换热器计算课件

传热过程分析与换热器热计算本章的学习目的分析实际传热问题的能力综合应用三种基本传热方式及其相关公式的能力了解换热器的基本知识和设计过程§

7-1传热过程的分析和计算

传热过程？基本计算式(传热方程式)？式中：K是传热系数(总传热系数)。对于不同的传热过程，K的计算公式也不同。1通过平壁的传热K的计算公式？说明：(1)h1和h2的计算；（2）如果计及辐射时对流换热系数应该采用等效换热系数(总表面传热系数)单相对流：膜态沸腾：(7-24)(6-23)2通过圆管的传热hiho内部对流：圆柱面导热：外部对流：其中：3通过肋壁的传热肋壁面积：稳态下换热情况：A1A2Ai肋面总效率定义肋化系数：

则传热系数为所以，只要就可以起到强化换热的效果。4带保温层的圆管传热——临界热绝缘直径圆管外敷保温层后：可见，保温层使得导热热阻增加，换热削弱；另一方面，降低了对流换热热阻，使得换热赠强，那么，综合效果到底是增强还是削弱呢？这要看d/ddo2和d2/ddo22的值可见，确实是有一个极值存在，那么，到底是极大值，还是极小值呢？从热量的基本传递规律可知，应该是极大值。也就是说，do2在do1~dcr之间，是增加的，当do2大于dcr时，降低。or§

