)可達(dá)48W/(m2 K)。這種換熱器用于硫酸工廠中的二氧化硫氣體換熱效果特好，據(jù)2報(bào)道按每日每生產(chǎn)1 噸硫酸計(jì)算，普通弓形隔

26、板管殼式換熱器需要9.3m 傳熱面積，而采用這種新圖6 內(nèi)外翅片型的換熱器僅需要 5.18m2 的傳熱面積。3措施（ 2）采用板翅式換熱器（如圖7 所示）。(a) (b)圖 7 板翅式換熱器在板翅式換熱器中, 由于各種形狀的翅片在不同程度上都對(duì)促進(jìn)湍流和破壞層流邊界層起著顯著作用。油類在板翅式換熱器中作強(qiáng)制對(duì)流時(shí)其給熱系數(shù) 值最大可達(dá)1750W/(m2 K) ，而在一普通的換熱器管內(nèi)油的 值最大為 900W/(m2K) 左右。用于空氣強(qiáng)制對(duì)流時(shí)，值可以達(dá)到 350W/(m2 K), 而普通的換熱器管內(nèi)空氣的 值最大為2100W/(m K) 。此外由于隔板及翅片都是傳熱面，且其結(jié)構(gòu)緊湊，因此它的

27、單位體積傳熱面積一般都能達(dá)到250m2/m3，最高可達(dá) 4000m2/m3 以上 4 。因此，這種換熱器也實(shí)現(xiàn)了從傳熱系數(shù)K 值、單位體積傳熱面積A 值兩方面的雙重強(qiáng)化效果。由于板翅式換熱器是一種輕巧、緊湊、高效換熱器，最早用于航空工業(yè)，現(xiàn)在已經(jīng)廣泛用于石油化工、天然氣液化、氣體分離等部門。2.2 污垢熱阻（， ）的影響污垢熱阻（， ）是個(gè)可變，換熱器剛使用時(shí)，污垢熱阻很小，不可能成為關(guān)鍵熱阻，但是隨著使用時(shí)間的增加，垢層增厚。由于垢層多數(shù)是由無(wú)機(jī)鹽如 CaCO3 等構(gòu)成，其導(dǎo)熱系數(shù)很小，即使很薄的垢層，其熱阻也可能很大，這就有可能成為關(guān)鍵熱阻。對(duì)此，我們?cè)谠O(shè)計(jì)和使用換熱器時(shí)應(yīng)盡量防止或減緩垢

28、層的形成。抑制污垢措施在換熱器的設(shè)計(jì)中，只要壓力降不超過(guò)工藝允許的數(shù)值應(yīng)盡可能的提高流體的流速, 增大流體流動(dòng)的湍動(dòng)程度，可減小污垢粒子在間壁上的附著概率。選擇換熱器的材料時(shí)，要盡可能采用抗蝕材料，以避免腐蝕污垢的產(chǎn)生。也可以采用表面處理技術(shù)，改變表面條件或物理化學(xué)特性，以減輕設(shè)備污垢的積聚。例如，用硝酸鈍化不銹鋼，或用防腐蝕劑保護(hù)低碳鋼。換熱器的陰極防腐法也是抑制化學(xué)反應(yīng)污垢的技術(shù)之一。在換熱器的運(yùn)行過(guò)程中，對(duì)進(jìn)入換熱器的兩種流體進(jìn)行預(yù)處理。在燃?xì)庵?，揮發(fā)性無(wú)機(jī)物（如硫酸鈉）和飛灰粒子濃度對(duì)積灰有著重要影響。此外，像釩這樣的痕量元素還可對(duì)污垢過(guò)程起催化作用，硫的存在則可引起低溫腐蝕。總之，煙氣流中的很多含有物都會(huì)導(dǎo)致污垢的產(chǎn)生，因此燃?xì)膺M(jìn)入換熱器前要進(jìn)行必要的凈化處理。對(duì)管殼式換熱器的冷卻水系統(tǒng)和蒸汽發(fā)生器的水側(cè)，水質(zhì)特性對(duì)污垢沉積是個(gè)關(guān)鍵因素。控制水垢的方法通常有：用離子交換樹(shù)脂剔除水中的鈣、鎂離子，使之軟化。將硬鹽轉(zhuǎn)換成或易于溶解的形式。由于水垢的化學(xué)組分，在冷卻水中的溶解度通常隨 p值的減小而增加。在系統(tǒng)中加酸維持 p值在 6.5 7.5 左右，可減少水垢，當(dāng)然還應(yīng)該注意管壁的防腐