傳熱過程分析與換熱器熱計(jì)算

1、傳熱過程分析與換熱器熱計(jì)算第九章第九章 傳熱過程分析與換熱器熱計(jì)算傳熱過程分析與換熱器熱計(jì)算傳熱過程分析與換熱器熱計(jì)算本章的學(xué)習(xí)目的本章的學(xué)習(xí)目的 分析實(shí)際傳熱問題的能力分析實(shí)際傳熱問題的能力 綜合應(yīng)用三種基本傳熱方式及其相關(guān)公式的能力綜合應(yīng)用三種基本傳熱方式及其相關(guān)公式的能力(1)了解換熱器的基本知識和設(shè)計(jì)過程了解換熱器的基本知識和設(shè)計(jì)過程)(21ffttkA 9-1 9-1 傳熱過程的分析和計(jì)算傳熱過程的分析和計(jì)算 傳熱過程？傳熱過程？ 基本計(jì)算式基本計(jì)算式( (傳熱方程式傳熱方程式) )？式中：式中：K K是傳熱系數(shù)是傳熱系數(shù)( (總傳熱系數(shù)總傳熱系數(shù)) )。對于不同的傳熱過。對于不同的

2、傳熱過 程，程，K K的計(jì)算公式也不同。的計(jì)算公式也不同。totARk1傳熱過程分析與換熱器熱計(jì)算1 1 通過平壁的傳熱通過平壁的傳熱K的計(jì)算的計(jì)算公式？公式？21111hhk說明說明： (1) h(1) h1 1和和h h2 2的計(jì)算；（的計(jì)算；（2 2）如果計(jì)及輻射時(shí)對流）如果計(jì)及輻射時(shí)對流換熱系數(shù)應(yīng)該采用等效換熱系數(shù)換熱系數(shù)應(yīng)該采用等效換熱系數(shù)( (總表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)總表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)) )rcthhh單相對流：單相對流：214241)(TTTThr343434rcthhh膜態(tài)沸騰：膜態(tài)沸騰：(8-24)(6-23)傳熱過程分析與換熱器熱計(jì)算2 2 通過圓管的傳熱通過圓管的傳熱hiho)ln(2

3、1)(iowowiddttl內(nèi)部對流：內(nèi)部對流：)(1wifiittldh圓柱面導(dǎo)熱：圓柱面導(dǎo)熱：)(2fwooottldh外部對流：外部對流：iihidlhR1lddRio2)ln( ooholdhR1)(1)ln(211)(fofiooooioiifofittldkdhdddhttloiooiioohddddhdk1)ln(21其中：其中：傳熱過程分析與換熱器熱計(jì)算3 3 通過肋壁的傳熱通過肋壁的傳熱肋壁面積：肋壁面積：21AAAo穩(wěn)態(tài)下?lián)Q熱情況：穩(wěn)態(tài)下?lián)Q熱情況：)(11wfiittAh)(1wowittA)()()(21fowoooofowofofowoottAhttAhttAhofoA

4、AA)(21A1A2Ai肋面總效率肋面總效率傳熱過程分析與換熱器熱計(jì)算oooiiffioooiiiffAhAhttAAhAAhtt1)(112121定義肋化系數(shù)：定義肋化系數(shù)： 則傳熱系數(shù)為則傳熱系數(shù)為所以，只要所以，只要 就可以起到強(qiáng)化換熱的效果。就可以起到強(qiáng)化換熱的效果。ioAAooihhk1111o傳熱過程分析與換熱器熱計(jì)算4 4 帶保溫層的圓管傳熱帶保溫層的圓管傳熱臨界熱絕緣直徑臨界熱絕緣直徑212111)(hhttAffooioiifofidhdddhttl1)ln(211)(ooiffihhttA11)(212122111)ln(21)ln(211)(ooooioiifofidhd

5、ddddhttl圓管外敷保溫層后：圓管外敷保溫層后：可見，保溫層使得導(dǎo)熱熱阻增加，換熱削弱；另一方面，降可見，保溫層使得導(dǎo)熱熱阻增加，換熱削弱；另一方面，降低了對流換熱熱阻，使得換熱贈(zèng)強(qiáng)，那么，綜合效果到底是低了對流換熱熱阻，使得換熱贈(zèng)強(qiáng)，那么，綜合效果到底是增強(qiáng)還是削弱呢？這要看增強(qiáng)還是削弱呢？這要看d d /dd/ddo2 o2 和和d d2 2 /dd/ddo2o22 2的值的值傳熱過程分析與換熱器熱計(jì)算21221121)ln(21)ln(211)(ooooioiiodhdddddhd)()(2ofofidttl22222222121)()(ddooofofiodhddttld0dd2o

6、dcrodhd2222可見，確實(shí)是有一個(gè)極值存在，那么，到底是極大值，還是可見，確實(shí)是有一個(gè)極值存在，那么，到底是極大值，還是極小值呢？從熱量的基本傳遞規(guī)律可知，應(yīng)該是極大值。也極小值呢？從熱量的基本傳遞規(guī)律可知，應(yīng)該是極大值。也就是說，就是說，d do2o2在在d do1o1 d dcrcr之間，之間， 是增加的，當(dāng)是增加的，當(dāng)d do2o2大于大于d dcrcr時(shí)，時(shí)， 降低。降低。or2222hdBio傳熱過程分析與換熱器熱計(jì)算 9-2 9-2 換熱器的型式及平均溫差換熱器的型式及平均溫差 換熱器的定義：用來使熱量從熱流體傳遞到冷流體，以換熱器的定義：用來使熱量從熱流體傳遞到冷流體，以

