换热器理论与分析-3

1、换热器理论与分析换热器理论与分析北京交通大学北京交通大学第三章第三章 换热器的传热分析换热器的传热分析第一节第一节 换热器设计中的根本问题换热器设计中的根本问题一一 传热效果与机械能消耗传热效果与机械能消耗 1 高密度流体，消耗机械能较小高密度流体，消耗机械能较小 2 低密度流体，消耗机械能较大低密度流体，消耗机械能较大二二 换热与摩擦分析换热与摩擦分析 1 提高流速来提高单位面积的传热量提高流速来提高单位面积的传热量nCNuPr)(Re一般，流速增大使传热量的增大小于一次方流速增大，摩一般，流速增大使传热量的增大小于一次方流速增大，摩擦的增大不小于二次方。擦的增大不小于二次方。圆管湍流4/5

2、1/30.023(RePr)Nu 333211()Re24hEfgr换热器理论与分析换热器理论与分析北京交通大学北京交通大学2 增大流通截面积，降低流速，减小摩擦，传热量下降速度低增大流通截面积，降低流速，减小摩擦，传热量下降速度低于阻力下降速度。于阻力下降速度。3 气体换热器，一般选择低流速，采用紧凑式表面。气体换热器，一般选择低流速，采用紧凑式表面。此外，常用的获得对应流速下的较高换热系数的办法此外，常用的获得对应流速下的较高换热系数的办法使壁使壁表面间断，因而不会出现厚边界层，如间断式翅片表面。表面间断，因而不会出现厚边界层，如间断式翅片表面。第二节第二节 三种主要换热系统的传热分析三种

3、主要换热系统的传热分析一一 直接换热型（即间壁式）直接换热型（即间壁式） 两种流体被传热表面分开，交换热能。两种流体被传热表面分开，交换热能。换热器理论与分析换热器理论与分析北京交通大学北京交通大学二二 流体耦合非直接换热型流体耦合非直接换热型 由两个直接换热型单元和强迫流动的传热工质耦合而成。传由两个直接换热型单元和强迫流动的传热工质耦合而成。传热工质在热流体换热器吸收热量，在冷流体换热器中放出热量。热工质在热流体换热器吸收热量，在冷流体换热器中放出热量。（如汽车发动机冷却系统）（如汽车发动机冷却系统）换热器理论与分析换热器理论与分析北京交通大学北京交通大学三三 周期流动型周期流动型 由一个

4、旋转的基体由一个旋转的基体（或阀门控制的两个基（或阀门控制的两个基体）组成，周期性的流体）组成，周期性的流过冷热流体，基体不断过冷热流体，基体不断被加热和冷却，实现热被加热和冷却，实现热能的传递。能的传递。换热器理论与分析换热器理论与分析北京交通大学北京交通大学第三节第三节 直接换热型换热器传热分析直接换热型换热器传热分析一一 换热器变量及热回路换热器变量及热回路 单位时间内微元面积传递的热能：单位时间内微元面积传递的热能：()()hhccdqqdAMcdtMc dt () ()() ()hhhcccAQqdAMcttMctt 总热量总热量()hcdqK ttK tdA单位面积热流率单位面积热

5、流率 QAdqKdAt移项移项换热器理论与分析换热器理论与分析北京交通大学北京交通大学AtKQmm取平均值取平均值 AmdKAK1换热器计算中，一般取换热器计算中，一般取K为常数。（在本质上，为常数。（在本质上，K是变化的，是变化的，取平均与变化是类似，只是取平均与变化是类似，只是K变化的不明显）变化的不明显） mtKAQ如果认为如果认为 、 、 、 为换热器的为换热器的操作条件操作条件（或运行（或运行条件），条件），K、A和流动布置方式为和流动布置方式为设计控制条件设计控制条件。有：。有：htcthMc)(cMc)(,htct 或或 Q = （操作条件，设计控制条件）（操作条件，设计控制条件

