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，管束与管板再封装在外壳内。两种流体分管程和壳程。增加管程进一步增加管程和壳程(3)交叉流换热器：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(4)板式换热器：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动，其特点是拆卸清洗方便，故适用于含有易结垢物的流体。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700m2/m3的换热器称为紧凑式换热器，板翅式换热器多属于紧凑式，因此，日益受到重视。(5)螺旋板式换热器：换热表面由两块金属板卷制而成，有点：换热效果好；缺点：密封比较困难。4简单顺流及逆流换热器的对数平均温差传热方程的一般形式：这个过程对于传热过程是通用的，但是当温差沿整个壁面不是常数时，比如等壁温条件下的管内对流换热，以及我们现在遇到的换热器等。对于前者我们曾经提到过对数平均温差(LMTD)的公式，但是没有给出推导。下面我们就来看看LMTD的推导过程dthdtcthtc以顺流情况为例，并作如下假设：（1）冷热流体的质量流量qm2、qm1以及比热容c2,c1是常数；(2)传热系数是常数；（3）换热器无散热损失；（4）换热面沿流动方向的导热量可以忽略不计。要想计算沿整个换热面的平均温差，首先需要知道当地温差随换热面积的变化，即，然后再沿整个换热面积进行平均在前面假设的基础上，并已知冷热流体的进出口温度，现在来看图7-13中微元换热面dA一段的传热。温差为：在固体微元面dA内，两种流体的换热量为:对于热流体和冷流体:可见，当地温差随换热面呈指数变化，则沿整个换热面的平均温差为：(1)(2)(3)(1)+校(2)+飘(3)对数平根均温差顺流：逆流时：其他过去程和公尼式与顺咱流是完昌全一样涨，因此湿，最终下仍然可世以得到：顺流和逆船流的区别芝在于：顺流：逆流：或者我勾们也可调以将对赴数平均本温差写速成如下阁统一形装式(顺流和甩逆流都喊适用)5算术平均粒温差平均温赠差的另殖一种更尺为简单疗的形式稻是算术普平均温纠差，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其他复杂方布置时换耻热器平均蛾温差的计坏算以上所裤讨论的虏对数平黑均温差(LM帝TD)只是针季对纯顺垫流和纯腥逆流情待况，而像这种情翁况的出斗现是比君较少的匹，实际刊换热器飘一般都添是处于盾顺流和它逆流之书间，或叨者有时随是逆流咳，有时凑又是顺嘱流。对桶于这种沃复杂情逼况，我暖们当然舍也可以绸采用前通面的方汉法进行搏分析，灰但数学拔推导将瓦非常复吧杂，实白际上，递逆流的绪平均温液差最大事，因此厚，人们庄想到对右纯逆流引的对数住平均温历差进行念修正以畏获得其略他情况添下的平树均温差困。是给定脊的冷热巴流体的慈进出口前温度布孝置成逆术流时的LMT她D，是小于1的修正希系数。纤图7-15闸~7箱-17分别给出隶了管壳式皇换热器和社交叉流式纽奉换热器的的。关于困的注意躺事项（1）值薪取决于解无量纲务参数P和R式中：醒下标1、2分别表恩示两种屈流体，液上角标`表示进渠口，``表示出口峰，图表中告均以P为横坐标桥，R为参量。（3）R的物理集意义：尾两种流爪体的热央容量之葵比（2）P的物理州意义：段流体2的实际温拿升与理论姐上所能达砍到的最大室温升之畅比，所饰以只能抗小于1（4）对于管般壳式换地热器，狐查图时玻需要注强意流动约的“程袖”数7各种流动雾形式的比筐较顺流和搏逆流是掘两种极地端情况圾，在相斯同的进巡寿出口温艳度下，欺逆流的围最郑大，顺锣流则最疏小；顺流时堂，而道逆流时，代则可能础大于手，可见，呼逆流布置蛾时的换热滴最强。InOutInOut(3)那么是不暮是所有的执换热器都拒设计成逆傅流形式的懒就最好呢滩？不是，随因为一台傅换热器的农设计要考慢虑很多因锦素，而不颈仅仅是换薪热的强弱易。比如，总逆流时冷闹热流体的貌最高温度法均出现在肥换热器的燥同一侧，扫使得该处贺的壁温特字别高，可撤能对换热壶器产生破离坏，因此镇，对于高枣温换热器涉，又是需季要故意设史计成顺流(4)对于有默相变的仆换热器司，如蒸稠发器和既冷凝器垫，发生老相变的边流体温脑度不变坏，所以遇不存在夸顺流还侍是逆流到的问题明。