7、滿足規(guī)定的工藝要求的裝置滿足規(guī)定的工藝要求的裝置2 2 換熱器的分類：換熱器的分類：螺旋板式板式交叉流換熱器管殼式殼管式套管式)(蓄熱式混合式間壁式板翅式管翅式管束式三種類型換熱器三種類型換熱器簡介簡介傳熱過程分析與換熱器熱計(jì)算3 3 間壁式換熱器的主要型式間壁式換熱器的主要型式 套管式換熱器：最簡單的一種間壁式換熱器，流體有順套管式換熱器：最簡單的一種間壁式換熱器，流體有順 流和逆流兩種，適用于傳熱量不大或流和逆流兩種，適用于傳熱量不大或流流(1)(1) 體流量不大的情形體流量不大的情形Cold fluidHot fluidCold fluidHot fluid順流順流逆流逆流xTThTcT

8、1T2xTTh (Hot)Tc (cold)T1T2傳熱過程分析與換熱器熱計(jì)算(2) 2) 管殼式換熱器：最主要的一種間壁式換熱器，傳熱面由管殼式換熱器：最主要的一種間壁式換熱器，傳熱面由管束組成，管子兩端固定在管板上，管束與管板再封裝在外管束組成，管子兩端固定在管板上，管束與管板再封裝在外殼內(nèi)。兩種流體分管程和殼程。殼內(nèi)。兩種流體分管程和殼程。outBT,side) (shell ,inBTside) (tube ,inAToutAT,傳熱過程分析與換熱器熱計(jì)算side) (tube ,inAToutAT,side) (shell ,inBToutBT,增加管程增加管程傳熱過程分析與換熱器熱

9、計(jì)算side) (shell ,inBToutBT,side) (tube,inAToutAT,進(jìn)一步增加管程和殼程進(jìn)一步增加管程和殼程傳熱過程分析與換熱器熱計(jì)算(3) (3) 交叉流換熱器：間壁式換熱器的又一種主要形式。其交叉流換熱器：間壁式換熱器的又一種主要形式。其主要特點(diǎn)是冷熱流體呈交叉狀流動(dòng)。交叉流換熱器又分管主要特點(diǎn)是冷熱流體呈交叉狀流動(dòng)。交叉流換熱器又分管束式、管翅式和板翅式三種。束式、管翅式和板翅式三種。(c) 板翅式交叉流換熱器板翅式交叉流換熱器傳熱過程分析與換熱器熱計(jì)算(4) (4) 板式換熱器：由一組幾何結(jié)構(gòu)相同的平行薄平板疊加所板式換熱器：由一組幾何結(jié)構(gòu)相同的平行薄平板疊

10、加所組成，冷熱流體間隔地在每個(gè)通道中流動(dòng)，其特點(diǎn)是拆卸清組成，冷熱流體間隔地在每個(gè)通道中流動(dòng)，其特點(diǎn)是拆卸清洗方便，故適用于含有易結(jié)垢物的流體。洗方便，故適用于含有易結(jié)垢物的流體。單位體積內(nèi)所包含的換熱面積作為衡量換熱器緊湊程度的衡單位體積內(nèi)所包含的換熱面積作為衡量換熱器緊湊程度的衡量指標(biāo)，一般將大于量指標(biāo)，一般將大于700m2/m3700m2/m3的換熱器稱為緊湊式換熱器，的換熱器稱為緊湊式換熱器，板翅式換熱器多屬于緊湊式，因此，日益受到重視。板翅式換熱器多屬于緊湊式，因此，日益受到重視。傳熱過程分析與換熱器熱計(jì)算(5) 5) 螺旋板式換熱器：換熱表面由兩塊金屬板卷制而成，螺旋板式換熱器：換

11、熱表面由兩塊金屬板卷制而成，有點(diǎn)：換熱效果好；缺點(diǎn)：密封比較困難。有點(diǎn)：換熱效果好；缺點(diǎn)：密封比較困難。傳熱過程分析與換熱器熱計(jì)算4 4 簡單順流及逆流換熱器的對數(shù)平均溫差簡單順流及逆流換熱器的對數(shù)平均溫差傳熱方程的一般形式：傳熱方程的一般形式：mtkA這個(gè)過程對于傳熱過程是通用的，但這個(gè)過程對于傳熱過程是通用的，但是當(dāng)溫差是當(dāng)溫差 沿整個(gè)壁面不是常數(shù)沿整個(gè)壁面不是常數(shù)時(shí)，比如等壁溫條件下的管內(nèi)對流換時(shí)，比如等壁溫條件下的管內(nèi)對流換熱，以及我們現(xiàn)在遇到的換熱器等。熱，以及我們現(xiàn)在遇到的換熱器等。對于前者我們曾經(jīng)提到過對數(shù)平均溫對于前者我們曾經(jīng)提到過對數(shù)平均溫差差(LMTD)(LMTD)的公式，

12、但是沒有給出推導(dǎo)。的公式，但是沒有給出推導(dǎo)。下面我們就來看看下面我們就來看看LMTDLMTD的推導(dǎo)過程的推導(dǎo)過程mtdthdtcthtchtctht ct 傳熱過程分析與換熱器熱計(jì)算以順流情況為例，并作如下假設(shè)以順流情況為例，并作如下假設(shè)：（：（1 1）冷熱流體的質(zhì)）冷熱流體的質(zhì)量流量量流量qm2qm2、qm1qm1以及比熱容以及比熱容c2,c1c2,c1是常數(shù)；是常數(shù)；(2) (2) 傳熱系傳熱系數(shù)是常數(shù)；（數(shù)是常數(shù)；（3 3）換熱器無散熱損失；（）換熱器無散熱損失；（4 4）換熱面沿流）換熱面沿流動(dòng)方向的導(dǎo)熱量可以忽略不計(jì)。動(dòng)方向的導(dǎo)熱量可以忽略不計(jì)。)(xxAft 要想計(jì)算沿整個(gè)換熱面的

