傳熱過程分析與換熱器計(jì)算

1、傳熱過程分析與換熱器計(jì)算 傳熱學(xué) Heat Transfer 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計(jì)算 第九章傳熱過程分析與換熱器熱計(jì)算第九章傳熱過程分析與換熱器熱計(jì)算 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 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 9-3 9-3 換熱器的熱計(jì)算換熱器的熱計(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) 9-5 9-5 傳熱問題的綜合分析傳熱問題的綜合分析 傳熱過程分析與換熱器計(jì)算 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

2、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 了解換熱器的基本知識(shí)和設(shè)計(jì)過程了解換熱器的基本知識(shí)和設(shè)計(jì)過程 本章的學(xué)習(xí)目的本章的學(xué)習(xí)目的 傳熱過程分析與換熱器計(jì)算 )( 21ff ttkA 傳熱過程基本計(jì)算式傳熱過程基本計(jì)算式( (傳熱方程式傳熱方程式) )： K K：傳熱系數(shù)：傳熱系數(shù)( (總傳熱系數(shù)總傳熱系數(shù)) )。 對(duì)于不同的傳熱過程，對(duì)于不同的傳熱過程，K K的計(jì)算公式也不同。的計(jì)算公式也不同。 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 傳熱過程分析與換熱器計(jì)算 1 1 通過平壁的傳熱通過平壁的傳熱 21 11 1 hh k 注意注意： (1) h(

3、1) h1 1和和h h2 2的計(jì)算；（的計(jì)算；（2 2）如果考慮壁面含有二）如果考慮壁面含有二 氧化碳、水蒸汽等三原子的煙氣，則既要考慮對(duì)流換熱，氧化碳、水蒸汽等三原子的煙氣，則既要考慮對(duì)流換熱， 也要考慮輻射換熱。采用換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)代替上式中也要考慮輻射換熱。采用換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)代替上式中 的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。 鍋爐省煤器的煙氣鍋爐省煤器的煙氣 2 2 通過圓管的傳熱通過圓管的傳熱 hi ho )ln( 2 )( i o wowi d d l tt 內(nèi)部對(duì)流：內(nèi)部對(duì)流： ldh tt ii wifi )(圓柱面導(dǎo)熱：圓柱面導(dǎo)熱： 外部對(duì)流：外部對(duì)流： ii hi dlh R

4、1 l dd R io 2 )ln( oo ho ldh R 1 )( 1 )ln( 2 11 )( fofioo ooi o ii fofi ttldk dhd d dh ttl oi oo ii o hd dd dh d k 1 )ln( 2 1 ldh tt oo fowo )( 傳熱過程分析與換熱器計(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： 21 AAAo 穩(wěn)態(tài)下?lián)Q熱情況：穩(wěn)態(tài)下?lián)Q熱情況： )( wifiii ttAh )( wowii ttA )( )()( 21 fowoooo fowofofowoo ttAh ttAhttAh o f o A AA)( 21

5、 A1 A2 Ai 肋面總效率肋面總效率 傳熱過程分析與換熱器計(jì)算 oooiii fofi AhAAh tt 11 io AA ooi f hh k 11 1 1 o 通過肋壁的傳熱通過肋壁的傳熱 肋化系數(shù)：肋化系數(shù)： 傳熱系數(shù)傳熱系數(shù) 只要只要 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。 傳熱過程分析與換熱器計(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 21 21 11 )( hh ttA ff ooi o ii fofi dhd d dh ttl 1 )ln( 2 11 )( ooi ffi hh ttA 11 )( 21 21 2 2 1 1

6、1 )ln( 2 1 )ln( 2 11 )( ooo o i o ii fofi dhd d d d dh ttl 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(duì)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(duì)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/ddo2 o22 2的值 的值 傳熱過程分析與換熱器計(jì)算 0 1 2 1 ) 1 ln 2 11 ( )( d d 2 2 oo

7、o ooi o ii oi o dhd dhd d dh ttl d o o h d 2 當(dāng)保溫層管道表面的當(dāng)保溫層管道表面的BiBi數(shù)大于數(shù)大于2 2時(shí)，增加保溫層厚度可進(jìn)上步減時(shí)，增加保溫層厚度可進(jìn)上步減 少熱損失；若少熱損失；若BiBi數(shù)小于數(shù)小于2 2，則增加保溫層厚度反起到強(qiáng)化換熱的，則增加保溫層厚度反起到強(qiáng)化換熱的 目的。目的。 或或 2 ooh d 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 d do o：臨界絕緣直徑，記為：臨界絕緣直徑，記為d dcr cr 傳熱過程分析與換熱器計(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

