換熱器計算課件

傳熱過程分析與換熱器熱計算本章的學(xué)習(xí)目的分析實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)公式的能力了解換熱器的基本知識和設(shè)計過程§

7-1傳熱過程的分析和計算

傳熱過程？基本計算式(傳熱方程式)？式中：K是傳熱系數(shù)(總傳熱系數(shù))。對于不同的傳熱過程，K的計算公式也不同。1通過平壁的傳熱K的計算公式？說明：(1)h1和h2的計算；（2）如果計及輻射時對流換熱系數(shù)應(yīng)該采用等效換熱系數(shù)(總表面?zhèn)鳠嵯禂?shù))單相對流：膜態(tài)沸騰：(7-24)(6-23)2通過圓管的傳熱hiho內(nèi)部對流：圓柱面導(dǎo)熱：外部對流：其中：3通過肋壁的傳熱肋壁面積：穩(wěn)態(tài)下?lián)Q熱情況：A1A2Ai肋面總效率定義肋化系數(shù)：

則傳熱系數(shù)為所以，只要就可以起到強(qiáng)化換熱的效果。4帶保溫層的圓管傳熱——臨界熱絕緣直徑圓管外敷保溫層后：可見，保溫層使得導(dǎo)熱熱阻增加，換熱削弱；另一方面，降低了對流換熱熱阻，使得換熱贈強(qiáng)，那么，綜合效果到底是增強(qiáng)還是削弱呢？這要看d/ddo2和d2/ddo22的值可見，確實是有一個極值存在，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。也就是說，do2在do1~dcr之間，是增加的，當(dāng)do2大于dcr時，降低。or§

7-2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，以滿足規(guī)定的工藝要求的裝置2換熱器的分類：三種類型換熱器簡介3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，流體有順流和逆流兩種，適用于傳熱量不大或流體流量不大的情形順流逆流(2)管殼式換熱器：：最主要的一種間間壁式換熱器，，傳熱面由管束束組成，管子兩兩端固定在管板板上，管束與管管板再封裝在外外殼內(nèi)。兩種流流體分管程和殼程。增加管程進(jìn)一步增加管程程和殼程(3)交叉流換熱器：：間壁式換熱器的的又一種主要形形式。其主要特特點是冷熱流體體呈交叉狀流動動。交叉流換熱熱器又分管束式式、管翅式和板板翅式三種。(c)板翅式交叉流換換熱器(4)板式換熱器：由一組幾何結(jié)構(gòu)構(gòu)相同的平行薄薄平板疊加所組組成，冷熱流體體間隔地在每個個通道中流動，，其特點是拆卸卸清洗方便，故故適用于含有易易結(jié)垢物的流體體。單位體積內(nèi)所包包含的換熱面積積作為衡量換熱熱器緊湊程度的的衡量指標(biāo)，一一般將大于700m2/m3的換熱器稱為緊湊式換熱器，板翅式換熱器器多屬于緊湊式式，因此，日益益受到重視。(5)螺旋板式換熱器器：換熱表面由兩塊塊金屬板卷制而而成，有點：換換熱效果好；缺缺點：密封比較較困難。4簡單順流及逆流流換熱器的對數(shù)數(shù)平均溫差傳熱方程的一般般形式：這個過程對于傳傳熱過程是通用用的，但是當(dāng)溫溫差沿沿整個壁面不不是常數(shù)時，比比如等壁溫條件件下的管內(nèi)對流流換熱，以及我我們現(xiàn)在遇到的的換熱器等。對對于前者我們曾曾經(jīng)提到過對數(shù)數(shù)平均溫差(LMTD)的公式，但是沒沒有給出推導(dǎo)。。