13、平均溫差，首先需要知道當(dāng)?shù)匾胗?jì)算沿整個(gè)換熱面的平均溫差，首先需要知道當(dāng)?shù)販夭铍S換熱面積的變化，即溫差隨換熱面積的變化，即 ，然后再沿整，然后再沿整個(gè)換熱面積進(jìn)行平均個(gè)換熱面積進(jìn)行平均傳熱過程分析與換熱器熱計(jì)算在前面假設(shè)的基礎(chǔ)上，并已知冷熱流體的進(jìn)出口溫度，現(xiàn)在前面假設(shè)的基礎(chǔ)上，并已知冷熱流體的進(jìn)出口溫度，現(xiàn)在來看圖在來看圖9-139-13中微元換熱面中微元換熱面dAdA一段的傳熱。溫差為：一段的傳熱。溫差為： ddtAkchchttttttddd在固體微元面在固體微元面dAdA內(nèi)，兩種流體的換熱量為內(nèi)，兩種流體的換熱量為: :d1dddhmhhhhmhcqttcqd1dddcmccccmcc

14、qttcq對于熱流體和冷流體對于熱流體和冷流體: :傳熱過程分析與換熱器熱計(jì)算dd11dddcmchmhchcqcqttt ddtAktdAddktdAtdktxxAttkt0dAtdxxkAttln可見，當(dāng)?shù)販夭铍S換熱面呈指數(shù)變化，則沿整個(gè)換熱面的平可見，當(dāng)?shù)販夭铍S換熱面呈指數(shù)變化，則沿整個(gè)換熱面的平均溫差為：均溫差為：)exp(txxkAtx0 xx0)dAexp(t1 dAt1xAAmkAAAtcmchmhcqcq11傳熱過程分析與換熱器熱計(jì)算1-)exp(t)dAexp(t1x0kAkAkAAtxAmxxkAttlnkAt tlnAAx)exp(tkAt tttttttm tlnttl

15、nt1-ttlnt對數(shù)平對數(shù)平均溫差均溫差傳熱過程分析與換熱器熱計(jì)算tttm tlnt順流：順流：逆流時(shí)：逆流時(shí)： ddtAkchchttttttdddd1dddhmhhhhmhcqttcqd1dddcmccccmccqttcq傳熱過程分析與換熱器熱計(jì)算dd11dcmchmhcqcqtcmchmhcqcq11其他過程和公式與順流是完全一樣，因此，最終仍然可以其他過程和公式與順流是完全一樣，因此，最終仍然可以得到：得到：tttm tlnt,逆流傳熱過程分析與換熱器熱計(jì)算順流和逆流的區(qū)別在于：順流和逆流的區(qū)別在于：順流：順流：逆流：逆流：chchtttttt chchtttttt minmaxmi

16、nmaxtlnttttm或者我們也可以將或者我們也可以將對數(shù)平均溫差寫成對數(shù)平均溫差寫成如下統(tǒng)一形式如下統(tǒng)一形式( (順順流和逆流都適用流和逆流都適用) )傳熱過程分析與換熱器熱計(jì)算5 5 算術(shù)平均溫差算術(shù)平均溫差平均溫差的另一種更為簡單的形式是算術(shù)平均溫差，即平均溫差的另一種更為簡單的形式是算術(shù)平均溫差，即2minmax,tttm算術(shù)minmaxminmax,tlnttttm對數(shù)算術(shù)平均溫差相當(dāng)于溫度呈直線變化的情況，因此，總是大于相算術(shù)平均溫差相當(dāng)于溫度呈直線變化的情況，因此，總是大于相同進(jìn)出口溫度下的對數(shù)平均溫差，當(dāng)同進(jìn)出口溫度下的對數(shù)平均溫差，當(dāng) 時(shí)，兩者的差時(shí)，兩者的差別小于別小于4

17、 4；當(dāng)；當(dāng) 時(shí)，兩者的差別小于時(shí)，兩者的差別小于2.32.3。2minmaxtt7 . 1minmaxtt傳熱過程分析與換熱器熱計(jì)算6 6 其他復(fù)雜布置時(shí)換熱器平均溫差的計(jì)算其他復(fù)雜布置時(shí)換熱器平均溫差的計(jì)算以上所討論的對數(shù)平均溫差以上所討論的對數(shù)平均溫差(LMTD)(LMTD)只是針對純順流和純逆流只是針對純順流和純逆流情況，而這種情況的出現(xiàn)是比較少的，實(shí)際換熱器一般都是情況，而這種情況的出現(xiàn)是比較少的，實(shí)際換熱器一般都是處于順流和逆流之間，或者有時(shí)是逆流，有時(shí)又是順流。對處于順流和逆流之間，或者有時(shí)是逆流，有時(shí)又是順流。對于這種復(fù)雜情況，我們當(dāng)然也可以采用前面的方法進(jìn)行分析，于這種復(fù)雜情

18、況，我們當(dāng)然也可以采用前面的方法進(jìn)行分析，但數(shù)學(xué)推導(dǎo)將非常復(fù)雜，實(shí)際上，逆流的平均溫差最大，因但數(shù)學(xué)推導(dǎo)將非常復(fù)雜，實(shí)際上，逆流的平均溫差最大，因此，人們想到對純逆流的對數(shù)平均溫差進(jìn)行修正以獲得其他此，人們想到對純逆流的對數(shù)平均溫差進(jìn)行修正以獲得其他情況下的平均溫差。情況下的平均溫差。ctfmmtt)(是給定的冷熱流體的進(jìn)出口溫度布置成逆流時(shí)的是給定的冷熱流體的進(jìn)出口溫度布置成逆流時(shí)的LMTDLMTD， 是小于是小于1 1的修正系數(shù)。圖的修正系數(shù)。圖9-15 9-189-15 9-18分別給出了管殼式分別給出了管殼式換熱器和交叉流式換熱器的換熱器和交叉流式換熱器的 。傳熱過程分析與換熱器熱計(jì)算

