第10章传热过程分析与换热器的热计算

1、2022-6-15第第1010章章 2022-6-15 主主 要要 内内 容容 10.1 10.1传热过程的分析和计算传热过程的分析和计算 10.2 10.2换热器的类型换热器的类型 10.3 10.3传热过程的平均温差及计算传热过程的平均温差及计算 10.4 10.4间壁式换热器的热设计间壁式换热器的热设计2022-6-1510.1.1 通过平壁的传热过程通过平壁的传热过程10.1.2 通过圆筒壁的传热过程通过圆筒壁的传热过程10.1.3 通过肋壁的传热过程通过肋壁的传热过程10.1.4 肋片和保温对传热的影响肋片和保温对传热的影响10.1 10.1 传热过程的分析和计算传热过程的分析和计算

2、10.1 10.1 传热过程的分析和计算传热过程的分析和计算2022-6-1510.1.1 通过平壁的传热过程通过平壁的传热过程等效电路图等效电路图(共三个环节串联共三个环节串联):10.1 10.1 传热过程的分析和计算传热过程的分析和计算2022-6-1521111hhkAhAAhttff212111 通过平壁的传热量：通过平壁的传热量：tkAttkAff)(2110.1 10.1 传热过程的分析和计算传热过程的分析和计算影响影响因素因素分析分析2022-6-1510.1.2 通过圆筒壁的传热过程通过圆筒壁的传热过程10.1 10.1 传热过程的分析和计算传热过程的分析和计算等效电路图等效

3、电路图(共三个环节串联共三个环节串联):ooioiifofiooioiifofidhdddhttlldhlddldhtt12)/ln(1)(12)/ln(1定义定义：(1) 以以圆圆管外侧面积为基准的传热系数管外侧面积为基准的传热系数 k)()(0000ffiffittldkttkA00001ln21hddddhdkiii(2) 以以圆管内侧圆管内侧面积为基准面积为基准的传热系数的传热系数 ki)()(00ffiiiffiiittldkttAk000ln211dhddddhkiiiii通过圆筒壁的传热量：通过圆筒壁的传热量：10.1 10.1 传热过程的分析和计算传热过程的分析和计算2022-

4、6-1510.1.3 通过肋壁的传热过程通过肋壁的传热过程10.1 10.1 传热过程的分析和计算传热过程的分析和计算)(11wfiittAh)(1wowittA)()(21fomofowoottAhttAh2022-6-1510.1.3 通过肋壁的传热过程通过肋壁的传热过程10.1 10.1 传热过程的分析和计算传热过程的分析和计算)()()(21fowoooofowofofowoottAhttAhttAh（1）肋片效率和肋壁总效率）肋片效率和肋壁总效率)()(220fowoofomofttAhttAhQQofoAAA)(21肋面总效率2022-6-15(2)(2)肋壁传热过程分析肋壁传热过

5、程分析)(:)(:)(:0000000fwwwiiwifiiiittAhttAttAh肋侧壁面光侧0,i热稳态时解得：解得：)()(110000000ffiifffifiiiffittAkttAkAhAAhtt10.1 10.1 传热过程的分析和计算传热过程的分析和计算2022-6-15肋壁的传热系数：肋壁的传热系数：( (a)a)以肋侧总表面积以肋侧总表面积A A0 0为基准的肋壁传热系数为：为基准的肋壁传热系数为：000011hAAAhAkiiif( (b)b)以以光侧表面积光侧表面积Ai为基准的肋壁传热系数为：为基准的肋壁传热系数为：0000011111hhAhAhkiiif( (c)c

6、)未未加肋时平壁的传热系数为：加肋时平壁的传热系数为：0111hhki称为肋化系数,0iAA10.1 10.1 传热过程的分析和计算传热过程的分析和计算2022-6-1510.1.4 肋片和保温对传热影响肋片和保温对传热影响问题：问题：在圆管或平壁外加肋是否一定能增强传热？在圆管或平壁外加肋是否一定能增强传热？ 在圆管或平壁外敷设保温层是否一定能削弱传热？在圆管或平壁外敷设保温层是否一定能削弱传热？(2)加保温层后加保温层后0000011111hhAhAhkiiifoihhk11110.1 10.1 传热过程的分析和计算传热过程的分析和计算(1)加肋后加肋后oifhhk111111 、平壁：、