8、義：用來(lái)使熱量從熱流體傳遞到冷流體，以換熱器的定義：用來(lái)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滿足規(guī)定的工藝要求的裝置 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 三種類型換熱器簡(jiǎn)介三種類型換熱器簡(jiǎn)介 傳熱過程分析與換熱器計(jì)算 1 1 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：套管式換熱器：最簡(jiǎn)單的一種間壁式換熱器，流體有順最簡(jiǎn)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。流和逆流兩種，適用于傳熱量不大或流體流量不大的情形。 傳熱

9、過程分析與換熱器計(jì)算 套管式換熱器套管式換熱器 順流順流 逆流逆流 傳熱過程分析與換熱器計(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。 outB T , side) (shell ,inB T side) (tube ,inA T outA T , 間壁式換熱器的主要型式間壁式換熱器的主要型式 傳熱過程分析與換熱器計(jì)算 side) (tube ,inA T o

10、utA T , side) (shell ,inB T outB T , 增加管程增加管程 間壁式換熱器的主要型式間壁式換熱器的主要型式 傳熱過程分析與換熱器計(jì)算 side) (shell ,inB T outB T , side) (tube ,inA T outA T , 進(jìn)一步增加管程和殼程進(jìn)一步增加管程和殼程 間壁式換熱器的主要型式間壁式換熱器的主要型式 傳熱過程分析與換熱器計(jì)算 (3) (3) 交叉流換熱器：間壁式換熱交叉流換熱器：間壁式換熱 器的又一種主要形式。其主要特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

11、式叉流換熱器又分管束式、管翅式 和板翅式三種。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 間壁式換熱器的主要型式間壁式換熱器的主要型式 傳熱過程分析與換熱器計(jì)算 單位體積內(nèi)所包含的換熱面積作為衡量換單位體積內(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)，一般將大于熱器緊湊程度的衡量指標(biāo)，一般將大于 700m700m2 2/m/m3 3的換熱器稱為緊湊式換熱器，板翅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，日益受到式換熱器多屬于緊湊式，因此，日益受到 重視。重視。 間壁式換熱器的主要型式間壁式換熱器的主要型式 傳熱過程分析與換熱器計(jì)算 (4) (4) 板

12、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。 間壁式換熱器的主要型式間壁式換熱器的主要型式 傳熱過程分析與換熱器計(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。 間壁式換熱器的主要型式間壁式換熱器的主要型式 傳熱過程分析與換

13、熱器計(jì)算 4 4 簡(jiǎn)單順流及逆流換熱器的對(duì)數(shù)平均溫差簡(jiǎn)單順流及逆流換熱器的對(duì)數(shù)平均溫差 傳熱方程的一般形式：傳熱方程的一般形式： m tkA m t整個(gè)傳熱面的平均溫差整個(gè)傳熱面的平均溫差(平均溫壓平均溫壓) 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)量流量）冷熱流體的質(zhì)量流量q qm2 m2、 、q qm1 m1以 以 及比熱容及比熱容c c2 2,c,c1 1在整個(gè)換熱面上都是常在整個(gè)換熱面上都是常 量；量；(2) (2) 傳熱系數(shù)在整個(gè)換熱面上不傳熱系數(shù)在整個(gè)換熱面上不 變；（變；（3 3）換熱器無(wú)散熱損失；（）換熱器無(wú)散熱損失；（4 4） 換熱面

14、沿流動(dòng)方向的導(dǎo)熱量可以忽略換熱面沿流動(dòng)方向的導(dǎo)熱量可以忽略 不計(jì)。不計(jì)。 傳熱過程分析與換熱器計(jì)算 已知冷熱流體的進(jìn)出口溫度，現(xiàn)在來(lái)看圖已知冷熱流體的進(jìn)出口溫度，現(xiàn)在來(lái)看圖9-139-13中微元換熱中微元換熱 面面dAdA一段的傳熱。溫差為：一段的傳熱。溫差為： d dAtk 21 ttt 通過微元面通過微元面dAdA的熱流量為的熱流量為: : 111 ddtcqm 222 ddtcqm 冷流體冷流體: : 簡(jiǎn)單順流及逆流換熱器的對(duì)數(shù)平均溫差簡(jiǎn)單順流及逆流換熱器的對(duì)數(shù)平均溫差 熱流體熱流體: : 傳熱過程分析與換熱器計(jì)算 dd 11 ddd 2211 21 cqcq ttt mm ddtAk

