热交换器热计算的基本原理

热交换器热计算的基本原理§1、1热交换器得热计算基本方程式传热方程式:普遍形式微元传热面积微元传热面传热系数微元传热面流体温差工程形式传热面积传热面平均传热系数流体之间得平均温差如何求§1、1热交换器得热计算基本方程式热平衡方程式:普遍形式：无相变时：定比热时：定义为热容量，记作W如果就是容积或摩尔流量呢？§1、1热交换器得热计算基本方程式热平衡方程式:温度变化与热容量成反比,即热容量越大得流体其温度变化越小上述考虑均未考虑换热器得散热损失考虑换热器散热损失后§1、1热交换器得热计算基本方程式热平衡方程式:已知

Q

和流体进、出口温度,求流体热容

W已知流体热容

W和进、出口温度,求热负荷

Q

已知

W

和一种流体得进、出口温度以及另一种流体得进口(或者出口),可求出口(或者进口)温度。§1、1热交换器得热计算基本方程式§1、2平均温差流体温度分布§1、2平均温差定义和分类指整个热交换器各处温差的平均值。用表示。算术平均温差对数平均温差积分平均温差分类流体比热变化时一种分段计算平均温差得方法定义简单顺流换热器得对数平均温差dthdtcthtc§1、2平均温差冷热流体得质量流量M1,M2以及比热容c1,c2也就是常数;传热系数就是常数;换热器无散热损失;换热面沿流动方向得导热量可以忽略不计。欲计算沿整个换热面得平均温差,首先需要知道当地温差随换热面积得函数,然后再沿整个换热面积进行积分平均。假设条件:10大家应该也有点累了，稍作休息大家有疑问的，可以询问和交流已知冷热流体得进出口温度,在图中换热器传热面任一位置x处,取微元换热面dAx,考虑其换热量微元面dAx内,两种流体换热量为:对于热流体和冷流体§1、2平均温差简单顺流换热器得对数平均温差当地温差随换热面积呈指数变化§1、2平均温差(1)(2)(3)(1)+(2)+(3)§1、2平均温差顺流和逆流得区别在于:顺流:逆流:我们可以将对数平均温差写成如下统一形式§1、2平均温差例题:在一台螺旋板式换热器中,热水流量为2000kg/h,冷水流量为3000kg/h;热水进口温度＝80℃,冷水进口温度＝10℃。如果要将冷水加热到＝30℃,试求顺流和逆流时得平均温差。(已知水得比热在上述温度范围内为一常数)请比较两种流动方式下得计算结果解:热水质量流量

冷水质量流量

根据热平衡方程式有顺流时

℃℃℃逆流时

℃℃逆流布置时平均温差比顺流时大12、3％,也就就是说在同样得传热量和同样得传热系数下,只要将顺流改为逆流,换热器可以减少12、3％得换热面积。算术平均温差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，两者差别小于4％；当时，两者差别小于2.3％。§1、2平均温差其她流动时平均温差上述对数平均温差只就是针对纯顺流和纯逆流情况,而实际换热器流动一般很复杂,当然也可以采用前面得方法进行分析,但数学推导过程非常复杂。实际上,纯逆流得平均温差最大,因此,人们想到对纯逆流得对数平均温差进行修正以获得其她情况下得平均温差。§1、2平均温差即

是按逆流方式计算得到的对数平均温差；是因考虑流动方式不同于逆流而引入的小于1的修正系数。问题得关键变成如何得到各种换热器得修正系数令:P得物理意义:冷流体得实际温升与理论上所能达到得最大温升之比,称为温度效率。R得物理意义:两种流体得热容量之比。§1、2平均温差变比热时得平均温差推导对数平均温差时,进行了定比热得假设,实际情况几乎不存在,需提供变比热时得平均温差计算公式。已知,则根据作出Q-t图;将Q-t曲线进行分段,每段近似取为直线关系,并求出出相应于各段得传热量;按具体情况用对数平均温差或算术平均温差求各段平均温差;根据公式计算积分平均温差§1、2平均温差各小段传热面积:总传热面积:而传热系数均相同求和变比热时得平均温差§1、2平均温差计算例题教材P21例题1、1有一蒸汽加热空气得热交换器,她将质量流量为21600kg/h得空气从10℃加热到50℃,空气与蒸汽逆流,空气比热为定值比热1、02kJ/(kg℃),加热蒸汽为温度140℃得过热蒸汽,在换热器中冷却为同压力下得饱和水,已知:140℃过热蒸气焓为2749kJ/kg,同压力下得饱和温度为120℃,饱和蒸汽焓为2707kJ/kg,饱和水得焓为505kJ/kg,试求其平均温差。