19、關(guān)于關(guān)于 的注意事項(xiàng)的注意事項(xiàng)（1 1） 值取決于無量綱參數(shù)值取決于無量綱參數(shù) P P和和 R RcchhchccttttRttttP ,式中：下標(biāo)式中：下標(biāo)1、2分別表示兩種流體，上角標(biāo)分別表示兩種流體，上角標(biāo) 表示進(jìn)口，表示進(jìn)口， 表示出口，圖表中均以表示出口，圖表中均以P為橫坐標(biāo)，為橫坐標(biāo)，R為參量。為參量。（3 3）R R的物理意義：兩種流體的熱容量之比的物理意義：兩種流體的熱容量之比hmhcmccchhcqcqttttR （2 2）P P的物理意義：流體的物理意義：流體2 2的實(shí)際溫升與理論上所能達(dá)到的實(shí)際溫升與理論上所能達(dá)到 的最大溫升之比，所以只能小于的最大溫升之比，所以只能小于

20、1 1（4 4） 對于管殼式換熱器，查圖時(shí)需要注意流動(dòng)的對于管殼式換熱器，查圖時(shí)需要注意流動(dòng)的“程程”數(shù)數(shù)傳熱過程分析與換熱器熱計(jì)算7 7 各種流動(dòng)形式的比較各種流動(dòng)形式的比較 順流和逆流是兩種極端情況，在相同的進(jìn)出口溫度下，順流和逆流是兩種極端情況，在相同的進(jìn)出口溫度下，逆流的逆流的 最大，順流則最??；最大，順流則最??； 順流時(shí)順流時(shí) ，而逆流時(shí)，而逆流時(shí)， 則可能大于則可能大于 ，可見，逆流布置時(shí)的換熱最強(qiáng)?？梢?，逆流布置時(shí)的換熱最強(qiáng)。mtchtt ct ht dqiToThdTcdTTInOutdqiToThdTcdTTInOut傳熱過程分析與換熱器熱計(jì)算(3) (3) 那么是不是所有的

21、換熱器都設(shè)計(jì)成逆流形式的就最好那么是不是所有的換熱器都設(shè)計(jì)成逆流形式的就最好呢？不是，因?yàn)橐慌_(tái)換熱器的設(shè)計(jì)要考慮很多因素，而不呢？不是，因?yàn)橐慌_(tái)換熱器的設(shè)計(jì)要考慮很多因素，而不僅僅是換熱的強(qiáng)弱。比如，逆流時(shí)冷熱流體的最高溫度均僅僅是換熱的強(qiáng)弱。比如，逆流時(shí)冷熱流體的最高溫度均出現(xiàn)在換熱器的同一側(cè)，使得該處的壁溫特別高，可能對出現(xiàn)在換熱器的同一側(cè)，使得該處的壁溫特別高，可能對換熱器產(chǎn)生破壞，因此，對于高溫?fù)Q熱器，又是需要故意換熱器產(chǎn)生破壞，因此，對于高溫?fù)Q熱器，又是需要故意設(shè)計(jì)成順流設(shè)計(jì)成順流(4) (4) 對于有相變的換熱器，如蒸發(fā)器和冷凝器，發(fā)生相變對于有相變的換熱器，如蒸發(fā)器和冷凝器，發(fā)生

22、相變的流體溫度不變，所以不存在順流還是逆流的問題。的流體溫度不變，所以不存在順流還是逆流的問題。chCC or xTIn OutCondTxTIn OutchCCor EvapT冷凝冷凝蒸發(fā)蒸發(fā)傳熱過程分析與換熱器熱計(jì)算 9-3 9-3 換熱器的熱計(jì)算換熱器的熱計(jì)算 換熱器熱計(jì)算分兩種情況：設(shè)計(jì)計(jì)算和校核計(jì)算換熱器熱計(jì)算分兩種情況：設(shè)計(jì)計(jì)算和校核計(jì)算(1)(1)設(shè)計(jì)計(jì)算：設(shè)計(jì)一個(gè)新的換熱器，以確定所需的換熱面積設(shè)計(jì)計(jì)算：設(shè)計(jì)一個(gè)新的換熱器，以確定所需的換熱面積 校核計(jì)算：對已有或已選定了換熱面積的換熱器，在非設(shè)校核計(jì)算：對已有或已選定了換熱面積的換熱器，在非設(shè)(2)(2) 計(jì)工況條件下，核算他

23、能否勝任規(guī)定的新任務(wù)。計(jì)工況條件下，核算他能否勝任規(guī)定的新任務(wù)。換熱器熱計(jì)算的基本方程式是傳熱方程式及熱平衡式換熱器熱計(jì)算的基本方程式是傳熱方程式及熱平衡式mtkA)()(cccmchhhmhttcqttcq 傳熱過程分析與換熱器熱計(jì)算式中，式中， 不是獨(dú)立變量，因?yàn)樗Q于不是獨(dú)立變量，因?yàn)樗Q于 以及換熱器的布置。另外，根據(jù)公式以及換熱器的布置。另外，根據(jù)公式(9-15)(9-15)可是，一旦可是，一旦 和和 以及以及 中的三個(gè)已知的話，我中的三個(gè)已知的話，我們就可以計(jì)算出另外一個(gè)溫度。因此，上面的兩個(gè)方程們就可以計(jì)算出另外一個(gè)溫度。因此，上面的兩個(gè)方程中共有中共有8 8個(gè)未知數(shù)，即個(gè)未