15、tdAd kt dA t d k t xx At t k t 0 dA t d x x kA t t ln x kA x t et 2211 11 cqcq mm 簡(jiǎn)單順流及逆流換熱器的對(duì)數(shù)平均溫差簡(jiǎn)單順流及逆流換熱器的對(duì)數(shù)平均溫差 傳熱過程分析與換熱器計(jì)算 1-e t dAe t 0 kA A kA m kA A t x x x kA t t lnkA t t ln AAx kA e t t t t t tt t tm t ln t t ln t 1- t t ln t 簡(jiǎn)單順流及逆流換熱器的對(duì)數(shù)平均溫差簡(jiǎn)單順流及逆流換熱器的對(duì)數(shù)平均溫差 沿整個(gè)換熱面的平均溫差：沿整個(gè)換熱面的平均溫差： 對(duì)

16、數(shù)平均溫差對(duì)數(shù)平均溫差 傳熱過程分析與換熱器計(jì)算 2211 11 cqcq mm 簡(jiǎn)單順流及逆流換熱器的對(duì)數(shù)平均溫差簡(jiǎn)單順流及逆流換熱器的對(duì)數(shù)平均溫差 逆流：逆流： min max minmax t ln t t t tm ：代代表表兩兩者者之之中中小小者者 兩兩者者之之大大者者；和和代代表表 in max : m t ttt 傳熱過程分析與換熱器計(jì)算 平均溫差的另一種更為簡(jiǎn)單的形式是算術(shù)平均溫差，即平均溫差的另一種更為簡(jiǎn)單的形式是算術(shù)平均溫差，即 2 minmax , tt tm 算術(shù) min max minmax , t ln t t t tm 對(duì)數(shù) 算術(shù)平均溫差相當(dāng)于溫度呈直線變化的情況

17、，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(duì)數(shù)平均溫差，當(dāng)同進(jìn)出口溫度下的對(duì)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 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。 2 minmax tt 7 . 1 minmax tt 5 5算術(shù)平均溫差算術(shù)平均溫差 傳熱過程分析與換熱器計(jì)算 順流換熱器計(jì)算順流換熱器計(jì)算 傳熱過程分析與換熱器計(jì)算 逆流換熱器計(jì)算逆流換熱器計(jì)算 傳熱過程分析與換熱器計(jì)算 在上面所介紹的間壁式換熱器的四種主要型式中，套管式換熱器在上面所介紹的間壁式換熱器的四種主要型式中，套管式換熱器 及螺旋板式換

18、熱器的平均溫差可以方便地按逆流或順流布置的公及螺旋板式換熱器的平均溫差可以方便地按逆流或順流布置的公 式來(lái)計(jì)算，以下著重討論殼管式換熱器及交叉流式換熱器的平均式來(lái)計(jì)算，以下著重討論殼管式換熱器及交叉流式換熱器的平均 溫差的計(jì)算方法。對(duì)于各種布置的殼管式及交叉流式換熱器。平溫差的計(jì)算方法。對(duì)于各種布置的殼管式及交叉流式換熱器。平 均溫差計(jì)算方法如下：均溫差計(jì)算方法如下： ctfmm tt)( 是給定的冷熱流體的進(jìn)出口溫度布置成逆流時(shí)的對(duì)流平均溫度是給定的冷熱流體的進(jìn)出口溫度布置成逆流時(shí)的對(duì)流平均溫度 差。差。 是小于是小于1 1的修正系數(shù)。的修正系數(shù)。 6 6其它復(fù)雜布置時(shí)換熱器平均溫差的計(jì)算其

19、它復(fù)雜布置時(shí)換熱器平均溫差的計(jì)算 傳熱過程分析與換熱器計(jì)算 （1 1） 值取決于無(wú)量綱參數(shù)值取決于無(wú)量綱參數(shù) P P和和 R R 22 11 21 22 , tt tt R tt tt P 式中：下標(biāo)式中：下標(biāo)1 1、2 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 P為橫坐標(biāo)，為橫坐標(biāo)，R 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 hmh cmc cc hh cq cq tt tt R （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

