《传热计算》PPT课件.ppt

4传热计算 传热计算主要有两种类型 设计计算根据生产要求的热负荷确定换热器的传热面积 校核计算计算给定换热器的传热量 流体的温度或流量 对间壁式换热器作能量恒算 在忽略热损失的情况下有 上式即为换热器的热量恒算式 一 能量恒算 若换热器中两流体无相变时 且认为流体的比热不随温度而变 则有 若换热器中的热流体有相变 如饱和蒸汽冷凝时 则有 当冷凝液的温度低于饱和温度时 则有 注 上式应用条件是冷凝液在饱和温度下离开换热器 通过换热器中任一微元面积dS的间壁两侧流体的传热速率方程 仿对流传热速率方程 为 上式称为总传热速率方程 二 总传热速率方程1总传热速率微分方程 总传热系数必须和所选择的传热面积相对应 选择的传热面积不同 总传热系数的数值也不同 注 在工程大多以外表面积为基准 对于管式换热器 假定管内作为加热侧 管外为冷却侧 则通过任一微元面积dS的传热由三步过程构成 由热流体传给管壁dQ i T Tw dSi 由管壁传给冷流体dQ o tw t dSo 通过管壁的热传导dQ b Tw tw dSm 由上三式可得 2总传热系数2 1总传热系数的计算式 由于dQ及 T t 两者与选择的基准面积无关 则根据总传热速率微分方程 有 所以 总传热系数 以外表面为基准 为 同理 总传热系数表示成热阻形式为 在计算总传热系数K时 污垢热阻一般不能忽视 若管壁内 外侧表面上的热阻分别为Rsi及Rso时 则有 当传热面为平壁或薄管壁时 di do dm近似相等 则有 2 2污垢热阻 当管壁热阻和污垢热阻可忽略时 则可简化为 若 o i 则有 总热阻是由热阻大的那一侧的对流传热所控制 即当两个对流传热系数相差较大时 欲提高K值 关键在于提高对流传热系数较小一侧的 若两侧的 相差不大时 则必须同时提高两侧的 才能提高K值 若污垢热阻为控制因素 则必须设法减慢污垢形成速率或及时清除污垢 由上可知 例一列管式换热器 由 25 2 5mm的钢管组成 管内为CO2 流量为6000kg h 由55 冷却到30 管外为冷却水 流量为2700kg h 进口温度为20 CO2与冷却水呈逆流流动 已知水侧的对流传热系数为3000W m2 K CO2侧的对流传热系数为40W m2 K 试求总传热系数K 分别用内表面积A1 外表面积A2表示 解 查钢的导热系数 45W m K取CO2侧污垢热阻Ra1 0 53 10 3m2 K W取水侧污垢热阻Ra2 0 21 10 3m2 K W 以内 外表面计时 内 外表面分别用下标1 2表示 两种流体进行热交换时 在沿传热壁面的不同位置上 在任何时间两种流体的温度皆不变化 这种传热称为稳定的恒温传热 如蒸发器中 饱和蒸汽和沸腾液体间的传热 三 传热平均温度差的计算按照参与热交换的两种流体在沿着换热器壁面流动时各点温度变化的情况 可将传热分为恒温传热与变温传热两类 1恒温传热 在传热过程中 间壁一侧或两侧的流体沿着传热壁面 在不同位置时温度不同 但各点的温度皆不随时间而变化 即为稳定的变温传热过程 该过程又可分为下列两种情况 1 间壁一侧流体恒温另一侧流体变温 如用蒸汽加热另一流体以及用热流体来加热另一种在较低温度下进行沸腾的液体 2 间壁两侧流体皆发生温度变化 这时参与换热的两种流体沿着传热两侧流动 其流动方式不同 平均温度差亦不同 即平均温度差与两种流体的流向有关 生产上换热器内流体流动方向大致可分为下列四种情况 2变温传热 并流参与换热的两种流体在传热面的两侧分别以相同的方向流动 生产上换热器内流体流动方向大致可分为下列四种情况 逆流参与换热的两种流体在传热面的两侧分别以相对的方向流动 并流 1 2 逆流 1 2 错流参与换热的两种流体在传热面的两侧彼此呈垂直方向流动 折流简单折流 一侧流体只沿一个方向流动 而另一侧的流体作折流 使两侧流体间有并流与逆流的交替存在 复杂折流 