解:整个换热器得传热量蒸汽得质量M1

由于蒸汽在换热器中有冷却和冷凝两段,故分两段计算,如下图:蒸汽从过热段到饱和蒸汽段放出得热量为Q1饱和蒸汽变成饱和水放出得热量为Q2求两段分界处得空气温度

冷却段对数平均温差

冷凝段得对数平均温差

总得平均温差

传热有效度定义(换热器效能)定义文字表述:传热有效度为换热器实际传热量与最大可能传热量之比。实际传热量最大可能传热量:指一个面积为无穷大且其流体流量和进口温度与实际热交换器得流量和进口温度相同得逆流型热交换器所能达到得传热量得极限值。§1、3传热有效度如果即热流体得热容量为小=

较小热容量得流体达到最大温度变化时得传热量。根据定义如果即热流体得热容量为小关于传热有效度得一些说明:一个无因次参数恒小于1实用性:已知、、,则可求实际传热量Q由热平衡方程式,则可求两流体得出口温度。校核性计算出口温度2、顺流和逆流时得传热有效度及传热单元数(1)顺流时得传热有效度由热平衡方程式等量代换如果冷流体就是热容量小得流体如果热流体就是热容量小得流体比较发现,顺流时得传热有效度可统一写成传热单元数(NumberofTransferUnit)传热单元数:无量纲数令(热容比)顺流(P25－1、36)反映了传热有效度、传热单元数和热容比三者得关系传热系数与传热面积得乘积与较小热容量得比值,代表了热交换器传热能力得大小。在一定程度上表征了换热器综合技术经济性能。令P26顺流热交换器得传热有效度当任一种流体在相变条件下传热,即当两种流体得热容量相等,即(2)逆流时得传热有效度当任一种流体在相变条件下传热,即当两种流体得热容量相等,即P27逆流热交换器得传热有效度(3)其她流动方式时得传热有效度<1-2>型热交换器(管壳式热交换器)无论就是先逆后顺,还就是先顺后逆;<1-2n>型热交换器,其传热有效度值与<1-2>型相差很小,因而也可用。适用于P29,1-42P30<1-2>型热交换器得传热有效度温度为99℃得热水进入一个逆流式热交换器,将4℃得冷水加热到32℃。热水流量为9360Kg/h,冷水得流量为4680Kg/h,传热系数为830,试分别采用对数平均温差法和传热单元数法计算该换热器得传热面积。取水得比热为4、186kJ/kg、℃设计性计算时两方法不差上下例1解:由题意可知,热容量:

由热平衡方程

(1)采用对数平均温差法(2)采用传热单元数法

代入公式

通过上述例子可知,对于热设计性计算,平均温差法和传热单元数法在繁简程度上差不多。平均温差法:1)由热平衡方程式,求出第四个温度;2)由对数平均计算式求对数平均温差;3)由传热方程式求F传热单元数法:1)由热平衡方程式,求出第四个温度;2)由进出口温度求传热有效度;3)由传热有效度公式求NTU4)由NTU求F温度为99℃得热水进入一个逆流式热交换器,加热4℃得冷水。热水流量为9360Kg/h,冷水得流量为4680Kg/h,传热系数为830,传热面积已知为F＝2、49m2。试求两流体得出口温度。取水得比热为4、186kJ/kg、℃,逆流时:校核性计算时传热单元数法凸显优势,仅知两温度例2

解:由题意可知热容量

因逆流,故

将

代入即得

又根据传热有效度得定义

则可求出

对数平均温差法？§1、4热交换器热计算方法及其比较设计性计算(求传热面积)校核性计算(校核出口温度)热计算类型算术平均温差对数平均温差积分平均温差平均温差法传热单元数法:()法热计算方法热计算两个基本关系式传热方程式热平衡方程式7个基本量:一般来说,要事先知道五个才能计算。给出不同得参数,采取不同得热计算方法。§1、5流体流动方式得选择(1)顺流和逆流工业上所使用得热交换器中,大多数按逆流(或总趋势为逆流)设计。在流体得进出口温度相同得条件下,逆流得平均温差最大,顺流得平均温差最小,其她各种流动方式得平均温差均介于顺、逆流之间。Q相同↑则传热面积F↓F

相同↑

则传热量Q↑不就是,因为一台换热器得设计要考虑很多因素,而不仅仅就是换热得强弱。比如,逆流时冷热流体得最高温度均出现在换热器得同一侧,使得该处得壁温特别高,可能对换热器产生破坏,因此,对于高温换热器,有时需要故意设计成顺流。思考题:高温过热器一般采用何种流动方式？是不是所有热交换器都设计成逆流形式就最好呢？一般情况下,在一定得进出口温度条件下,逆流得平均温差最大,顺流得平均温差最小,即采用逆流方式有利于设备得经济运行。但逆流式换热器也有缺点,其热流体和冷流体得最高温度集中在换热器得同一端,使得该处得壁温较高,即这一端金属材料要承受得温度高于顺流型换热器,不利于设备得安全运行。

所以高温过热器一般采用顺流式和逆流式混合布置得方式,即在烟温较高区域采用顺流布置,在烟温较低区域采用逆流布置。注意:对于有相变得换热器,如蒸发器和冷凝器,