20、達(dá)到的最的實(shí)際溫升與理論上所能達(dá)到的最 大溫升之比，所以只能小于大溫升之比，所以只能小于1 1 （4 4） 對(duì)于管殼式換熱器，查圖時(shí)需要注意流動(dòng)的對(duì)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) 其它復(fù)雜布置時(shí)換熱器平均溫差的計(jì)算其它復(fù)雜布置時(shí)換熱器平均溫差的計(jì)算 注意：注意： 傳熱過程分析與換熱器計(jì)算 在相同的進(jìn)出口溫度下，順流的平均溫差最小，而逆流的平在相同的進(jìn)出口溫度下，順流的平均溫差最小，而逆流的平 均溫差最大；均溫差最大； 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，可見， 逆流布置時(shí)的換熱最強(qiáng)。逆流布置時(shí)的換熱最強(qiáng)。 12 tt 1 t 2 t dq i

21、T o T h dT c dT T InOut dq i T o T h dT c dT T In Out 7 7各種流動(dòng)形式的比較各種流動(dòng)形式的比較 (3) (3) 對(duì)于高溫?fù)Q熱器來(lái)說(shuō)，避免出現(xiàn)逆流情況。為了降低壁溫，對(duì)于高溫?fù)Q熱器來(lái)說(shuō)，避免出現(xiàn)逆流情況。為了降低壁溫， 有時(shí)甚至有意必勝順流，鍋爐中的高溫過熱器就有這種布置。有時(shí)甚至有意必勝順流，鍋爐中的高溫過熱器就有這種布置。 (4) (4) 對(duì)于有相變的換熱器，如蒸發(fā)器和冷凝器，發(fā)生相變的流體對(duì)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。溫度不變，所以不存在順流還是逆流的問題。 ch CC

22、or x T In Out Cond T x T In Out ch CCor Evap T 冷凝冷凝蒸發(fā)蒸發(fā) 各種流動(dòng)形式的比較各種流動(dòng)形式的比較 傳熱過程分析與換熱器計(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：校核計(jì)算：對(duì)已有或已選定了換熱面積的換熱器，在非設(shè)對(duì)已有或已選定了換熱面積的換熱器，在非設(shè) 計(jì)工況條件下，核算他能否勝任規(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

23、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 m tkA )()( 22221111 ttcqttcq mm 9-3 9-3 換熱器的熱計(jì)算換熱器的熱計(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

24、外三個(gè)變量。個(gè)變量，才可以計(jì)算另外三個(gè)變量。 對(duì)于設(shè)計(jì)計(jì)算而言，給定的是對(duì)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(duì)于校核計(jì)算而言，給定的一般是對(duì)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 m t 2211 ,tttt 11c qm 22c qm 2211 ,tttt 中中的的三三個(gè)個(gè)，以以及及 22112211 ,ttttcqcqAk mm 2211 ,cqcq mm Ak, 2211 ,cqcqA mm 21 tt ， ， 9-3 9-3 換熱器的熱計(jì)算換熱器的熱計(jì)算 傳熱過程分析與換熱器

25、計(jì)算 平均溫差法：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(duì)于對(duì)于設(shè)計(jì)計(jì)算設(shè)計(jì)計(jì)算 (1)(1)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； (2)(2)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； (3)(3)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；個(gè)進(jìn)出口溫度確定平均溫差； (4)(4)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

26、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； (5)(5)如果流動(dòng)阻力過大，改變方案重新設(shè)計(jì)。如果流動(dòng)阻力過大，改變方案重新設(shè)計(jì)。 cmchmh cqcq, 9-3 9-3 換熱器的熱計(jì)算換熱器的熱計(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 傳熱過程分析與換熱器計(jì)算 對(duì)于校核計(jì)算對(duì)于校核計(jì)算 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 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)

27、，算出相應(yīng)工作條件下的總傳熱系數(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的值的值 已知已知kAkA和和 ，按傳熱方程式求出，按傳熱方程式求出 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) 值值 ，這個(gè)值和上面的，這個(gè)值和上面的 (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，重新假定出口溫度，值，滿足精度要求，則結(jié)束，否則，重新假定出口溫度， 重復(fù)重復(fù)(1)(1)至至(6)(6)，直至滿足精度要求。，直至滿足精度要求。 m t 1 1、平均溫差法、平均溫差法 m t 傳熱過程分析與換熱器計(jì)算 2 1 max t-t tt 2 2

