換熱器計(jì)算.doc

6 換熱器計(jì)算 返回到上一層重點(diǎn)內(nèi)容 ： 換熱器的熱工計(jì)算方法。 設(shè)計(jì)一臺(tái)換熱器必須進(jìn)行的全部工作包括：熱計(jì)算、結(jié)構(gòu)布置、流動(dòng)阻力計(jì)算、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算以及繪圖。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)指出的是，除了繪圖之外，前四項(xiàng)任務(wù)實(shí)際上是交叉在一起、無(wú)法單獨(dú)進(jìn)行的。也就是說(shuō)，設(shè)計(jì)過(guò)程必須，也只能在反復(fù)的修正、迭代計(jì)算中完成。在傳熱學(xué)課程中將主要討論熱計(jì)算，對(duì)其他幾項(xiàng)計(jì)算的有關(guān)問(wèn)題請(qǐng)參考換熱器原理和設(shè)計(jì)方面的專著或教科書(shū)。 換熱器的熱計(jì)算有兩種基本類型設(shè)計(jì)計(jì)算和校核計(jì)算。 設(shè)計(jì)計(jì)算的具體任務(wù)和目標(biāo)是：根據(jù)指定的換熱任務(wù)，一般是介質(zhì)的種類、流量和進(jìn)出口溫度，選擇合適的換熱器型式和流道布置方案，求出總傳熱系數(shù)，進(jìn)而確定所需要的換熱面積。 校核計(jì)算則針對(duì)已有的一臺(tái)換熱器 ( 當(dāng)然面積是已知量 ) ，核查它能否完成預(yù)定的某項(xiàng)換熱任務(wù)，即核算兩側(cè)流體的出口溫度能否達(dá)到預(yù)期值。 在實(shí)際的換熱器設(shè)計(jì)計(jì)算中，經(jīng)常需要同時(shí)進(jìn)行這兩種類型的計(jì)算。一般首先按照設(shè)計(jì)工況給定的參數(shù)選擇流造型式并布置換熱表面，計(jì)算兩側(cè)流體的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)、總傳熱系數(shù)和所需要的換熱面積。但是，任何一臺(tái)換熱器都不可能永遠(yuǎn)在設(shè)計(jì)工況下工作，于是在確定了傳熱系數(shù)和換熱面的布置方案以后，還必須對(duì)非設(shè)計(jì)工況作校核計(jì)算。 一、概述 1 、 基本公式 傳熱方程式： , tm 為對(duì)數(shù)平均溫差； 熱平衡方程式： ，其中 適用于有相變的情況，r 為相變潛熱。 2 、 類型 設(shè)計(jì)計(jì)算：已知 中的三個(gè)。求 KA 校核計(jì)算：已知 。 求 3 、傳熱系數(shù) K 的確定： ， 分別為換熱面兩側(cè)的污垢熱阻。 4 、計(jì)算方法 平均溫差法（ LMTD 法）；效能 - 傳熱單元數(shù)法（ -NTU 法） 二、平均溫差法 1 、計(jì)算步驟 設(shè)計(jì)計(jì)算： (1) 根據(jù)能量守恒算出所缺少的一個(gè)溫度值。 (2) 如果給出了總傳熱系數(shù)，可以直接進(jìn)入下一步；如果沒(méi)有給出總傳熱系數(shù)，則進(jìn)入迭代程序，首先初選應(yīng)道布置方案 ( 包括選取管徑、管數(shù)及流程數(shù)，確定流速等 ) ，并計(jì)算兩側(cè)流體的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)和總傳熱系數(shù)。 (3) 根據(jù)進(jìn)出口溫度和流道布置，求出平均傳熱溫差。 (4) 由傳熱方程算出換熱面積，并與初選面積比較。若不一致，修改布局方案重新計(jì)算，直到兩者基本一致為止。 校核計(jì)算： (1) 假設(shè)任意一側(cè)流體的出口溫度，通過(guò)熱平衡方程即可確定另一個(gè)出口溫度。 (2) 根據(jù)流量、傳熱面積和已知的流道布局，求出對(duì)數(shù)平均溫差并確定總傳熱系數(shù)。 (3) 分別按式 、 計(jì)算傳熱量，如果兩個(gè)結(jié)果不一致，修改原出口溫度假設(shè)值，重新計(jì)算直至兩者在允許的誤差范圍內(nèi)一致為止。這個(gè)選代過(guò)程僅對(duì)出口溫度進(jìn)行，而不牽涉換熱面的布局，因此選代次數(shù)有限。也可以通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)迭代運(yùn)算。 2 、舉例 一蒸汽冷凝器，蒸汽壓力為 0.8bar 絕對(duì)壓強(qiáng)干飽和蒸汽，流量 0.015kg /s ，凝結(jié)水為飽和水。冷卻水進(jìn)口溫度 10 ，出口溫度 60 ，冷凝器傳熱系數(shù)為 2000 W/(m 2 )，求換熱面積。 解：由 p 1 =0.8bar ，查表得 ， LMTD 為： 換熱面積： 三、效能 - 傳熱單元數(shù)法 1 、 換熱器效能 為換熱器實(shí)際傳熱量與最大可能傳熱量 max 之比。即： ， 因 ， 有： ； 或統(tǒng)一表示為： 2 、 傳熱單元數(shù) NTU ： 傳熱單元數(shù) NTU 可理解為換熱器傳熱能力大小的某種度量。 3 、與 NTU 的關(guān)系 任何換熱器都存在以下形式的無(wú)量綱函數(shù)關(guān)系： 順流時(shí)： ，或 逆流時(shí)： ，或 其它流動(dòng)形式： 不同流動(dòng)形式的效能傳熱單元數(shù)關(guān)系具有以下幾項(xiàng)基本特征： 效能一般均隨著傳熱單元數(shù)的增大而增大。但是對(duì)有些流動(dòng)形式，當(dāng) NTU 達(dá)到一定數(shù)值以后效能就趨于飽和了。 對(duì)任何一種給定的流型和 NTU 數(shù)，效能都隨熱容比的減小而增加。 逆流時(shí)曲線始終呈上升狀，而順流時(shí)，當(dāng) NTU 達(dá)到 2.5 以后曲線就幾乎不再向上升。這說(shuō)明順流換熱器的面積 ( 即 NTU 值 ) 過(guò)分增大是沒(méi)有意義的，同時(shí)這也從另一個(gè)角度再次證明逆流換熱優(yōu)于順流的事實(shí)。 對(duì)于一側(cè)有相變的情況： ，注意此時(shí) ，且與流動(dòng)方式無(wú)關(guān)。 4 、計(jì)算步驟 設(shè)計(jì)計(jì)算： (1) 根據(jù)能量守恒關(guān)系求出未知出口溫度； (2) 初選流道布置方案并計(jì)算兩側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)和總傳熱系數(shù)； (3) 根據(jù)進(jìn)出口溫度求出換熱器的效能以及兩側(cè)流體的熱客比； (4) 根據(jù)指定或選定的流動(dòng)方式選擇相應(yīng)的函數(shù)關(guān)系式或圖線，求出 NTU 值，進(jìn)而得到換熱面積； (5) 與初選面積比較，若不一致，修改流道布局方案并重新計(jì)算，直到兩者基本一致為讓。 若給定了換熱器的總傳熱系數(shù)，那么可以跳過(guò)第 (2) 步，直接得出換熱面積，也無(wú)需迭代過(guò)程。 校核計(jì)算： (1) 根據(jù)已知傳熱面積、總傳熱系數(shù)和較小側(cè)熱容可直接求出 NTU 值； (2) 由熱容比和 NTU 值，選取對(duì)應(yīng)的公式或者曲線求得換熱器效能： (3) 由效能直接求出小熱容側(cè)流體的出口溫度，再由能量守恒關(guān)系式得到另一個(gè)出口溫度。 以上介紹的兩種不同方法、兩種類型換熱器熱計(jì)算的情況看， LMTD 法一般用于設(shè)計(jì)計(jì)算，而 -NTU 一般用于校核計(jì)算。只要總傳熱系數(shù)未給定，迭代計(jì)算過(guò)程就是不可避免的。但是 -NTU 方法在作校核型計(jì)算時(shí)僅涉及兩流體的定性溫度，所需選代