第11章传热过程和换热器

1、11-1 11-1 传热过程的分析和计算传热过程的分析和计算)tt(kAQff21 totARk1 式中：式中：K K是传热系数是传热系数( (总传热系数总传热系数) )。对于。对于不不同的传热过程同的传热过程，K K的计算公式也不同。的计算公式也不同。11-2 11-2 换热器的型式及平均温差换热器的型式及平均温差1 1 换热器的定义：换热器的定义：用来使热量从热流体传递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到冷流体，以满足规定的工艺要求的装置2 2 换热器的分类：换热器的分类：几种类型换几种类型换热器简介热器简介 螺螺旋旋板板式式板板式式交交叉叉流流换换热热器器管管壳壳

2、式式壳壳管管式式套套管管式式)( 回回热热式式混混合合式式间间壁壁式式 板板翅翅式式管管翅翅式式管管束束式式间壁式换热器的主要型式间壁式换热器的主要型式(1)(1)套管式换热器：套管式换热器：最简单的一种间壁式换热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不大或流体流量不大的情形Cold fluidHot fluidCold fluidHot fluidxTTh (Hot)Tc (cold)T1T2xTThTcT1T2顺流顺流逆流逆流(2) (2) 管壳式换热器：管壳式换热器：最主要的一种间壁式换热器，最主要的一种

3、间壁式换热器，传热面由管束组成，管子两端固定在管板上，管束传热面由管束组成，管子两端固定在管板上，管束与管板再封装在外壳内。两种流体分管程和壳程。与管板再封装在外壳内。两种流体分管程和壳程。out,BTin,BT in,ATout,ATside) (tube in,ATout,ATside) (shell in,BTout,BT增加管程增加管程side) (shell ,inBToutBT,side) (tube,inAToutAT,(3) (3) 交叉流换热器：交叉流换热器：间壁式换热器的又一种主要间壁式换热器的又一种主要形式。其主要特点是冷热流体呈交叉状流动。交形式。其主要特点是冷热流体呈

4、交叉状流动。交叉流换热器又分管束式、管翅式和板翅式三种。叉流换热器又分管束式、管翅式和板翅式三种。(c) 板翅式交叉流换热器板翅式交叉流换热器单位体积内所包含的换热面积作为衡量换热器紧凑单位体积内所包含的换热面积作为衡量换热器紧凑程度的衡量指标，一般将大于程度的衡量指标，一般将大于700m700m2 2/m/m3 3的换热器称的换热器称为为紧凑式换热器紧凑式换热器，板翅式换热器多属于紧凑式，因，板翅式换热器多属于紧凑式，因此，日益受到重视。此，日益受到重视。(4) (4) 板式换热器：板式换热器：由一组几何结构相同的平行薄平由一组几何结构相同的平行薄平板叠加所组成，冷热流体间隔地在每个通道中流

5、动，板叠加所组成，冷热流体间隔地在每个通道中流动，其特点是拆卸清洗方便，故适用于含有易结垢物的其特点是拆卸清洗方便，故适用于含有易结垢物的流体。流体。(5) (5) 螺旋板式换热器：螺旋板式换热器：换热表面由两块金属板卷换热表面由两块金属板卷制而成，有点：换热效果好；缺点：密封比较困制而成，有点：换热效果好；缺点：密封比较困难。难。11tt 22tt 2121tttttt 2121tttttt minminmtlntt maxmaxtt换热器的热计算有两种方法：换热器的热计算有两种方法：平均温差法平均温差法 效能效能- -传热单元数传热单元数( ( -NTU-NTU) )法法1 1 平均温差法

6、：平均温差法：就是直接应用传热方程和热平衡方程进行热就是直接应用传热方程和热平衡方程进行热 计算，其具体步骤如下：计算，其具体步骤如下：对于对于设计计算（已知设计计算（已知 ，及进出口温度中的三个，及进出口温度中的三个，求求 ）(1)(1)初步布置换热面，并计算出相应的总传热系数初步布置换热面，并计算出相应的总传热系数k k(2)(2)根据给定条件，由热平衡式求出进、出口温度中的那个根据给定条件，由热平衡式求出进、出口温度中的那个待定的温度待定的温度(3)(3)由冷热流体的由冷热流体的4 4个进出口温度确定平均温差个进出口温度确定平均温差 (4)(4)由传热方程式计算所需的换热面积由传热方程式

7、计算所需的换热面积A A，并核算换热面流体，并核算换热面流体的流动阻力的流动阻力(5)(5)如果流动阻力过大，则需要改变方案重新设计。如果流动阻力过大，则需要改变方案重新设计。cmchmhcqcq,Ak,mt对于对于校核计算（已知校核计算（已知 ，及两个进口温度，及两个进口温度，求求 ）(1)(1)先假设一个流体的出口温度，按热平衡式计算另一个出口温先假设一个流体的出口温度，按热平衡式计算另一个出口温度度(2)(2)根据根据4 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(3)(3)根据换热器的结构，算出相应工作条件下的总传热系数根据换热器的结构，算出相应工作条件下的总传热系数k k(4

8、)(4)已知已知kAkA和和 ，按传热方程式计算在假设出口温度下的，按传热方程式计算在假设出口温度下的(5)(5)根据根据4 4个进出口温度，用热平衡式计算另一个个进出口温度，用热平衡式计算另一个 ，这个值，这个值和上面的和上面的 ，都是在假设出口温度下得到的，因此，都不，都是在假设出口温度下得到的，因此，都不是真实的换热量是真实的换热量(6)(6)比较两个比较两个 值，满足精度要求，则结束，否则，重新假定值，满足精度要求，则结束，否则，重新假定出口温度，重复出口温度，重复(1)(6)(1)(6)，直至满足精度要求。，直至满足精度要求。cmchmhcqcqA,chtt ，mtmt2 2 效能效

