Performance evaluation criteria for use of enhanced heat transfer surfaces in heat exchanger design

This study extends previous work of Bergles and Webb to establish a broad range of Performance Evaluation Criteria (PEC) applicable to single phase flow in tubes. The equations include the effects of shellside enhancement and fouling and are applicable to roughness and internally finned tubes. Detailed procedures are outlined to calculate the performance improvement and to select the ‘optimum’ surface geometry. PEC are presented for four design cases:(1) reduced heat exchanger material; (2) increased heat duty; (3) reduced log-mean temperature difference; and (4) reduced pumping power. The 11 cases discussed include fixed flow area and variable flow area. Appropriate PEC for two-phase exchangers area also discussed. Cette étude élargit un travail de Beigles et Webb pour établir des critères d'évaluation de performance (PEC) applicable à l'écoulement monophasique dans les tubes. Les équations tiennent en compte les effets d'accroissement du côté de la virole et l'encrassement et elles sont applicables aux tubes rugueux et à ailettes internes. Des procédures détaillées sont établies pour calculer l'accroissement de performances et pour choisir la géométrie optimale de surface. Des PEC sont présentés pour quatre cas: (1) réduction de matière, (2) accroissement de puissance thermique, (3) réduction de la moyenne logarithmique de température, (4) réduction de la puissance de pompage. Les onze cas discutés concernent une section de passage fixée ou au contraire variable. On discute aussi les PEC dans le cas des échangeurs diphasiques. Die Studie setzt frühere Arbeiten von Bergles und Webb fort und stellt in einem weiten Bereich Bewertungskriterien für die Einphasenströmung in Rohren auf. Die Gleichungen berücksichtigen Effekte der mantelseitigen Verbesserung und der Verschmutzung und sind anwendbar auf Rauhigkeiten und innenberippte Rohre. Ausführliche Verfahren zur Berechnung der Verbesserung der Wärmeübertragung und zur Auswahl der optimalen Oberflächengeometrie werden beschrieben. Die Kriterien werden für vier Auslegungsfälle dargestellt: (1) verminderter Materialaufwand des Wärmeaustauschers, (2) erhöhte Wärmeleistung, (3) reduzierte mittlere logarithmische Temperaturdifferenz und (4) reduzierte Pumpenleistung. Die 11 diskutierten Fälle behandeln konstanten und variablen Strömungsquerschnitt. Geeignete Kriterien für Zweiphasen-Wärmeaustauschflächen werden ebenfalls besprochen. Пpeдлaгaeмoe иccлeдoвaниe являeтcя пpoдoлзeниeм paбoты бepглзa и Beббa пo oпpeдeлeнию кpитepиeв oцeнки чapaктepиcтик oднoфaзныч тeчeний в тpyбaч. B ypaвнeнияч yчитывaeтcя влияниe внeшнeгo кopпyca тeплooбмeнникa, шepoчoвaтocти пoвepчнocти, зaгpязнeн ия и внyтpeннeгo opeбpeния нa интeнcивнocть тeплooбмeнa. Пoдpoбнo излaгaeтcя мeтoдикa pacчeтa к.п.д. и выбopa oптимaльнoй гeoмeтpии пoвepчнocти. Пpивeдeны кpитepии для чeтыpeч cлyчaeв, вcтpeчaющичcя в пpaктикe пpoeктиpoвaния: (1) минимaльнaя мeтaллoeмкocть тeплoo бмeнникa, (2) мaкcимaльнaя тeплoвaя нaгpyзкa, (3) минимaльный cpeднeлoгapифмичecкий нaпop и (4) минимaльнaя мoщнocть пpoкaчки. B oдиннaдцaти paccмoтpeнныч cлyчaяч иcпoльз yютcя фикcиpoвaннaя и пepeмeннaя плoщaди пoпepeчнoгo ceчeния. Paccмaтpивaютcя тaкзe cooтвeтcтвyющиe кpитepии для oпpeдeлeния пoвepчнocти нaгpeвa двyчфaзныч тeплooбмeнникoв.