管殼式熱交換器設(shè)計全解.ppt

第二節(jié) 熱交換器傳熱計算的 基本方法,本章要求掌握的內(nèi)容：,傳熱過程的計算；對數(shù)平均溫差的計算； 間壁式換熱器的設(shè)計計算及校核計算。,熱交換器熱計算的基本原理,1.1 熱計算基本方程 1.2平均溫差法 1.3 效率傳熱單元數(shù)法（傳熱有效度） 1.4熱交換器熱計算方法的比較 1.5流體流動方式的選擇,1.1 熱計算基本方程式,熱交換器的換熱面積F,熱流體1,冷流體2,進(jìn)口溫度,流量,比熱容,出口溫度,進(jìn)口溫度,流量,比熱容,出口溫度,兩流體的進(jìn)口溫差,兩流體的出口溫差,1、傳熱方程式：,工程上,熱交換器任一微元傳熱面處的傳熱系數(shù)，w/（m2）,微元傳熱面積， m2,在此微元傳熱面處兩種流體之間的溫度差，,整個傳熱面上的平均傳熱系數(shù)，w/（m2）,傳熱面積， m2,兩種流體之間的平均溫差，,熱交換器的熱負(fù)荷，W,想求得 ，必須已知 、 、Q 。,2、熱平衡方程：,適用于任何流體,適用于無相變流體,分別為熱流體與冷流體的質(zhì)量流量 ，Kg/s,分別為熱流體與冷流體的焓，J/Kg,分別為兩種流體的定壓質(zhì)量比熱，J/(Kg),熱流體在熱換器內(nèi)的溫降值，也稱冷卻度，,冷流體在熱交換器內(nèi)的溫升值，也稱加熱度，,分別為熱、冷流體的熱容量，W/K,對應(yīng)單位溫度變化產(chǎn)生的流動流體的能量存儲速率,分別為熱、冷流體在進(jìn)、出口溫度范圍內(nèi)的平均定壓質(zhì)量比熱，J/(Kg),討論：,1 考慮熱損失的情況下： 或,以放熱熱量為準(zhǔn)的對外熱損失系數(shù)，通常為0.97-0.98,2 由式可以知道,可見 ：兩種流體在熱交換器內(nèi)的溫度變化與他們的熱容量成反比,3 由 = =Q，還可以知道，在熱交換器內(nèi)，熱容量越大的流體，溫度變化值越小，熱容量越小的流體，溫度變化值越大,4 計算流體的熱容量時，M與c的單位必須一致,5 已知熱交換器熱負(fù)荷的條件下，熱平衡方程可用于確定流體的流量,2.2熱交換器傳熱計算的基本方法： 平均溫差法 效率（效能）傳熱單元數(shù)法（NTU） 一、平均溫差法,流體1的放熱量,流體2的吸熱量,熱交換器的傳熱熱量,不考慮熱交換器向外界散熱熱量,流體1的放熱量,流體2的吸熱量,熱交換器的傳熱熱量,W ： 流體熱容量 意義：單位溫度變化下產(chǎn)生的流動流體的能量儲存 速率。,微元傳熱面?zhèn)鬟f的熱流量：,工程上：,平均傳熱系數(shù)Km,平均溫差tm,13,二、 平均溫差,流體的溫度分布 1、等溫有相變的傳熱 2、熱流體等溫冷凝、冷流體溫度不斷上升 冷流體等溫沸騰、熱流體溫度不斷下降。 3、沒有相變順流逆流 4、冷凝器（蒸發(fā)器）內(nèi)溫度變化情況 5、可凝蒸氣和非凝結(jié)氣體組成的熱流體.,1 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：,流動形式不同，冷熱流體溫差沿?fù)Q熱面的變化規(guī)律也不同.,換熱器中冷流體溫度沿?fù)Q熱面是不斷變化的，因此，冷卻流體的局部換熱溫差也是沿程變化的。,三、換熱器中傳熱過程對數(shù)平均溫差的計算,以順流情況為例，作如下假設(shè)： （1）冷熱流體的質(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)； （3）換熱器無散熱損失； （4）換熱面沿流動方向的導(dǎo)熱量可以忽略不計。,要想計算沿整個換熱面的平均溫差，首先需要知道當(dāng)?shù)販夭铍S換熱面積的變化,然后再沿整個換熱面積進(jìn)行平均。,在假設(shè)的基礎(chǔ)上，并已知冷熱流體的進(jìn)出口溫度，現(xiàn)在來看圖中微元換熱面dA一段的傳熱。