7、平壁：2022-6-152、圆筒壁：、圆筒壁：(1) 加肋后加肋后10.1 10.1 传热过程的分析和计算传热过程的分析和计算00002)/ln(11dhddddhkiioiif000ln211dhddddhkiiiii(2) 加保温层后加保温层后ldhddlddlldhRxxxt22121111ln21ln2112022-6-15临界热绝缘直径临界热绝缘直径:02hdcrd0dcr时时,d0.10.1 10.1 传热过程的分析和计算传热过程的分析和计算2022-6-15 基基 本本 要要 求求1掌握传热过程的概念及宏观规律掌握传热过程的概念及宏观规律2掌握传热系数的概念及影响因素，并能计算掌

8、握传热系数的概念及影响因素，并能计算 常见传热过程的传热系数常见传热过程的传热系数3掌握肋片效率和肋片总效率的物理意义掌握肋片效率和肋片总效率的物理意义4掌握保温或肋片对圆管或平板的传热影响掌握保温或肋片对圆管或平板的传热影响10.1 10.1 传热过程的分析和计算传热过程的分析和计算2022-6-1510.2.1 换热器的分类换热器的分类10.2.2 间壁式换热器的主要型式间壁式换热器的主要型式10-2 换热器的类型换热器的类型10.2 10.2 换热器的类型换热器的类型2022-6-1510.2.1 换热器的分类换热器的分类按操作过程分按操作过程分:间壁式间壁式也称表面式，在工程中最常用也

9、称表面式，在工程中最常用混合式混合式适用于冷热流体为同类介质的场合适用于冷热流体为同类介质的场合回热式回热式(蓄热式蓄热式) 适用于气体与气体间的换热适用于气体与气体间的换热 换热器换热器使热量从热流体传递到冷流体使热量从热流体传递到冷流体, ,以满足规以满足规 定的工艺要求的装置定的工艺要求的装置10.2 10.2 换热器的类型换热器的类型2022-6-151. 壳管式换热器壳管式换热器10.2 10.2 换热器的类型换热器的类型2022-6-1510.2 10.2 换热器的类型换热器的类型1-21-2型换热器型换热器2022-6-15列管式冷凝器实例列管式冷凝器实例 10.2 10.2 换

10、热器的类型换热器的类型2022-6-15波纹管换热器波纹管换热器波纹换热管波纹换热管 10.2 10.2 换热器的类型换热器的类型2022-6-15适用适用: 传热量不大或流体流量不大的情形传热量不大或流体流量不大的情形 2.套管换热器套管换热器10.2 10.2 换热器的类型换热器的类型2022-6-153. 板式换热器板式换热器10.2 10.2 换热器的类型换热器的类型(c)2022-6-15特点：特点：结构紧凑结构紧凑 ,占用空间小；传热系数高占用空间小；传热系数高 ；2022-6-154. 交叉流换热器交叉流换热器例：板翅式换热器例：板翅式换热器10.2 10.2 换热器的类型换热器

11、的类型板翅交叉流板翅交叉流管束交叉流管束交叉流2022-6-15 基基 本本 要要 求求1了解换热器的分类了解换热器的分类2. 识别常用换热器，能说出管壳换热器和板式识别常用换热器，能说出管壳换热器和板式换热器的流程换热器的流程10.2 10.2 换热器的类型换热器的类型2022-6-1510.3.1简单顺、逆流换热器平均温差的计算简单顺、逆流换热器平均温差的计算10.3.2其他复杂布置时平均温差的计算其他复杂布置时平均温差的计算10-3 换热器的平均温差换热器的平均温差10.3 10.3 换热器的平均温差换热器的平均温差2022-6-15 简化假定简化假定: a. 冷、热流体的质量流量冷、热

12、流体的质量流量qm2、qm1及比热容及比热容c2、 c1在整个换热面上都是常量；在整个换热面上都是常量； b. 传热系数传热系数 k 在整个换热面上不变；在整个换热面上不变； c. 换热器无散热损失；换热器无散热损失； d. 换热面沿流动方向的导热量可忽略不计。换热面沿流动方向的导热量可忽略不计。10.3 10.3 换热器的平均温差换热器的平均温差10.3.1简单顺、逆流换热器平均温差的计算简单顺、逆流换热器平均温差的计算2022-6-151.顺流换热器顺流换热器22211121dtcqddtcqdtdAkdtttmm在在dA中中:tdAkddcqcqdtdttdmm)11()(2211211

