傳熱和換熱器ppt課件

1、第十章第十章 傳熱和換熱器傳熱和換熱器)(21ffttkA 9-1 經(jīng)過肋壁的傳熱經(jīng)過肋壁的傳熱 傳熱過程？傳熱過程？ 根本計算式根本計算式(傳熱方程式傳熱方程式)？式中：式中：K K是傳熱系數(shù)是傳熱系數(shù)( (總傳熱系數(shù)總傳熱系數(shù)) )。對于不同的傳熱過。對于不同的傳熱過 程，程，K K的計算公式也不同。的計算公式也不同。totARk1肋壁面積：肋壁面積：21AAAo穩(wěn)態(tài)下?lián)Q熱情況：穩(wěn)態(tài)下?lián)Q熱情況：)(11wfiittAh)(1wowittA)()()(21fowoooofowofofowoottAhttAhttAhofoAAA)(21A1A2Ai肋面總效率肋面總效率oooiiffioooii

2、iffAhAhttAAhAAhtt1)(112121定義肋化系數(shù)：定義肋化系數(shù)： 那么傳熱系數(shù)為那么傳熱系數(shù)為所以，只需所以，只需 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。ioAAooihhk1111o 10-2 有復(fù)合換熱時的傳熱計算有復(fù)合換熱時的傳熱計算對流與輻射并存的換熱稱為復(fù)合換熱對流與輻射并存的換熱稱為復(fù)合換熱rcqqq對流換熱密度對流換熱密度cq)(fwcctthq輻射換熱熱流密度輻射換熱熱流密度rq)100()100(44amwbrTTCq當(dāng)引入溫差當(dāng)引入溫差 ，用對流換熱冷卻公式的方式來計算輻射，用對流換熱冷卻公式的方式來計算輻射熱流密度時，可把上式寫成熱流密度時，

3、可把上式寫成)(fwtt )()()/()100()100(44fwrfwfwamwbrtthttttTTCqcq稱為輻射換熱外表傳熱系數(shù)稱為輻射換熱外表傳熱系數(shù))(fwrcrctthhqqq（ 10-3 傳熱的加強(qiáng)和減弱傳熱的加強(qiáng)和減弱1.加強(qiáng)傳熱的方法加強(qiáng)傳熱的方法1擴(kuò)展傳熱面擴(kuò)展傳熱面2改動流動情況改動流動情況3運(yùn)用添加劑改動流體物性運(yùn)用添加劑改動流體物性4改動外表情況改動外表情況5改動換熱面的外形和大小改動換熱面的外形和大小6改動能量傳送方式改動能量傳送方式7靠外力產(chǎn)生振蕩，強(qiáng)化傳熱靠外力產(chǎn)生振蕩，強(qiáng)化傳熱2.減弱傳熱的方法減弱傳熱的方法1覆蓋熱絕緣資料覆蓋熱絕緣資料泡沫熱絕緣資料泡沫

4、熱絕緣資料超細(xì)粉末熱絕緣資料超細(xì)粉末熱絕緣資料真空熱絕緣層真空熱絕緣層2改動外表情況改動外表情況改動外表的輻射特性改動外表的輻射特性附加抑制對流元件附加抑制對流元件 10-4 換熱器的型式及根本構(gòu)造換熱器的型式及根本構(gòu)造 換熱器的定義：用來使熱量從熱流體傳送到冷流體，以換熱器的定義：用來使熱量從熱流體傳送到冷流體，以 滿足規(guī)定的工藝要求的安裝滿足規(guī)定的工藝要求的安裝 2 2 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三種類型換熱器簡介簡介3 3 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：最簡單的一

5、種間壁式換熱器，流體有順套管式換熱器：最簡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流和逆流兩種，適用于傳熱量不大或流 體流量不大的情形體流量不大的情形Cold fluidHot fluidCold fluidHot fluid順流順流逆流逆流xTThTcT1T2xTTh (Hot)Tc (cold)T1T2(2) 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殼內(nèi)。兩種成，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。流體分管程和殼程。o

6、utBT,side) (shell ,inBTside) (tube ,inAToutAT,side) (tube ,inAToutAT,side) (shell ,inBToutBT,添加管程添加管程side) (shell ,inBToutBT,side) (tube,inAToutAT,進(jìn)一步添加管程和殼程進(jìn)一步添加管程和殼程(3) (3) 交叉流換熱器：間壁式換熱器的又一種主要方式。其交叉流換熱器：間壁式換熱器的又一種主要方式。其主要特點(diǎn)是冷熱流體呈交叉狀流動。交叉流換熱器又分管主要特點(diǎn)是冷熱流體呈交叉狀流動。交叉流換熱器又分管束式、管翅式和板翅式三種。束式、管翅式和板翅式三種。(c)

