換熱器計算.doc

6 換熱器計算 返回到上一層重點內(nèi)容 ： 換熱器的熱工計算方法。 設(shè)計一臺換熱器必須進(jìn)行的全部工作包括：熱計算、結(jié)構(gòu)布置、流動阻力計算、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計算以及繪圖。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)指出的是，除了繪圖之外，前四項任務(wù)實際上是交叉在一起、無法單獨進(jìn)行的。也就是說，設(shè)計過程必須，也只能在反復(fù)的修正、迭代計算中完成。在傳熱學(xué)課程中將主要討論熱計算，對其他幾項計算的有關(guān)問題請參考換熱器原理和設(shè)計方面的專著或教科書。 換熱器的熱計算有兩種基本類型設(shè)計計算和校核計算。 設(shè)計計算的具體任務(wù)和目標(biāo)是：根據(jù)指定的換熱任務(wù)，一般是介質(zhì)的種類、流量和進(jìn)出口溫度，選擇合適的換熱器型式和流道布置方案，求出總傳熱系數(shù)，進(jìn)而確定所需要的換熱面積。 校核計算則針對已有的一臺換熱器 ( 當(dāng)然面積是已知量 ) ，核查它能否完成預(yù)定的某項換熱任務(wù)，即核算兩側(cè)流體的出口溫度能否達(dá)到預(yù)期值。 在實際的換熱器設(shè)計計算中，經(jīng)常需要同時進(jìn)行這兩種類型的計算。一般首先按照設(shè)計工況給定的參數(shù)選擇流造型式并布置換熱表面，計算兩側(cè)流體的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)、總傳熱系數(shù)和所需要的換熱面積。但是，任何一臺換熱器都不可能永遠(yuǎn)在設(shè)計工況下工作，于是在確定了傳熱系數(shù)和換熱面的布置方案以后，還必須對非設(shè)計工況作校核計算。 一、概述 1 、 基本公式 傳熱方程式： , tm 為對數(shù)平均溫差； 熱平衡方程式： ，其中 適用于有相變的情況，r 為相變潛熱。 2 、 類型 設(shè)計計算：已知 中的三個。求 KA 校核計算：已知 。 求 3 、傳熱系數(shù) K 的確定： ， 分別為換熱面兩側(cè)的污垢熱阻。 4 、計算方法 平均溫差法（ LMTD 法）；效能 - 傳熱單元數(shù)法（ -NTU 法） 二、平均溫差法 1 、計算步驟 設(shè)計計算： (1) 根據(jù)能量守恒算出所缺少的一個溫度值。 (2) 如果給出了總傳熱系數(shù)，可以直接進(jìn)入下一步；如果沒有給出總傳熱系數(shù)，則進(jìn)入迭代程序，首先初選應(yīng)道布置方案 ( 包括選取管徑、管數(shù)及流程數(shù)，確定流速等 ) ，并計算兩側(cè)流體的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)和總傳熱系數(shù)。 (3) 根據(jù)進(jìn)出口溫度和流道布置，求出平均傳熱溫差。 (4) 由傳熱方程算出換熱面積，并與初選面積比較。若不一致，修改布局方案重新計算，直到兩者基本一致為止。 校核計算： (1) 假設(shè)任意一側(cè)流體的出口溫度，通過熱平衡方程即可確定另一個出口溫度。 (2) 根據(jù)流量、傳熱面積和已知的流道布局，求出對數(shù)平均溫差并確定總傳熱系數(shù)。 (3) 分別按式 、 計算傳熱量，如果兩個結(jié)果不一致，修改原出口溫度假設(shè)值，重新計算直至兩者在允許的誤差范圍內(nèi)一致為止。這個選代過程僅對出口溫度進(jìn)行，而不牽涉換熱面的布局，因此選代次數(shù)有限。也可以通過編程實現(xiàn)自動迭代運算。 2 、舉例 一蒸汽冷凝器，蒸汽壓力為 0.8bar 絕對壓強(qiáng)干飽和蒸汽，流量 0.015kg /s ，凝結(jié)水為飽和水。冷卻水進(jìn)口溫度 10 ，出口溫度 60 ，冷凝器傳熱系數(shù)為 2000 W/(m 2 )，求換熱面積。 解：由 p 1 =0.8bar ，查表得 ， LMTD 為： 換熱面積： 三、效能 - 傳熱單元數(shù)法 1 、 換熱器效能 為換熱器實際傳熱量與最大可能傳熱量 max 之比。即： ， 因 ， 有： ； 或統(tǒng)一表示為： 2 、 傳熱單元數(shù) NTU ： 傳熱單元數(shù) NTU 可理解為換熱器傳熱能力大小的某種度量。 3 、與 NTU 的關(guān)系 任何換熱器都存在以下形式的無量綱函數(shù)關(guān)系： 順流時： ，或 逆流時： ，或 其它流動形式： 不同流動形式的效能傳熱單元數(shù)關(guān)系具有以下幾項基本特征： 效能一般均隨著傳熱單元數(shù)的增大而增大。但是對有些流動形式，當(dāng) NTU 達(dá)到一定數(shù)值以后效能就趨于飽和了。 對任何一種給定的流型和 NTU 數(shù)，效能都隨熱容比的減小而增加。 逆流時曲線始終呈上升狀，而順流時，當(dāng) NTU 達(dá)到 2.5 以后曲線就幾乎不再向上升。這說明順流換熱器的面積 ( 即 NTU 值 ) 過分增大是沒有意義的，同時這也從另一個角度再次證明逆流換熱優(yōu)于順流的事實。 對于一側(cè)有相變的情況： ，注意此時 ，且與流動方式無關(guān)。 4 、計算步驟 設(shè)計計算： (1) 根據(jù)能量守恒關(guān)系求出未知出口溫度； (2) 初選流道布置方案并計算兩側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)和總傳熱系數(shù)； (3) 根據(jù)進(jìn)出口溫度求出換熱器的效能以及兩側(cè)流體的熱客比； (4) 根據(jù)指定或選定的流動方式選擇相應(yīng)的函數(shù)關(guān)系式或圖線，求出 NTU 值，進(jìn)而得到換熱面積； (5) 與初選面積比較，若不一致，修改流道布局方案并重新計算，直到兩者基本一致為讓。 若給定了換熱器的總傳熱系數(shù)，那么可以跳過第 (2) 步，直接得出換熱面積，也無需迭代過程。 校核計算： (1) 根據(jù)已知傳熱面積、總傳熱系數(shù)和較小側(cè)熱容可直接求出 NTU 值； (2) 由熱容比和 NTU 值，選取對應(yīng)的公式或者曲線求得換熱器效能： (3) 由效能直接求出小熱容側(cè)流體的出口溫度，再由能量守恒關(guān)系式得到另一個出口溫度。 以上介紹的兩種不同方法、兩種類型換熱器熱計算的情況看， LMTD 法一般用于設(shè)計計算，而 -NTU 一般用于校核計算。只要總傳熱系數(shù)未給定，迭代計算過程就是不可避免的。但是 -NTU 方法在作校核型計算時僅涉及兩流體的定性溫度，所需選代