13、0.3 10.3 换热器的平均温差换热器的平均温差（2）（3）（4）（5）（6）（7）（1）2022-6-15) 1(10kAAxmekAtdAtAt或：或：minmaxminmaxlntttttmlntttt= 将上式沿全换热面积分平均，即可得整个换热将上式沿全换热面积分平均，即可得整个换热面的平均温差面的平均温差tm:xkAxett得截面得截面Ax处的温差处的温差t tx x与与Ax的关系为的关系为:10.3 10.3 换热器的平均温差换热器的平均温差2022-6-152.逆流换热器逆流换热器minmaxminmaxlntttttm2022-6-15 3. 平均温压的平均温压的简化计算简化

14、计算用算术平均温差代替对数平均温差用算术平均温差代替对数平均温差)(21minmaxtttm%3 . 2,7 . 1.minmax差别时tta%0 . 4,2.minmax差别时ttb条件：条件：10.3 10.3 换热器的平均温差换热器的平均温差2022-6-1510.3.2 其他复杂布置时平均温差的计算其他复杂布置时平均温差的计算 采用修正系数线算图求解采用修正系数线算图求解(1)以给定的冷热流体的进出口温度以给定的冷热流体的进出口温度,计算按逆流计算按逆流 布置时的对数平均温差布置时的对数平均温差(t tm m ) )ctfctf(2)根据流动型式根据流动型式, 根据根据P、R从相应的线

15、算图中查从相应的线算图中查 得修正系数得修正系数, 则则:ctfmmtt)(ctfmmtt)(10.3 10.3 换热器的平均温差换热器的平均温差2022-6-15 基基 本本 要要 求求1掌握不同换热器平均温差的计算方法掌握不同换热器平均温差的计算方法2会分析换热器内冷热流体的变化规律会分析换热器内冷热流体的变化规律10.3 10.3 换热器的平均温差换热器的平均温差2022-6-15 10.4 10.4 间壁式换热器的热设计间壁式换热器的热设计换热器的热设计类型换热器的热设计类型 1. 1.设计计算设计计算 2.2.校核计算校核计算换热器热设计的基本方法换热器热设计的基本方法 1.1.平均

16、温压法平均温压法* * 2.2.传热传热单元数法单元数法换热器的污垢热阻及对传热的影响换热器的污垢热阻及对传热的影响换热器的综合设计换热器的综合设计10.4 10.4 间壁式换热器的热设计间壁式换热器的热设计2022-6-15 换热器热设计的基本公式换热器热设计的基本公式, , , , ,:22112211ttttcqcqkAmm变量mtkA:传热方程)(1111ttcqm)1510() (2222ttcqm热平衡方程热平衡方程:(10-14)10.4 10.4 间壁式换热器的热设计间壁式换热器的热设计2022-6-151.两种类型的设计两种类型的设计 设计计算与校核计算设计计算与校核计算 已

17、知：两个水当量已知：两个水当量qm1c1和和qm2c2、四个进出口温、四个进出口温 度中的三个度中的三个 求：求： 另一温度值、另一温度值、kA、传热量、传热量 已知：已知： kA、两个水当量、两个进口温度、两个水当量、两个进口温度t1、t2 求：求： 两个出口温度两个出口温度t1”、t2”、及传热量、及传热量 设计计算设计计算 校核计算校核计算10.4.1 两种类型的设计和两种设计方法两种类型的设计和两种设计方法10.4 10.4 间壁式换热器的热设计间壁式换热器的热设计2022-6-152. 换热器的两种热计算方法换热器的两种热计算方法平均温压法平均温压法(LMTD法法) 传热单元数法传热

18、单元数法效能效能传热单元数法传热单元数法(-NTU-NTU法法) )平均温压法用于校核计算的步骤见平均温压法用于校核计算的步骤见P485(需试算需试算)常用于设计计算常用于设计计算(可直接进行计算可直接进行计算) 具体步骤见具体步骤见常用于校核计算常用于校核计算计算步骤与平均温压法大致相似计算步骤与平均温压法大致相似10.4 10.4 间壁式换热器的热设计间壁式换热器的热设计2022-6-15 10.4.2 换热器热设计的平均温差法换热器热设计的平均温差法(LMTD法法) 1.平均温压法用于设计计算的步骤平均温压法用于设计计算的步骤 :(1)初步布置换热面初步布置换热面, 并计算传热系数并计算