24、知數(shù)，即需要給定其中的需要給定其中的5 5個(gè)變量，才可以計(jì)算另外三個(gè)變量。個(gè)變量，才可以計(jì)算另外三個(gè)變量。對于設(shè)計(jì)計(jì)算而言，給定的是對于設(shè)計(jì)計(jì)算而言，給定的是 ，以及進(jìn)出口，以及進(jìn)出口溫度中的三個(gè)，最終求溫度中的三個(gè)，最終求對于校核計(jì)算而言，給定的一般是對于校核計(jì)算而言，給定的一般是 ，以及，以及2 2個(gè)進(jìn)口個(gè)進(jìn)口溫度，待求的是溫度，待求的是mtcchhtttt ,hmhcqcmccqcchhtttt ,中的三個(gè)，以及cchhcmchmhttttcqcqAk ,cmchmhcqcq,Ak,cmchmhcqcqA,chtt ，傳熱過程分析與換熱器熱計(jì)算換熱器的熱計(jì)算有兩種方法：平均溫差法換熱器的

25、熱計(jì)算有兩種方法：平均溫差法 效能效能- -傳熱單元數(shù)傳熱單元數(shù)( ( -NTU-NTU) )法法 平均溫差法：就是直接應(yīng)用傳熱方程和熱平衡方程進(jìn)行熱平均溫差法：就是直接應(yīng)用傳熱方程和熱平衡方程進(jìn)行熱 計(jì)算，其具體步驟如下：計(jì)算，其具體步驟如下：對于設(shè)計(jì)計(jì)算（已知對于設(shè)計(jì)計(jì)算（已知 ，及進(jìn)出口溫度中的三個(gè)，及進(jìn)出口溫度中的三個(gè)，求求 ） 初步布置換熱面，并計(jì)算出相應(yīng)的總傳熱系數(shù)初步布置換熱面，并計(jì)算出相應(yīng)的總傳熱系數(shù)k k 根據(jù)給定條件，由熱平衡式求出進(jìn)、出口溫度中的那個(gè)待根據(jù)給定條件，由熱平衡式求出進(jìn)、出口溫度中的那個(gè)待定的溫度定的溫度 由冷熱流體的由冷熱流體的4 4個(gè)進(jìn)出口溫度確定平均溫差

26、個(gè)進(jìn)出口溫度確定平均溫差 由傳熱方程式計(jì)算所需的換熱面積由傳熱方程式計(jì)算所需的換熱面積A A，并核算換熱面流體，并核算換熱面流體的流動(dòng)阻力的流動(dòng)阻力1 1 如果流動(dòng)阻力過大，則需要改變方案重新設(shè)計(jì)。如果流動(dòng)阻力過大，則需要改變方案重新設(shè)計(jì)。cmchmhcqcq,Ak,mt傳熱過程分析與換熱器熱計(jì)算對于校核計(jì)算（已知對于校核計(jì)算（已知 ，及兩個(gè)進(jìn)口溫度，及兩個(gè)進(jìn)口溫度，求求 ） 先假設(shè)一個(gè)流體的出口溫度，按熱平衡式計(jì)算另一個(gè)出口溫先假設(shè)一個(gè)流體的出口溫度，按熱平衡式計(jì)算另一個(gè)出口溫度度 根據(jù)根據(jù)4 4個(gè)進(jìn)出口溫度求得平均溫差個(gè)進(jìn)出口溫度求得平均溫差 根據(jù)換熱器的結(jié)構(gòu)，算出相應(yīng)工作條件下的總傳熱系

27、數(shù)根據(jù)換熱器的結(jié)構(gòu)，算出相應(yīng)工作條件下的總傳熱系數(shù)k k 已知已知kAkA和和 ，按傳熱方程式計(jì)算在假設(shè)出口溫度下的，按傳熱方程式計(jì)算在假設(shè)出口溫度下的 根據(jù)根據(jù)4 4個(gè)進(jìn)出口溫度，用熱平衡式計(jì)算另一個(gè)個(gè)進(jìn)出口溫度，用熱平衡式計(jì)算另一個(gè) ，這個(gè)值，這個(gè)值和上面的和上面的 ，都是在假設(shè)出口溫度下得到的，因此，都不，都是在假設(shè)出口溫度下得到的，因此，都不是真實(shí)的換熱量是真實(shí)的換熱量(1)(1)比較兩個(gè)比較兩個(gè) 值，滿足精度要求，則結(jié)束，否則，重新假定值，滿足精度要求，則結(jié)束，否則，重新假定出口溫度，重復(fù)出口溫度，重復(fù)(1)(6)(1)(6)，直至滿足精度要求。，直至滿足精度要求。cmchmhcqc

28、qA,chtt ，mtmt傳熱過程分析與換熱器熱計(jì)算2 2 效能效能- -傳熱單元數(shù)法傳熱單元數(shù)法(1) (1) 換熱器的效能和傳熱單元數(shù)換熱器的效能和傳熱單元數(shù) 換熱其效能的定義是基于如下思想：當(dāng)換熱器無限長，換熱其效能的定義是基于如下思想：當(dāng)換熱器無限長，對于一個(gè)逆流換熱器來講，則會(huì)發(fā)生如下情況對于一個(gè)逆流換熱器來講，則會(huì)發(fā)生如下情況 a a 當(dāng)當(dāng) 時(shí)，時(shí)， ，則，則 b b 當(dāng)當(dāng) 時(shí)，時(shí)， ，則，則于是，我們可以得到于是，我們可以得到然而，實(shí)際情況的船熱量然而，實(shí)際情況的船熱量q q總是小于可能的最大傳熱量總是小于可能的最大傳熱量q qmaxmax，我，我們將們將q/qq/qmaxmax

29、定義為換熱器的效能，并用定義為換熱器的效能，并用 表示，即表示，即cmchmhcqcqchtt )(maxchhmhttcqqhmhcmccqcqhctt )(maxchcmcttcqq)()()(minminmaxchchmttCttcqqttCttCttCttCqqhcccchhhh minminmax傳熱過程分析與換熱器熱計(jì)算對于一個(gè)已存在的換熱器，如果已知了效能對于一個(gè)已存在的換熱器，如果已知了效能 和冷熱流體的進(jìn)和冷熱流體的進(jìn)口溫差，則實(shí)際傳熱量可很方便地求出口溫差，則實(shí)際傳熱量可很方便地求出那么在未知傳熱量，之前，那么在未知傳熱量，之前， 又如何計(jì)算？和那些因素有關(guān)？又如何計(jì)算？和