溫差為：,在固體微元面dA內(nèi)，兩種流體的換熱量為:,對于熱流體:,對于冷流體:,可見，當(dāng)?shù)販夭铍S換熱面呈指數(shù)變化，則沿整個換熱面的平均溫差為：,(1),(2),(2)、(3)代入(1)中,對數(shù)平均溫差,順流時：,表明：熱流體從進(jìn)口到出口方向上，兩流體間的溫差總是不斷降低的。,逆流時：,當(dāng) ： 不斷升高，,當(dāng) ： 不斷降低。,對數(shù)平均溫差 統(tǒng)一表示方法 LMTD(logarithmic-mean temperature difference),表示始端和終端的最大的和最小的溫度差。,式中：,平均溫差的另一種更為簡單的形式是算術(shù)平均溫差，即,使用條件：如果流體的溫度沿傳熱面變化不大，范圍在 內(nèi)可以使用算數(shù)平均溫差。,算術(shù)平均與對數(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，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。,2 復(fù)雜布置時換熱器平均溫差的計算,非混合流與混合流的區(qū)別：,以錯流為例，帶翅片的管束，在管外側(cè)流過的氣體被限制在肋片之間形成各自獨立的通道，在垂直于流動的方向上（橫向）不能自由流動，也就不可能自身進(jìn)行混合，稱該氣體為非混合流。,混合流：管子不帶翅片，管外的氣流可以在橫向自由的隨意的運動，稱為混合流。但是管內(nèi)的流體屬于非混合流。,3 、其他流動方式時的平均溫差,按逆流方式計算的對數(shù)平均溫差,溫度修正系數(shù),在相同的流體進(jìn)出口溫度條件下，按某種流動形式工作時的平均溫差 與逆流工作時的對數(shù)平均溫差 的比值,在相同的流體進(jìn)出口溫度條件下，按逆流工作所需的傳熱面積 與按某種流動形式工作所需的傳熱面積 之比值（傳熱系數(shù)相等的條件?。?，,表示,即：,值的大小說明某種流動形式的換熱器在給定工作條件下，接近逆流形式的程度，一般設(shè)計時要0.9 ， 0.75時，認(rèn)為設(shè)計不合理。,恒不大于0或1,值的求取方法,逆流時對數(shù)平均溫差為 ：,令：,P的含義：冷流體的實際吸熱量與最大可能的吸熱量的比例，稱為溫度效率。P1。,R的含義：冷流體的熱容量與熱流體的熱容量之比，R1，R=1,或者 R1。,則: 可以表示為P 和 R及 的函數(shù),為了簡化 的計算，引入兩輔助參數(shù)：,溫度效率,熱容量比,的實際吸熱量與最大可能的吸熱量的比率，其值恒小于1,冷流體的熱容量與熱流體的熱容量之比，其值可以大于1、等于1、小于1,對于某種特定的流動形式， 是 、 的函數(shù)，即：,冷流體,例如 對于殼側(cè)為一個流程、管程為偶數(shù)流程的殼管式熱交換器，其 值為：（推導(dǎo)得出）,兩種流體中只有一種橫向混合的錯流式熱交換器，其 值為：,溫度修正系數(shù)與流體的流動形式有關(guān)，而與流體的性質(zhì)無關(guān),對于某種特定的流動形式， 是輔助參數(shù)P、R的函數(shù) 該函數(shù)形式因流動方式而異。,對于只有一種流體有橫向混合的錯流式熱交換器，可將輔助參數(shù)的取法歸納為：,值的計算公式可以從表1.1查得。在工程上為了使計算方便，通常將求取的公式繪成線圖，我們可以查圖求得。,管殼式換熱器的 。,圖1 、等多流程管殼式換熱器的修正系數(shù),交叉流式換熱器的,圖2 、等多流程管殼式換熱器的修正系數(shù),對于其它的叉流式換熱器，其傳熱公式中的平均溫度的計算關(guān)系式較為復(fù)雜，工程上常常采用修正圖表來完成其對數(shù)平均溫差的計算。具體的做法是：,（a）由換熱器冷熱流體的進(jìn)出口溫度，按照逆流方式計算出相應(yīng)的對數(shù)平均溫差；,（b）從修正圖表由兩個無量綱數(shù)查出修正系數(shù),(c) 最后得出叉流方式的對數(shù)平均溫差,圖3 交叉流，兩種流體各自都不混合時的修正系數(shù),圖4 一次交叉流，一種流體混合、一種流體不混合時的修正系數(shù),練習(xí)：,關(guān)于的注意事項 （1） 值取決于無量綱參數(shù) P和 R,式中：下標(biāo)1、2分別表示兩種流體，上角標(biāo) 表示進(jìn)口， 表示出口，圖表中均以P為橫坐標(biāo)，R為參量。