7、 板翅式交叉流換熱器板翅式交叉流換熱器(4) (4) 板式換熱器：由一組幾何構(gòu)造一樣的平行薄平板疊加所板式換熱器：由一組幾何構(gòu)造一樣的平行薄平板疊加所組成，冷熱流體間隔地在每個通道中流動，其特點(diǎn)是裝配清組成，冷熱流體間隔地在每個通道中流動，其特點(diǎn)是裝配清洗方便，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。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目的，普通將大于量目的，普通將大于700m2/m3700m2/m3的換熱器稱為緊湊式換熱器，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，日益遭到注重。板翅

8、式換熱器多屬于緊湊式，因此，日益遭到注重。(5) 螺旋板式換熱器：換熱外表由兩塊金屬板卷制而成，有點(diǎn)：螺旋板式換熱器：換熱外表由兩塊金屬板卷制而成，有點(diǎn)：換熱效果好；缺陷：密封比較困難。換熱效果好；缺陷：密封比較困難。傳熱方程的普通方式：傳熱方程的普通方式：mtkA這個過程對于傳熱過程是通用的，但這個過程對于傳熱過程是通用的，但是當(dāng)溫差是當(dāng)溫差 沿整個壁面不是常數(shù)沿整個壁面不是常數(shù)時，比如等壁溫條件下的管內(nèi)對流換時，比如等壁溫條件下的管內(nèi)對流換熱，以及我們?nèi)缃裼龅降膿Q熱器等。熱，以及我們?nèi)缃裼龅降膿Q熱器等。對于前者我們曾經(jīng)提到過對數(shù)平均溫對于前者我們曾經(jīng)提到過對數(shù)平均溫差差(LMTD)(LMT

9、D)的公式，但是沒有給出推導(dǎo)。的公式，但是沒有給出推導(dǎo)。下面我們就來看看下面我們就來看看LMTDLMTD的推導(dǎo)過程的推導(dǎo)過程mtdt1dt2t1t21t2t1t 2t 10-5 平均溫度差平均溫度差以順流情況為例，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)冷熱流體的質(zhì)量流量量流量M2M2、M1M1以及比熱容以及比熱容c2,c1c2,c1是常數(shù)；是常數(shù)；(2) (2) 傳熱系數(shù)傳熱系數(shù)是常數(shù)；是常數(shù)；3 3換熱器無散熱損失；換熱器無散熱損失；4 4換熱面沿流動換熱面沿流動方向的導(dǎo)熱量可以忽略不計。方向的導(dǎo)熱量可以忽略不計。)(xxAft 要想計算沿整個換熱面的平均溫差，首先需

10、求知道當(dāng)?shù)匾胗嬎阊卣麄€換熱面的平均溫差，首先需求知道當(dāng)?shù)販夭铍S換熱面積的變化，即溫差隨換熱面積的變化，即 ，然后再沿整，然后再沿整個換熱面積進(jìn)展平均個換熱面積進(jìn)展平均在前面假設(shè)的根底上，并知冷熱流體的進(jìn)出口溫度，如今在前面假設(shè)的根底上，并知冷熱流體的進(jìn)出口溫度，如今來看圖來看圖10-1310-13中微元換熱面中微元換熱面dAdA一段的傳熱。溫差為：一段的傳熱。溫差為： ddtAk2121dddtttttt在固體微元面在固體微元面dAdA內(nèi)，兩種流體的換熱量為內(nèi)，兩種流體的換熱量為: :d1ddd111111cMttcMd1ddd222222cMttcM對于熱流體和冷流體對于熱流體和冷流體:

11、:dd11ddd221121cMcMttt ddtAktdAddktdAtdktxxAttkt0dAtdxxkAttln可見，當(dāng)?shù)販夭铍S換熱面呈指數(shù)變化，那么沿整個換熱面的可見，當(dāng)?shù)販夭铍S換熱面呈指數(shù)變化，那么沿整個換熱面的平均溫差為：平均溫差為：)exp(txxkAtx0 xx0)dAexp(t1 dAt1xAAmkAAAt221111cMcM1-)exp(t)dAexp(t1x0kAkAkAAtxAmxxkAttlnkAt tlnAAx)exp(tkAt tttttttm tlnttlnt1-ttlnt對數(shù)平對數(shù)平均溫差均溫差tttm tlnt順流：順流：逆流時：逆流時：過程和公式與順流是