30、那些因素有關(guān)？以順流換熱器為例，并假設(shè)以順流換熱器為例，并假設(shè) ，則有，則有根據(jù)熱平衡式得：根據(jù)熱平衡式得：于是于是chTTCqqminmaxcmchmhcqcq chhhchhhhttttttCttCqqminmax)()(hhrhhchccttCttCCtt hCC min)()(ccchhhttCttC maxminCCCr)(chhhtttt 式式， 相加：相加：)()()()(hhrchchchttCtttttt 傳熱過程分析與換熱器熱計(jì)算)(1 ()()()()()()(chrchrchhhrchchchttCttCttttCtttttt 式式代入下式得：代入下式得：)exp(tk

31、At )1 (11rchchCtttttt +rCkA1)exp(1chcmchmhCCcqcq1111+rrhrchhCCCkACCCCkA1)1 (exp11)1 (exp1傳熱過程分析與換熱器熱計(jì)算cmchmhcqcqrrcCCCkA1)1 (exp1當(dāng)當(dāng) 時(shí)，同樣的推導(dǎo)過程可得：時(shí)，同樣的推導(dǎo)過程可得：hcrCCCCCmaxmin上面的推導(dǎo)過程得到如下結(jié)果，對于順流：上面的推導(dǎo)過程得到如下結(jié)果，對于順流：當(dāng)當(dāng) 時(shí)時(shí)cmchmhcqcqrrhCCCkA1)1 (exp1chrCCCCCmaxmin上面兩個(gè)公式合并，可得：上面兩個(gè)公式合并，可得：rrCCCkA1)1 (exp1minmax

32、minCCCr傳熱過程分析與換熱器熱計(jì)算換熱器效能公式中的換熱器效能公式中的 依賴于換熱器的設(shè)計(jì)，依賴于換熱器的設(shè)計(jì)， 則依賴則依賴于換熱器的運(yùn)行條件，因此，于換熱器的運(yùn)行條件，因此， 在一定程度上表征了換在一定程度上表征了換熱器綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能，習(xí)慣上將這個(gè)比值（無量綱數(shù)）定義熱器綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能，習(xí)慣上將這個(gè)比值（無量綱數(shù)）定義為傳熱單元數(shù)為傳熱單元數(shù)NTUNTU，即，即因此，因此，與順流類似，逆流時(shí)：與順流類似，逆流時(shí)：kAminCminCkAminNTUCkArrCC1)1 (NTUexp1)1 (NTUexp)1 ()1 (NTUexp1rrrCCC傳熱過程分析與換熱器熱計(jì)算當(dāng)冷熱流

33、體之一發(fā)生相變時(shí)，相當(dāng)于當(dāng)冷熱流體之一發(fā)生相變時(shí)，相當(dāng)于 ，即，即 ，于是上面效能公式可簡化為，于是上面效能公式可簡化為maxC0maxminCCCrNTUexp1當(dāng)兩種流體的熱容相等時(shí)，即當(dāng)兩種流體的熱容相等時(shí)，即 公式可以簡化為公式可以簡化為1maxminCCCr2NTU2exp1NTU1NTU順流：順流：逆流：逆流：傳熱過程分析與換熱器熱計(jì)算（ ，及兩個(gè)進(jìn)口溫度，求，及兩個(gè)進(jìn)口溫度，求 ）(2) (2) 用效能用效能- -傳熱單元數(shù)法計(jì)算換熱器的步驟傳熱單元數(shù)法計(jì)算換熱器的步驟a a 設(shè)計(jì)計(jì)算設(shè)計(jì)計(jì)算 顯然，利用已知條件可以計(jì)算出顯然，利用已知條件可以計(jì)算出 ，而帶求的，而帶求的k k，

34、A A則包則包含在含在NTUNTU內(nèi)，因此，對于設(shè)計(jì)計(jì)算是已知內(nèi)，因此，對于設(shè)計(jì)計(jì)算是已知 ，求，求NTUNTU，求解過，求解過程與平均溫差法相似，不再重復(fù)程與平均溫差法相似，不再重復(fù)b b 校核計(jì)算校核計(jì)算 由于由于k k事先不知，所以仍然需要假設(shè)一個(gè)出口溫度，具體事先不知，所以仍然需要假設(shè)一個(gè)出口溫度，具體如下：如下： 假設(shè)一個(gè)出口溫度假設(shè)一個(gè)出口溫度 ，利用熱平衡式計(jì)算另一個(gè)，利用熱平衡式計(jì)算另一個(gè) 利用四個(gè)進(jìn)出口溫度計(jì)算定性溫度，確定物性，并結(jié)合換利用四個(gè)進(jìn)出口溫度計(jì)算定性溫度，確定物性，并結(jié)合換熱器結(jié)構(gòu)，計(jì)算總傳熱系數(shù)熱器結(jié)構(gòu)，計(jì)算總傳熱系數(shù)k k 利用利用k, Ak, A計(jì)算計(jì)算N