19、传热系数k;(2)由热平衡式求出第由热平衡式求出第4个温度个温度;(3)计算平均温差计算平均温差(注意保持修正系数具有合适的注意保持修正系数具有合适的 数值数值;(4)由传热方程求出所需传热面积由传热方程求出所需传热面积A,并核算流动并核算流动 阻力阻力;(5)如流动阻力过大如流动阻力过大, 改变方安重新设计改变方安重新设计.10.4 10.4 间壁式换热器的热设计间壁式换热器的热设计2022-6-152.平均温压法用于校核计算的步骤平均温压法用于校核计算的步骤(迭代法迭代法):(1)假定假定1 个出口温度个出口温度,按热平衡方程求出另一出口按热平衡方程求出另一出口 温度温度;(2)计算平均温

20、差计算平均温差;(3)根据换热器的结构根据换热器的结构, 计算传热系数计算传热系数k;(4)已知已知kA, tm, 由传热方程求出传热量由传热方程求出传热量htht; (5)根据根据4个温度个温度, 由热平衡方程求出另一传热量由热平衡方程求出另一传热量hb;(6)比较比较ht与与hb(要求两者之差小于要求两者之差小于2%5%).10.4 10.4 间壁式换热器的热设计间壁式换热器的热设计2022-6-15)1610() (:21max最大可能换热效果实际换热效果定义tttt)1710() ()()()(:21minmaxminttcqttcqmm则换热器的传热量为1. 换热器效能换热器效能的定

21、义的定义(效能效能的概念与计算是传热单元数法的关键的概念与计算是传热单元数法的关键)10.4.3 换热器热设计的效能换热器热设计的效能传热单元数法传热单元数法 (-NTU法法), 简称传热单元数法简称传热单元数法 10.4 10.4 间壁式换热器的热设计间壁式换热器的热设计2022-6-152. 效能效能的计算的计算式式(10-19)式式(10-23)1910()()(1)()(1)(exp1:) 1 (maxminmaxmincqcqcqcqNTUmmmm顺流大小表征换热器换热能力的称为传热单元数式中,)(,mincqkANTUm)2010()()(1)(exp)()(1)()(1)(exp

22、1:)2(maxminmaxminmaxmincqcqNTUcqcqcqcqNTUmmmmmm逆流10.4 10.4 间壁式换热器的热设计间壁式换热器的热设计2022-6-15(3)简化计算式简化计算式其中任一流体发生相变时，其中任一流体发生相变时，(qmc)max顺、逆流换热器均有：顺、逆流换热器均有：)2110()exp(1NTU两种流体的水当量相等，即两种流体的水当量相等，即(qmc)max= (qmc)min顺流：顺流：)2210(2)2exp(1NTU逆流：逆流：)2310(1NTUNTU)()(,:)4(maxmincqcqNTUfmm其他流动形式 不同流动形式换热器的不同流动形式

23、换热器的NTUNTU关系图关系图详见图详见图10.4 10.4 间壁式换热器的热设计间壁式换热器的热设计2022-6-15三个无因次量：三个无因次量： 换热器的效能换热器的效能及其计算及其计算)1610()(:21max最大可能换热效果实际换热效果定义tttt计算计算式式(10-18)式式(10-23)、线算图、线算图)()(min大小表征换热器换热能力的传热单元数GckANTU 水当量比水当量比:maxmin)()(GcGcCr10.4 10.4 间壁式换热器的热设计间壁式换热器的热设计2022-6-152022-6-15 (1)计算传热单元数计算传热单元数 (2)计算两个水当量之比计算两个

24、水当量之比 (3)根据换热器型从相应线算图中查得效能根据换热器型从相应线算图中查得效能 值值. (4)由热方程计算传热量由热方程计算传热量 (2)计算两个出口温度计算两个出口温度min)(GckANTU maxmin)()(GcGcCr 已知：已知： kA、两个水当量、两个进口温度、两个水当量、两个进口温度t1、t2 求：求： 两个出口温度两个出口温度t1”、t2”、及传热量、及传热量3. 采用传热单元数法计算换热器的步骤采用传热单元数法计算换热器的步骤(需试算需试算) 10.4 10.4 间壁式换热器的热设计间壁式换热器的热设计2022-6-1510.4.4 换热器的污垢热阻换热器的污垢热阻2. 污垢对