12、完全一樣，因此，最終依然可以過程和公式與順流是完全一樣，因此，最終依然可以得到：得到：tttm tlnt,逆流順流和逆流的區(qū)別在于：順流和逆流的區(qū)別在于：順流：順流：逆流：逆流：2121tttttt 2121tttttt minmaxminmaxtlnttttm或者我們也可以將或者我們也可以將對數(shù)平均溫差寫成對數(shù)平均溫差寫成如下一致方式如下一致方式( (順順流和逆流都適用流和逆流都適用) )算術(shù)平均溫差算術(shù)平均溫差平均溫差的另一種更為簡單的方式是算術(shù)平均溫差，即平均溫差的另一種更為簡單的方式是算術(shù)平均溫差，即2minmax,tttm算術(shù)minmaxminmax,tlnttttm對數(shù)算術(shù)平均溫差

13、相當(dāng)于溫度呈直線變化的情況，因此，總是大于一算術(shù)平均溫差相當(dāng)于溫度呈直線變化的情況，因此，總是大于一樣進(jìn)出口溫度下的對數(shù)平均溫差，當(dāng)樣進(jìn)出口溫度下的對數(shù)平均溫差，當(dāng) 時，兩者的差時，兩者的差別小于別小于4 4；當(dāng)；當(dāng) 時，兩者的差別小于時，兩者的差別小于2.32.3。2minmaxtt7 . 1minmaxtt 9-6 9-6 換熱器的熱計算換熱器的熱計算 換熱器熱計算分兩種情況：設(shè)計計算和換熱器熱計算分兩種情況：設(shè)計計算和校核計算校核計算(1)(1)設(shè)計計算：設(shè)計一個新的換熱器，以確定所設(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校核

14、計算：對已有或已選定了換熱面積的換熱器，在非設(shè)器，在非設(shè) 計工況條件下，核算他能否勝任計工況條件下，核算他能否勝任規(guī)定的新義務(wù)。規(guī)定的新義務(wù)。換熱器熱計算的根本方程式是傳熱方程式及熱平衡式換熱器熱計算的根本方程式是傳熱方程式及熱平衡式mtkA)()(22221111ttcMttcM 式中，式中， 不是獨(dú)立變量，由于它取決于不是獨(dú)立變量，由于它取決于 以及換熱器的布置。另外，根據(jù)公式，一旦以及換熱器的布置。另外，根據(jù)公式，一旦 和和 以及以及 中的三個知的話，我中的三個知的話，我們就可以計算出另外一個溫度。因此，上面的兩個方程們就可以計算出另外一個溫度。因此，上面的兩個方程中共有中共有8 8個未

15、知數(shù)，即個未知數(shù)，即需求給定其中的需求給定其中的5 5個變量，才可以計算另外三個變量。個變量，才可以計算另外三個變量。對于設(shè)計計算而言，給定的是對于設(shè)計計算而言，給定的是 ，以及進(jìn)出口，以及進(jìn)出口溫度中的三個，最終求溫度中的三個，最終求對于校核計算而言，給定的普通是對于校核計算而言，給定的普通是 ，以及，以及2 2個進(jìn)口個進(jìn)口溫度，待求的是溫度，待求的是mt2211,tttt 11cM22cM2211,tttt 中的三個，以及22112211,ttttcMcMAk 2211,cMcMAk,2211,cMcMA21tt ，換熱器的熱計算有兩種方法：平均溫差法換熱器的熱計算有兩種方法：平均溫差法

16、效能效能- -傳熱單元數(shù)傳熱單元數(shù)( (-NTU)-NTU)法法平均溫差法：就是直接運(yùn)用傳熱方程和熱平衡方程進(jìn)展熱平均溫差法：就是直接運(yùn)用傳熱方程和熱平衡方程進(jìn)展熱 計算，其詳細(xì)步驟如下：計算，其詳細(xì)步驟如下：對于設(shè)計計算知對于設(shè)計計算知 ，及進(jìn)出口溫度中的三個，及進(jìn)出口溫度中的三個，求求 初步布置換熱面，并計算出相應(yīng)的總傳熱系數(shù)初步布置換熱面，并計算出相應(yīng)的總傳熱系數(shù)k 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的溫度由冷熱流體的由冷熱流體的4 4個進(jìn)出口溫度確定平均溫差個進(jìn)出口溫度確定平均溫差 由傳熱方程式計算所需的換熱

