間壁式換熱器換熱面積的確定

1、間壁式換熱器換熱面積的確定一、換熱器熱負(fù)荷的確定 在換熱器計(jì)算時，首先需要確定換熱器的熱負(fù)荷。換熱器中單位時間內(nèi)冷、熱兩種流體間所交換的熱量，稱為換熱器的熱負(fù)荷。熱負(fù)荷是生產(chǎn)上要求換熱器單位時間傳遞的熱量，是換熱器的生產(chǎn)任務(wù)。傳熱速率是換熱器單位時間能夠傳遞的熱量，是換熱器的生產(chǎn)能力，主要由換熱器自身的性能決定。為保證換熱器完成傳熱任務(wù)，應(yīng)使換熱器的傳熱速率應(yīng)大于或至少等于其熱負(fù)荷。 在換熱器的選型（或設(shè)計(jì)）中，可這樣處理：先用熱負(fù)荷代替?zhèn)鳠崴俾剩脗鳠岱匠淌角蟮脗鳠崦娣e后，再考慮一定的安全余量。這樣選擇（或設(shè)計(jì)）出來的換熱器，就能夠按要求完成傳熱任務(wù)。若熱損失忽略，根據(jù)能量守衡，熱流體放出

2、的熱量等于冷流體吸收的熱量。流體吸收或放出的熱量可采用以下方法進(jìn)行計(jì)算。1焓差計(jì)算法Q=qm,h(H1-H2)=qm,c(h2-h1) （1）式中：qm,h熱流體的質(zhì)量流量，kg/s；qm,c冷流體的質(zhì)量流量，kg/s；H1熱流體的進(jìn)口焓，J/ kg； H2熱流體的出口焓，J/ kg；h1冷流體的進(jìn)口焓，J/ kg； h2冷流體的進(jìn)口焓，J/ kg。焓的數(shù)值決定于載熱體的物態(tài)和溫度。通常氣體和液體的焓取273K為計(jì)算基準(zhǔn)，即規(guī)定273K的液體(或氣體)的焓值為0，蒸汽的焓則取273K的液體的焓為0 J/作為計(jì)算基準(zhǔn)。本書附錄中列有水蒸氣的焓值。其他物質(zhì)的焓可查有關(guān)手冊。2逐項(xiàng)計(jì)算法當(dāng)缺乏焓的數(shù)

3、據(jù)時，可按流體吸收或放出的熱量可以用“顯熱+潛熱”計(jì)算。當(dāng)流體無相變時，吸收或放出的熱量稱為顯熱。顯熱熱量可通過比熱容計(jì)算：Q= qm,h Cp,h(T1-T2)= qm,c Cp,c(t2-t1) （2）式中：Cp,h熱流體定性溫度下的比熱容，J/ (kg·K)；Cp,c冷流體定性溫度下的比熱容，J/ (kg·K)；T1熱流體的進(jìn)口溫度，K；T2熱流體的出口溫度，K；t1冷流體的進(jìn)口溫度，K； t2熱流體的出口溫度，K；當(dāng)流體發(fā)生相變(冷凝或蒸發(fā))時，吸收或放出的熱量稱為潛熱。顯熱熱量可通過汽化潛熱計(jì)算：Q= qm,h rh= qm,c rc （3）式中：rh熱流體的汽化

4、潛熱，J/ kg；rc冷流體的汽化潛熱，J/ kg。對于間壁式換熱器，以單位時間為基準(zhǔn)，換熱器中熱流體放出的熱量（或稱熱流體的傳熱量）等于冷流體吸收的熱量（或稱冷流體的傳熱量）加上散失到空氣中的熱量（熱量損失，簡稱熱損），即： （4）式中：Qh熱流體放出的熱量，J/s或W；Qc冷流體吸收的熱量，J/s或W；Qf熱損失，J/s或W。 當(dāng)換熱器保溫性能良好，熱損可以忽略不計(jì)時，Qh = Qc。此時，熱負(fù)荷取Qh或Qc均可。當(dāng)熱損不能不計(jì)時，哪種流體走管程，就取該流體的傳熱量作為換熱器的熱負(fù)荷。 二、傳熱面積的確定1、傳熱基本方程 冷、熱流體通過間壁的熱交換，實(shí)質(zhì)上是間壁兩側(cè)流體于間壁表面的對流傳熱