35、TUNTU（ ，及進(jìn)出口溫度中的三個(gè)，求，及進(jìn)出口溫度中的三個(gè)，求 ）cmchmhcqcq,Ak,cmchmhcqcqA,chtt ，t t 傳熱過程分析與換熱器熱計(jì)算 利用利用NTUNTU計(jì)算計(jì)算 利用利用(9-17)(9-17)計(jì)算計(jì)算 ，利用，利用(9-14)(9-14)計(jì)算另一個(gè)計(jì)算另一個(gè) 比較兩個(gè)比較兩個(gè) ，是否滿足精度，否則重復(fù)以上步驟，是否滿足精度，否則重復(fù)以上步驟從上面步驟可以看出，假設(shè)的出口溫度對傳熱量從上面步驟可以看出，假設(shè)的出口溫度對傳熱量 的影響的影響不是直接的，而是通過定性溫度，影響總傳熱系數(shù)，從而不是直接的，而是通過定性溫度，影響總傳熱系數(shù)，從而影響影響NTUNTU

36、，并最終影響，并最終影響 值。而平均溫差法的假設(shè)溫度直值。而平均溫差法的假設(shè)溫度直接用于計(jì)算接用于計(jì)算 值，顯然值，顯然 -NTU-NTU法對假設(shè)溫度沒有平均溫差法對假設(shè)溫度沒有平均溫差法敏感，這是該方法的優(yōu)勢。法敏感，這是該方法的優(yōu)勢。傳熱過程分析與換熱器熱計(jì)算3 3 換熱器設(shè)計(jì)時(shí)的綜合考慮換熱器設(shè)計(jì)時(shí)的綜合考慮 換熱器設(shè)計(jì)是綜合性的課題，必須考慮出投資，運(yùn)行費(fèi)換熱器設(shè)計(jì)是綜合性的課題，必須考慮出投資，運(yùn)行費(fèi)用，安全可靠等諸多因素。用，安全可靠等諸多因素。4 4 換熱器的結(jié)垢及污垢熱阻換熱器的結(jié)垢及污垢熱阻 污垢增加了熱阻，使傳熱系數(shù)減小，這種熱阻成為污垢污垢增加了熱阻，使傳熱系數(shù)減小，這種

37、熱阻成為污垢熱阻，用熱阻，用R Rf f表示，表示，式中：式中：k k為有污垢后的換熱面的傳熱系數(shù)，為有污垢后的換熱面的傳熱系數(shù)，k0k0為潔凈換熱面為潔凈換熱面 的傳熱系數(shù)。的傳熱系數(shù)。011kkRf傳熱過程分析與換熱器熱計(jì)算對于兩側(cè)均已結(jié)構(gòu)的管殼式換熱器，以管子外表面為計(jì)算對于兩側(cè)均已結(jié)構(gòu)的管殼式換熱器，以管子外表面為計(jì)算依據(jù)的傳熱系數(shù)可以表示成：依據(jù)的傳熱系數(shù)可以表示成：如果管子外壁沒有肋化，則肋面總效率如果管子外壁沒有肋化，則肋面總效率 o o = 1 = 1。管殼式換熱器的部分污垢熱阻可以在表管殼式換熱器的部分污垢熱阻可以在表9-19-1種查得。種查得。oofowioifiRhRAA

38、Rhk1111傳熱過程分析與換熱器熱計(jì)算 9-4 9-4 傳熱的強(qiáng)化和隔熱保溫技術(shù)傳熱的強(qiáng)化和隔熱保溫技術(shù)強(qiáng)化傳熱的目的：縮小設(shè)備尺寸、提高熱效率、保證設(shè)備安全強(qiáng)化傳熱的目的：縮小設(shè)備尺寸、提高熱效率、保證設(shè)備安全削弱傳熱的目的：減少熱量損失削弱傳熱的目的：減少熱量損失根據(jù)不同的需求，對于實(shí)際傳熱的傳熱過程，有時(shí)需要強(qiáng)化，根據(jù)不同的需求，對于實(shí)際傳熱的傳熱過程，有時(shí)需要強(qiáng)化，有時(shí)則需要削弱。顯然，根據(jù)不同的傳熱方式，強(qiáng)化和削弱傳有時(shí)則需要削弱。顯然，根據(jù)不同的傳熱方式，強(qiáng)化和削弱傳熱的手段應(yīng)該不同，本節(jié)主要針對對流換熱過程的強(qiáng)化和削弱熱的手段應(yīng)該不同，本節(jié)主要針對對流換熱過程的強(qiáng)化和削弱1 1

39、 強(qiáng)化傳熱的原則和手段強(qiáng)化傳熱的原則和手段(1) (1) 強(qiáng)化換熱的原則：哪個(gè)環(huán)節(jié)的熱阻大，就對哪個(gè)環(huán)節(jié)采強(qiáng)化換熱的原則：哪個(gè)環(huán)節(jié)的熱阻大，就對哪個(gè)環(huán)節(jié)采取強(qiáng)化措施。取強(qiáng)化措施。舉例：以圓管內(nèi)充分發(fā)展湍流換熱為例，其實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式為：舉例：以圓管內(nèi)充分發(fā)展湍流換熱為例，其實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式為：4 . 08 . 0PrRe023. 0ffNu 2 . 04 . 08 . 08 . 06 . 04 . 0023. 0duchp傳熱過程分析與換熱器熱計(jì)算(2) (2) 強(qiáng)化手段強(qiáng)化手段: a : a 無源技術(shù)無源技術(shù)( (被動(dòng)技術(shù)被動(dòng)技術(shù)) ) ；b b 有源技術(shù)有源技術(shù)( (主動(dòng)主動(dòng)式技術(shù)式技術(shù)) )a a

40、無源技術(shù)無源技術(shù)( (被動(dòng)技術(shù)被動(dòng)技術(shù)) )：除了輸送傳熱介質(zhì)的功率消耗外，無：除了輸送傳熱介質(zhì)的功率消耗外，無需附加動(dòng)力需附加動(dòng)力其主要手段有：其主要手段有：涂層表面；涂層表面；粗糙表面粗糙表面( (圖圖9-28)9-28)；擴(kuò)展表擴(kuò)展表面面( (圖圖9-29)9-29)；擾流元件擾流元件( (圖圖9-30a)9-30a)；渦流發(fā)生器渦流發(fā)生器( (圖圖9-9-30b)30b) ；螺旋管螺旋管( (圖圖9-30c)9-30c) ；添加物；添加物； 射流沖擊換熱射流沖擊換熱b b 有源技術(shù)有源技術(shù)( (主動(dòng)式技術(shù)主動(dòng)式技術(shù)) )：需要外加的動(dòng)力：需要外加的動(dòng)力其主要手段有：其主要手段有：對換熱

