第1章 熱交換器熱計算基本原理

1、第一章第一章 熱交換器熱計算的基本原理熱交換器熱計算的基本原理1.1 1.1 熱計算基本方程式熱計算基本方程式1.1.1 1.1.1 傳熱方程式傳熱方程式0FQk tdF式中：式中：Q 熱負荷，熱負荷，W； k 微元傳熱面的換熱系數(shù)，微元傳熱面的換熱系數(shù)，W/(m2） dF 微元傳熱面積面積，微元傳熱面積面積，m2 t 微元面積處的傳熱溫差微元面積處的傳熱溫差簡化計算簡化計算式中：式中：K 傳熱面上的平均傳熱系數(shù)傳熱面上的平均傳熱系數(shù) F 傳熱面積傳熱面積 tm-兩種流體之間的平均溫差兩種流體之間的平均溫差mQKF t1.1.2 1.1.2 熱平衡方程式熱平衡方程式 111222( )( )Q

2、M iiMii式中：式中：M 傳熱流體的質量流量，傳熱流體的質量流量， kg/s i 熱流體與冷流體的焓值，熱流體與冷流體的焓值，J/kg 下標下標1，2分別表示分別表示熱熱、冷冷流體；上標流體；上標“”,“” 分別表示流體的分別表示流體的進口進口和和出口出口狀態(tài)狀態(tài) 此公式在有無相變情況下都是正確的此公式在有無相變情況下都是正確的在無相變情況下還可在無相變情況下還可結合比熱的定義，改寫為結合比熱的定義，改寫為12121122ttttQMC dtMC dt 簡化簡化計算計算, ,取取在在t與與t溫度溫度范圍內平均比熱范圍內平均比熱1 112 22QM c ttM c tt 12（ -）=（ -

3、）Mc 稱為熱容量稱為熱容量(W/) ，用，用W 表示表示C1、 C2-兩流體的定壓比熱兩流體的定壓比熱, J/(kg )211122WtttWttt12-即：流體在熱交換器內的溫度變化與它們的熱容量成反比即：流體在熱交換器內的溫度變化與它們的熱容量成反比n 考慮熱損失時的情況時考慮熱損失時的情況時1212,LLQQQQQ以放熱熱量為準的對外熱損失系數(shù)，通常為以放熱熱量為準的對外熱損失系數(shù)，通常為0.97-0.980.97-0.981.2 1.2 平均溫差平均溫差冷熱流體發(fā)生相變冷熱流體發(fā)生相變熱流體冷凝熱流體冷凝冷流體沸騰冷流體沸騰順流，無相變順流，無相變逆流，無相變逆流，無相變熱流體冷卻，

4、相變，冷卻熱流體冷卻，相變，冷卻1.2.1 1.2.1 流體的溫度分布流體的溫度分布冷流體加熱，相變，加熱冷流體加熱，相變，加熱熱流體部分相變熱流體部分相變 一般情況，傳熱溫差處處不等，所以需要計算一般情況，傳熱溫差處處不等，所以需要計算在整個換熱面積內的平均溫差。分為在整個換熱面積內的平均溫差。分為算術平均溫差、算術平均溫差、對數(shù)平均溫差、積分平均溫差對數(shù)平均溫差、積分平均溫差等。等。1.2.2 1.2.2 順流和逆流的平均溫差順流和逆流的平均溫差( (先看先看P10P10頁知識點頁知識點) )對數(shù)平均溫差（對數(shù)平均溫差（LMTD）mlnttttt 12ttt 式中：式中： maxmaxtt

5、t，若若minminttt，maxminlmmaxminlnttttt算術平均溫差算術平均溫差 mminmax1()2tttn 傳熱過程中涉及多種換熱方式時，需要分段計算平傳熱過程中涉及多種換熱方式時，需要分段計算平均溫差均溫差. . 當當 時，兩者的差別小于時，兩者的差別小于4； 當當 時，兩者的差別小于時，兩者的差別小于2.3。2minmaxtt7 . 1minmaxttn 算術平均溫差算術平均溫差相當于溫度呈直線變化的情況，因此，相當于溫度呈直線變化的情況，因此，總是總是大于相同進出口溫度下的對數(shù)平均溫差大于相同進出口溫度下的對數(shù)平均溫差。(P11)n 當流體的溫度沿傳熱面變化不大時，可

