清华大学传热学课件——第10章

第 10章 传热过程分析与换热器热计算 1主要内容：主要内容：1. 传热过程的分析计算方法（自学）；传热过程的分析计算方法（自学）；2. 换热器的主要型式、结构；换热器的主要型式、结构；3. 换热器的热计算方法。换热器的热计算方法。10.2 换热器的主要类型换热器换热器 ： 用来实现热流体和冷流体间热量交换的用来实现热流体和冷流体间热量交换的装置。装置。按照换热器的工作原理，可分为按照换热器的工作原理，可分为 间壁式、间壁式、 混合式混合式（直接接触式）、回热式（蓄热式）。（直接接触式）、回热式（蓄热式）。2混合式混合式 ：换热器内冷、热流体直接接触、互相混：换热器内冷、热流体直接接触、互相混合来实现热量交换。（如火力发电厂的冷却塔等）合来实现热量交换。（如火力发电厂的冷却塔等） 蓄热式蓄热式 ：冷、热两种流体依次交替地流过换热器：冷、热两种流体依次交替地流过换热器的同一换热面（蓄热体）实现非稳态的热量交换。的同一换热面（蓄热体）实现非稳态的热量交换。 间壁式间壁式 ：换热器内冷、热流体由壁面隔开，热量：换热器内冷、热流体由壁面隔开，热量由热流体到冷流体传递过程是由热流体与壁面间的对由热流体到冷流体传递过程是由热流体与壁面间的对流换热、壁的导热、壁面与冷流体间的对流换热三个流换热、壁的导热、壁面与冷流体间的对流换热三个环节组成的传热过程。环节组成的传热过程。 在以上三种类型的换热器中在以上三种类型的换热器中 间壁式换热器的用量间壁式换热器的用量最大，是占主导地位的换热器型式。最大，是占主导地位的换热器型式。 3套管式换热器示意图套管式换热器示意图 1. 间壁式间壁式 换热器的主要型式：换热器的主要型式： （ 1） 套套 管式换热器管式换热器由内外管套在一起构成，结构简单、牢固可靠、由内外管套在一起构成，结构简单、牢固可靠、可串并联使用，传热面积有限，传热量小。可串并联使用，传热面积有限，传热量小。 4（ 2） 管壳式换热器管壳式换热器由管子和外壳构成。由管子和外壳构成。 2壳程、壳程、 4管程换热器管程换热器 管壳式换热器结构牢固可靠、耐高温高压。管壳式换热器结构牢固可靠、耐高温高压。 5（ 3） 肋片管式换热器（交叉流换热器）肋片管式换热器（交叉流换热器）由带肋片的管束构成的换热装置。由带肋片的管束构成的换热装置。 肋片管式换热器肋片管式换热器 适用于管内液体和管外气体之间的适用于管内液体和管外气体之间的换热，且两侧表面传热系数相差较大的场合。换热，且两侧表面传热系数相差较大的场合。 6（ 4） 板翅式换热器板翅式换热器由金属板和波纹板形翅片层叠、交错焊接而成。由金属板和波纹板形翅片层叠、交错焊接而成。 板翅式换热器结构紧凑、传热系数高。板翅式换热器结构紧凑、传热系数高。 7（ 5） 板式换热器板式换热器由若干片压制成型的波纹状金属板叠加而成。由若干片压制成型的波纹状金属板叠加而成。板式换热器传热系数高、阻力相对较小、结构紧凑。板式换热器传热系数高、阻力相对较小、结构紧凑。 8（ 6） 螺旋螺旋 板式换热器板式换热器由两块金属板卷制而成。由两块金属板卷制而成。 螺旋板式换热器传热性能较好、制造工艺简螺旋板式换热器传热性能较好、制造工艺简单，但承压、密封性能较差单，但承压、密封性能较差 。 9空气空气 烟气烟气 热管式空气预热器示意图热管式空气预热器示意图 （ 7） 热管式换热器热管式换热器由多根热管构成。由多根热管构成。 热管式换热器具有较高的传热性能，但热管的制热管式换热器具有较高的传热性能，但热管的制造工艺较复杂，热管的密封性、寿命问题需重点考虑。造工艺较复杂，热管的密封性、寿命问题需重点考虑。 10间壁式换热器中冷、热流体的相对流动方向间壁式换热器中冷、热流体的相对流动方向 在冷、热流体进口温度相同、流量相同、换热面面在冷、热流体进口温度相同、流量相同、换热面面积相同的情况下，流动型式影响冷、热流体的出口温度积相同的情况下，流动型式影响冷、热流体的出口温度、换热温差、换热量以及换热器内的温度分布。