7-2换热器的型式及平均温差换热器的定义：用来使热量从热流体传递到冷流体，以满足规定的工艺要求的装置2换热器的分类：三种类型换热器简介3间壁式换热器的主要型式套管式换热器：最简单的一种间壁式换热器，流体有顺流和逆流两种，适用于传热量不大或流体流量不大的情形顺流逆流(2)管壳式换热器：：最主要的一种间间壁式换热器，，传热面由管束束组成，管子两两端固定在管板板上，管束与管管板再封装在外外壳内。两种流流体分管程和壳程。增加管程进一步增加管程程和壳程(3)交叉流换热器：：间壁式换热器的的又一种主要形形式。其主要特特点是冷热流体体呈交叉状流动动。交叉流换热热器又分管束式式、管翅式和板板翅式三种。(c)板翅式交叉流换换热器(4)板式换热器：由一组几何结构构相同的平行薄薄平板叠加所组组成，冷热流体体间隔地在每个个通道中流动，，其特点是拆卸卸清洗方便，故故适用于含有易易结垢物的流体体。单位体积内所包包含的换热面积积作为衡量换热热器紧凑程度的的衡量指标，一一般将大于700m2/m3的换热器称为紧凑式换热器，板翅式换热器器多属于紧凑式式，因此，日益益受到重视。(5)螺旋板式换热器器：换热表面由两块块金属板卷制而而成，有点：换换热效果好；缺缺点：密封比较较困难。4简单顺流及逆流流换热器的对数数平均温差传热方程的一般般形式：这个过程对于传传热过程是通用用的，但是当温温差沿沿整个壁面不不是常数时，比比如等壁温条件件下的管内对流流换热，以及我我们现在遇到的的换热器等。对对于前者我们曾曾经提到过对数数平均温差(LMTD)的公式，但是没没有给出推导。。下面我们就来来看看LMTD的推导过程dthdtcthtc以顺流情况为例，并作作如下假设：（1）冷热流体的质质量流量qm2、qm1以及比热容c2,c1是常数；(2)传热系数是常数数；（3）换热器无散热热损失；（4）换热面沿流动动方向的导热量量可以忽略不计计。要想计算沿整个个换热面的平均均温差，首先需需要知道当地温温差随换热面积积的变化，即，，然后再沿整个个换热面积进行行平均在前面假设的基基础上，并已知知冷热流体的进进出口温度，现现在来看图7-13中微元换热面dA一段的传热。温温差为：在固体微元面dA内，两种流体的的换热量为:对于热流体和冷冷流体:可见，当地温差差随换热面呈指指数变化，则沿沿整个换热面的的平均温差为：：(1)(2)(3)(1)+(2)+(3)对数平均温差顺流：逆流时：其他过程和公式式与顺流是完全全一样，因此，，最终仍然可以以得到：顺流和逆流的区区别在于：顺流：逆流：或者我们也可以以将对数平均温温差写成如下统统一形式(顺流和逆逆流都适适用)5算术平均均温差平均温差差的另一一种更为为简单的的形式是是算术平平均温差差，即算术平均温差相当于温度呈直线变化的情况，因此，总是大于相同进出口温度下的对数平均温差，当时，两者的差别小于4％；当时，两者的差别小于2.3％。6其他复杂杂布置时时换热器器平均温温差的计计算以上所讨讨论的对对数平均均温差(LMTD)只是针对对纯顺流流和纯逆逆流情况况，而这这种情况况的出现现是比较较少的，，实际换换热器一一般都是是处于顺顺流和逆逆流之间间，或者者有时是是逆流，，有时又又是顺流流。对于于这种复复杂情况况，我们们当然也也可以采采用前面面的方法法进行分分析，但但数学推推导将非非常复杂杂，实际际上，逆逆流的平平均温差差最大，，因此，，人们想想到对纯纯逆流的的对数平平均温差差进行修修正以获获得其他他情况下下的平均均温差。。是给定的的冷热流流体的进进出口温温度布置置成逆流流时的LMTD，是小于于1的修正系关于的的注意事事项（1）值取决于于无量纲参数数P和R式中：下标1、2分别表示两种种流体，上角角标`表示进口，``表示出口，图图表中均以P为横坐标，R为参量。（3）R的物理意义：：两种流体的的热容量之比比（2）P的物理意义：：流体2的实际温升与与理论上所能能达到的最大温升之之比，所以只只能小于1（4）对于管壳式换换热器，查图图时需要注意意流动的“程程”数7各种流动形式式的比较顺流和逆流流是两种极极端情况，，在相同的的进出口温温度下，逆逆流的最最大，顺流流则最小；；顺流时，，而逆逆流时，则InOutInOut(3)那么是不是是所有的换换热器都设设计成逆流流形式的就就最好呢？？不是，因因为一台换换热器的设设计要考虑虑很多因素素，而不仅仅仅是换热热的强弱。。比如，逆逆流时冷热热流体的最最高温度均均出现在换换热器的同同一侧，使使得该处的的壁温特别别高，可能能对换热器器产生破坏坏，因此，，对于高温温换热器，，又是需要要故意设计计成顺流(4)对于有相变变的换热器器，如蒸发发器和冷凝凝器，发生生相变的流流体温度不不变，所以以不存在顺顺流还是逆逆流的问题题。xTInOutxTInOut冷凝蒸发§7-3换热器的热热计算换热器热计计算分两种种情况：设计计算和校核计算(1)设计计算：：设计一个新新的换热器器，以确定定所需的换换热面积校核计算：：对已有或已已选定了换换热面积的的换热器，，在非设计工况条件件下，核算算他能否胜胜任规定的的新任务。。换热器热计计算的基本本方程式是是传热方程式式及热平衡式式中，不不是独独立变量，，因为它取取决于以以及换热热器的布置置。另外，，根据公式式(7-15)可是，一旦旦和以以及及中中的三个已已知的话，，我们就可以计计算出另外外一个温度度。因此，，上面的两两个方程中共有7个未知数，，即需要给定其其中的5个变量，才才可以计算算另外三个个变量。对于设计计算而言，给定定的是，，以及及进出口温度中的三三个，最终终求对于校核计算而言，给定定的一般是是，，以以及2个进口温度，待求求的是换热器的热热计算有两两种方法：：平均温差法法效能-传热单元数数(-NTU)法平均温差法法：就是直接应应用传热方方程和热平平衡方程进进行热计算，其具具体步骤如如下：对于设计计算（（已知，，及及进出口温温度中的三三个，求））初步布置换换热面，并并计算出相相应的总传传热系数k根据给定条条件，由热热平衡式求求出进、出出口温度中中的那个待待定的温度度由冷热流体的4个进出口温度确确定平均温差由传热方程式计计算所需的换热热面积A，并核算换热面面流体的流动阻阻力如果流动阻力过过大，则需要改改变方案重新设设计。对于校核计算（已知知，，及两两个进口温度，，求））先假设一个流体体的出口温度，，按热平衡式计计算另一个出口口温度根据4个进出口温度求求得平均温差根据换热器的结结构，算出相应应工作条件下的的总传热系数k已知kA和，按传传热方程式计算算在假设出口根据4个进出口温度，用热平衡式计算另一个，这个值和上面的，都是在假设出口温度下得到的，因此，都不是真实的换热量比较两个值，满足精度要求，则结束，否则，重新假定出口温度，重复(1)~(6)，直至满足精度要求。2效能-传热单元数法(1)换热器的效能和和传热单元数