6、以代替對數(shù)當流體的溫度沿傳熱面變化不大時，可以代替對數(shù)平均溫差，其誤差在工程計算允許誤差范圍之內。平均溫差，其誤差在工程計算允許誤差范圍之內。1.2.3 1.2.3 其他流動方式的平均溫差其他流動方式的平均溫差混合流與非混合流混合流與非混合流 溫差計算方法：溫差計算方法： 先按照逆流計算先按照逆流計算LMTD，再乘以一個修正系數(shù)，再乘以一個修正系數(shù)mlm,ctt 1212lm,c1212( ) ( )lnttttttttt2212t -t P=t -t 冷流體加熱度流體進口溫差112Rtttt2熱流體冷卻度-冷流體加熱度溫度效率溫度效率冷、熱流體的熱容量比冷、熱流體的熱容量比22lm,c(1)

7、( )1ln1RtttPPR推導修正系數(shù)與推導修正系數(shù)與P P，R R的關系的關系例例1 1、熱流體管外一個流程，冷流體管內先逆、熱流體管外一個流程，冷流體管內先逆流后順流流后順流 ( (P1315頁推導過程頁推導過程) )的注意事項P：溫度效率，：溫度效率，其值恒小于其值恒小于1。R：冷熱流體熱容量之比：冷熱流體熱容量之比，值不確定，值不確定實際中實際中, 有現(xiàn)成的有現(xiàn)成的 值曲線值曲線, 根據(jù)根據(jù)P、R值可查值可查, P18/19: :修正系數(shù)修正系數(shù)1, , 為為1時時-與逆流換熱相同與逆流換熱相同. .一般一般 0.9，若，若 0.75則不合理，須采用多殼程或多臺串則不合理，須采用多殼

8、程或多臺串聯(lián)的方式代替，以提高聯(lián)的方式代替，以提高 值值，使之更接近逆流，使之更接近逆流關于關于P、R以及以及1.2.4 1.2.4 流體比熱或傳熱系數(shù)變化時的平均溫差流體比熱或傳熱系數(shù)變化時的平均溫差（1 1）流體的比熱隨溫度變化）流體的比熱隨溫度變化（2 2）傳熱系數(shù)變化）傳熱系數(shù)變化 一般工程計算可將換熱器中各部分的傳熱系數(shù)視一般工程計算可將換熱器中各部分的傳熱系數(shù)視為常量，如傳熱系數(shù)確變化較大，仍可采用分段法為常量，如傳熱系數(shù)確變化較大，仍可采用分段法分段計算分段計算1.3 1.3 傳熱有效度傳熱有效度最大可能傳熱量最大可能傳熱量Qmax maxmin12()QWtt式中：式中：Wmi

9、n為為熱容量小熱容量小的流體熱容量的流體熱容量 面積無窮大，且流體流量、進口溫度與實際換熱器面積無窮大，且流體流量、進口溫度與實際換熱器相同的逆流換熱器所能達到的傳熱量極限值。相同的逆流換熱器所能達到的傳熱量極限值。(P24)熱流體冷卻至熱流體冷卻至t2、或冷流體加熱至、或冷流體加熱至t1。只有熱容量小。只有熱容量小的流體能實現(xiàn)這一變化的流體能實現(xiàn)這一變化傳熱有效度傳熱有效度實際傳熱量與最大可能傳熱量之比實際傳熱量與最大可能傳熱量之比無因次參數(shù)，小于無因次參數(shù)，小于1m axQQ1112tttt熱流體容量小時熱流體容量小時冷流體容量小時冷流體容量小時2212ttttmax12/( )tttmi

10、n12( )QWtt1.3.2 1.3.2 順流和逆流時的傳熱有效度順流和逆流時的傳熱有效度順流時的傳熱有效度順流時的傳熱有效度(P24和和25)minminmaxminmax1 exp(1)1WKFWWWW定義傳熱單元數(shù)定義傳熱單元數(shù) NTU （number of transfer unit）minKFNTUW反映熱交換器傳熱能反映熱交換器傳熱能力大小，無因次量力大小，無因次量minmaxcWRW(,)cNTU RRc，無因次量，無因次量令令當一流體在相變時傳熱，當一流體在相變時傳熱，Wmax無窮大，無窮大，Rc = 01 exp(1)1CcNTURR1 exp NTU兩流體的熱容量相等時兩