参与热交换的双方流体均作折流 错流 折流 1 2 1 2 假设 传热为稳定操作过程 两流体的比热为常量 总传热系数为常量 K不随换热器的管长而变化 换热器的热损失可忽略 以逆流为例 热量衡算微分方程为dQ WhcphdT Wccpcdt 根据假定 则有 3逆流和并流时的平均温度差 Q T和Q t为直线关系 即 T mQ kt m Q k t T t m m Q k k 从上式可以看出 t Q关系呈直线 其斜率为 将总传热速率微分方程代入上式 则有 由于K为常量 积分上式有 式中 tm称为对数平均半径 当 t2 t1 2时 可用 t2 t1 2代替对数平均温度差 注 1 应用上式求 tm时 取换热器两端的 t中数值大的为 t2 小的为 t1 2 上式对并流也适用 例现用一列管式换热器加热某流体 该流体在管外流动 进口温度为100 出口温度为160 某反应物在管内流动 进口温度为250 出口温度为180 试分别计算并流与逆流时的平均温度差 解 并流 逆流 逆流操作时 因 t2 t1 2 则可用算术平均值 由上例可知 当流体进 出口温度已经确定时 逆流操作的平均温度差比并流时大 在换热器的传热量Q及总传热系数K值相同的条件下 采用逆流操作 可以节省传热面积 而且可以节省加热介质或冷却介质的用量 在生产中的换热器多采用逆流操作 只是对轮流体的温度有限制时才采用并流操作 注 流体流动方向的选择 方法 先按纯逆流的情况求得其对数平均温度差 tm逆 然后再乘以校正系数 t 即 tm t tm逆 校正系数 t与冷 热两种流体的温度变化有关 是R和P的函数 即 t f R P 式中R T1 T2 t2 t1 热流体的温降 冷流体的温升P t2 t1 T1 t1 冷流体的温升 两流体的最初温差 根据冷 热流体进 出口的温度 依上式求出R和P值后 校正系数 t值可根据R和P两参数从相应的图中查得 4错流和折流时的平均温度差 对稳定传热过程 式中S1 S2 Sm分别代表热流体侧传热面积 冷流体侧传热面积和平均传热面积 Tw tw分别代表热流体侧和冷流体侧的壁温 1 2分别代表热流体侧和冷流体侧的对流传热系数 整理上式可得 四 壁温的计算 例在一由 25 2 5mm钢管构成的废热锅炉中 管内通入高温气体 进口500 出口400 管外为p 981kN m2压力 绝压 的水沸腾 已知高温气体对流传热系数a1 250W m2 水沸腾的对流传热系数a2 10000W m2 忽略管壁 污垢热阻 试求管内壁平均温度Tw及管外壁平均tw 解 a 总传热系数以管子内表面积S1为基准 c 计算单位面积传热量 d 管壁温度 Q S1 K1 tm 242 271 65580W m2 T 热流体的平均温度 取进 出口温度的平均值T 500 400 2 450 管内壁温度 b 平均温度差在p 981kN m2 水的饱和温度为179 管外壁温度 由此题计算结果可知 由于水沸腾对流传热系数很大 热阻很小 则壁温接近于水的温度 即壁温总是接近对流传热系数较大一侧流体的温度 又因管壁热阻很小 所以管壁两的温度比较接近 强化传热的目的 以最小的传热设备获得最大的生产能力 强化传热的途径 1 加大传热面积加大传热面积可以增大传热量 但设备增大 投资和维费也随之增加 可采用翅片或螺旋翅片管代替普通金属管 2 增加平均温度差在理论上可采取提高加热介质温度或降低冷却介质温度的办法 但受客观条件 蒸汽压强 气温 水温 和工艺条件 热敏性 冰点 的限制 提高蒸汽压强 设备造价会随之提高 在一定气源压强下 可以采取降低管道阻力的方法来提高加热蒸汽的压强 在一定条件下也可采用逆流代替并流 3 减少传热阻力 1 减少壁厚或使用热导率较高的材料 2 防止污垢形成或经常清除污垢 3 加大流速 提高湍动程度 减少层流内层的厚度均有利于提高对流传热系数 五 传热的强化 换热器的分类 按用途分 加热器 