热交换器传热计算的基本方法PPT课件下载推荐.pptx

1、传热系数是常数；换热器无散热损失；换热面沿流动方向的导热量可以忽略不计。,要想计算沿整个换热面的平均温差，首先需要知道当地温差随换热面积的变化,然后再沿整个换热面积进行平均。,dt1,dt2,t1,t,2,第13页/共81页,在假设的基础上，并已知冷热流体的进出口温度，现在来看图中微元换热 面dA一段的传热。温差为：,在固体微元面dA内，两种流体的换热量为:,dt1,dt2,t1,t2,对于热流体:对于冷流体:,第14页/共81页,可见，当地温差随换热面呈指数变化，则沿整个换热面的平均温差为：,第15页/共81页,（1）,（2）（3）,（2）、（3）代入（1）,中,对数平均温差,第16页/共8

2、1页,顺流时：,第17页/共81页,逆流时：,第18页/共81页,LMTD（logarithmic-mean temperature difference,第19页/共81页,平均温差的另一种更为简单的形式是算术平均 温差，即,使用条件：如果流体的温度沿传热面变化不大，范围在内可以使用算数平均温差。,第20页/共81页,算术平均与对数平均温差,算术平均温差相当于温度呈直线变化的情况，因此，总是大于相同进出口温度下的对数平均温差，当时，两者的差别小于4；当时，两者的差别小于2.3。,第21页/共81页,2 复杂布置时换热器平均温差的计算,非混合流与混合流的区别：以错流为例，带翅片的管束，在管外侧

3、流过的气体被限制在肋片之间形成各自独立的通道，在垂直于流动的方向上（横向）不能自由流动，也就不可能自身进行混合，称该气体为非混合流。,第22页/共81页,混合流：管子不带翅片，管外的气流可以在横向自由的随意的运动，称为混合流。但是管内的流体属于非混合流。,第23页/共81页,3、其他流动方式时的平均温差,按逆流方式计算的对数平均温差,温度修正系数,面积与按某种流动形式工作所需的传热面积之比值（传热系数相等的条件小），,表示,即：,值的大小说明某种流动形式的换热器,在给定工作条件下，接近逆流形式的在相同的流程体度进，出一口般温设度计条时件要下0，.9按，某种流时动，形式工作时的,平均温差认为与设

4、逆计流不工合作理时。的对数平均温差的比值 在相同的流体进出口温度条件下，按逆流工作所需的传热,恒不大于0或1,第24页/共81页,y值的求取方法,逆流时对数平均温差为：,令：,第25页/共81页,R的含义：,冷流体的热容量,与,热,流体的热容量之比,R1,，R=1,或者,R1。,则:可以表示为P 和 R及,的函数,第26页/共81页,为了简化,的计算，引入两辅助参数：,温度效率冷流体的实际吸热量与最大可能的吸热量的比率，其值恒小于1热容量比冷流体的热容量与热流体的热容量之比，其值可以大于1、等于 1、小于1对于某种特定的流动形式，是、的函数，即：,第27页/共81页,两种流体中只有一种横向混合

5、的错流式热交换器，其值为：,温度修正系数与流体的流动形式有关，而与流体的性质无关例如 对于壳侧为一个流程、管程为偶数流程的壳管式热交换器，其值为：（推导得出）,第28页/共81页,值的计算公式可以从表查得。在工程上为了使计算方便，通常将求取的公式绘成线图，我们可以查图求得。,第29页/共81页,管壳式换热器的y。,图1、等多流程管壳式换热器的修正系数,第30页/共81页,交叉流式换热器的y,图2、等多流程管壳式换热器的修正系数,第31页/共81页,对于其它的叉流式换热器，其传热公式中的平均温度的计算关系式较为复杂，工程上常常采用修正图表来完成其对数平均温差的计算。具体的做法是：由换热器冷热流体

6、的进出口温度，按照逆流方式计算出相应的对数平均温差；从修正图表由两个无量纲数查出修正系数,（c）最后得出叉流方式的对数平均温差,第32页/共81页,图3交叉流，两种流体各自都不混合时的修正系数,第33页/共81页,图4一次交叉流，一种流体混合、一种流体不混合时的修正系数,第34页/共81页,练习：,第35页/共81页,关于的注意事项,（1）值取决于无量纲参数 P和 R,式中：下标1、2分别表示两种流体，上角标 表示,量。,（3）R的物理意义：两种流体的热容量之比,进口，表示出口，图表中均以P为横坐标，R为参（2）P的物理意义：流体2的实际温升与理论上所能达到的最大温升之比，所以只能小于1,（4