5、和通過間壁的導(dǎo)熱的一個綜合的傳熱過程。兩種流體間之所以能進(jìn)行熱交換，是由于冷、熱流體之間存在溫度差，即傳熱的推動力，所以熱量就能自動地由熱流體經(jīng)管壁傳向冷流體。此傳遞熱量的壁面稱為換熱器的傳熱面。用A表示，單位為m2。它的傳熱速率是指在熱交換過程中，冷、熱流體在單位時間內(nèi)所交換的熱量，通常以Q表示。其單位為J/s 或W。（5） （6）式中：Q傳熱速率，W； q熱通量，W/m2； K比例系數(shù)，稱為總傳熱系數(shù)，W/(m2·K) ；A傳熱面積，m2； 換熱器的傳熱推動力，或稱傳熱平均溫度差，K；R=1/(KA) 換熱器的總熱阻，K/W；R´=1/K換

6、熱器的總熱阻， m2·K/W。對于一定的傳熱任務(wù)，確定換熱器所需傳熱面積是選擇（或設(shè)計(jì)）換熱器的主要任務(wù)。由傳熱方程式可知，要計(jì)算傳熱面積，必須先求得傳熱速率Q、傳熱平均溫度差以及傳熱系數(shù)K，這些量的求取涉及到熱量衡算、傳熱推動力、各種傳熱方式的規(guī)律等有關(guān)理論和計(jì)算。 2、傳熱平均溫度差的計(jì)算在間壁式換熱器中，按照參加熱交換的兩種流體，沿著換熱器的傳熱面流動時，各點(diǎn)溫度變化的情況，可將傳熱過程分為恒溫傳熱和變溫傳熱兩種。（1）恒溫傳熱。傳熱時，冷熱兩種流體的溫度都維持不變，如間壁一側(cè)為飽和蒸汽的冷凝，冷凝溫度恒定為T，另一側(cè)為液體的沸騰，沸騰溫度恒定為t，因此兩流體間的傳熱溫度差亦為

7、定值，可表示為：ThTc1Tc2Th1Th22TcTh2Tc1Th1Tc2Th1圖1 一側(cè)流體變溫 圖2 兩側(cè)流體變溫 （7）（2）變溫傳熱。間壁一邊流體變溫而另一邊流體恒溫或間壁兩側(cè)流體均隨傳熱面位置的不同溫度發(fā)生變化，即屬變溫傳熱。圖1為一側(cè)流體變溫時溫度沿管長的變化情況，圖2為兩側(cè)流體變溫時溫度沿管長的變化情況。變溫傳熱平均溫度差tm的計(jì)算，與流體的流向有關(guān)。如圖1所示，間壁式換熱器兩側(cè)流體的流動有以下形式。并流：參與熱交換的兩種流體在間壁的兩邊以相同的方向流動（圖3a）。逆流：參與熱交換的兩種流體在間壁的兩邊分別以相反的方向運(yùn)動（圖3b）。 錯流：參加熱交換的兩種流體在間壁的兩邊，呈垂

8、直方向流動（圖3c）。折流：參加熱交換的兩種流體在間壁兩邊，其中之一只沿一個方向流動，而另一側(cè)流體反復(fù)改變流向，稱為簡單折流。若兩流體均作折流，或既有折流又有錯流的稱為復(fù)雜折流（圖3d）。a b c d 圖3 換熱器中流體流向示意圖 變溫傳熱時，沿傳熱面冷熱流體的溫差是變化的，因此在傳熱計(jì)算時應(yīng)求取傳熱過程的平均溫度差。 （8）式中 對數(shù)平均溫度差，K。   分別為換熱器兩端熱、冷流體溫度差，K。 說明：逆流時： 并流時： 當(dāng)時，可近似用算術(shù)平均值代替對數(shù)平均值，其誤差不超過4。（注意要用和中的大數(shù)值比小數(shù)值）進(jìn)、出口條件相同時，>。工業(yè)上，一般采用逆流操作（增大傳熱

9、溫差，在同樣的條件下可節(jié)省加熱面積）。對于錯流和折流時的平均溫度差：可按式下式求出，再乘以校正因數(shù)，具體方法可查閱有關(guān)手冊。 （9）<1,一般不宜小于0.8，否則使過小，很不經(jīng)濟(jì)?！纠?】在果汁預(yù)熱器中，參與交換的熱水進(jìn)口溫度為371K，出口溫度為348K，果汁的進(jìn)口溫度為278K，出口溫度為333K。試計(jì)算熱水與果汁在換熱器內(nèi)分別作逆流和并流時的平均傳熱溫度差。解：當(dāng)兩種流體逆流流動時：（K）；（K） （K）由于，故可用算術(shù)平均值代替對數(shù)平均值： K 當(dāng)兩種流體并流流動時：（K） （K） （K）3、傳熱系數(shù)的獲得傳熱系數(shù)是衡量換熱器性能的重要指標(biāo)之一，其大小主要取決于流體的物性、傳熱過