冷却器 蒸发器 再沸器 冷凝器等 按传热方式分 间壁式 混合式 按换热器结构和传热面形式对间壁式换热器分类 管式和板式两类 前者包括蛇管式 套管式 列管式 翅片管式等 后者包括板式 螺旋板式 夹套式等 第六节换热器 结构 两种直径不同的标准管组成同心套管 内管可用U形管连接 而外管之间也由管子连接 一 间壁式换热器1 套管式换热器 套管换热器 套管式换热器由几段不同口径的不锈钢管组成的同心套管联接而成 每段套管称为一程 长度一般为4 6m 每程的内管之间用U型管联接 外管之间用支管联接 注意 适当选择两个管径 以使内管与环隙间的流体呈湍流状态 使具有较高的总传热系数 同时也减少垢层的形成 缺点 单位传热面的金属消耗量很大 占地较大 故一般适用于流量不大 所需传热面亦不大及高压的场合 优点 结构简单 能耐高压 制造方便 应用灵便 传热面易于增减 蛇管式换热器可分为沉浸式和喷淋式两种 沉浸式蛇管换热器蛇管多以金属管子弯绕而成 或制成适应容器需要的形状 沉浸在容器中 两种流体分别在管内 外进行换热 优点 结构简单 便于制造 便于防腐 且能承受高压 缺点 管外液体的对流传热系数较小 从而总传热系数亦小 如增设搅拌装置 则可提高传热效果 喷淋蛇管式换热器冷水由最上面管子的喷淋装置中淋下 沿管表面下流 而被冷却的流体自最下面管子流入 由最上面管子中流出 与外面的冷流体进行热交换 所以传热效果较沉浸式为好 与沉浸式相比 该换热器便于检修和清洗 其缺点是占地较大 水滴溅洒到周围环境 且喷淋不易均匀 2蛇管式换热器 结构 壳体 管束 管板 又称花板 封头 端盖 等 冷 热流体两种流体在列管式换热器内进行换热时 一种流体通过管内 其行程称为管程 另一种流体在管外流动 其行程称为壳程 换热器内通过管内的流体每通过一次管束称为一个管程 管程数多有利于提高管程流体的流速和对流传热系数 但能量损失增加 传热温度差小 程数以2 4 6程多见 管外流体每通过一次壳体成为一个壳程 在管外装有折流板 或挡板 可以提高壳程流体的流速 以保持较高的传热系数 折流板形式常用的有弓形和盘环形两种 折流板同时起中间支架作用 3列管式换热器 为防止壳体和管束受热膨胀不同导致的设备变形 管子扭弯或松脱 常采用热补偿的方法 主要有以下几种 浮头补偿 换热器两端管板之一不固定在外壳上 此端称为浮头 当管子受热或受冷时 连同浮头一起自由伸缩 而与外壳的膨胀无关 优点 容易制造 生产成本低 适应性强 尤其适于高压流体 维修清洗方便 缺点 结合面较多 易泄漏 补偿圈补偿 在外壳上焊上一个补偿圈 当外壳和管子热胀冷缩时 补偿圈发生弹性形变 达到补偿的目的 U形管补偿 将管子两端都固定在同一管板上 每根管子可以自由伸缩 与其他管子和外壳无关 板式换热器是以板壁为换热壁的换热器 常见的有平板式 螺旋板式 旋转刮板式以及夹套式换热器 1 平板式换热器 板片被压制成槽形或波纹形的目的 增强刚度 不致受压变形 增强液体的湍动程度 增大传热面积 亦利于流体的均匀分布 4板式换热器 板式换热器 板式换热器由一组几何结构相同的平行薄板叠加组成 两相邻平板之间用特殊设计的密封垫片隔开形成通道 冷热流体相间地在各自的通道流动 为强化传热并增强薄板的刚度 在平板上压出各种波纹 人字形 平直纹波纹板式换热器 换热片用厚度为0 8 1mm的不锈钢板冲压成平直波纹形状 目的是使流体形成湍流 以增强换热效果 优点 总传热系数高 污垢热阻亦较小 结构紧凑 单位体积设备提供的传热面积大 操作灵活性大 可以根据需要调节板片数目以增减传热面积或以调节流道的办法 适应冷 热流体流量和温度变化的要求 加工制造容易 检修清洗方便 热损失小 缺点 允许操作压力较低 最高不超过1961kPa 否则容易渗漏 操作温度不能太高 因受垫片耐热性能的限制 处理量不大 因板间距小 流道截面较小 流速亦不能过大 优点 总传热系数高 