28、 效能效能- -傳熱單元數(shù)法傳熱單元數(shù)法 (1) (1) 傳熱單元數(shù)和換熱器的效能傳熱單元數(shù)和換熱器的效能 換熱器的效能換熱器的效能 分母：流體在換熱器中可能發(fā)生的最大溫差值；分母：流體在換熱器中可能發(fā)生的最大溫差值； 分子：冷流體或熱流體在換熱器中的實(shí)際溫差值中的大者。分子：冷流體或熱流體在換熱器中的實(shí)際溫差值中的大者。 如果冷流體的溫度變化大，則如果冷流體的溫度變化大，則 ；反之則；反之則 換熱器效能：換熱器實(shí)際換熱效果與最大可能的換熱效果之比換熱器效能：換熱器實(shí)際換熱效果與最大可能的換熱效果之比 2 2max t-t tt 1 1max t-t tt 傳熱過程分析與換熱器計(jì)算 2 2 效

29、能效能- -傳熱單元數(shù)法傳熱單元數(shù)法 )()()()( 2 1minmax min ttcqttcq mm 順流換熱器，假設(shè)順流換熱器，假設(shè) 2211 cqcq mm )( 2111 tttt 根據(jù)熱平衡式得根據(jù)熱平衡式得 )()( 22221111 ttcqttcq mm )( 11 22 11 22 tt cq cq tt m m 于是于是 式，式， 相加：相加：)(1()()( 21 22 11 2121 tt cq cq tttt m m 傳熱過程分析與換熱器計(jì)算 2 2 效能效能- -傳熱單元數(shù)法傳熱單元數(shù)法 )1(1 22 11 21 21 cq cq tt tt m m )exp

30、( t kA t 22 11 1 1 cq cq e m m kA 11 22 11 22 22 1 )1(exp1 cq cq cq cq cq kA m m m m m 傳熱過程分析與換熱器計(jì)算 2 2 效能效能- -傳熱單元數(shù)法傳熱單元數(shù)法 max min max min min )( )( 1 ) )( )( 1( )( exp1 cq cq cq cq cq kA m m m m m 時(shí)時(shí) 2211 cqcq mm 11 22 11 22 22 1 )1(exp1 cq cq cq cq cq kA m m m m m 上面兩式合并得上面兩式合并得 傳熱過程分析與換熱器計(jì)算 minm

31、c) (q NTU kA 令令 ) c)(q c)(q 1(NTUexp) c)(q c)(q 1( ) c)(q c)(q 1(NTUexp1 maxm minm maxm minm maxm minm 效能效能- -傳熱單元數(shù)法傳熱單元數(shù)法 max min max min )( )( 1 )( )( 1(-NTU)exp1 cq cq cq cq m m m m 上式變?yōu)樯鲜阶優(yōu)?逆流換熱器逆流換熱器 傳熱單元數(shù)：換熱器熱設(shè)計(jì)的一個(gè)無(wú)量綱參數(shù)，在一定意傳熱單元數(shù)：換熱器熱設(shè)計(jì)的一個(gè)無(wú)量綱參數(shù)，在一定意 義上可看成是換熱器義上可看成是換熱器kAkA值大小的一種度量。值大小的一種度量。 傳熱過

32、程分析與換熱器計(jì)算 當(dāng)當(dāng)冷熱流體之一發(fā)生相變時(shí)，相當(dāng)于冷熱流體之一發(fā)生相變時(shí)，相當(dāng)于 ，于是上面，于是上面 效能公式可簡(jiǎn)化為效能公式可簡(jiǎn)化為 maxmc) (q NTUexp1 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(jiǎn)化為公式可以簡(jiǎn)化為 2 NTU2exp1 NTU1 NTU 順流：順流： 逆流：逆流： 效能效能- -傳熱單元數(shù)法傳熱單元數(shù)法 傳熱過程分析與換熱器計(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

33、用已知條件可以計(jì)算出 ，而帶求的，而帶求的k k，A A 則包含在則包含在NTUNTU內(nèi)，因此，對(duì)于設(shè)計(jì)計(jì)算是已知內(nèi)，因此，對(duì)于設(shè)計(jì)計(jì)算是已知 ，求，求NTUNTU， 求解過程與平均溫差法相似，不再重復(fù)求解過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，事先不知，所以仍然需要假設(shè)一個(gè)出口溫度， 具體如下：具體如下： 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)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)合換熱器結(jié)構(gòu)