10、程的操作條件及換熱器的類型等。獲取傳熱系數(shù)的方法主要有以下3種：1采用公式計(jì)算在穩(wěn)定傳熱條件下，通過換熱器的間壁兩側(cè)的傳熱速率應(yīng)等于熱流體傳給壁面、壁面一側(cè)傳給另一側(cè)以及壁面?zhèn)鹘o冷流體的傳熱速率。即： Q= （10）式中：Tc、Th分別為冷、熱流體主體的平均溫度，K；Tw、c、Tw、h分別為冷、熱流體側(cè)的壁溫，K；1、2 分別為熱、冷流體的對流傳熱系數(shù)，W/（m2·K）；A1、A2分別為熱、冷流體側(cè)壁面的面積，m2；Am壁面的平均面積，m2；壁面材料的熱導(dǎo)系數(shù)，W/（m·K）；壁面的厚度，m。應(yīng)用加合定律可得： 則 （11）傳熱面為平壁時，內(nèi)、外側(cè)傳熱面積與平均傳熱面積相等

11、，即：，這時式（11）變?yōu)椋?=+ （12）傳熱面為圓筒壁時，由于，傳熱系數(shù)K值必須與所選擇的傳熱面積相對應(yīng)。即： 式中K1、K、K2分別表示以壁面內(nèi)表面、平均面積和外表面計(jì)的總傳熱系數(shù)。 （13） （14） （15）當(dāng)管壁較薄或管徑較大時，即管內(nèi)、外表面積大小很接近時，可近似取，則圓筒壁近似當(dāng)成平壁計(jì)算。污垢熱阻：換熱器使用一段時間后，其傳熱面常常有污垢形成，使傳熱速率減小。計(jì)算K值時污垢熱阻一般不可忽略。如傳熱面兩側(cè)表面上的污垢熱阻分別用RA1和RA2表示，此時以傳熱面A1為基準(zhǔn)的K值得計(jì)算式為： （16）當(dāng)1<<2時，K1；當(dāng)1>>2時，K2?？倐鳠嵯禂?shù)是由熱阻大

12、的那一側(cè)的對流傳熱的熱阻所控制。若兩流體的對流傳熱系數(shù)相差很大時，要提高K值，關(guān)鍵在于提高熱阻大的一側(cè)流體的對流傳熱系數(shù)。若兩側(cè)相差較小，即1、2在同一數(shù)量級時，只有同時提高兩側(cè)的對流傳熱系數(shù)，才能有效地提高K值。2試驗(yàn)測定對于現(xiàn)有的換熱器，傳熱系數(shù)K可通過現(xiàn)場測定法來確定。具體步驟如下：現(xiàn)場測定有關(guān)數(shù)據(jù)（如設(shè)備的尺寸、流體的流量和進(jìn)出口溫度等）。根據(jù)測定數(shù)據(jù)求得傳熱速率Q、傳熱溫度差和傳熱面積A。由傳熱基本方程計(jì)算K值。 這樣得到的K值可靠性較高，但其使用范圍受到限制，只有與所測情況一致的場合（包括設(shè)備的類型、尺寸、流體的性質(zhì)、流動狀況等）才準(zhǔn)確。但使用情況與測定情況相似，所測K值仍有一定參考價值。實(shí)測K值，不僅可以為換熱器的計(jì)算提供依據(jù)，而且可以幫助分析換熱器的性能，以便尋求提高換熱器傳熱能力的途徑。3選取經(jīng)驗(yàn)值在換熱器的工藝設(shè)計(jì)過程中，可查閱有關(guān)手冊，參閱工藝條件相仿、設(shè)備類似而又比較成熟的傳熱系數(shù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，是一個簡便、快捷獲取K值的方法。4、傳熱面積的計(jì)算對于現(xiàn)有的換熱器，傳熱面積A可具體尺寸通過幾何法來計(jì)算。如果是要根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)來選擇或設(shè)計(jì)換熱器，就要通過傳熱