双侧扰动及管壁热容对套管式换热器动态特性的影响

　　双侧扰动及管壁热容对套管式换热器动态特性的影响李丹琳王秋旺吴峰罗来勤西交3，大学动力2，相流国家重点实，室，西安，710049摘奄本文针对顺流套管式换热器分布参数棋型，在考虑管壁热容前提下，给出了其动态特性数学模型。在对偏撤分方程执行拉普拉斯变换之后，获得套管式痪热器各通道出口通度解析解达式及各通道传递函教，并通过拉，拉斯逆变换分析了双侧扰动及管壁热容对换热器动态特性的影响。

　　关键动态特性拉苷拉斯变换双，扰动壁热容传热过程在生产技术领域中的应用非常广泛，如能源动力，化工制药，材料冶金，机械制造，航空航天，农业林业等，而换热器是传热过程中为普遑的种设备。迄今为止。有关换热器的大置研究分析仍大多限于稳态。而换热设备动态特性计算是分析设计和改进换热设备及其控制系统的重要依据，为了对传热过程进行自动控制，并掌握传热过程中有关参数变化所产生的影响，迫切需要了解换热设备的动态特性。

　　丛松波1在忽略管壁热容的前提下，建立了管壳式换热器简化模型，并分析了单侧扰动对出口温度响应的影响；关欣2通过计算结果和试验比较得出了板翅式换热器动态特性的通用解；灰及，613应用拉氏变换分析了管壁径向导热对管壳式换热器动态特性的影响。本文在考虑管壁热容的情况下讨论了套管式换热器分布参数棋型，应用拉普拉氏逆变换对进口给定阶跃扰动，得出了出口温度响应曲线。分析了进口单侧或双侧同时扰动以及管壁热容对换热器动态特性的影响。

　　数学模型建立及求解由于换热器流动与换热情况的复杂性，其理论分析的困难体现在对动态方程为偏微分方程的求解，为了便于分析处理，作如下基本假设冷热流体呈顺流布置。

　　两侧工质被金，壁面隔开。工质之间不存在混合。

　　管内介质只沿轴向流动，无内部环流，忽略管壁的轴向导热。

　　不考虑换热器向周界的散热损失。

　　流体不可压缩，忽略换热器中的压降及动量的变化。

　　根据前面的简化假设，流体的连续方程和动置方程都可忽略。在考虑管壁热容的前提下且管侧流体和充侧流体均采用分布参数式，得到如下控制方程4 2.1.赛，6置平衡方，2管侧能量平衡方租23.管璧蓄热方程，4管道的外内传热面积，1；厂2，管道的外，内半径及壳程外半径，阳；丑管长，1；戽，4，壳侧，管侧以及管壁截面积，爪2；2人分，壳侧流体，管侧流体以及管壁比热容；从咕。灿心心久分别壳侧流体管侧流体以及管壁材料的密度，靖13.

　　令丑打+石巧这，得忑解析解。，2，若令心口+你化其木这+并由边界条件确定常系数3.传递函数求解将，值代人厂解析解得则乃分别关于尽的传递函数达式为沿汾4.结，析及讨论由本文所给数学模型可得当又=丑管道出口处流体温度达式。假定两侧流体给定介质水，具体参数值外=92=1以迎13，54爪，广2=0.25，广3丑=2爪，1=15000评，2.幻，=10000加2.幻。在管，和壳侧进口分别给卑扰动信号或者同时给定扰动信号的情况下假定以下所给信号均为阶跃信号阶=，即进口扰动拮值为出，在假定管壁热容为定值以及取不同值的情况下分别讨论管，和壳侧流体出口温度的响应。拉普拉斯逆变换采用文献0提供的近似公式其中N为偶数，般取值范围8N22，取N=22.

　　4.1.单健扰动由2可得，在某侧给定扰动信号并假定管壁热容心=8001闷。尺不变的情况下，同侧流体出口响应比隔侧流体出口温度响应幅度大，这说明隔侧流体受到管壁热容的影响响应幅度较同侧流体小，响应变得迟钝。下面讨论在不同管壁热容值下，侧流体发生扰动另侧流体出口响应情况同侧流体出口响应受到管壁热容的影响较小，这里略去不予讨论。

　　由34可看出，在本文所给参数条件下，当仅在管道某侧给定扰动信号，管，流体出口温度比壳侧流体出口温度的响应要明显，同时随着管壁热容倨的增加，两侧流体出口温度响应幅度降低，反应越迟钝。当=0，即为不考虑管壁热容的特例，从中可明显得到，菅壁热容对换热器动态特性影响较大不能忽略。

　　41两侧入口同时扰动两侧同时给定阶跃扰动，在管壁热容值=800化8.幻不变以及取不同值的情况下，分别讨论管壳两侧出口温度响应。

　　由5可得本文中，在同热容值下，双侧扰动时壳侧流体较管侧流体响应辐度大，下面分析取不同管壁热容值两侧流体出口温度响应情况。

　　入壳，流体出口，度响应曲线8管侧流体出口温度应曲线由6中8可看出，在双，扰动下，两侧流体出口响应受管壁热容的影响趋势不变但是响应搞度较单侧扰动大，其中壳侧流体出口温度响应几乎保持不变，说明此时两侧流体出口响应由两侧进口扰动叠加而成，需要同时考虑。

　　5.总结通过理论分析，在考虑管壁热容的情况下，建立了顺流套管式换热器分布参数式动态简化棋型，得到了各通道温度解析解及传递函数统达式。

　　通过拉氏变换和逆变换分别讨论了当进口侧发生阶跃扰动时两侧流体出口温度的动态响应以及两侧同时发生阶跃扰动两侧流体出口温度的动态响应。

　　分析了管壁热容对换热器动态特性的影响，得出管壁热容对换热设备的动态特性影响不能忽略，管壁热容越大出口温度的动态响应越迟铺。

　　丛松波，袁璞，沈复等。换热器动态模型的简化。油炼制与化工学报，27101996关欣，罗行，李美玲等。板翅式换热器的动态特性分析解儿工程热物理学报，244688丁萃菁。换热器动态特性计算。重庆大学水利电力大学出版社，1990