下面我們就來來看看LMTD的推導(dǎo)過程dthdtcthtc以順流情況為例，并作作如下假設(shè)：（1）冷熱流體的質(zhì)質(zhì)量流量qm2、qm1以及比熱容c2,c1是常數(shù)；(2)傳熱系數(shù)是常數(shù)數(shù)；（3）換熱器無散熱熱損失；（4）換熱面沿流動動方向的導(dǎo)熱量量可以忽略不計計。要想計算沿整個個換熱面的平均均溫差，首先需需要知道當(dāng)?shù)販販夭铍S換熱面積積的變化，即，，然后再沿整個個換熱面積進(jìn)行行平均在前面假設(shè)的基基礎(chǔ)上，并已知知冷熱流體的進(jìn)進(jìn)出口溫度，現(xiàn)現(xiàn)在來看圖7-13中微元換熱面dA一段的傳熱。溫溫差為：在固體微元面dA內(nèi)，兩種流體的的換熱量為:對于熱流體和冷冷流體:可見，當(dāng)?shù)販夭畈铍S換熱面呈指指數(shù)變化，則沿沿整個換熱面的的平均溫差為：：(1)(2)(3)(1)+(2)+(3)對數(shù)平均溫差順流：逆流時：其他過程和公式式與順流是完全全一樣，因此，，最終仍然可以以得到：順流和逆流的區(qū)區(qū)別在于：順流：逆流：或者我們也可以以將對數(shù)平均溫溫差寫成如下統(tǒng)統(tǒng)一形式(順流和逆逆流都適適用)5算術(shù)平均均溫差平均溫差差的另一一種更為為簡單的的形式是是算術(shù)平平均溫差差，即算術(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)時，兩者的差別小于4％；當(dāng)時，兩者的差別小于2.3％。6其他復(fù)雜雜布置時時換熱器器平均溫溫差的計計算以上所討討論的對對數(shù)平均均溫差(LMTD)只是針對對純順流流和純逆逆流情況況，而這這種情況況的出現(xiàn)現(xiàn)是比較較少的，，實際換換熱器一一般都是是處于順順流和逆逆流之間間，或者者有時是是逆流，，有時又又是順流流。對于于這種復(fù)復(fù)雜情況況，我們們當(dāng)然也也可以采采用前面面的方法法進(jìn)行分分析，但但數(shù)學(xué)推推導(dǎo)將非非常復(fù)雜雜，實際際上，逆逆流的平平均溫差差最大，，因此，，人們想想到對純純逆流的的對數(shù)平平均溫差差進(jìn)行修修正以獲獲得其他他情況下下的平均均溫差。。是給定的的冷熱流流體的進(jìn)進(jìn)出口溫溫度布置置成逆流流時的LMTD，是小于于1的修正系關(guān)于的的注意事事項（1）值取決于于無量綱參數(shù)數(shù)P和R式中：下標(biāo)1、2分別表示兩種種流體，上角角標(biāo)`表示進(jìn)口，``表示出口，圖圖表中均以P為橫坐標(biāo)，R為參量。（3）R的物理意義：：兩種流體的的熱容量之比比（2）P的物理意義：：流體2的實際溫升與與理論上所能能達(dá)到的最大溫升之之比，所以只只能小于1（4）對于管殼式換換熱器，查圖圖時需要注意意流動的“程程”數(shù)7各種流動形式式的比較順流和逆流流是兩種極極端情況，，在相同的的進(jìn)出口溫溫度下，逆逆流的最最大，順流流則最?。?；順流時，，而逆逆流時，則InOutInOut(3)那么是不是是所有的換換熱器都設(shè)設(shè)計成逆流流形式的就就最好呢？？不是，因因為一臺換換熱器的設(shè)設(shè)計要考慮慮很多因素素，而不僅僅僅是換熱熱的強(qiáng)弱。。