6、） 换热器理论与分析换热器理论与分析北京交通大学北京交通大学*直接型换热器总热阻由三部分组成：直接型换热器总热阻由三部分组成： 1）对流传热热阻）对流传热热阻 2）间壁导热热阻）间壁导热热阻 3）污垢热阻）污垢热阻 hhhAR)(10cchAR)(10是表面总效率是表面总效率 0wwwRA k平壁:ln()2oiwwtddRk LN圆管:,01()s hshRh AcscsAhR)(10,换热器理论与分析换热器理论与分析北京交通大学北京交通大学二二 紧凑式换热器的翅片效率与表面效率紧凑式换热器的翅片效率与表面效率 1 翅片效率翅片效率 1）直翅片）直翅片 ：翅片高度：翅片高度， h：换热系数，

7、：换热系数， ：翅片导热系数，：翅片导热系数， ：厚度：厚度 m : 翅片参数翅片参数 薄板翅片：薄板翅片： 圆柱针状翅片：圆柱针状翅片： mlmlthf)(fkhm2lfkkdhm4换热器理论与分析换热器理论与分析北京交通大学北京交通大学 2）环形翅片）环形翅片 修正系数修正系数 ：翅片端部半径；：翅片端部半径； ：翅片基管半径：翅片基管半径 3）整体翅片效率）整体翅片效率00)(mrmrthf)ln35. 01)(1(00rrrreeer0r换热器理论与分析换热器理论与分析北京交通大学北京交通大学 2 表面效率表面效率 一次传热面传热量一次传热面传热量 ，二次传热面传热量，二次传热面传热量

8、fpQQQThAQppThAQffffQpQ 顺排：顺排： 错排：错排： 是等效圆形翅片处半径。是等效圆形翅片处半径。1021.28 (0.2)Rr 1021.27 (0.3)Rr 0R换热器理论与分析换热器理论与分析北京交通大学北京交通大学TAAhQffp)()1 (10ffffpAAAAAThAQ0fpAAA令令换热器理论与分析换热器理论与分析北京交通大学北京交通大学三三 直接换热型直接换热型 1 基本假设基本假设 1）换热器在稳态工况下运行）换热器在稳态工况下运行 2）进口端温度、速度均匀分布）进口端温度、速度均匀分布 3）每一流程任一侧流动均匀）每一流程任一侧流动均匀 4）流动截面温度

9、均匀）流动截面温度均匀 5）比热为常数）比热为常数 6）总传热系数为常数）总传热系数为常数 7）表面效率均匀为常数）表面效率均匀为常数 8）每侧流体传热面积均匀）每侧流体传热面积均匀 9）无相变或常温相变或相变温度随传热量线性变化）无相变或常温相变或相变温度随传热量线性变化 10）不计流体和间壁的纵向导热）不计流体和间壁的纵向导热 11）无内热源，并忽略与环境的热损失）无内热源，并忽略与环境的热损失NTU换热器理论与分析换热器理论与分析北京交通大学北京交通大学2 换热器有效度换热器有效度 0minmin)(）（）（McttMcQchWCMc或 是是 和和 中小者。中小者。 minChCcCmi

10、nmin()()()()hhhccchchcC ttC ttCttCtt令令min0mtKAC或表示为或表示为换热器理论与分析换热器理论与分析北京交通大学北京交通大学它表示换热器无量纲它表示换热器无量纲“换热能力换热能力”。逆流时，。逆流时，随随NTU增大而增大而增大，逐渐逼近热力学极值。增大，逐渐逼近热力学极值。 一定时，增大一定时，增大 A 或或 K 可以提可以提高高NTU。 minC 3 传热单元数传热单元数NTU AKdACCKANTUminmin1换热器理论与分析换热器理论与分析北京交通大学北京交通大学 常用换热器常用换热器NTU范围：范围： 汽车散热器汽车散热器 NTU=0.5 =

11、 40% 蒸汽装置的冷凝器蒸汽装置的冷凝器 NTU=1.0 = 63% 燃气发动机的回热器燃气发动机的回热器 NTU=10 = 90% 液化天然气的回热器液化天然气的回热器 NTU=200 = 99% NTU还可以表示为：还可以表示为： mchmttttNTU)(0minCChmhttNTUmincCCmcttNTU换热器理论与分析换热器理论与分析北京交通大学北京交通大学,minmin111() ()() ()hco hhho ccchcCCLLNTUStStrCrC不计导热热阻和污垢热阻时不计导热热阻和污垢热阻时 maxminmaxmin)()(McMcCCC4 热容量比热容量比 minCC