9、能- -传热单元数法传热单元数法(1) (1) 换热器的效能和传热单元数换热器的效能和传热单元数 换热其效能的定义是基于如下思想：当换热器无限长，换热其效能的定义是基于如下思想：当换热器无限长，对于一个对于一个逆流换热器逆流换热器来讲，则会发生如下情况来讲，则会发生如下情况 a a 当当 时，时， ，则，则 b b 当当 时，时， ，则，则于是，我们可以得到于是，我们可以得到然而，实际情况的船热量然而，实际情况的船热量q q总是小于可能的最大传热量总是小于可能的最大传热量q qmaxmax，我，我们将们将q/qq/qmaxmax定义为换热器的效能，并用定义为换热器的效能，并用 表示，即表示，即

10、cmchmhcqcqchtt )(maxchhmhttcqqhmhcmccqcqhctt )(maxchcmcttcqq)()()(minminmaxchchmttCttcqqttCttCttCttCqqhcccchhhh minminmax对于一个已存在的换热器，如果已知了效能对于一个已存在的换热器，如果已知了效能 和冷热流体的进和冷热流体的进口温差，则实际传热量可很方便地求出口温差，则实际传热量可很方便地求出那么在未知传热量，之前，那么在未知传热量，之前， 又如何计算？和那些因素有关？又如何计算？和那些因素有关？以以顺流顺流换热器为例，并假设换热器为例，并假设 ，则有，则有根据热平衡式得：

11、根据热平衡式得：于是于是chTTCqqminmaxcmchmhcqcq chhhchhhhttttttCttCqqminmax)()(hhrhhchccttCttCCtt hCC min)()(ccchhhttCttC maxminCCCr)(chhhtttt 式式， 相加：相加：)()()()(hhrchchchttCtttttt )(1 ()()()()()()(chrchrchhhrchchchttCttCttttCtttttt 式式代入下式得：代入下式得：)exp(tkAt )1 (11rchchCtttttt +rCkA1)exp(1chcmchmhCCcqcq1111+rrhrch

12、hCCCkACCCCkA1)1 (exp11)1 (exp1cmchmhcqcqrrcCCCkA1)1 (exp1当当 时，同样的推导过程可得：时，同样的推导过程可得：hcrCCCCCmaxmin上面的推导过程得到如下结果，对于上面的推导过程得到如下结果，对于顺流：顺流：当当 时时cmchmhcqcqrrhCCCkA1)1 (exp1chrCCCCCmaxmin上面两个公式合并，可得：上面两个公式合并，可得：rrCCCkA1)1 (exp1minmaxminCCCr换热器效能公式中的换热器效能公式中的 依赖于换热器的设计，依赖于换热器的设计， 则依赖则依赖于换热器的运行条件，因此，于换热器的运

13、行条件，因此， 在一定程度上表征了换在一定程度上表征了换热器综合技术经济性能，习惯上将这个比值（无量纲数）定义热器综合技术经济性能，习惯上将这个比值（无量纲数）定义为传热单元数为传热单元数NTUNTU，即，即因此，因此，与顺流类似，与顺流类似，逆流逆流时：时：kAminCminCkAminNTUCkArrCC1)1 (NTUexp1)1 (NTUexp)1 ()1 (NTUexp1rrrCCC当冷热流体之一发生相变时当冷热流体之一发生相变时，相当于，相当于 ，即，即 ，于是上面效能公式可简化为，于是上面效能公式可简化为maxC0maxminCCCrNTUexp1当两种流体的热容相等时，即当两种

14、流体的热容相等时，即 公式可以简化为公式可以简化为1maxminCCCr2NTU2exp1NTU1NTU顺流：顺流：逆流：逆流：（ ，及两个进口温度，求，及两个进口温度，求 ）(2) (2) 用效能用效能- -传热单元数法计算换热器的步骤传热单元数法计算换热器的步骤a a 设计计算设计计算 显然，利用已知条件可以计算出显然，利用已知条件可以计算出 ，而带求的，而带求的k k，A A则包则包含在含在NTUNTU内，因此，对于设计计算是已知内，因此，对于设计计算是已知 ，求，求NTUNTU，求解过，求解过程与平均温差法相似，不再重复程与平均温差法相似，不再重复b b 校核计算校核计算 由于由于k

15、k事先不知，所以仍然需要假设一个出口温度，具事先不知，所以仍然需要假设一个出口温度，具体如下：体如下： 假设一个出口温度假设一个出口温度 ，利用热平衡式计算另一个，利用热平衡式计算另一个 利用四个进出口温度计算定性温度，确定物性，并结合利用四个进出口温度计算定性温度，确定物性，并结合换热器结构，计算总传热系数换热器结构，计算总传热系数k k 利用利用k, Ak, A计算计算NTUNTU（ ，及进出口温度中的三个，求，及进出口温度中的三个，求 ）cmchmhcqcq,Ak,cmchmhcqcqA,chtt ，t t 利用利用NTUNTU计算计算 利用利用(9-17)(9-17)计算计算 ，利用，利用(9-14)(9-14)计算另一个计算另一个 比较两个比较两个 ，是否满足精度，否则重复以上步骤，是否满足