十二傳熱過程與熱交換器

1、第十二章 傳熱過程與熱交換器12-1 傳熱過程一、通過平壁的傳熱一、通過平壁的傳熱 Q=kA(tf1-tf2) Q=kA(tf1-tf2) AttQff21112121111k二、二、 通過圓筒壁的傳熱通過圓筒壁的傳熱 三個(gè)環(huán)節(jié)的溫度差可表示如下： tf1 tw1=Q/ 1d1 l tw1- tw2=(Q/2l) ln d2/d1 tw2- tf2=Q/ 2d2 l 聯(lián)立得：ldddlldttQff21212121ln2111 Q=kA(tf1-tf2) 對圓管一般以外側(cè)面積的傳熱系數(shù)k為基準(zhǔn): 21ln21112212dddddk三、通過肋壁的傳熱三、通過肋壁的傳熱 未加肋側(cè)的表面積為A1，

2、加肋側(cè)總表面積為A2，包括肋面突出部分的面積A2及肋與肋間的平壁部分A2”兩個(gè)部分。A2 = A2 + A2” 1.熱流體對肋壁內(nèi)側(cè)的對流換熱 ： Q= 1 A1（tf1-tw1） 2.肋內(nèi)側(cè)與外側(cè)導(dǎo)熱 Q=A1（tw1-tw2）/ 3.外側(cè)與冷流體對流換熱 Q= 2 A2”（tw2-tf2）+ 2 A2（tw2-tf2）f 聯(lián)立：以光側(cè)表面面積A1為基準(zhǔn)的肋壁傳熱系數(shù) totAAAQ21121111totk211111肋面總效率 :tot= A1+ A2f / A2 = Ao/Ai 稱為肋化系數(shù)12-2 熱交換器類型一、換熱器類型一、換熱器類型（一）定義：冷熱流體交換熱量的設(shè)備。（一）定義：

3、冷熱流體交換熱量的設(shè)備。（二二）分類：分類： 1 1、按照工作原理分、按照工作原理分：（1 1）間壁式換熱器：冷、熱流體由間壁隔開而位于）間壁式換熱器：冷、熱流體由間壁隔開而位于壁面兩側(cè)進(jìn)行熱量交換的換熱器。壁面兩側(cè)進(jìn)行熱量交換的換熱器。（2 2）混合式換熱器：冷、熱流體通過直接接觸、互）混合式換熱器：冷、熱流體通過直接接觸、互相混合來實(shí)現(xiàn)熱量交換的換熱器。相混合來實(shí)現(xiàn)熱量交換的換熱器。（3 3）蓄熱式換熱器：冷、熱流體依次交替流過同一）蓄熱式換熱器：冷、熱流體依次交替流過同一換熱面而熱量交換的換熱器。換熱面而熱量交換的換熱器。 2、按照流動(dòng)方式分為（1）順流式：冷、熱流體流動(dòng)方向相同。 （2

4、）逆流式：冷、熱流體流動(dòng)方向相反。 （3）交叉流：冷、熱流體流動(dòng)方向相互垂直。 （4）混合流：上述流動(dòng)方式的組合。 3、間壁式換熱器的主要型式： （1）套管式換熱器：（2）殼管式換熱器： （3）交叉流換熱器：（4）板式換熱器 二、熱計(jì)算公式和污垢熱阻（系數(shù)）1.熱計(jì)算公式：傳熱方程式：Q=KAtm 熱平衡方程式： Q= qm1C1（t1- t1）= qmC2（t2- t2） 2污垢系數(shù)（污垢熱阻）污垢系數(shù)（污垢熱阻）Rf： Rf = 1/k污 1/k凈 三、平均溫差 tmax代表t1和t兩者中大的，tmin為兩者中小的。 對順流： t1= t1-t2=tmax t= t1-t2=tmin 對逆

5、流： t1= t1-t2 t= t1-t2 tmax取兩者中大的，tmin取兩者中小的。 其它流動(dòng)型式的平均溫壓其它流動(dòng)型式的平均溫壓 tm =ttm逆 t查圖四、各種流動(dòng)型式比較四、各種流動(dòng)型式比較 1、各種流動(dòng)型式中，tm逆最大，tm順最??； 2、逆流換熱能力最大； 3、對逆流布置應(yīng)注意高溫側(cè)溫度過高的問題； 4、如果有一側(cè)流體發(fā)生相變，無論是順流還是逆流，對數(shù)平均溫壓都相等； 5、對蛇形管，彎曲次數(shù)大于4次，可按純逆流或順流處理； 6、 t值表明流型接近逆流程度，一般在0.9左右，不低于0.8，高溫時(shí)除外。 五、 換熱器的熱計(jì)算 （一）、熱計(jì)算類型（一）、熱計(jì)算類型 1. 1.設(shè)計(jì)計(jì)算：