12、hminCCccchhttCtthhccttCtt有相变时，有相变时， =0 C换热器理论与分析换热器理论与分析北京交通大学北京交通大学 5 关系关系 三个重要的无量纲参数三个重要的无量纲参数、NTU、 1）逆流布置）逆流布置NTUC流动方式布置）,(CNTU)1 (exp1)1 (exp1CNTUCCNTUCNTU1任意任意0C时exp1NTU空气水远大于CC0C如水冷却器如水冷却器 换热器理论与分析换热器理论与分析北京交通大学北京交通大学 蒸发器、冷凝器中蒸发器、冷凝器中 0C1C1NTUNTU回热器中回热器中 2）顺流布置）顺流布置 CCNTU1)1 (exp11CNTU5 . 0NTU

13、1其它状况其它状况 0C与逆流相同与逆流相同 顺流顺流换热器理论与分析换热器理论与分析北京交通大学北京交通大学3）交叉流，流体均不混合）交叉流，流体均不混合 0C与逆流相同与逆流相同 1C)2exp(22110NTUNTUINTUI）（）（与逆流比较较小与逆流比较较小4) 交叉流，一种流体混合，另一种流交叉流，一种流体混合，另一种流体不混合体不混合 换热器理论与分析换热器理论与分析北京交通大学北京交通大学不混合CCmax混合CCmin时时/)exp(1 exp1CCNTU混合CCmax不混合CCmin时时)exp(exp11NTUCCC混合具有混合具有 的状况优于混合的状况优于混合 的状况的状

14、况 minCmaxC换热器理论与分析换热器理论与分析北京交通大学北京交通大学5）交叉流，两种流体均混合）交叉流，两种流体均混合 NTUNTUCCNTU）exp(1exp(111有可能有可能NTU增大，增大，下降下降6）流体在程间混合的）流体在程间混合的n程整体逆流程整体逆流整体有效度与各程有效度整体有效度与各程有效度 的关系：的关系：pCCCnppnpp )1 ()1 ( 1 )1 ()1 ( 1C 时1(1)ppnn换热器理论与分析换热器理论与分析北京交通大学北京交通大学 7）壳程内流体混合的顺）壳程内流体混合的顺-逆流布置逆流布置 ）（）（）（）（eeCC1/111221211）（CNTU

15、适用于单壳程、双管程换热器。对于多程流动状况可以按适用于单壳程、双管程换热器。对于多程流动状况可以按程间混合整体逆流计算，按此壳程混合公式计算程间混合整体逆流计算，按此壳程混合公式计算 。 p换热器理论与分析换热器理论与分析北京交通大学北京交通大学 6 方法与对数平均温差法方法与对数平均温差法LMTD比较比较 1）LMTD方法方法lmQKA tNTUhhccttRttcchcttPtt根据根据P和和R确定确定值所研究换热器的值的纯逆流换热器的具有相同NTUNTU 反映接近纯逆流的程度反映接近纯逆流的程度 cCCminPCRhCCminCP1CR对应关系：对应关系：换热器理论与分析换热器理论与分

16、析北京交通大学北京交通大学 换热器的传热分析分为性能校核和设计两类。换热器的传热分析分为性能校核和设计两类。 2）性能校核）性能校核(Checking Calculation) 换热器尺寸和结构已确定，流体入口流量与温度已知，换热器尺寸和结构已确定，流体入口流量与温度已知，求解传热速率和流体出口温度。求解传热速率和流体出口温度。 3）设计计算）设计计算(Design Calculation) 已确定传热系数、流体入口流量及入口出口温度，求解已确定传热系数、流体入口流量及入口出口温度，求解换热器传热面积（结构型式未定）换热器传热面积（结构型式未定）换热器理论与分析换热器理论与分析北京交通大学北京

