换热器选型及计算

1、课程设计换热器选型计算推荐参考书目：l 第三版/第四版. 王志魁 刘丽英 刘伟.l .任晓光 宋永吉 李翠清.l. 钱颂文3 换热概述换热概述 热传导热传导 对流传热对流传热一、换热理论一、换热理论四、管壳式换热器选型步骤四、管壳式换热器选型步骤二、管壳式换热器二、管壳式换热器三、两流体间传热过程计算三、两流体间传热过程计算4生产中的应用：生产中的应用：热量的传递简称传热 。物料的加热或冷却；热量与冷量的回收利用；设备或管路的保温。传热的基本方式：传热的基本方式：热传导；对流；热辐射。1、传热概述、传热概述5傅里叶定律傅里叶定律2.热传导热传导1)1)温度场和温度梯度温度场和温度梯度温度场温度

2、场：某时刻，物体内部各点的温度分布。 等温面等温面：在同一时刻，温度场中所有温度相同的点组成的面。 t1t2t1t2等温线Q注意：注意：不同温度的等温面不相交。温度梯度：温度梯度：温度场内，某一点沿其等温面法线方向的温度变化率。（向量，与法线方向一致，以温度增加的方向为正。）等温线等温线：不同等温面与同一平面相交的交线。6式中 Q 热流量或传热速率，W或J/s； A 导热面积，m2； t/n 温度梯度，/m或K/m； 热传导系数，W/(m)或W/(mK)。在质地均匀的物体内，若等温面上各点温度梯度相同，则单位时间内的传热量Q与温度梯度 及垂直于热流方向上的导热面积A成正比。2)2)傅里叶定律傅

3、里叶定律t+t t-ttnQdAntntAQ傅立叶定律傅立叶定律数学表达式：7假设：假设：(1) A大，b小；(2) 材料均匀，热导率视为常数；(3)温度仅沿x方向变化，且不随时间变化，故为一维稳态传热。单层平壁的稳态热传导单层平壁的稳态热传导AQ图中，图中，Q热流量或传热速率，W或J/s；A 平壁的面积，m2；b 平壁的厚度，m； 平壁的导热系数，W/(m)；t1,t2 平壁两侧的温度，。t1t2btxdxQxQx+dxA8对dx薄层， 导热速率可表示为： xtAQdd边界条件为： xtt01时，2ttbx 时，tR传热推动力热阻积分导出，单层平壁导热速率方程式为：1212()ttQA tt

4、bbA t t1 r1 r2 t2 0 r Qdr假定：圆筒壁材质均匀，热导率为常数；a) 温度只沿半径方向变化，等温面为同心圆柱面，一维稳态温度场；单层圆筒壁的稳态热传导单层圆筒壁的稳态热传导图中，Q 热流量或传热速率,W或J/s； 导热系数，W/(m)或W/(mK)；t1,t2 圆筒壁两侧的温度,；r1,r2 圆筒壁内外半径,m。rbdt10对于dr同心薄层圆筒，传热速率为rtrlrtAQdd2ddrrtt22时，rrtt11时，边界条件： 12122112121221ln)(ln)()(2AAbAAttrrrrrrttlQ积分导出，圆筒壁导热速率方程式为：热阻推动力RtAbttm)(21

5、AAAAAm2121ln/对数平均面积：11ThmTcmL1ThwL212TCW对流传热的温度分布ThmTcmL1ThwL212TCWThmTcmL1ThwL212TCW对流传热的温度分布对流传热过程对流传热过程间壁：间壁：导热，热阻大，温差大。层流底层：层流底层：导热，热阻大，温差大。湍流核心：湍流核心：对流，热阻很小，温差很小。过渡区域：过渡区域：介于层流底层和湍流核心之间。热流体冷流体3、对流传热、对流传热12对流传热速率方程对流传热速率方程牛顿冷却公式牛顿冷却公式：式中 Q 对流传热速率，W； 对流传热系数，W/(m2)； t对流传热温度差，； A 传热面积，m2。tQA t1A 推动