6、 一般已知qm1C1、qm2C2、t1、t2、t1（或t2） 求K、A。 2.校核計(jì)算： 一般已知qm1C1、qm2C2、t1、t2A 、K 求t1、t2 （二）、平均溫壓法（二）、平均溫壓法設(shè)計(jì)計(jì)算步驟 1、初步布置換熱面，并計(jì)算出相應(yīng)的傳熱系數(shù)； 2、根據(jù)給定的條件，由熱平衡方程式求出未知溫度； 3、由冷、熱流體4個(gè)溫度求平均溫壓，并注意t具有合適的值； 4、由傳熱方程式求出所需傳熱面積A； 5、核算換熱面兩側(cè)流體的流動(dòng)阻力，如過大，則重新計(jì)算14。 （三）、傳熱單元數(shù)法的校核計(jì)算1、效能 =（t-t）max/（t1-t2） 分母為流體在換熱器中可能發(fā)生的最大溫差值，分子為冷流體或熱流體在

7、換熱器中的實(shí)際溫差最大的。 如果冷流體的溫差大，（t-t）max= t2- t2 如果熱流體的溫差大，（t-t）max= t1- t1 意義：從溫度角度看，是最大可用溫差的利用率。 2、熱流量Q Q= （qmC）min*（t-t）max Q =（qmC）min*（t1-t2）3 3、熱單元數(shù)NTU NTU=KA/（qmC）min 4、 與NTU關(guān)系 =f(NTU, （qmC）min / （qmC）max, ，流動(dòng)方式） 可用公式或圖求出。5、校核計(jì)算步驟： （1）比較冷熱流體當(dāng)量（ qmC）min /（qmC）max大小，求NTU； （2） 根據(jù)圖中和NTU及（qmC）min /（qmC）ma

8、x的關(guān)系求； （3）計(jì)算熱流量Q =（qmC）min*（t1-t2） 4） 利用熱平衡方程求t1、t2。 （四）、換熱器設(shè)計(jì)時(shí)的綜合考慮：四）、換熱器設(shè)計(jì)時(shí)的綜合考慮： 1、換熱器設(shè)計(jì)是個(gè)綜合性問題：初投資、運(yùn)行費(fèi)用、安全可靠等因素，最佳的綜合技術(shù)指標(biāo)。熱計(jì)算是一個(gè)局部，還有流動(dòng)阻力、材料強(qiáng)度、技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析等。 2、換熱器設(shè)計(jì)時(shí)，要對一些主要影響因素做全面考慮：如流速高可以增強(qiáng)傳熱，節(jié)省初投資，但使運(yùn)行費(fèi)用增加，引起水蝕和震動(dòng)振動(dòng)；如低則會(huì)引起積垢。有最優(yōu)化設(shè)計(jì)問題。 3、應(yīng)考慮具體問題：如管間距、管距選擇，既要考慮換熱，又要考慮清洗，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)作恰當(dāng)選擇。 例題：在一臺(tái)螺旋板式換熱器中，熱水流

9、量位2000kg/h, 冷水流量位3000kg/h熱水進(jìn)口溫度t1=80，冷水進(jìn)口溫度t2=10。如果要求將冷水加熱到30，水的比熱C=4200J/kg.k，傳熱系數(shù)k=300w/m2 k，求順流和逆流時(shí)的平均溫差及面積。 解：Q=qm1C1（t1-t1）=qm2C2（t2-t2） 2000/3600*4200（80-t1）=3000/3600*4200（30-10） Q=70（k w ） t1=50（） 1、順流： tmax = t1-t2=80-10=70（） tmin= t1-t2=50-30=20（） tm=70-20/（LN70/20）=39.9（） Q=KAtm A=Q/Ktm A

10、=70000/300*39.9=5.85 （m2） 2、逆流： t1= t1-t2=80-30=50（）=tmax t= t1-t2=50-10=40（）=tmin tm=50-40/（LN50/40）=44.8（） Q=KAtm A=Q/Ktm A=70000/300*44.8=5.21（m2） 逆流布置時(shí)，tm比順流時(shí)大12.3%。在相同的傳熱量和同樣的傳熱系數(shù)下，只要將順流系統(tǒng)改為逆流系統(tǒng)，就可減少12.3%。 12-3 增強(qiáng)傳熱的方法和熱絕緣的應(yīng)用一、增強(qiáng)傳熱的途徑：Q=KAtm.增加.加大冷熱流體溫差.提高K21111k二、臨界熱絕緣直徑臨界熱絕緣直徑 R=1/1d+(lnd/d)/21 +(lndx/d)/22+1/ dxdx 絕緣層外經(jīng)。 對上式求導(dǎo)： dR/d dx=（1/dx）*（1/22 - 1/ dx）=0 dx= dCR=22/ dCR臨界熱絕緣直徑 ddCR ，加保溫層熱量增大， ddCR，加保溫層熱量