17、交通大学 (1). 初步布置换热面，并计算出相应的传热系数初步布置换热面，并计算出相应的传热系数k； (2). 根据给定条件，由热平衡式求出待定温度；根据给定条件，由热平衡式求出待定温度； (3). 由进出口温度确定平均温差由进出口温度确定平均温差 tm，计算是要注意保持修，计算是要注意保持修正系数正系数 具有合适的数值；具有合适的数值； (4). 由传热方程式求出所需的换热面积由传热方程式求出所需的换热面积A，并核算换热面两，并核算换热面两侧流体的流动阻力；侧流体的流动阻力； (5). 如流动阻力过大，改变方案重新设计。如流动阻力过大，改变方案重新设计。a. 设计计算的步骤设计计算的步骤换热

18、器理论与分析换热器理论与分析北京交通大学北京交通大学(1). 先假设一个流体的出口温度，按热平衡方程求出另一个流先假设一个流体的出口温度，按热平衡方程求出另一个流体的出口温度；体的出口温度；(2). 根据根据4个进、出口温度求得平均温差个进、出口温度求得平均温差 tm；(3). 根据换热器的结构，算出相应工作条件下的传热系数根据换热器的结构，算出相应工作条件下的传热系数k；(4). 已知已知kF和和 tm ，按传热方程式求出，按传热方程式求出Q值值 ；(5). 根据根据4个进、出口温度，用热平衡式求的另一个个进、出口温度，用热平衡式求的另一个 Q 值；值；(6). 比较步骤比较步骤(4)和和(

19、5)中求得的两个中求得的两个 Q 值。如两者不同，则说值。如两者不同，则说明步骤明步骤(1)中假设的温度不符合实中假设的温度不符合实际。再重新假设一个流体的际。再重新假设一个流体的出口温度，重复步骤出口温度，重复步骤(1)至至(6)，直到两个，直到两个Q值彼此接近时为止。值彼此接近时为止。一般认为两者之差应小于一般认为两者之差应小于2% 5%。 b. 校核计算的步骤校核计算的步骤换热器理论与分析换热器理论与分析北京交通大学北京交通大学 4）LMTD与与 方法的比较方法的比较 a 方法有三个无量纲参数：方法有三个无量纲参数： 、NTU、 。均具有。均具有明确的热力学意义。明确的热力学意义。 LT

20、MD中中 表示偏离纯逆流的程度。表示偏离纯逆流的程度。 b设计计算时，两种方法相当；校核计算时，设计计算时，两种方法相当；校核计算时， 方法方法直接求解，直接求解，LTMD需要大量迭代。需要大量迭代。c 关系可以反映关系可以反映 的增大情况。的增大情况。NTUCNTUNTUNTU换热器理论与分析换热器理论与分析北京交通大学北京交通大学第四节第四节 液体耦合非直接换热器的传热液体耦合非直接换热器的传热一一 主要特点主要特点1 冷热流体不在同一区域换热，可以导致任何形式的换热器冷热流体不在同一区域换热，可以导致任何形式的换热器形状。形状。2 冷热两种流体均为气体时，采用流体耦合，可以采用更紧冷热两

21、种流体均为气体时，采用流体耦合，可以采用更紧凑式的设备布置。凑式的设备布置。3 需要更加多的总传热表面，传热面积大约增大需要更加多的总传热表面，传热面积大约增大10-20%4 耦合回路复杂耦合回路复杂5 缺乏广泛适用的传热工质缺乏广泛适用的传热工质换热器理论与分析换热器理论与分析北京交通大学北京交通大学换热器理论与分析换热器理论与分析北京交通大学北京交通大学二、二、 关系式关系式hcLCCCLhcchhCCCC/11chLCCC1/1chcchLCCCCLhcCCC1111hLchCChcLCCC1111cLchCC换热器理论与分析换热器理论与分析北京交通大学北京交通大学为整体效能，为整体效能

22、，h、c分别为冷热侧分效能。分别为冷热侧分效能。CCChcLCC 111/hcLCChLcCCC 1111cLhhCC1111ccLhCChLcCCC特殊情况，如气体回热器、燃气轮机回热器等：特殊情况，如气体回热器、燃气轮机回热器等：换热器理论与分析换热器理论与分析北京交通大学北京交通大学hchchcKKAAKK/0 . 2/75. 0传热面积的分配范围：传热面积的分配范围： LCC 1111hc耦合度耦合度 ， 最优最优/1LCCLCC LhcCC111换热器理论与分析换热器理论与分析北京交通大学北京交通大学第五节第五节 周期流动型换热器的传热分析周期流动型换热器的传热分析一一 周期流动型换

