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NTU法

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管式热交换器
热交换器的并流(Concurrent)及逆流(countercurrent)

NTU法热传单元数法的简称,也称为热交换有效性法,是在一热交换器(特别是逆流交换英语Countercurrent exchange的热交换器)没有对数平均温差(LMTD)的条件下,计算其热交换速率的方式。

在热交换器分析中,若流体的入口温度和出口温度已知,或是可以用能量平衡的方式计算,可以用对数平均温差来进行分析[1],但若没有这些资讯,可以用NTU法来分析。

定义

若要定义热交换器的有效性(effectiveness),需找到假设在无限管长逆流交换的假设条件下,可以达到的最大热交换程度。因此任一流体在入口处及出口处的温差为最大可能温差,也就是(热气体及冷气体在入口处的温度)。此方式先计算高温流体及低温流体的热容量率英语Heat capacity rate(质量流率乘以比热,令其中最小的为。.

因此可找到以下的物理量:

其中为单位时间下的最大热传。 需对应热容量率最小的流体,也就是在假想的无限长度热交换器中有最大可能温度变化的流体。另一种流体其温度随长度的变化较慢。NTU法只考虑有最大温度变化的流体。

有效性(E)定义为实际热交换率及最大热交换率的比例:

其中:

有效性是范围在0到1之间的无量纲。若可以知道于某一热交换器的E,又可以知道高低温流体的入口温度,可以计算传流体交换的热如下:

对于任意的热交换器,下式都成立:

针对一特定的几何形状,有效性可以用以下热容量率的比例

及热传单元数来计算:

其中 为整体传热系数,而为传热面积。

特定几何形状热交换器的有效性

例如平行板热交换器的有效性为:

逆流交换热交换器的有效性为:

可以针对套管形热交换器英语concentric tube heat exchanger或是壳管式热交换器英语shell and tube heat exchanger计算类似的有效性。萁和流体流动方式(逆流、并流或交叉流)、(壳管式热交换器的)通路数量及高低温流体是否有混合有关。

注意 为一特殊条件,表示热交换器中有凝结或是蒸发相变。因此在此特殊情形下,热交换器的特性和流体配置方式无关,其有效性为为:

参考资料

  1. ^ 传热与换热器. [2015-08-10]. (原始内容存档于2016-03-04). 
  • F. P. Incropera & D. P. DeWitt 1990 Fundamentals of Heat and Mass Transfer, 3rd edition, pp. 658–660. Wiley, New York
  • F. P. Incropera, D. P. DeWitt, T. L. Bergman & A. S. Lavine 2006 Fundamentals of Heat and Mass Transfer ,6th edition, pp 686–688. John Wiley & Sons US