第1章 熱交換器熱計(jì)算基本原理

1、第一章第一章 熱交換器熱計(jì)算的基本原理熱交換器熱計(jì)算的基本原理1.1 1.1 熱計(jì)算基本方程式熱計(jì)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(fù)荷，熱負(fù)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(jiǎn)化計(jì)算簡(jiǎn)化計(jì)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(zhì)量流量，傳熱流體的質(zhì)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(biāo)下標(biāo)1，2分別表示分別表示熱熱、冷冷流體；上標(biāo)流體；上標(biāo)“”,“” 分別表示流體的分別表示流體的進(jìn)口進(jìn)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(jié)合比熱的定義，改寫為結(jié)合比熱的定義，改寫為12121122ttttQMC dtMC dt 簡(jiǎn)化簡(jiǎn)化計(jì)算計(jì)算, ,取取在在t與與t溫度溫度范圍內(nèi)平均比熱范圍內(nèi)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(nèi)的溫度變化與它們的熱容量成反比即：流體在熱交換器內(nèi)的溫度變化與它們的熱容量成反比n 考慮熱損失時(shí)的情況時(shí)考慮熱損失時(shí)的情況時(shí)1212,LLQQQQQ以放熱熱量為準(zhǔn)的對(duì)外熱損失系數(shù)，通常為以放熱熱量為準(zhǔn)的對(duì)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(jì)算一般情況，傳熱溫差處處不等，所以需要計(jì)算在整個(gè)換熱面積內(nèi)的平均溫差。分為在整個(gè)換熱面積內(nèi)的平均溫差。分為算術(shù)平均溫差、算術(shù)平均溫差、對(duì)數(shù)平均溫差、積分平均溫差對(duì)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(shí)點(diǎn)頁知識(shí)點(diǎn)) )對(duì)數(shù)平均溫差（對(duì)數(shù)平均溫差（LMTD）mlnttttt 12ttt 式中：式中： maxmaxtt

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

6、以代替對(duì)數(shù)當(dāng)流體的溫度沿傳熱面變化不大時(shí)，可以代替對(duì)數(shù)平均溫差，其誤差在工程計(jì)算允許誤差范圍之內(nèi)。平均溫差，其誤差在工程計(jì)算允許誤差范圍之內(nèi)。1.2.3 1.2.3 其他流動(dòng)方式的平均溫差其他流動(dòng)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(jì)算方法：溫差計(jì)算方法： 先按照逆流計(jì)算先按照逆流計(jì)算LMTD，再乘以一個(gè)修正系數(shù)，再乘以一個(gè)修正系數(shù)mlm,ctt 1212lm,c1212( ) ( )lnttttttttt2212t -t P=t -t 冷流體加熱度流體進(jìn)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(dǎo)修正系數(shù)與推導(dǎo)修正系數(shù)與P P，R R的關(guān)系的關(guān)系例例1 1、熱流體管外一個(gè)流程，冷流體管內(nèi)先逆、熱流體管外一個(gè)流程，冷流體管內(nèi)先逆流后順流流后順流 ( (P1315頁推導(dǎo)過程頁推導(dǎo)過程) )的注意事項(xiàng)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(shí)際中實(shí)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(shí)時(shí)-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(tái)串則不合理，須采用多殼

8、程或多臺(tái)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(guān)于關(guān)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(shí)的平均溫差流體比熱或傳熱系數(shù)變化時(shí)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(jì)算可將換熱器中各部分的傳熱系數(shù)視一般工程計(jì)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(jì)算分段計(jì)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(jìn)口溫度與實(shí)際換熱器面積無窮大，且流體流量、進(jìn)口溫度與實(shí)際換熱器相同的逆流換熱器所能達(dá)到的傳熱量極限值。相同的逆流換熱器所能達(dá)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(shí)現(xiàn)這一變化的流體能實(shí)現(xiàn)這一變化傳熱有效度傳熱有效度實(shí)際傳熱量與最大可能傳熱量之比實(shí)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(shí)熱流體容量小時(shí)冷流體容量小時(shí)冷流體容量小時(shí)2212ttttmax12/( )tttmi

10、n12( )QWtt1.3.2 1.3.2 順流和逆流時(shí)的傳熱有效度順流和逆流時(shí)的傳熱有效度順流時(shí)的傳熱有效度順流時(shí)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(dāng)一流體在相變時(shí)傳熱，當(dāng)一流體在相變時(shí)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(shí)兩

11、流體的熱容量相等時(shí)1 exp22NTU順流時(shí)順流時(shí)(查圖查圖1.18, P26)逆流時(shí)逆流時(shí)(查圖查圖1.19, P27)1 exp(1)1exp(1)CCNTURRcNTUR1NTUNTU兩流體的熱容量相等時(shí)兩流體的熱容量相等時(shí)當(dāng)一流體在相變時(shí)傳熱，當(dāng)一流體在相變時(shí)傳熱，Rc = 01 exp NTU應(yīng)用應(yīng)用-NTU關(guān)系時(shí)關(guān)系時(shí)1 exp(1)1exp(1)CCNTURRcNTURn 同樣的同樣的NTU 時(shí)，時(shí)，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(shí)時(shí), 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(jì)算方法的比較熱交換器計(jì)算方法的比較須事先給出其中須事先給出其中5個(gè)量方可進(jìn)行計(jì)算個(gè)量方可進(jìn)行計(jì)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(shè)計(jì)性熱計(jì)算時(shí)，最好采用平均溫差法設(shè)計(jì)性熱計(jì)算時(shí)，最好采用平均溫差法，通過，通過 值的大小判定擬定的流動(dòng)方式與逆流的差距，有利值的大小判定擬定的流動(dòng)方式與逆流的差距，有利于流動(dòng)型式的比較。于流動(dòng)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(jì)算時(shí)，傳熱單元數(shù)法更優(yōu)越校核性熱計(jì)算時(shí)，傳熱單元數(shù)法更優(yōu)越。1.5 1.5 流動(dòng)方式的選擇流動(dòng)

13、方式的選擇n給定溫度時(shí)，獲得較大的平均溫差，較少材料消耗給定溫度時(shí)，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(fēng)機(jī)耗能。消耗量，節(jié)約泵與風(fēng)機(jī)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(yīng)用最好的傳熱工況，以獲得較高的傳熱系數(shù)，減應(yīng)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(shí)傳遞更多熱量或傳熱面相同逆流時(shí)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(diǎn)：高溫在同一側(cè)，受熱面溫差大，壁溫均勻性逆流缺點(diǎn)：高溫在同一側(cè)，受熱面溫差大，壁溫均勻性差，熱應(yīng)力大差，熱應(yīng)力大材料壽命；如高溫下化學(xué)反應(yīng)材料壽命；如高溫下化學(xué)反應(yīng)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(shí)，順流和逆流相差不大時(shí)，順流和逆流相差不大1.5.2 1.5.2 混流和錯(cuò)流混流和