xTInOutxTInOut冷凝蒸发§7-3换热器边的热计赠算换热器每热计算会分两种师情况：设计计落算和校核计算(1)设计计算贸：设计一脏个新的爬换热器它，以确及定所需杏的换热排面积校核计细算：对已有糊或已选仆定了换隶热面积环的换热草器，在休非设计工况悼条件下畜，核算泄他能否精胜任规继定的新斑任务。换热器热待计算的基迎本方程式西是传热方帽程式及热平衡式式中，馅不是意独立变量邮，因为它委取决于饭以及换决热器的布倍置。另外伴，根据公疏式(7-凳15)可是，舌一旦和过以及艰中于的三个剩已知的宋话，我们就可以论计算出另墨外一个温蛮度。因此发，上面的衔两个方程中共有7个未知数俯，即需要给捞定其中祖的5个变量腔，才可汗以计算矿另外三亲个变量腐。对于设计计算而言，给疗定的是王，以饮及进出口温度中的仔三个，最塘终求对于校核计快算而言，字给定的况一般是随，以及2个进口温度，呜待求的费是换热器的纷热计算有惑两种方法等：平均温差盒法效能-传热单茂元数(-NT装U)法平均温差熔法：就是直接耍应用传热容方程和热而平衡方程汽进行热计算，竭其具体叠步骤如骆下：对于设计计贡算（已萌知颤，及耕进出口闹温度中蛾的三个波，求纷）初步布擦置换热俭面，并纸计算出该相应的旧总传热认系数k根据给定诉条件，由姓热平衡式骆求出进、葡出口温度希中的那个茫待定的温蓝度由冷热流免体的4个进出口消温度确定揪平均温差由传热方哗程式计算宴所需的换伟热面积A，并核隆算换热每面流体困的流动栏阻力如果流杂动阻力膛过大，领则需要暮改变方放案重新拾设计。对于校核计巩算（已睛知遵，及气两个进穴口温度泥，求堂）先假设一添个流体的赚出口温度愿，按热平深衡式计算灶另一个出柜口温度根据4个进出口臣温度求得购平均温差根据换怖热器的适结构，降算出相颤应工作奴条件下抗的总传息热系数k已知kA和屈，按龄传热方合程式计滴算在假陪设出口支温度下盾的根据4个进出口葱温度，用段热平衡式卡计算另一弃个基，这个当值和上面膊的罩，都是还在假设出胆口温度下俯得到的，负因此，都团不是真实鲜的换热量比较两蚂个值兆，满足币精度要展求，则塞结束，叛否则，览重新假蚀定出口杨温度，爽重复(1)价~(6扎)，直至满平足精度要倒求。2效能-传热单元美数法(1)换热器的衣效能和传进热单元数换热其效折能的定义唯是基于如皂下思想：价当换热器伯无限长，唯对于一个逆流换熔热器来讲，则状会发生如调下情况a当会时，德，则b当希时，等，则于是，我处们可以得聪到然而，隔实际情霞况的船联热量q总是小销于可能广的最大番传热量qmax，我们将q/qmax定义为哈换热器足的效能步，并用表革示，即对于一启个已存层在的换岂热器，责如果已扒知了效徐能和冷棉热流体的君进口温差殿，则实际逼传热量可策很方便地器求出那么在训未知传完热量，样之前，猫蝇又如何荡计算？波和那些技因素有谣关？以顺流换热器认为例，微并假设闻，则举有根据热平激衡式得：于是式①，②相加：热容比①②式①代入下式给得：++当行时，跨同样的推舟导过程可融得：上面的推导过程得到如下结果，对于顺流：当时上面两昂个公式餐合并，爱可得：换热器怨效能公就式中的驰依竖赖于换彼热器的议设计，斥则依窄赖于换刮热器的悲运行条果件，因病此，株在一定欧程度上谢表征了倡换热器伪综合技情术经济尤性能，侦习惯上祖将这个摩比值（承无量纲盲数）定摆义为传都热单元材数NTU，即因此，与顺流类在似，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渔流体的段热容相犹等时，犁即公式可以观简化为顺流：逆流：（胃，及俯两个进流口温度惕，求练）(2)用效能-传热单缝元数法怎计算换羽热器的爱步骤a设计计备算显然，利愧用已知条疑件可以计巾算出，而岩带求的k，A则包含在NTU内，因此甲，对于设传计计算是泉已知西，求NTU，求解过查程与平均库温差法相脑似，不再糖重复b校核计残算由于k事先不绿知，所惩以仍然吃需要假弹设一个研出口温笼度，具愉体如下趁：①假设一个干出口温度事，利用热腐平衡式计些算另一个②利用四个宁进出口温垒度计算定薄性温度，肉确定物性门，并结合值换热器结拆构，计算俭总传热系他数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-泥17)计算，利用(7-1箱4)计算另一徐个⑥比较两个，是否陆满足精度革，否则重哈复以上步谊骤从上面步苏骤可以看纠出，假设益的出口温敬度对传热谣量的影痰响不是止直接的顶，而是抄通过定促性温度碧，影响沉总传热手系数，尿从而影替响NTU，并最终膊影响惜值。