7、）对于管壳式换热器，查图时需要注意流动的“程”数,第36页/共81页,（5）值总是小于或者等于1。从值的大小可以看得出来某种流动方式在给定的工况下接近逆流的程度。,第37页/共81页,（6）设计中最好使，若就认为不合理。出于降低壁温的目的，除外。,（7）当R超过线图所表示的范围或者当某些区域的值不易读准时，可以用P和R查图。,第38页/共81页,各种流动形式的比较,（1）顺流和逆流是两种极端情况，在相同的进出口温度下，,逆流的,（2）顺流时,最大，顺流则最小；，而逆流时，则可能大于，可见，,逆流布置时的换热最强。,In,第39页/共81页,（3）一台换热器的设计要考虑很多因素，而不仅仅是换热

8、的强弱。比如，逆流时冷热流体的最高温度均出现在换热 器的同一侧，使得该处的壁温特别高，可能对换热器产生 破坏，因此，对于高温换热器，又是需要故意设计成顺流。,x,T,In,Out,x,T,In,Out,冷凝,第40页/共81页,蒸发,（4）对于有相变的换热器，如蒸发器和冷凝器，发生相变的流体温度不变，所以不存在顺流还是逆流的问题。,设计计算：设计一个新的换热器，以确定所需的换热面积校核计算：对已有或已选定了换热面积的换热器，在非设计工况条件下，核算他能否胜任规定的新任务。换热器热计算的基本方程式是传热方程式及热平衡式,换热器的热计算,第41页/共81页,两种类型的设计和两种设计方法,独立变量：

9、需要给定其中的5个变量，才可以计算另外三个变量。对于设计计算而言，给定的是，以及进出口温度中的三个，最终求A对于校核计算而言，给定的一般是，A，以及2个进口温度，待求的是2、两种设计方法平均温差法、效能-传热单元数（e-NTU）法,第42页/共81页,平均温差法：直接应用传热方程和热平衡方程进行热计算。1、设计计算初步布置换热面，并计算出相应的总传热系数k根据给定条件，由热平衡式求出进、出口温度中的那个待定的温度由冷热流体的4个进出口温度确定平均温差由传热方程式计算所需的换热面积A，并核算换热面流体的流动阻力如果流动阻力过大，则需要改变方案重新设计。,第43页/共81页,先假设一个流体的出口温

10、度，按热平衡式计算另一个出口温度；根据4个进出口温度求得平均温差；根据换热器的结构，算出相应工作条件下的总传热系数k；已知kA和，按传热方程计算在假设出口温度下的传热量；根据4个进出口温度，用热平衡式计算另一个，这个值和上面的，都是在假设出口温度下得到的，因此，都不是真实的换热量；比较两个值，满足精度要求则结束，否则，重新假定出口温度，重复（1）-（6），直至满足精度要求。,2、校核计算,第44页/共81页,1,、等温有相变的传热,第45页/共81页,2,、热流体等温冷凝、冷流体温度不断上升,冷流体等温沸腾、热流体温度不断下降,第46页/共81页,3,、,没有相变,顺流,逆流,顺流两种流体向同

11、一方向流动,逆流两种流体以相反方向平行流动,第47页/共81页,4、冷凝器、蒸发器内温度变化情况,第48页/共81页,5、可凝蒸气和非凝结气体组成的热流体,第49页/共81页,三、流体比热或传热系数变化时的平均温差,当流体的比热不随时间变化时，流体温度的变化与吸收或放出的热量成正比，两者表现为线性关系。,第50页/共81页,各段的传热面总传热面,第52页/共81页,使用情况（1）当热交换过程，一种流体处于冷却并冷凝，过冷，或加热并沸腾过热时，相当于比热发生剧烈变化的情况，应当考虑分段计算。,第53页/共81页,（2）当热流体含有不凝结气体，这时所放出的热量不与温度的变化成正比，这时也应当分段计