、换热温差、换热量以及换热器内的温度分布。 11换热器的传热计算公式：换热器的传热计算公式：tm 为换热器的为换热器的 传热平均温差。传热平均温差。 如何确定换热器的如何确定换热器的传热平均温差是平均温差法的首要任务。传热平均温差是平均温差法的首要任务。 假设假设 ：（ 1） 两侧流体的质量流量两侧流体的质量流量 qm1、 qm2与比与比 热容热容 c1、 c2沿换热面保持常数；沿换热面保持常数；（ 2） 传热系数沿换热面为常数；传热系数沿换热面为常数；（ 3） 换热器没有散热损失；换热器没有散热损失；（ 4） 忽略换热器壁面沿流动方向的轴向导热，一忽略换热器壁面沿流动方向的轴向导热，一般也不考虑进出口的动能和位能的变化。般也不考虑进出口的动能和位能的变化。10.3 换热器的传热平均温差 1213对于顺流换热器，对于顺流换热器， Ax处处经微元传热面经微元传热面 dA的换热量的换热量 14整个换热面的积分平均温差整个换热面的积分平均温差 15该式为顺流换热器的平均温差表达式，称为该式为顺流换热器的平均温差表达式，称为 对数平均对数平均温差温差 （ log mean temperature difference） ，简写为，简写为LMTD 对于逆流换热器，可以得出形式相同的对数平均对于逆流换热器，可以得出形式相同的对数平均温差表达式。统一写成温差表达式。统一写成如果如果 ，16顺流与逆流的比较：顺流与逆流的比较：顺流顺流 逆流逆流（ 1）顺流时冷流）顺流时冷流体的终温永远低于热体的终温永远低于热流体的终温，而逆流流体的终温，而逆流时冷流体的终温可以时冷流体的终温可以超过热流体的终温；超过热流体的终温； （ 2） 计算证明，计算证明，当冷、热流体进出口当冷、热流体进出口温度相同时，逆流的温度相同时，逆流的平均温差大于顺流平均温差大于顺流 ； （ 3） 逆流时换热面的温度变化大，容易造成热应力逆流时换热面的温度变化大，容易造成热应力破坏破坏 ； 17对于如图所示的简单多对于如图所示的简单多程交叉流，只要折流一方的程交叉流，只要折流一方的折流次数多于折流次数多于 4次，就可以次，就可以按纯逆流或纯顺流来计算。按纯逆流或纯顺流来计算。为冷、热流体进、出口温度相同情况下逆流时为冷、热流体进、出口温度相同情况下逆流时的对数平均温差；的对数平均温差； 为小于为小于 1的修正系数，的修正系数，3.其它复杂布置时换热器其它复杂布置时换热器 平均传热温差的计算平均传热温差的计算对于复杂的多程交叉流对于复杂的多程交叉流18壳侧壳侧 1程，管侧程，管侧 2， 4， 6， 程时的温差修正系数程时的温差修正系数 19壳侧壳侧 2程，管侧程，管侧 4， 8， 12， 程时的温差修正系数程时的温差修正系数 20交叉流，两侧流体都不混合时的温差修正系数交叉流，两侧流体都不混合时的温差修正系数 21交叉流，一侧混合、一侧不混合时的温差修正系数交叉流，一侧混合、一侧不混合时的温差修正系数 几点说明：几点说明：（ 1）图的下半部，尤其）图的下半部，尤其 R较大时，曲线几乎竖直较大时，曲线几乎竖直，查图误差较大，这时可用，查图误差较大，这时可用 PR 代替代替 P， 1/R代替代替 R查图查图。对任意一台换热器，都有。对任意一台换热器，都有 f (P, R ) = f (PR, 1/R )，这，这称为换热器的互易性规则。称为换热器的互易性规则。22（ 2）若有一侧发生相变，）若有一侧发生相变， P、 R中必有一个等于零，中必有一个等于零，此时此时 =1。（ 3） 冷、热流体走管侧还是壳側不影响修正系数，即冷、热流体走管侧还是壳側不影响修正系数，即不影响传热温差。不影响传热温差。23分别指出分别指出 （ a)、 (b)两组图中的两个图哪个正确。