17、面積由傳熱方程式計算所需的換熱面積A A，并核算換熱面流體的，并核算換熱面流體的流動阻力流動阻力假設(shè)流動阻力過大，那么需求改動方案重新設(shè)計。假設(shè)流動阻力過大，那么需求改動方案重新設(shè)計。Ak,mt2211,cMcM對于校核計算知對于校核計算知 ，及兩個進(jìn)口溫度，及兩個進(jìn)口溫度，求求 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根據(jù)根據(jù)4 4個進(jìn)出口溫度求得平均溫差個進(jìn)出口溫度求得平均溫差根據(jù)換熱器的構(gòu)造，算出相應(yīng)任務(wù)條件下的總傳熱系數(shù)根據(jù)換熱器的構(gòu)造，算出相應(yīng)任務(wù)條件下的總傳熱系數(shù)k k知知kAkA和和 ，按傳熱方程式計算在假設(shè)出口

18、溫度下的，按傳熱方程式計算在假設(shè)出口溫度下的根據(jù)根據(jù)4 4個進(jìn)出口溫度，用熱平衡式計算另一個個進(jìn)出口溫度，用熱平衡式計算另一個 ，這個值和上，這個值和上面的面的 ，都是在假設(shè)出口溫度下得到的，因此，都不是真，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實的換熱量比較兩個比較兩個 值，滿足精度要求，那么終了，否那么，重新假值，滿足精度要求，那么終了，否那么，重新假定出口溫度，反復(fù)定出口溫度，反復(fù)(1)(6)(1)(6)，直至滿足精度要求。，直至滿足精度要求。mtmt2211,cMcMA21tt ，2 2 效能效能- -傳熱單元數(shù)法傳熱單元數(shù)法(1) (1) 換熱器的效能和傳熱單元數(shù)換熱器

19、的效能和傳熱單元數(shù) 換熱其效能的定義是基于如下思想：當(dāng)換熱器無限長，換熱其效能的定義是基于如下思想：當(dāng)換熱器無限長，對于一個逆流換熱器來講，那么會發(fā)生如下情況對于一個逆流換熱器來講，那么會發(fā)生如下情況 a a 當(dāng)當(dāng) 時，時， ，那么，那么 b b 當(dāng)當(dāng) 時，時， ，那么，那么于是，我們可以得到于是，我們可以得到然而，實踐情況的船熱量然而，實踐情況的船熱量q q總是小于能夠的最大傳熱量總是小于能夠的最大傳熱量qmaxqmax，我，我們將們將q/qmaxq/qmax定義為換熱器的效能，并用定義為換熱器的效能，并用 表示，即表示，即2211cMcM21tt )(2111maxttcMq1122cMc

20、M12tt )(2122maxttcMq)()()(21min21minmaxttCttMcq21min22221min111maxttCttCttCttCqq 對于一個已存在的換熱器，假設(shè)知了效能對于一個已存在的換熱器，假設(shè)知了效能 和冷熱流體的進(jìn)和冷熱流體的進(jìn)口溫差，那么實踐傳熱量可很方便地求出口溫差，那么實踐傳熱量可很方便地求出那么在未知傳熱量，之前，那么在未知傳熱量，之前， 又如何計算？和那些要素有關(guān)？又如何計算？和那些要素有關(guān)？以順流換熱器為例，并假設(shè)以順流換熱器為例，并假設(shè) ，那么有，那么有根據(jù)熱平衡式得：根據(jù)熱平衡式得：于是于是21minmaxTTCqq 211121min111

21、maxttttttCttCqq)()(11112122ttCttCCttr 1minCC )()(222111ttCttC maxminCCCr)(2111tttt 式，式， 相加：相加：)()()()(11212121ttCttttttr 2211cMcM)(1 ()()()()()()(21212121212121ttCttCttttCttttttrrr 式代入下式得：式代入下式得：)exp(tkAt )1 (112121rCtttttt +rCkA1)exp(12122111111CCcMcM+rrrCCCkACCCCkA1)1 (exp11)1 (exp11211rrCCCkA1)1

22、(exp12當(dāng)當(dāng) 時，同樣的推導(dǎo)過程可得：時，同樣的推導(dǎo)過程可得：12maxminCCCCCr上面的推導(dǎo)過程得到如下結(jié)果，對于順流：上面的推導(dǎo)過程得到如下結(jié)果，對于順流：當(dāng)當(dāng) 時時rrCCCkA1)1 (exp1121maxminCCCCCr上面兩個公式合并，可得：上面兩個公式合并，可得：rrCCCkA1)1 (exp1minmaxminCCCr2211cMcM1122cMcM換熱器效能公式中的換熱器效能公式中的 依賴于換熱器的設(shè)計，依賴于換熱器的設(shè)計， 那么依那么依賴于換熱器的運(yùn)轉(zhuǎn)條件，因此，賴于換熱器的運(yùn)轉(zhuǎn)條件，因此， 在一定程度上表征了在一定程度上表征了換熱器綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能，習(xí)慣上將這