比如，逆逆流時冷熱熱流體的最最高溫度均均出現(xiàn)在換換熱器的同同一側(cè)，使使得該處的的壁溫特別別高，可能能對換熱器器產(chǎn)生破壞壞，因此，，對于高溫溫?fù)Q熱器，，又是需要要故意設(shè)計計成順流(4)對于有相變變的換熱器器，如蒸發(fā)發(fā)器和冷凝凝器，發(fā)生生相變的流流體溫度不不變，所以以不存在順順流還是逆逆流的問題題。xTInOutxTInOut冷凝蒸發(fā)§7-3換熱器的熱熱計算換熱器熱計計算分兩種種情況：設(shè)計計算和校核計算(1)設(shè)計計算：：設(shè)計一個新新的換熱器器，以確定定所需的換換熱面積校核計算：：對已有或已已選定了換換熱面積的的換熱器，，在非設(shè)計工況條件件下，核算算他能否勝勝任規(guī)定的的新任務(wù)。。換熱器熱計計算的基本本方程式是是傳熱方程式式及熱平衡式式中，不不是獨(dú)獨(dú)立變量，，因為它取取決于以以及換熱熱器的布置置。另外，，根據(jù)公式式(7-15)可是，一旦旦和以以及及中中的三個已已知的話，，我們就可以計計算出另外外一個溫度度。因此，，上面的兩兩個方程中共有7個未知數(shù)，，即需要給定其其中的5個變量，才才可以計算算另外三個個變量。對于設(shè)計計算而言，給定定的是，，以及及進(jìn)出口溫度中的三三個，最終終求對于校核計算而言，給定定的一般是是，，以以及2個進(jìn)口溫度，待求求的是換熱器的熱熱計算有兩兩種方法：：平均溫差法法效能-傳熱單元數(shù)數(shù)(-NTU)法平均溫差法法：就是直接應(yīng)應(yīng)用傳熱方方程和熱平平衡方程進(jìn)進(jìn)行熱計算，其具具體步驟如如下：對于設(shè)計計算（（已知，，及及進(jìn)出口溫溫度中的三三個，求））初步布置換換熱面，并并計算出相相應(yīng)的總傳傳熱系數(shù)k根據(jù)給定條條件，由熱熱平衡式求求出進(jìn)、出出口溫度中中的那個待待定的溫度度由冷熱流體的4個進(jìn)出口溫度確確定平均溫差由傳熱方程式計計算所需的換熱熱面積A，并核算換熱面面流體的流動阻阻力如果流動阻力過過大，則需要改改變方案重新設(shè)設(shè)計。對于校核計算（已知知，，及兩兩個進(jìn)口溫度，，求））先假設(shè)一個流體體的出口溫度，，按熱平衡式計計算另一個出口口溫度根據(jù)4個進(jìn)出口溫度求求得平均溫差根據(jù)換熱器的結(jié)結(jié)構(gòu)，算出相應(yīng)應(yīng)工作條件下的的總傳熱系數(shù)k已知kA和，按傳傳熱方程式計算算在假設(shè)出口根據(jù)4個進(jìn)出口溫度，用熱平衡式計算另一個，這個值和上面的，都是在假設(shè)出口溫度下得到的，因此，都不是真實的換熱量比較兩個值，滿足精度要求，則結(jié)束，否則，重新假定出口溫度，重復(fù)(1)~(6)，直至滿足精度要求。2效能-傳熱單元數(shù)法(1)換熱器的效能和和傳熱單元數(shù)

a當(dāng)時，，則