34、，計(jì)算總傳熱系數(shù)k k 利用利用k, Ak, A計(jì)算計(jì)算NTUNTU （ ，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 ） 2211 ,cqcq mm Ak, 2211 ,cqcqA mm 21 tt ， ， t t 效能效能- -傳熱單元數(shù)法傳熱單元數(shù)法 傳熱過程分析與換熱器計(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(duì)傳熱量從上面步驟可以看出，假設(shè)的出口溫度對(duì)傳熱量 的影響的

35、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，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(duì)假設(shè)溫度沒有平均溫差法對(duì)假設(shè)溫度沒有平均溫差 法敏感，這是該方法的優(yōu)勢(shì)。法敏感，這是該方法的優(yōu)勢(shì)。 效能效能- -傳熱單元數(shù)法傳熱單元數(shù)法 4 4 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

36、等諸多因素。 5 5 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)，k k0 0為潔凈換熱面為潔凈換熱面 的傳熱系數(shù)。的傳熱系數(shù)。 0 11 kk R f 傳熱過程分析與換熱器計(jì)算 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)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：的傳熱系數(shù)可以表示成： 如果管子外表面沒有肋化，則肋面總效率如果管子外表面沒

37、有肋化，則肋面總效率 o o = 1 = 1。 表表9-19-1適用于管殼式換熱器單側(cè)污垢的面積熱阻之值適用于管殼式換熱器單側(cè)污垢的面積熱阻之值 ) A A ( h 1 ) A A (R 1 o 1 1 i 0 ii 0 i 0 o w RR h k 傳熱過程分析與換熱器計(jì)算 1 1 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)化換熱原則：哪個(gè)環(huán)節(jié)的熱阻大，對(duì)哪個(gè)環(huán)節(jié)采取強(qiáng)化措施。強(qiáng)化換熱原則：哪個(gè)環(huán)節(jié)的熱阻大，對(duì)哪個(gè)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(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： 2 . 04 . 0 8 . 08 .

38、06 . 04 . 0 023. 0 d uc h p 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 傳熱過程分析與換熱器計(jì)算 (2) (2) 強(qiáng)化手段強(qiáng)化手段: a : a 無(wú)源技術(shù)無(wú)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)式技術(shù)主動(dòng)式技術(shù)) ) a a 無(wú)源技術(shù)無(wú)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(wú)需附加：除了輸送傳熱介質(zhì)的功率消耗外，無(wú)需附

39、加 動(dòng)力動(dòng)力 主要手段有：涂層表面；粗糙表面主要手段有：涂層表面；粗糙表面( (圖圖9-28)9-28)；擴(kuò)展表面；擴(kuò)展表面( (圖圖9-9- 29)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9-30b)9-30b) ；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 主要手段有：對(duì)換熱介質(zhì)做機(jī)械攪拌；使換熱表面振動(dòng)；使換主要手段有：對(duì)換熱介質(zhì)做機(jī)械攪拌；使換熱表面振動(dòng)；使換 熱瘤體振動(dòng)；將電磁場(chǎng)作用于流體

40、以促使換熱表面附近流體的混合；熱瘤體振動(dòng)；將電磁場(chǎng)作用于流體以促使換熱表面附近流體的混合； 將異種或同種流體噴入換熱介質(zhì)或?qū)⒘黧w從換熱表面抽吸走。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。 1 1 強(qiáng)化傳熱的原則和手段強(qiáng)化傳熱的原則和手段 傳熱過程分析與換熱器計(jì)算 i o i fw oo d d h RR hk 111 工業(yè)換熱器的管內(nèi)流體的流動(dòng)一般都是處于旺盛湍流狀態(tài)，工業(yè)換熱器的管內(nèi)流體的流動(dòng)一般都是處于旺盛湍流狀態(tài)，h hi i 與與 流速流速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： i o i fw oo d d uc RR hk 8 . 0 111 8 .0 iii uch 為了監(jiān)視工業(yè)換熱器的工作性能，需要確定傳熱過程各分熱阻及污垢為了監(jiān)視工業(yè)換熱器的工作性能，需要確定傳熱過程各分熱阻及污垢 熱