23、热器周期流动型换热器 1 旋转型旋转型 多孔的基体旋转提供固体通道在冷热流体间周期性变化，多孔的基体旋转提供固体通道在冷热流体间周期性变化，基体被周期性加热和冷却。基体被周期性加热和冷却。 与前面的耦合型有相关之处，基体的作用与耦合液体类似。与前面的耦合型有相关之处，基体的作用与耦合液体类似。 2 阀门型阀门型 阀门切换型有两个相同的基体，由周期性开关控制，冷热阀门切换型有两个相同的基体，由周期性开关控制，冷热流体交替通过每一个基体。流体交替通过每一个基体。换热器理论与分析换热器理论与分析北京交通大学北京交通大学换热器理论与分析换热器理论与分析北京交通大学北京交通大学二二 周期流动型换热器特点

24、周期流动型换热器特点 1 高紧凑（比表面积的数量级为高紧凑（比表面积的数量级为103） 2 低成本低成本 3 自洁自洁 4 少量混合少量混合 5 密封困难（特别是当流体压力不同时）密封困难（特别是当流体压力不同时）三三 关系式关系式 1 旋转型旋转型 在直接换热型的无量纲参数上增加两个在直接换热型的无量纲参数上增加两个 ， Cr)(hA)( ,0hACrCNTU即即换热器理论与分析换热器理论与分析北京交通大学北京交通大学)(1)(111min0chhAhACNTUmaxminCCC 其中修正的传热单元数其中修正的传热单元数 minCCrCr )()()(maxminhAChAChA侧侧chhA

25、hAAK)(1)(110定义定义rrCrM cCr是基体的热容量流率是基体的热容量流率Mr是基体质量流率是基体质量流率n是单位时间旋转次数是单位时间旋转次数 rMM nK0为修正的总传热系数为修正的总传热系数换热器理论与分析换热器理论与分析北京交通大学北京交通大学 、 反映了周期型换热器基体蓄热速率和基体与冷热流反映了周期型换热器基体蓄热速率和基体与冷热流体传热能力对周期型换热器传热的影响。目前尚无封闭的分析体传热能力对周期型换热器传热的影响。目前尚无封闭的分析解，只能采用数值方法。解，只能采用数值方法。 的影响一般可以不考虑。因为的影响一般可以不考虑。因为 范围范围内，内， 引起的误差是引起

26、的误差是的的2%。一般认为一般认为 ，可以忽略，可以忽略 影响。影响。 时时与与 的的值十分接近。值十分接近。经验公式：经验公式： Cr)(hA4)(25. 0hA)(hA)(hA7 . 0C5Cr)(hACr)(911 93. 1Crcf 是直接换热型逆流换热器的有效度，由是直接换热型逆流换热器的有效度，由 求出。求出。CNTU ,0cf换热器理论与分析换热器理论与分析北京交通大学北京交通大学2 阀门型阀门型 引入引入 法。换热器的无量纲参数为法。换热器的无量纲参数为 chch,),(chchhhhChA)(cccChA)(hhrhhPChA,)(ccrccPChA,)(其中其中 ， 分别为

27、热流体和冷流体在芯子中停留的时间，称为流分别为热流体和冷流体在芯子中停留的时间，称为流过周期。过周期。hPcP换热器理论与分析换热器理论与分析北京交通大学北京交通大学 ， 分别为热流体、冷流体通过期间接触到该流体部分分别为热流体、冷流体通过期间接触到该流体部分芯子的热容量。芯子的热容量。 称为无量纲长度。称为无量纲长度。 为无量纲切换时间。为无量纲切换时间。hrC,crC,chch称为平衡对称型回热器称为平衡对称型回热器 mincCC0)(11 NTUhACh0)(1 NTUhAc0)(11 1NTUhACrh0)(1 1NTUhACrc当当 有：有：换热器理论与分析换热器理论与分析北京交通大学北京交通大学chch1C1)(hA若若02NTUCrNTU02则有则有换热器理论与分析换热器理论与分析北京交通大学北京交通大学第六节第六节 壁面纵向导热的影响壁面纵向导热的影响 流体的导热系数较低，一般纵向导热可以忽略。