b當(dāng)時，，則于是，我們可以得到然而，實際情況的船熱量q總是小于可能的最大傳熱量qmax，我們將q/qmax定義為換熱器的效能，并用表示，即對于一個已存在在的換熱器，如如果已知了效能能和冷熱流體體的進(jìn)口溫差，，則實際傳熱量量可很方便地求求出那么在未知傳熱熱量，之前，又如何計計算？和那些因因素有關(guān)？以順流換熱器為例，并并假設(shè)，，則有根據(jù)熱平衡式得得：于是式①，②相加：熱容比①②式①代入下式式得：++當(dāng)時時，，同樣的的推導(dǎo)過過程可得得：上面的推導(dǎo)過程得到如下結(jié)果，對于順流：當(dāng)時上面兩個個公式合合并，可可得：換熱器效效能公式式中的依依賴賴于換熱熱器的設(shè)設(shè)計，則則依賴賴于換熱熱器的運(yùn)運(yùn)行條件件，因此此，在在一定程程度上表表征了換換熱器綜綜合技術(shù)術(shù)經(jīng)濟(jì)性因此，與順流類似，逆流時：當(dāng)冷熱流體之一發(fā)生相變時，相當(dāng)于，即，于是上面效能公式可簡化為當(dāng)兩種流流體的熱熱容相等等時，即即公式可以以簡化為為順流：逆流：（，，及兩兩個進(jìn)口口溫度，，求））(2)用效能-傳熱單元元數(shù)法計計算換熱熱器的步步驟a設(shè)計計算算顯然，利利用已知知條件可可以計算算出，而而帶求的的k，A則包含在在NTU內(nèi)，因此此，對于于設(shè)計計計算是已已知，，求NTU，求解過過程與平平均溫差差法相似似，不再再重復(fù)b校核計算算由于k事先不知知，所以以仍然需需要假設(shè)設(shè)一個出出口溫度度，具體體如下：：①假設(shè)一個個出口溫溫度，，利用熱熱平衡式式計算另另一個②利用四個個進(jìn)出口口溫度計計算定性性溫度，，確定物物性，并并結(jié)合換換熱器結(jié)結(jié)構(gòu)，計計算總傳傳熱系數(shù)數(shù)k③利用k,A計算NTU（，及進(jìn)出口溫度中的三個，求）④利用NTU計算⑤利用(7-17)計算，利用用(7-14)計算另一一個⑥比較兩個個，是否否滿足精精度，否否則重復(fù)復(fù)以上步步驟從上面步步驟可以以看出，，假設(shè)的的出口溫溫度對傳傳熱量的影響響不是直直接的，，而是通通過定性性溫度，，影響總總傳熱系系數(shù)，從從而影響響NTU，并最終終影響值值。而平平均溫差差法的假假設(shè)溫度度直接用用于計算算值值，顯然然-NTU法對假設(shè)設(shè)溫度沒沒有平均均溫差法法敏感，，這是該該方法的的優(yōu)勢。。3換熱器設(shè)設(shè)計時的的綜合考考慮換熱器設(shè)設(shè)計是綜綜合性的的課題，，必須考考慮出投投資，運(yùn)運(yùn)行費(fèi)用用，安全全可靠等等諸多因因素。4換熱器的的結(jié)垢及及污垢熱熱阻污垢增加加了熱阻阻，使傳傳熱系數(shù)數(shù)減小，，這種熱熱阻成為為污垢熱熱阻，用用Rf表示，式中：k為有污垢垢后的換換熱面的的傳熱系系數(shù)，k0為潔凈換換熱面的傳熱系系數(shù)。對于兩側(cè)側(cè)均已結(jié)結(jié)構(gòu)的管管殼式換換熱器，，以管子子外表面面為計算算依據(jù)的的傳熱系系數(shù)可以以表示成成：如果管子子外壁沒沒有肋化化，則肋肋面總效效率o=1。管殼式換換熱器的的部分污污垢熱阻阻可以在在表7-1種查得。?！?-4傳熱的強(qiáng)強(qiáng)化和隔隔熱保溫溫技術(shù)強(qiáng)化傳熱熱的目的的：縮小設(shè)備備尺寸、、提高熱熱效率、、保證設(shè)設(shè)備安全全削弱傳熱熱的目的的：減少熱量量損失根據(jù)不同同的需求求，對于于實際傳傳熱的1強(qiáng)化傳熱的原則和手段(1)強(qiáng)化換熱的原則：哪個環(huán)節(jié)的熱阻大，就對哪個環(huán)節(jié)采取強(qiáng)化措施。