热交换器原理与设计第1章 热交换器热计算的基本原理课件

第1章热交换器热计算的基本原理热交换器原理与设计第1章热交换器热计算的基本原理1.0概述热（力）计算是换热器设计的基础。以间壁式换热器为基础介绍换热器的热（力）计算，其他形式的换热器计算方法相同。设计性计算校核性计算设计新换热器，确定其面积。但同样大小的传热面积可采用不同的构造尺寸，而不同的构造尺寸会影响换热系数，故一般与结构计算交叉进行。针对现有换热器，确定流体的进出口温度。了解其在非设计工况下的性能变化，判断其是否能满足新的工艺要求。热交换器原理与设计第1章热交换器热计算的基本原理1.1热计算基本方程式传热方程式和热平衡方程式1.1.1传热方程式Q—热负荷k、Δt—微元面上的传热系数和温差。K—总传热系数Δtm—对数平均温差。热交换器原理与设计第1章热交换器热计算的基本原理1.1热计算基本方程式1.1.1传热方程式

工艺计算的目的是求换热面积，即

需要先求出Q，K，Δtm热交换器原理与设计第1章热交换器热计算的基本原理1.1热计算基本方程式1.1.2热平衡方程式

如不考虑热损失，则下标1代表热流体。下标2冷流体；上标1撇代表进口，上标2撇代表出口。

如无相变，则或热交换器原理与设计第1章热交换器热计算的基本原理1.1热计算基本方程式1.1.2热平衡方程式Mc称为热容，用W表示，则，考虑热损失时，ηL—对外热损失系数，取0.97~0.98热交换器原理与设计第1章热交换器热计算的基本原理1.2平均温差1.2.1流体的温度分布右图为流体平行流动时温度分布热交换器原理与设计第1章热交换器热计算的基本原理假设：(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。下标1、2分别代表热冷流体。上标1撇和2撇分别代表进出口1.2平均温差1.2.2顺流和逆流情况下的平均温差

简单顺流时的对数平均温差热交换器原理与设计第1章热交换器热计算的基本原理1.2平均温差1.2.2顺流和逆流情况下的平均温差

简单顺流时的对数平均温差分析微元面dA的换热：温差：两种流体的换热量为:对于热流体和冷流体:热交换器原理与设计第1章热交换器热计算的基本原理1.2平均温差1.2.2顺流和逆流情况下的平均温差

简单顺流时的对数平均温差可见，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：热交换器原理与设计第1章热交换器热计算的基本原理1.2平均温差1.2.2顺流和逆流情况下的平均温差

简单顺流时的对数平均温差对数平均温差热交换器原理与设计第1章热交换器热计算的基本原理1.2平均温差1.2.2顺流和逆流情况下的平均温差

简单逆流时的对数平均温差逆流时：热交换器原理与设计第1章热交换器热计算的基本原理其他过程和公式与顺流是完全一样，因此，最终仍然可以得到：1.2平均温差1.2.2顺流和逆流情况下的平均温差

简单逆流时的对数平均温差热交换器原理与设计第1章热交换器热计算的基本原理

顺流和逆流的区别：将对数平均温差写成如下统一形式(顺流和逆流都适用)顺流：逆流：1.2平均温差1.2.2顺流和逆流情况下的平均温差热交换器原理与设计第1章热交换器热计算的基本原理

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，两者的差别小于4％；当时，两者的差别小于2.3％。平均温差的另一种更为简单的形式是算术平均温差，即1.2平均温差1.2.2顺流和逆流情况下的平均温差热交换器原理与设计第1章热交换器热计算的基本原理1.2平均温差1.2.3其他流动方式时的平均温差纯顺流和纯逆流情况比较少，实际换热器一般都是处于顺流和逆流之间，或者有时是逆流，有时又是顺流，流动情况非常复杂。是给定的冷热流体的进出口温度布置成逆流时的LMTD。纯逆流的平均温差最大，一般通过对纯逆流的对数平均温差进行修正来获得其他情况下的平均温差。

是小于1的修正系数。图9-15～9-18分别给出了管壳式换热器和交叉流式换热器的。热交换器原理与设计第1章热交换器热计算的基本原理热交换器原理与设计第1章热交换器热计算的基本原理热交换器原理与设计第1章热交换器热计算的基本原理热交换器原理与设计第1章热交换器热计算的基本原理

关于

的注意事项式中：下标1、2分别表示冷热两种流体，上角标1撇表示进口，2撇表示出口，图表中均以P为横坐标，R为参量。（2）P的物理意义：（1）

值取决于无量纲参数P和R表示冷流体的实际温升与理论上所能达到的最大温升之比，所以只能小于1。1.2平均温差1.2.3其他流动方式时的平均温差热交换器原理与设计第1章热交换器热计算的基本原理

关于

的注意事项1.2平均温差1.2.3其他流动方式时的平均温差（3）R的物理意义：两种流体的热容量之比（4）对于管壳式换热器，查图时需要注意流动的“程”数热交换器原理与设计第1章热交换器热计算的基本原理1.3.1传热有效度的定义既“传热学”中的效能-传热单元数法。传热有效度的定义是基于如下思想：当换热器无限长，对于一个逆流换热器来讲，则会发生如下情况：但实际情况的传热量