41、介質(zhì)做機(jī)械攪拌；對換熱介質(zhì)做機(jī)械攪拌；使換熱表面振動(dòng)；使換熱表面振動(dòng)；使換熱瘤體振動(dòng)；使換熱瘤體振動(dòng)；將電磁場作用于流體以促使換熱表面附將電磁場作用于流體以促使換熱表面附近流體的混合；近流體的混合；將異種或同種流體噴入換熱介質(zhì)或?qū)⒘黧w從將異種或同種流體噴入換熱介質(zhì)或?qū)⒘黧w從換熱表面抽吸走。換熱表面抽吸走。傳熱過程分析與換熱器熱計(jì)算對換熱器而言，隨著強(qiáng)化措施的完善，污垢熱阻有時(shí)會(huì)成為對換熱器而言，隨著強(qiáng)化措施的完善，污垢熱阻有時(shí)會(huì)成為傳熱過程的主要熱阻，因此，需要給換熱器的設(shè)計(jì)提供哈里傳熱過程的主要熱阻，因此，需要給換熱器的設(shè)計(jì)提供哈里的污垢熱阻的數(shù)據(jù)，這就需要實(shí)驗(yàn)測定，可是實(shí)驗(yàn)測出來的的污垢熱

42、阻的數(shù)據(jù)，這就需要實(shí)驗(yàn)測定，可是實(shí)驗(yàn)測出來的是總表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，那么如何將總的傳熱系數(shù)分成各個(gè)環(huán)節(jié)是總表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，那么如何將總的傳熱系數(shù)分成各個(gè)環(huán)節(jié)的熱阻呢？下面的威爾遜圖解法提供了一種有效途徑的熱阻呢？下面的威爾遜圖解法提供了一種有效途徑2 2 確定傳熱過程分熱阻的威爾遜圖解法確定傳熱過程分熱阻的威爾遜圖解法 利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以測定壁面和流體的溫度，從而獲利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以測定壁面和流體的溫度，從而獲得平均溫差，利用熱平衡方程式獲得熱流量，換熱面積可以得平均溫差，利用熱平衡方程式獲得熱流量，換熱面積可以根據(jù)設(shè)計(jì)情況獲得，這樣就可以通過傳熱方程式計(jì)算出總表根據(jù)設(shè)計(jì)情況獲得，這樣就可以通過傳

43、熱方程式計(jì)算出總表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。這是威爾遜圖解法的基礎(chǔ)。面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。這是威爾遜圖解法的基礎(chǔ)。 我們已管殼式換熱器為例，說明如何應(yīng)用威爾遜圖解法我們已管殼式換熱器為例，說明如何應(yīng)用威爾遜圖解法獲得各個(gè)分熱阻。總表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)可以表示成：獲得各個(gè)分熱阻?？偙砻?zhèn)鳠嵯禂?shù)可以表示成：傳熱過程分析與換熱器熱計(jì)算ioifwooddhRRhk111工業(yè)換熱器中的管內(nèi)流體的流動(dòng)一般都是處于旺盛湍流狀工業(yè)換熱器中的管內(nèi)流體的流動(dòng)一般都是處于旺盛湍流狀態(tài)，態(tài)，h hi i 與流速與流速u0.8u0.8成正比，因此，可以寫成成正比，因此，可以寫成 的形式，帶入上式：的形式，帶入上式：ioifwoodducRRhk8 .

44、 01118 .0iiiuch 傳熱過程分析與換熱器熱計(jì)算如果能保持如果能保持h ho o不變，不變，R Rw w壁面的導(dǎo)熱熱阻不會(huì)變化，壁面的導(dǎo)熱熱阻不會(huì)變化，R Rf f在短時(shí)間在短時(shí)間內(nèi)不會(huì)有大的改變，因此，上式右邊的前三項(xiàng)可認(rèn)為是常數(shù)，內(nèi)不會(huì)有大的改變，因此，上式右邊的前三項(xiàng)可認(rèn)為是常數(shù)，用用 b b 表示，物性不變的情況下，表示，物性不變的情況下， 可以認(rèn)為是可以認(rèn)為是常數(shù)，用常數(shù)，用m m表示，于是上式可變?yōu)楸硎荆谑巧鲜娇勺優(yōu)楦淖児軆?nèi)流速改變管內(nèi)流速u u，則可以測得一系列的總表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，然后，則可以測得一系列的總表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，然后繪制成圖，則是一條直線，如圖繪制成圖，則是一條直線，如圖(9-31)(9-31)所示所示ioiddc18 . 011umbko傳熱過程分析與換熱器熱計(jì)算從這個(gè)圖中可以獲得從這個(gè)圖中可以獲得b b，m m，和，和c ci i，從而，管子內(nèi)側(cè)的對流，從而，管子內(nèi)側(cè)的對流換熱系數(shù)換熱系數(shù)這樣就將內(nèi)部熱阻從總傳熱系數(shù)中分離出來，然后，當(dāng)換這樣就將內(nèi)部熱阻從總傳熱系數(shù)中分離出來，然后，當(dāng)換熱器運(yùn)行一段時(shí)間后，再進(jìn)行同樣過程的測量，可以獲得熱器運(yùn)行一段時(shí)間后，再進(jìn)行同樣過程的測量，可以獲得另外一條曲線，則兩條曲線截距之差就是污垢熱阻，這樣另外一條曲線，則