而责平均温差宣法的假设店温度直接渗用于计算梅值，遥显然-NTU法对假设裂温度没有想平均温差殿法敏感，桑这是该方研法的优势兼。3换热器设嘱计时的综筒合考虑换热器设良计是综合剩性的课题夸，必须考交虑出投资闷，运行费活用，安全跌可靠等诸打多因素。4换热器的惕结垢及污夕垢热阻污垢增加挑了热阻，截使传热系壁数减小，拥这种热阻皮成为污垢英热阻，用Rf表示，式中：k为有污垢暴后的换热泄面的传热热系数，k0为洁净换锯热面的传热它系数。对于两预侧均已坐结构的澡管壳式惊换热器毯，以管并子外表砖面为计没算依据挽的传热渠系数可卷以表示兵成：如果管子进外壁没有巷肋化，则惨肋面总效习率o=1。管壳式御换热器威的部分刻污垢热筹阻可以棕在表7-1种查得显。§7-4传热的研强化和傲隔热保单温技术强化传热随的目的：缩小设备脑尺寸、提搏高热效率府、保证设竖备安全削弱传唱热的目仰的：减少热量赛损失根据不同篮的需求，躲对于实际独传热的传接热过程，额有时需要素强化，有蛋时则需要将削弱。显躁然，根据漆不同的传本热方式，体强化和削井弱传热的掉手段应该坦不同，本崖节主要针判对对流换热顶过程的强璃化和削弱1强化传箩热的原值则和手尿段(1)强化换热芬的原则：哪个环舞节的热由阻大，艇就对哪配个环节射采取强秧化措施兽。举例：习以圆管代内充分辰发展湍估流换热编为例，折其实验翠关联式窝为：(2)强化手段:俗a无源技犬术(被动技悲术)；b有源技术(主动式筐技术)a无源技热术(被动技术)：除了输遣送传热介竞质的功率太消耗外，旱无需附加撕动力其主要手倡段有：①舞涂层表面姥；②粗糙耻表面(图7-27鸟)；③扩展死表面(图7-2绪7)；④扰流烛元件(图7-30百a)；⑤涡哈流发生治器(图7-30泰b)；⑥螺旋狱管(图7-30认c)；⑦添箭加物；朽⑧射螺流冲击肯换热b有源技术(主动式技惑术)：需要外乘加的动力其主要手赢段有：①誓对换热介惕质做机械哪搅拌；②辟使换热表异面振动；恶③使换热赞瘤体振动嫩；④将电旬磁场作用肯于流体以骆促使换热羽表面附近受流体的混怨合；⑤将拨异种或同序种流体喷就入换热介猾质或将流垃体从换热升表面抽吸界走。对换热充器而言享，随着贸强化措约施的完下善，污科垢热阻毫有时会妥成为传页热过程怕的主要弹热阻，忠因此，握需要给冷换热器翁的设计膛提供哈则里的污葛垢热阻暗的数据钳，这就板需要实液验测定死，可是骄实验测族出来的骨是总表漂面传热暂系数，赏那么如仔何将总吓的传热魂系数分高成各个棍环节的立热阻呢次？下面誉的威尔乓逊图解扁法提供碧了一种钥有效途壳径2确定传热坟过程分热财阻的威尔傻逊图解法利用数疏据采集伟系统可绸以测定狱壁面和烫流体的涌温度，狱从而获前得平均讯温差，陈利用热弄平衡方缺程式获捐得热流钓量，换粱热面积驾可以根屿据设计否情况获待得，这挽样就可馆以通过疫传热方能程式计鸟算出总溪表面传秘热系数覆。这是威尔逊图仍解法的基础。我们已管震壳式换热施器为例，提说明如何煌应用威尔习逊图解法竟获得各个飞分热阻。纵总表面传有热系数可于以表示成串：工业换乐热器中到的管内责流体的抛流动一链般都是唱处于旺堪盛湍流唇状态，hi与流速u0.7成正比，哈因此，可核以写成吵的形附式，带入绪上式：如果能保邪持ho不变，Rw壁面的领导热热佳阻不会胀变化，Rf在短时跌间内不妈会有大呀的改变塌，因此作，上式泽右边的验前三项颈可认为袋是常数敞，用b表示，俗物性不何变的情湿况下，使可以认算为是常数，用m表示，于村是上式可讯变为改变管亭内流速u，则可以股测得一系伤列的总表兄面传热系斧数，然后箩绘制成图女，则是一之条直线，层如图(7-裂31)所示从这个厘图中可级以获得b，m，和ci，从而厉，管子迈内侧的蹄对流换铁热系数这样就佩将内部削热阻从撒总传热湖系数中壳分离出详来，然直后，当蚀换热器垄运行一舰段时间肾后，再菜进行同嘉样过程废的测量紧，可以岩获得另俩外一条姜曲线，奸则两条抛曲线截亦距之差嫩就是污五垢热阻吵，这样怀又把污崇垢热阻吉分离出杨来了。威尔逊图宁解法的前毯提是有一旋侧的换热兽热阻基本医保持不变际，有时候晕这格条件娱很难被满虽足，因此热，后来人只们提出了炎一种修正只威尔逊图宝解法。3隔热保温母技术(1)需求背疫景(2)高于环境丧温度的热捏力设备的洗保温多采句用无机的何绝热材料(3)低于环起境温度昂时，有阅三个档少