23、個比值無量綱數(shù)定換熱器綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能，習(xí)慣上將這個比值無量綱數(shù)定義為傳熱單元數(shù)義為傳熱單元數(shù)NTUNTU，即，即因此，因此，與順流類似，逆流時：與順流類似，逆流時：kAminCminCkAminNTUCkArrCC1)1 (NTUexp1)1 (NTUexp)1 ()1 (NTUexp1rrrCCC當(dāng)冷熱流體之一發(fā)生相變時，相當(dāng)于當(dāng)冷熱流體之一發(fā)生相變時，相當(dāng)于 ，即，即 ，于是上面效能公式可簡化為，于是上面效能公式可簡化為maxC0maxminCCCrNTUexp1當(dāng)兩種流體的熱容相等時，即當(dāng)兩種流體的熱容相等時，即 公式可以簡化為公式可以簡化為1maxminCCCr2NTU2exp1NT

24、U1NTU順流：順流：逆流：逆流： ，及兩個進(jìn)口溫度，求，及兩個進(jìn)口溫度，求 (2) (2) 用效能用效能- -傳熱單元數(shù)法計算換熱器的步驟傳熱單元數(shù)法計算換熱器的步驟a a 設(shè)計計算設(shè)計計算 顯然，利用知條件可以計算出顯然，利用知條件可以計算出 ，而帶求的，而帶求的k k，A A那么那么包含在包含在NTUNTU內(nèi)，因此，對于設(shè)計計算是知內(nèi)，因此，對于設(shè)計計算是知 ，求，求NTUNTU，求解，求解過程與平均溫差法類似，不再反復(fù)過程與平均溫差法類似，不再反復(fù)b b 校核計算校核計算 由于由于k k事先不知，所以依然需求假設(shè)一個出口溫度，詳事先不知，所以依然需求假設(shè)一個出口溫度，詳細(xì)如下：細(xì)如下：

25、 假設(shè)一個出口溫度假設(shè)一個出口溫度 ，利用熱平衡式計算另一個，利用熱平衡式計算另一個 利用四個進(jìn)出口溫度計算定性溫度，確定物性，并結(jié)合利用四個進(jìn)出口溫度計算定性溫度，確定物性，并結(jié)合換熱器構(gòu)造，計算總傳熱系數(shù)換熱器構(gòu)造，計算總傳熱系數(shù)k k 利用利用k, Ak, A計算計算NTUNTU ，及進(jìn)出口溫度中的三個，求，及進(jìn)出口溫度中的三個，求 Ak,21tt ，t t 2211,cMcM2211,cMcMA 利用利用NTUNTU計算計算 利用公式分別計算利用公式分別計算 比較兩個比較兩個，能否滿足精度，否那么反復(fù)以上步驟，能否滿足精度，否那么反復(fù)以上步驟從上面步驟可以看出，假設(shè)的出口溫度對傳熱量從

26、上面步驟可以看出，假設(shè)的出口溫度對傳熱量的影響的影響不是直接的，而是經(jīng)過定性溫度，影響總傳熱系數(shù)，從而不是直接的，而是經(jīng)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)溫度值。而平均溫差法的假設(shè)溫度直接用于計算直接用于計算 值，顯然值，顯然-NTU-NTU法對假設(shè)溫度沒有平均法對假設(shè)溫度沒有平均溫差法敏感，這是該方法的優(yōu)勢。溫差法敏感，這是該方法的優(yōu)勢。3 3 換熱器設(shè)計時的綜合思索換熱器設(shè)計時的綜合思索 換熱器設(shè)計是綜合性的課題，必需思索出投資，運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)換熱器設(shè)計是綜合性的課題，必需思索出投資，運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用，平安可靠等諸多要素。用，平安可靠等諸多要素。4 4 換熱器的結(jié)垢及污垢熱阻換熱器的結(jié)垢及污垢熱阻 污垢添加了熱阻，使傳熱系數(shù)減小，這種熱阻成為污垢污垢添加了熱阻，使傳熱系數(shù)減小，這種熱阻成為污垢熱阻，用熱阻，用RfRf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)，k0k0為干凈換熱面為干凈換熱面 的傳熱系數(shù)。的傳熱系數(shù)。011kkRf對于兩側(cè)均已構(gòu)造的管殼式換熱器，以管子外外表為計算對于