污垢热阻亦较小 结构紧凑 单位体积设备提供的传热面积大 操作灵活性大 可以根据需要调节板片数目以增减传热面积或以调节流道的办法 适应冷 热流体流量和温度变化的要求 加工制造容易 检修清洗方便 热损失小 缺点 允许操作压力较低 最高不超过1961kPa 否则容易渗漏 操作温度不能太高 因受垫片耐热性能的限制 处理量不大 因板间距小 流道截面较小 流速亦不能过大 夹套要装在容器外部 在夹套和器壁间形成密闭的空间 成为一种流体的通道 使用注意事项 该换热器结构简单 主要用于反应器的加热或冷却 适于传热量不大的场合 为提高传热性能 可在容器内安装搅拌器 使器内液体作强制对流 当用蒸汽进行加热时 蒸汽由上部接管进入夹套 冷凝水由下部接管中排出 用于冷却时 则冷却水由下部进入 由上部流出 由于夹套内部清洗困难 故一般用不易产生垢层的水蒸汽 冷却水等作为载热体 夹套式换热器 优点 总传热系数高 污垢热阻亦较小 结构紧凑 单位体积设备提供的传热面积大 操作灵活性大 可以根据需要调节板片数目以增减传热面积或以调节流道的办法 适应冷 热流体流量和温度变化的要求 加工制造容易 检修清洗方便 热损失小 缺点 允许操作压力较低 最高不超过1961kPa 否则容易渗漏 操作温度不能太高 因受垫片耐热性能的限制 处理量不大 因板间距小 流道截面较小 流速亦不能过大 夹套要装在容器外部 在夹套和器壁间形成密闭的空间 成为一种流体的通道 使用注意事项 该换热器结构简单 主要用于反应器的加热或冷却 适于传热量不大的场合 为提高传热性能 可在容器内安装搅拌器 使器内液体作强制对流 当用蒸汽进行加热时 蒸汽由上部接管进入夹套 冷凝水由下部接管中排出 用于冷却时 则冷却水由下部进入 由上部流出 由于夹套内部清洗困难 故一般用不易产生垢层的水蒸汽 冷却水等作为载热体 夹套式换热器 优点 总传热系数高 污垢热阻亦较小 结构紧凑 单位体积设备提供的传热面积大 操作灵活性大 可以根据需要调节板片数目以增减传热面积或以调节流道的办法 适应冷 热流体流量和温度变化的要求 加工制造容易 检修清洗方便 热损失小 缺点 允许操作压力较低 最高不超过1961kPa 否则容易渗漏 操作温度不能太高 因受垫片耐热性能的限制 处理量不大 因板间距小 流道截面较小 流速亦不能过大 2 螺旋板式换热器 由两张平行的薄钢卷制而成 两板之间焊有定距柱以保持两板间距和增加螺旋板的刚度 优点 结构紧凑 单位体积提供的传热面积大 总传热系数较大 传热效率高 不易堵塞 缺点 操作压力和温度不能太高 流体阻力大 不易检修 夹套要装在容器外部 在夹套和器壁间形成密闭的空间 成为一种流体的通道 使用注意事项 该换热器结构简单 主要用于反应器的加热或冷却 适于传热量不大的场合 为提高传热性能 可在容器内安装搅拌器 使器内液体作强制对流 当用蒸汽进行加热时 蒸汽由上部接管进入夹套 冷凝水由下部接管中排出 用于冷却时 则冷却水由下部进入 由上部流出 由于夹套内部清洗困难 故一般用不易产生垢层的水蒸汽 冷却水等作为载热体 5夹套式换热器 习题1蒸汽管道的外径为壁面220mm 其上覆盖一层厚为200mm的保温层 蒸汽管外表面温度为177 保温层外表面温度为40 保温材料 0 52 9 10 4t w m 求每米管长之热损失 解 分离变量积分 习题2 传热综合问题 在1m长的套管换热器中用热水将管内的果汁从t1 10 加热至t2 50 热水从进口温度T1 98 降至T2 68 两流体并流流动 求 1 欲将果汁加热至t 2 60 管长需增加多少米 2 若改用逆流操作后管长增加多少米 上述各工况下热水 果汁的流量 入口温度 所有的物性参数均不变且忽略热损失 解 换热器中两流体无相变化 则有 Q Whcph T1 T2 Wccpc t2 t1 当果汁加热至t 2 60 时 设水的出口温度为T2 根据题意有 联立式a和b