,（3）R的物理意義：兩種流體的熱容量之比,（2）P的物理意義：流體2的實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1,（4） 對于管殼式換熱器，查圖時需要注意流動的“程”數(shù),（5）值總是小于或者等于1。從值的大小可以看得出來某種流動方式在給定的工況下接近逆流的程度。,（6）設(shè)計中最好使0.9 ，若0.75就認(rèn)為不合理。出于降低壁溫的目的，除外。,（7）當(dāng)R超過線圖所表示的范圍或者當(dāng)某些區(qū)域的值不易讀準(zhǔn)時，可以用P和R查圖。,P和R的含義為：把熱交換器中的兩種流體交換后，即下標(biāo)1改成冷流體，下標(biāo)2改成熱流體后， 以P和R以P和R表示。,各種流動形式的比較,順流和逆流是兩種極端情況，在相同的進(jìn)出口溫度下，逆流的 最大，順流則最??； 順流時 ，而逆流時， 則可能大于 ，可見，逆流布置時的換熱最強(qiáng)。,In,Out,(3) 一臺換熱器的設(shè)計要考慮很多因素，而不僅僅是換熱的強(qiáng)弱。比如，逆流時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)計成順流。,x,T,In Out,x,T,In Out,冷凝,蒸發(fā),(4) 對于有相變的換熱器，如蒸發(fā)器和冷凝器，發(fā)生相變的流體溫度不變，所以不存在順流還是逆流的問題。,(1)設(shè)計計算：設(shè)計一個新的換熱器，以確定所需的換熱面積 校核計算：對已有或已選定了換熱面積的換熱器，在非設(shè) 計工況條件下，核算他能否勝任規(guī)定的新任務(wù)。,換熱器熱計算的基本方程式是傳熱方程式及熱平衡式,換熱器的熱計算,兩種類型的設(shè)計和兩種設(shè)計方法,1.兩種類型的設(shè)計和兩種設(shè)計方法,獨立變量：,需要給定其中的5個變量，才可以計算另外三個變量。,對于校核計算而言，給定的一般是 ，A，以及2個進(jìn)口溫度，待求的是,對于設(shè)計計算而言，給定的是 ，以及進(jìn)出口溫度中的三個，最終求A,初步布置換熱面，并計算出相應(yīng)的總傳熱系數(shù)k 根據(jù)給定條件，由熱平衡式求出進(jìn)、出口溫度中的那個待定的溫度 由冷熱流體的4個進(jìn)出口溫度確定平均溫差 由傳熱方程式計算所需的換熱面積A，并核算換熱面流體的流動阻力 如果流動阻力過大，則需要改變方案重新設(shè)計。,1、設(shè)計計算,平均溫差法：,直接應(yīng)用傳熱方程和熱平衡方程進(jìn)行熱計算。,（1）先假設(shè)一個流體的出口溫度，按熱平衡式計算另一個出口溫度； （2）根據(jù)4個進(jìn)出口溫度求得平均溫差 ； （3）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； （4）已知kA和，按傳熱方程計算在假設(shè)出口溫度下的傳熱量； （5）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； （6）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、校核計算,1、等溫有相變的傳熱,2、熱流體等溫冷凝、冷流體溫度不斷上升 冷流體等溫沸騰、熱流體溫度不斷下降,3、沒有相變 順流 逆流 順流兩種流體向同一方向流動 逆流兩種流體以相反方向平行流動,4、冷凝器、蒸發(fā)器內(nèi)溫度變化情況,5、可凝蒸氣和非凝結(jié)氣體組成的熱流體,三、流體比熱或傳熱系數(shù)變化時的平均溫差,當(dāng)流體的比熱不隨時間變化時，流體溫度的變化與吸收或放出的熱量成正比，兩者表現(xiàn)為線性關(guān)系。