11、流體的熱容量相等時1 exp22NTU順流時順流時(查圖查圖1.18, P26)逆流時逆流時(查圖查圖1.19, P27)1 exp(1)1exp(1)CCNTURRcNTUR1NTUNTU兩流體的熱容量相等時兩流體的熱容量相等時當一流體在相變時傳熱，當一流體在相變時傳熱，Rc = 01 exp NTU應用應用-NTU關系時關系時1 exp(1)1exp(1)CCNTURRcNTURn 同樣的同樣的NTU 時，時，逆流逆流交換器的交換器的大于順流大于順流，隨隨NTU 增加而增大。增加而增大。n 順流順流時時, 隨隨NTU 增加增加趨于定值趨于定值。(P26)1 exp(1)1CcNTURR逆流

12、逆流順流順流minmaxcWRWminKFNTUW1.4 1.4 熱交換器計算方法的比較熱交換器計算方法的比較須事先給出其中須事先給出其中5個量方可進行計算個量方可進行計算-采用采用平均溫差法平均溫差法或或傳熱單元數(shù)法傳熱單元數(shù)法均可均可n設計性熱計算時，最好采用平均溫差法設計性熱計算時，最好采用平均溫差法，通過，通過 值的大小判定擬定的流動方式與逆流的差距，有利值的大小判定擬定的流動方式與逆流的差距，有利于流動型式的比較。于流動型式的比較。(由由P、R值查值查P18和和19頁曲線頁曲線)n校核性熱計算時，傳熱單元數(shù)法更優(yōu)越校核性熱計算時，傳熱單元數(shù)法更優(yōu)越。1.5 1.5 流動方式的選擇流動

13、方式的選擇n給定溫度時，獲得較大的平均溫差，較少材料消耗給定溫度時，獲得較大的平均溫差，較少材料消耗.n使流體本身的溫度變化值盡可能大，減小流體熱量使流體本身的溫度變化值盡可能大，減小流體熱量消耗量，節(jié)約泵與風機耗能。消耗量，節(jié)約泵與風機耗能。n使傳熱面溫度均勻，并使之在較低的溫度下工作。使傳熱面溫度均勻，并使之在較低的溫度下工作。n應用最好的傳熱工況，以獲得較高的傳熱系數(shù)，減應用最好的傳熱工況，以獲得較高的傳熱系數(shù)，減小傳熱面積。小傳熱面積。1.5.1 1.5.1 順流和逆流的選擇順流和逆流的選擇(P36)(P36)了解了解n逆流平均溫差最大，順流最小逆流平均溫差最大，順流最小逆流減少所需傳

14、熱面，逆流減少所需傳熱面，或傳熱面相同逆流時傳遞更多熱量或傳熱面相同逆流時傳遞更多熱量n溫度條件：溫度條件：逆流允許更大的溫變范圍逆流允許更大的溫變范圍，減少流體耗量，減少流體耗量， 逆流更佳，工業(yè)上換熱器多數(shù)為逆流，或盡量接近逆流逆流更佳，工業(yè)上換熱器多數(shù)為逆流，或盡量接近逆流逆流缺點：高溫在同一側，受熱面溫差大，壁溫均勻性逆流缺點：高溫在同一側，受熱面溫差大，壁溫均勻性差，熱應力大差，熱應力大材料壽命；如高溫下化學反應材料壽命；如高溫下化學反應須用順須用順流。措施：分段串聯(lián)流。措施：分段串聯(lián)低溫段逆流、高溫段順流低溫段逆流、高溫段順流流體有相變的傳熱流體有相變的傳熱無順流和逆流之別；兩流體熱容量無順流和逆流之別；兩流體熱容量相差大相差大(W1/W210 或或W1/W20.05)時，順流和逆流相差不大時，順流和逆流相差不大1.5.2 1.5.2 混流和錯流混流和