12、算平均温差。2.流体传热系数变化时的平均温差,某段传热量某段传热系数某段平均温差某段传热面积,第54页/共81页,如果传热系数随温差t成线性变化，或K随两流体中任一种流体温度成线性变化时，对于顺流或逆流都可以用下式：,式中：,处的传热系数和两流体温差；,处的传热系数和两流体温差。,，、,对于其他流型，可在乘以温差修正系数为按逆流情况计算的端部温差。,第55页/共81页,例有一蒸气加热空气的热交换器，它将质量流量为21600kg/h的空气从10加热到50。空气与蒸气逆流，其比热为1.02kJ/（kg）,加热蒸气为压力P=0.2MPa,温度为140的过热蒸气，在热交换器中被冷却为该压力下的饱和水。

13、试求其平均温差。,解：由水蒸气的热力性质表得饱和温度ts=120.23；饱和蒸气焓i=2707kJ/kg过热蒸气焓i=2749kJ/kg;汽化潜热r=2202kJ/kg热交换器的传热量：,第56页/共81页,蒸气耗量：,求取平均温度分段分界处的空气温度ta,第57页/共81页,冷却段的平均温差:,第58页/共81页,冷凝段的平均温差为:,总的平均温差：,第59页/共81页,1、传热有效度的定义,第三节,传热有效度,热交换器最大可能的传热量Qmax：一个面积为无穷大且其流体流量和进口温度与实际热交换器的流量和进口温度相同的逆流型热交换器所能达到的传热量的极限值。,第60页/共81页,如果,时，,

14、如果时，综合统一写成：,第61页/共81页,说明：（1）无因次；,（2）小于1；（3）、,已知已知t1 t2,t1 t2,第62页/共81页,热平衡方,程,2、顺流和逆流时的传热有效度,顺流假设,则有,根据热平衡式得：,式，相加：,第63页/共81页,整理：,由上一节知道,第64页/共81页,第65页/共81页,合并写成,当,时类似的可以推倒得：,第66页/共81页,令,类似的推导可得逆流换热器的效能（传热有效度）为,称为传热单元数,顺流：,第67页/共81页,令,则：,第68页/共81页,当两种流体的热容相等时，e 公式可以简化为,顺流,逆流,3、用传热单元数表示的效能计算公式与图线,第69

15、页/共81页,NTU：传热单元数，换热器热设计中的一个无量纲参数，在一定意义上可看成是换热器kA大小的一种度量。当冷热流体之一发生相变时，即趋于无穷大时，于是上面效能公式可简化为,对于比较复杂的流动形式，可以参照教材的线算图来计算效能e。,顺流,第70页/共81页,逆流,4、使用NTU的注意事项,（1）在同样的传热单元数下，,逆流,热交换器的传,热有效度总是大于顺流的，且随着,传热单元数,的增加而增加。在,顺流热交换器中则与此相反，,其传热有效度一般随着传热单元数的增加而趋,于一定值。,当W2=Wmin时,第71页/共81页,当W1=Wmin时关系为：,（3）传热有效度的意义实际上是以温度的形

16、式反映出冷热流体可以被利用的程度。,第72页/共81页,例2 温度为99的热水进入一个逆流热交换器，将4的冷水流量为4680KJ/h加热到32。热水流 量为9360Kg/h,传热系数为830W/（m2）,试计算该传热面积和传热有效度。方法一（NTU）热水的热容量,第73页/共81页,冷水的热容量,由比较知道：热平衡关系：,第74页/共81页,第75页/共81页,方法二：平均温差法代入,第76页/共81页,第四节,热交换器的计算方法的比较,热力计算的基本方程为:,第77页/共81页,在热力计算的七个基本量即：（KA）,W1,W2,t1,t1,t2,t2，在这七个量中我们必须事先给出五个才能进行计

17、算。采用平均温差法或传热单元数法都可以得到相同的结果，但是解题时的具体步骤不同。,对于设计计算来说，平均温差法与传热单元数法 在繁简称度上没有区别，但是在平均温差法计算时，可以通过修正系数值的大小来判定拟订的流动方式 与逆流之间的差别，有利流动形式的比较。,第78页/共81页,对于校核性热计算时，平均温差法和传热效能系数传热单元数法都要进行试算，在有些情况下，如传热系数K值已知或者可以套用经验数据时,采用传热单元数法更加方便。因此，在设计计算时，采用平均温差法，在校核性计算时，传热单元数法。,第五节流体流动方式的选择,1、流动方式选择应该从以下几个方面来考虑材料消耗量；能量消耗量；材料制造；传热面积2、顺流与逆流出口温度,第79页/共81页,