,1.流體比熱變化時的平均溫差,積分平均溫差的計算出發(fā)點： 在每個小段中的傳熱溫差可以采用對數(shù)平均溫差或者算數(shù)平均溫差的方法計算。,如果在討論的溫度范圍內(nèi)，比熱隨溫度有顯著變化時 （大于23倍）應(yīng)用積分平均溫差來計算。,計算步驟： (1)作Q-t圖; (2)將Q-t圖分段，計算Qi。 (3)求出各段的對數(shù)平均溫差或者算數(shù)平均溫差； (4)計算積分平均溫差。,各段的傳熱面,總傳熱面,使用情況 （1）當(dāng)熱交換過程，一種流體處于冷卻并冷凝，過冷，或加熱并沸騰過熱時，相當(dāng)于比熱發(fā)生劇烈變化的情況，應(yīng)當(dāng)考慮分段計算。 （2）當(dāng)熱流體含有不凝結(jié)氣體，這時所放出的熱量不與溫度的變化成正比，這時也應(yīng)當(dāng)分段計算平均溫差。,2.流體傳熱系數(shù)變化時的平均溫差,如果傳熱系數(shù)變化確實較大，那么我們?nèi)钥梢圆捎梅?段計算的方法，把每段的傳熱系數(shù)視作常數(shù)，分段計 算平均溫差和傳熱量。,某段傳熱量,某段傳熱系數(shù),某段平均溫差,某段傳熱面積,如果傳熱系數(shù)隨溫差t成線性變化，或K隨兩流體中任一種流體溫度成線性變化時，對于順流或逆流都可以用下式：,式中： 處的傳熱系數(shù)和兩流體溫差； 處的傳熱系數(shù)和兩流體溫差。,對于其他流型，可在乘以溫差修正系數(shù) ， 、 為按逆流情況計算的端部溫差。,例有一蒸氣加熱空氣的熱交換器，它將質(zhì)量流量為21600kg/h的空氣從10加熱到50?？諝馀c蒸氣逆流，其比熱為1.02kJ/(kg),加熱蒸氣為壓力P=0.2MPa,溫度為140的過熱蒸氣，在熱交換器中被冷卻為該壓力下的飽和水。試求其平均溫差。,解：由水蒸氣的熱力性質(zhì)表得 飽和溫度ts=120.23；飽和蒸氣焓i=2707kJ/kg 過熱蒸氣焓i=2749kJ/kg; 汽化潛熱r=2202kJ/kg,熱交換器的傳熱量：,蒸氣耗量：,過熱蒸氣的冷卻段放出的熱量：,過熱蒸氣冷凝段放出的熱量為：,求取平均溫度,分段分界處的空氣溫度ta,冷卻段的平均溫差:,冷凝段的平均溫差為:,總的平均溫差：,1、傳熱有效度的定義,第三節(jié) 傳熱有效度,熱交換器最大可能的傳熱量Qmax：一個面積為無窮大且其流體流量和進(jìn)口溫度與實際熱交換器的流量和進(jìn)口溫度相同的逆流型熱交換器所能達(dá)到的傳熱量的極限值。,傳熱有效度：實際傳熱量Q與最大可能傳熱量之比Qmax稱為傳熱有效度。,如果 時，,如果 時，,綜合統(tǒng)一寫成：,說明：,（ 1 ）無因次；,（ 2 ）小于1；,（3）、,已知,已知t1 t2,t1 t2,熱平衡方程,2、順流和逆流時的傳熱有效度,順流假設(shè) 則有,根據(jù)熱平衡式得：,式， 相加：,整理：,由上一節(jié)知道,合并寫成,當(dāng) 時類似的可以推倒得：,令,類似的推導(dǎo)可得逆流換熱器的效能（傳熱有效度）為,稱為傳熱單元數(shù),順流：,令,則：,當(dāng)冷熱流體之一發(fā)生相變時，即 趨于無窮大時，于是上面效能公式可簡化為,當(dāng)兩種流體的熱容相等時， 公式可以簡化為,順流,逆流,3、用傳熱單元數(shù)表示的效能計算公式與圖線,NTU：傳熱單元數(shù)，換熱器熱設(shè)計中的一個無量綱參數(shù)，在一定意義上可看成是換熱器kA大小的一種度量。,對于比較復(fù)雜的流動形式，可以參照教材的線算圖來計算效能。,順流,逆流,4、使用NTU的注意事項,（1）在同樣的傳熱單元數(shù)下，逆流熱交換器的傳熱有效度總是大于順流的，且隨著傳熱單元數(shù)的增加而增加。在順流熱交換器中則與此相反，其傳熱有效度一般隨著傳熱單元數(shù)的增加而趨于一定值。,（2）可以將某種流動方式在平均溫差法和傳熱有效度傳熱單元數(shù)法這兩種計算