舉例：以圓管內(nèi)充分發(fā)展湍流換熱為例，其實驗關(guān)聯(lián)式為：(2)強(qiáng)化手段:a無源技術(shù)(被動技術(shù))；b有源技術(shù)(主動式技術(shù)術(shù))a無源技術(shù)(被動技術(shù))：除了輸送送傳熱介質(zhì)質(zhì)的功率消消耗外，無無需附加動動力其主要手段段有：①涂涂層表面；；②粗糙表表面(圖7-27)；③擴(kuò)展表表面(圖7-27)；④擾流元元件(圖7-30a)；⑤渦流發(fā)發(fā)生器(圖7-30b)；⑥螺旋管管(圖7-30c)；⑦添加物物；⑧射射流沖擊換換熱b有源技術(shù)(主動式技術(shù)術(shù))：需要外加加的動力其主要手段段有：①對對換熱介質(zhì)質(zhì)做機(jī)械攪攪拌；②使使換熱表面面振動；③③使換熱瘤瘤體振動；；④將電磁磁場作用于于流體以促促使換熱表表面附近流流體的混合合；⑤將異異種或同種種流體噴入入換熱介質(zhì)質(zhì)或?qū)⒘黧w體從換熱表表面抽吸走走。對換熱器而而言，隨著著強(qiáng)化措施施的完善，，污垢熱阻阻有時會成成為傳熱過過程的主要要熱阻，因因此，需要要給換熱器器的設(shè)計提提供哈里的的污垢熱阻阻的數(shù)據(jù)，，這就需要要實驗測定定，可是實實驗測出來來的是總表表面?zhèn)鳠嵯迪禂?shù)，那么么如何將總總的傳熱系系數(shù)分成各各個環(huán)節(jié)的的熱阻呢？？下面的威威爾遜圖解解法提供了了一種有效效途徑2確定傳熱過過程分熱阻阻的威爾遜遜圖解法利用數(shù)據(jù)采采集系統(tǒng)可可以測定壁壁面和流體體的溫度，，從而獲得得平均溫差差，利用熱熱平衡方程程式獲得熱熱流量，換換熱面積可可以根據(jù)設(shè)設(shè)計情況獲獲得，這樣樣就可以通通過傳熱方方程式計算算出總表面面?zhèn)鳠嵯禂?shù)數(shù)。這是威爾遜圖解解法的基礎(chǔ)。我們已管殼殼式換熱器器為例，說說明如何應(yīng)應(yīng)用威爾遜遜圖解法獲獲得各個分分熱阻。總總表面?zhèn)鳠釤嵯禂?shù)可以以表示成：：工業(yè)換熱器器中的管內(nèi)內(nèi)流體的流流動一般都都是處于旺旺盛湍流狀狀態(tài)，hi與流速u0.7成正比，因因此，可以以寫成的的形式式，帶入上上式：如果能保持持ho不變，Rw壁面的導(dǎo)熱熱熱阻不會會變化，Rf在短時間內(nèi)內(nèi)不會有大大的改變，，因此，上上式右邊的的前三項可可認(rèn)為是常常數(shù)，用b表示，物性性不變的情情況下，可可以認(rèn)為為是常數(shù)，用m表示，于是是上式可變變?yōu)楦淖児軆?nèi)流流速u，則可以測測得一系列列的總表面面?zhèn)鳠嵯禂?shù)數(shù)，然后繪繪制成圖，，則是一條條直線，如如圖(7-31)所示從這個圖中中可以獲得得b，m，和ci，從而，管子內(nèi)內(nèi)側(cè)的對流換熱熱系數(shù)這樣就將內(nèi)部部熱阻從總傳傳熱系數(shù)中分分離出來，然然后，當(dāng)換熱熱器運(yùn)行一段段時間后，再再進(jìn)行同樣過過程的測量，，可以獲得另另外一條曲線線，則兩條曲曲線截距之差差就是污垢熱熱阻，這樣又又把污垢熱阻阻分離出來了了。威爾遜圖解法法的前提是有有一側(cè)的換熱熱熱阻基本保保持不變，有有時候這格條條件很難被滿滿足，因此，，后來人們提提出了一種修修正威爾遜圖圖解法。3隔熱保溫技術(shù)術(shù)(1