a当时，，则

b当时，，则于是，我们可以得到然而，实际情况的船热量q总是小于可能的最大传热量qmax，我们将q/qmax定义为换热器的效能，并用表示，即对于一个已存在在的换热器，如如果已知了效能能和冷热流体体的进口温差，，则实际传热量量可很方便地求求出那么在未知传热热量，之前，又如何计计算？和那些因因素有关？以顺流换热器为例，并并假设，，则有根据热平衡式得得：于是式①，②相加：热容比①②式①代入下式式得：++当时时，，同样的的推导过过程可得得：上面的推导过程得到如下结果，对于顺流：当时上面两个个公式合合并，可可得：换热器效效能公式式中的依依赖赖于换热热器的设设计，则则依赖赖于换热热器的运运行条件件，因此此，在在一定程程度上表表征了换换热器综综合技术术经济性因此，与顺流类似，逆流时：当冷热流体之一发生相变时，相当于，即，于是上面效能公式可简化为当两种流流体的热热容相等等时，即即公式可以以简化为为顺流：逆流：（，，及两两个进口口温度，，求））(2)用效能-传热单元元数法计计算换热热器的步步骤a设计计算算显然，利利用已知知条件可可以计算算出，而而带求的的k，A则包含在在NTU内，因此此，对于于设计计计算是已已知，，求NTU，求解过过程与平平均温差差法相似似，不再再重复b校核计算算由于k事先不知知，所以以仍然需需要假设设一个出出口温度度，具体体如下：：①假设一个个出口温温度，，利用热热平衡式式计算另另一个②利用四个个进出口口温度计计算定性性温度，，确定物物性，并并结合换换热器结结构，计计算总传传热系数数k③利用k,A计算NTU（，及进出口温度中的三个，求）④利用NTU计算⑤利用(7-17)计算，利用用(7-14)计算另一一个⑥比较两个个，是否否满足精精度，否否则重复复以上步步骤从上面步步骤可以以看出，，假设的的出口温温度对传传热量的影响响不是直直接的，，而是通通过定性性温度，，影响总总传热系系数，从从而影响响NTU，并最终终影响值值。而平平均温差差法的假假设温度度直接用用于计算算值值，显然然-NTU法对假设设温度没没有平均均温差法法敏感，，这是该该方法的的优势。。3换热器设设计时的的综合考考虑换热器设设计是综综合性的的课题，，必须考考虑出投投资，运运行费用用，安全全可靠等等诸多因因素。4换热器的的结垢及及污垢热热阻污垢增加加了热阻阻，使传传热系数数减小，，这种热热阻成为为污垢热热阻，用用Rf表示，式中：k为有污垢垢后的换换热面的的传热系系数，k0为洁净换换热面的传热系系数。对于两侧侧均已结结构的管管壳式换换热器，，以管子子外表面面为计算算依据的的传热系系数可以以表示成成：如果管子子外壁没没有肋化化，则肋肋面总效效率o=1。管壳式换换热器的的部分污污垢热阻阻可以在在表7-1种查得。。§7-4传热的强强化和隔隔热保温温技术强化传热热的目的的：缩小设备备尺寸、、提高热热效率、、保证设设备安全全削弱传热热的目的的：减少热量量损失根据不同同的需求求，对于于实际传传热的1强化传热的原则和手段(1)强化换热的原则：哪个环节的热阻大，就对哪个环节采取强化措施。举例：以圆管内充分发展湍流换热为例，其实验关联式为：(2)强化手段:a无源技术(被动技术)；b有源技术(主动式技术术)a无源技术(被动技术)：除了输送送传热介质质的功率消消耗外，无无需附加动动力其主要手段段有：①涂涂层表面；；②粗糙表表面(图7-27)；③扩展表表面(图7-27)；④扰流元元件(图7-30a)；⑤涡流发发生器(图7-30b)；⑥螺旋管管(图7-30c)；⑦添加物物；⑧射射流冲击换换热b有源技术(主动式技术术)：需要外加加的动力其主要手段段有：①对对换热介质质做机械搅搅拌；②使使换热表面面振动；③③使换热瘤瘤体振动；；④将电磁磁场作用于于流体以促促使换热表表面附近流流体的混合合；⑤将异异种或同种种流体喷入入换热介质质或将流体体从换热表表面抽吸走走。对换热器而而言，随着着强化措施施的完善，，污垢热阻阻有时会成成为传热过过程的主要要热阻，因因此，需要要给换热器器的设计提提供哈里的的污垢热阻阻的数据，，这就需要要实验测定定，可是实实验测出来来的是总表表面传热系系数，那么么如何将总总的传热系系数分成各各个环节的的热阻呢？？下面的威威尔逊图解解法提供了了一种有效效途径2确定传热过过程分热阻阻的威尔逊逊图解法利用数据采采集系统可可以测定壁壁面和流体体的温度，，从而获得得平均温差差，利用热热平衡方程程式获得热热流量，换换热面积可可以根据设设计情况获获得，这样样就可以通通过传热方方程式计算算出总表面面传热系数数。这是威尔逊图解解法的基础。我们已管壳壳式换热器器为例，说说明如何应应用威尔逊逊图解法获获得各个分分热阻。总总表面传热热系数可以以表示成：：工业换热器器中的管内内流体的流流动一般都都是处于旺旺盛湍流状状态，hi与流速u0.7成正比，因因此，可以以写成的的形式式，带入上上式：如果能保持持ho不变，Rw壁面的导热热热阻不会会变化，Rf在短时间内内不会有大大的改变，，因此，上上式右边的的前三项可可认为是常常数，用b表示，物性性不变的情情况下，可可以认为为是常数，用m表示，于是是上式可变变为改变管内流流速u，则可以测测得一系列列的总表面面传热系数数，然后绘绘制成图，，则是一条条直线，如如图(7-31)所示从这个图中中可以获得得b，m，和ci，从而，管子内内侧的对流换热热系数这样就将内部部热阻从总传传热系数中分分离出来，然然后，当换热热器运行一段段时间后，再再进行同样过过程的测量，，可以获得另另外一条曲线线，则两条曲曲线截距之差差就是污垢热热阻，这样又又把污垢热阻阻分离出来了了。威尔逊图解法法的前提是有有一侧的换热热热阻基本保保持不变，有有时候这格条条件很难被满满足，因此，，后来人们提提出了一种修修正威尔逊图图解法。3隔热保温技术术(1