两组图中的两个图哪个正确。2410.4 间壁式换热器的热计算换热器的热计算分为两种类型：换热器的热计算分为两种类型： (1) 设计计算设计计算 ：根据换热条件和要求，设计一台新：根据换热条件和要求，设计一台新换热器，为此需要确定换热器的类型、结构及换热面换热器，为此需要确定换热器的类型、结构及换热面积积 。 换热器计算的两种方法：换热器计算的两种方法：1.平均温差法；平均温差法；2. 效能效能 -传热单元数法。传热单元数法。 (2) 校核计算校核计算 ：核算已有换热器能否满足换热要求：核算已有换热器能否满足换热要求，一般需要计算流体的出口温度、换热量及流动阻力，一般需要计算流体的出口温度、换热量及流动阻力等。等。251. 换热器传热计算的平均温差法：换热器传热计算的平均温差法：（ 1）设计计算：）设计计算：根据生产任务的要求，给定冷、热流体的质量流根据生产任务的要求，给定冷、热流体的质量流量量 和和 4个进、出口温度中的个进、出口温度中的 3个，需确定换热个，需确定换热器的型式、结构，计算传热系数器的型式、结构，计算传热系数 k、换热面积、换热面积 A、流动、流动阻力及结构强度等。阻力及结构强度等。 换热器传热计算的基本公式：换热器传热计算的基本公式： 3个方程有个方程有 8个独立变量，只要知道其中个独立变量，只要知道其中 5个变量，个变量，可求其它可求其它 3个。个。26设计计算步骤：设计计算步骤：(a) 根据给定的换热条件，如流体性质、流量、温根据给定的换热条件，如流体性质、流量、温度和压力范围等，选择换热器类型，布置换热面，计度和压力范围等，选择换热器类型，布置换热面，计算换热面两侧的表面传热系数算换热面两侧的表面传热系数 及总传热系数及总传热系数 k；(b) 根据给定条件，由式根据给定条件，由式求出未知的进、出口温度，并求出换热量求出未知的进、出口温度，并求出换热量 ； (c) 由由 4个进出口温度及流动型式求平均温差个进出口温度及流动型式求平均温差 ；(d) 由式由式 求出所需的换热面积求出所需的换热面积 A ，如与，如与初选换热面积不一致，则需重新布置换热面初选换热面积不一致，则需重新布置换热面 ;(e) 计算换热器的流动阻力，如果阻力过大，会加计算换热器的流动阻力，如果阻力过大，会加大设备的投资和运行费用，须改变方案，重新设计。大设备的投资和运行费用，须改变方案，重新设计。 27(2) 校核计算：校核计算：已知已有换热器的换热面积已知已有换热器的换热面积 A、两侧流体的质量流、两侧流体的质量流量量 、进口温度、进口温度 等等 5个参数，须计算热、个参数，须计算热、冷流体的出口温度冷流体的出口温度 和换热量和换热量 。 计算步骤：计算步骤：(a) 先假设一个流体的出口温度先假设一个流体的出口温度用热平衡方程式求出换热量用热平衡方程式求出换热量 和另和另一个流体的出口温度；一个流体的出口温度； (b) 根据流体的根据流体的 4个进、出口温度求平均温差个进、出口温度求平均温差 ； (c) 计算换热面两侧的表面传热系数计算换热面两侧的表面传热系数 ，进而，进而求得传热系数求得传热系数 k ；(d)由式由式 求出换热量求出换热量 ; (e)比较比较 与与 ，如果相差较大，如果相差较大 ,再重新假设流体再重新假设流体出口温度，重复上述计算，直到满意为止出口温度，重复上述计算，直到满意为止 。 28一台逆流式换热器刚投入工作时的运行参数如下：一台逆流式换热器刚投入工作时的运行参数如下：热流体的质量流量与比热容的乘积热流体的质量流量与比热容的乘积 W/K，热流体的进、出口温度分别为热流体的进、出口温度分别为 、 ，冷流体的进、出口温度分别为冷流体的进、出口温度分别为 、 ，传热系数传热系数 k=800 W/m2K。运行一年后发现，在。运行一年后发现，在 、及及 、 保持不变的情况下，由于结垢使得冷保持不变的情况下，由于结垢