总是小于可能的最大传热量

max，将

/

max定义为传热有效度，并用

表示，即a当qm1c1≤qm2c2时，则b当qm2c2≤qm1c1时，则于是可得：1.3传热有效度热交换器原理与设计第1章热交换器热计算的基本原理如果已知

则实际传热量为：式①，②相加：①②1.3.2顺流和逆流时的传热有效度顺流时，假设根据热平衡式则有1.3传热有效度热交换器原理与设计第1章热交换器热计算的基本原理1.3.2顺流和逆流时的传热有效度1.3传热有效度热交换器原理与设计第1章热交换器热计算的基本原理当时，同样的推导过程可得：两个公式合并，可得：1.3.2顺流和逆流时的传热有效度1.3传热有效度热交换器原理与设计第1章热交换器热计算的基本原理定义传热单元数NTU(NumberofTransferUnit)则顺流时，1.3.2顺流和逆流时的传热有效度1.3传热有效度热交换器原理与设计第1章热交换器热计算的基本原理逆流时1.3.2顺流和逆流时的传热有效度1.3传热有效度即热交换器原理与设计第1章热交换器热计算的基本原理

当冷热流体之一发生相变时

当两种流体的热容相等时顺流：逆流：相当于罗必塔法则1.3.2顺流和逆流时的传热有效度1.3传热有效度热交换器原理与设计第1章热交换器热计算的基本原理热交换器原理与设计第1章热交换器热计算的基本原理由顺流和逆流的传热有效度推导结果可知：1.3.2顺流和逆流时的传热有效度1.3传热有效度设计计算时，ε、Rc已知，由关系式或图求NTU进而求换热面积。热交换器原理与设计第1章热交换器热计算的基本原理热交换器原理与设计第1章热交换器热计算的基本原理热交换器原理与设计第1章热交换器热计算的基本原理1.3.2其他流动方式时的传热有效度1.3传热有效度(3)两种流体中仅有一种混合的错流式换热器(2)<2-4>型换热器(4)两种流体都不混合的错流式换热器(1)<1-2>型换热器热交换器原理与设计第1章热交换器热计算的基本原理热交换器原理与设计第1章热交换器热计算的基本原理热交换器原理与设计第1章热交换器热计算的基本原理1.4换热器计算方法比较换热器热计算的基本方程式是传热方程式及热平衡式:1.换热器热计算概述(1)设计计算：校核计算：设计一个新的换热器，以确定所需的换热面积。对已有或已选定了换热面积的换热器，在非设计工况条件下，核算他能否完成规定的新任务。(9-14)(9-15)热交换器原理与设计第1章热交换器热计算的基本原理需要给定其中的5个变量，才可以进行计算。取决于进出口温度和换热器的型式，不是独立变量。因此，上面的两个方程中共有8个未知数，即由(9-15)进出口4个温度只有3个是独立变量。(9-14)(9-15)设计计算：给定qm1c1，qm2c2，以及进出口温度中的三个，最终求k，A校核计算：给定的一般是k,A

，以及2个进口温度，待求的是两个出口温度1.4换热器计算方法比较1.换热器热计算概述热交换器原理与设计第1章热交换器热计算的基本原理换热器的热计算有两种方法：直接应用传热方程和热平衡方程进行热计算，具体步骤为：2.平均温差法：

设计计算（已知qm1c1,qm2c2及三个温度，求

k,A

）

初步布置换热面，并计算出相应的总传热系数k(2)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。(3)由冷热流体的4个进出口温度确定平均温差(5)如果流动阻力过大，则需要改变方案重新设计。(4)由传热方程式计算所需的换热面积A，并核算换热面流体的流动阻力。平均温差法、效能-传热单元数(-NTU)法1.4换热器计算方法比较热交换器原理与设计第1章热交换器热计算的基本原理1.4换热器计算方法比较

校核计算(已知A,qm1c1,qm2c2及2个进口温度，求)2.平均温差法：(1)先假设一个出口温度，按热平衡式计算另一个出口温度。(2)根据4个进出口温度求得平均温差(3)根据换热器的结构，算出相应工作条件下的总传热系数k(4)已知kA和△tm，按传热方程式计算在假设出口温度下的

(5)根据4个进出口温度，用热平衡式计算另一个

，这个值和上面的

，都是在假设出口温度下得到的，因此，都不是真实的换热量(6)比较两个

值，满足精度要求，则结束，否则，重新假定出口温度，重复(1)~(6)，直至满足精度要求。热交换器原理与设计第1章热交换器热计算的基本原理3用效能-传热单元数法计算换热器的步骤利用已知条件可以计算出，而待求的k，A则包含在NTU内，因此，对于设计计算是已知，求NTU，求解过程与平均温差法相似。

设计计算设计计算时已知qm1c1,qm2c2及三个温度，求

k,A，1.4换热器计算方法比较热交换器原理与设计第1章热交换器热计算的基本原理3.3用效能-传热单元数法计算换热器的步骤

校核计算由于k事先不知，仍需要假设一个出口温度，具体如下：已知A,qm1c1,qm2c2及2个进口温度，求①

假设一个出口温度，利用热平衡式计算另一个②

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k③

利用k,A计算NTU④

利用NTU计算

⑤

利用

=εmax计算

，利用

=kA△tm计算另一个

⑥

比较两个

，是否满足精度，否则重复以上步骤1.4换热器计算方法比较热交换器原理与设计第1章热交换器热计算的基本原理从上面步骤可以看出，假设的出口温度对传热量

的影响不是直接的，而是通过定性温度，影响总传热系数，从而影响NTU，并最终影响

值。而平均温差法的假设温度直接用于计算

值，显然

-NTU法对假设温度没有平均温差法敏感，这是该方法的优势。在校核计算中，

-NTU法运用较多。3用效能-传热单元数法计算换热器的步骤1.4换热器计算方法比较热交换器原理与设计第1章热交换器热计算的基本原理1总体原则1.5流体流动方式的选择流动方式对整个换热器设计的合理性有很大的影响，在选择流动方式时应注意以下几个方面：(1)在给定温度状况下，保证获得较大的平均温差，以较小传热面积，降低金属或其他材料的消耗。(2)使流体本身的温度变化值(δt1或