6、力热阻的求解是关键，通过对流传热的特征关系式求解。又称管壳式换热器，工业上广泛使用。传热面为壳内所有管束壁内外表面积。主要部件：封头、管板、管束、折流挡板、外壳管壳式换热器示意图：管程：流体在同一组管束中的流程。壳程：流体在壳体中沿某一方向的流程。式中，K总传热系数，W/(m2)或W/(m2K)； Q总传热速率，W或J/s； A总传热面积，m2； tm两流体的平均温差，或K。 冷热两流体通过间壁传热过程，其总传热速率冷热两流体通过间壁传热过程，其总传热速率Q与传热面积与传热面积A和两流体温度差和两流体温度差 成正比。成正比。mm1/tQKA tKA总传热推动力总热阻tm即总传热速率方程式：即总

7、传热速率方程式：15一、一、热量衡算热量衡算1mq2mq图中， 热、冷流体的质量流量，kg/s； cp1,cp2 热、冷流体的比热容， J/(Kg ) ； h1,h2 冷流体的进、出口焓，J/kg； H1,H2 热流体的进、出口焓， J/kg 。 1mq2mq热流体G1, T1,cp1,H1T2 H2冷流体G2, t2,cp2,h1t2 h2列管换热器16若流体均无相变，且流体比热容cp不随温度变化。此时，热量衡算式：12122112ppmmQqqCCttT T假设，传热过程无热损失：热量衡算式：122112mmQqqhhHH=Q QQ吸放17一、恒温传热：一、恒温传热：二、变温传热：二、变温

8、传热：二、求传热平均温度差二、求传热平均温度差饱和蒸汽-液体沸腾mtTt两侧流体温度沿传热面无变化。一侧或两侧流体沿传热面的不同位置温度不同。三、流体流动方式：三、流体流动方式：逆流：冷热流体沿传热面两侧流向相反。顺流：冷热流体沿传热面两侧流向相同。错流：两流体垂直交叉流动。折流：一侧流体只沿一个方向流动，另一侧流体反复改变流向来回折返流动。181、逆流和并流逆流和并流时的时的tmt2t1T1T2t1t2T1T2逆流逆流并流并流211tTt122tTt111tTt222tTt2121lntttttm传热平均温差：注意： 较大温差记为t1，较小温差记为t2；当 2时，tt212ttt21m19m

9、mtt1221ttTTR冷流体温升热流体温降1112tTttP两流体初温差冷流体温升mt：逆流时的平均温度差：逆流时的平均温度差2、错流、折流时的、错流、折流时的mt温度校正系数是辅助量P、R的函数，即注意：校正系数应至少不小于0.8。( ,f P R）c)固体壁面另一侧 冷流体b)固体壁面一侧 另一侧20 t2dAT1t1 T2对于微元段dA，三、总传热系数三、总传热系数冷流体twTw对流对流导热热流体tTQa)热流体 固体壁面一侧微元段温度分布：1d Q对 流3dQ对 流2dQ热传导111111d = ()wwQT T dA T TdA 322221d =()wwQtt dAttdA2d

10、= ()wmwwwmbQt dAtdAbTT21221122111111dAdAbdAtTdAttdAbtTdATTdQmwmwww2211111dAdAbdAKdAm式中 K总传热系数，W/(m2K)。KdAtTdQ1稳态热传导时，沿同一热流方向上，传热速率为定值，故123dQdQdQdQ22污垢热阻污垢热阻 式中 ， R1、R2传热面两侧的污垢热阻，m2K/W。以传热面dA1为基准(dA=dA1): 传热表面常有污垢积存，其热阻一般不可忽视。工程上一般根据经验选用污垢热阻。以传热面A1为基准：111122111mddbKdd以传热面dA2为基准(dA=dA2): 以传热面dAm为基准(dA

11、=dAm): 222112111mddbKddmmm1122111ddbKdd1111211222111mdddbRRKddd1. 根据工艺要求，计算热负荷根据工艺要求，计算热负荷Q；2. 初选流动方式，尽可能保证逆流或接近逆流，初选流动方式，尽可能保证逆流或接近逆流，计算平均温度差计算平均温度差 tm。3. 依据经验范围选取总传热系数依据经验范围选取总传热系数K估估，估算总，估算总传热面积传热面积A估估=Q/ K估估 tm。4. 确定流体流经管程或壳程，选定管程流速确定流体流经管程或壳程，选定管程流速u1； 先按单壳程多管程的计算，如果0.8，应增加壳程数； 由流速u1和流量qm1估算单管程的管子根数n，由n和A估估来估算管子长度L，选择合适管长及管程数再由系列标准选适当型号的换热器。5. 核算总传热系数核算总传热系数K； 分别计算管程和壳程的，确定污垢热阻Rd，求出K，与选取的K估比