第11章传热过程和换热器.

中国矿业大学动力工程系第11章传热和换热器本章的学习目的(1)分析实际传热问题的能力(2)综合应用三种基本传热方式及其相关公式的能力(3)了解换热器的基本知识和设计过程中国矿业大学动力工程系11-1传热过程的分析和计算传热过程？基本计算式(传热方程式)？)tt(kAQff21totARk1式中：K是传热系数(总传热系数)。对于不同的传热过程，K的计算公式也不同。中国矿业大学动力工程系中国矿业大学动力工程系中国矿业大学动力工程系中国矿业大学动力工程系中国矿业大学动力工程系中国矿业大学动力工程系中国矿业大学动力工程系中国矿业大学动力工程系中国矿业大学动力工程系§11-2换热器的型式及平均温差1换热器的定义：用来使热量从热流体传递到冷流体，以满足规定的工艺要求的装置2换热器的分类：几种类型换热器简介螺旋板式板式交叉流换热器管壳式壳管式套管式)(回热式混合式间壁式板翅式管翅式管束式中国矿业大学动力工程系中国矿业大学动力工程系中国矿业大学动力工程系中国矿业大学动力工程系中国矿业大学动力工程系间壁式换热器的主要型式(1)套管式换热器：最简单的一种间壁式换热器，流体有顺流和逆流两种，适用于传热量不大或流体流量不大的情形ColdfluidHotfluidColdfluidHotfluidxTTh(Hot)Tc(cold)T1T2xTThTcT1T2顺流逆流中国矿业大学动力工程系(2)管壳式换热器：最主要的一种间壁式换热器，传热面由管束组成，管子两端固定在管板上，管束与管板再封装在外壳内。两种流体分管程和壳程。out,BTin,BTin,ATout,AT中国矿业大学动力工程系side)(tubein,ATout,ATside)(shellin,BTout,BT增加管程中国矿业大学动力工程系进一步增加管程和壳程side)(shell,inBToutBT,side)(tube,inAToutAT,中国矿业大学动力工程系(3)交叉流换热器：间壁式换热器的又一种主要形式。其主要特点是冷热流体呈交叉状流动。交叉流换热器又分管束式、管翅式和板翅式三种。(c)板翅式交叉流换热器中国矿业大学动力工程系单位体积内所包含的换热面积作为衡量换热器紧凑程度的衡量指标，一般将大于700m2/m3的换热器称为紧凑式换热器，板翅式换热器多属于紧凑式，因此，日益受到重视。(4)板式换热器：由一组几何结构相同的平行薄平板叠加所组成，冷热流体间隔地在每个通道中流动，其特点是拆卸清洗方便，故适用于含有易结垢物的流体。中国矿业大学动力工程系(5)螺旋板式换热器：换热表面由两块金属板卷制而成，有点：换热效果好；缺点：密封比较困难。中国矿业大学动力工程系中国矿业大学动力工程系11tt22tt中国矿业大学动力工程系中国矿业大学动力工程系中国矿业大学动力工程系中国矿业大学动力工程系中国矿业大学动力工程系中国矿业大学动力工程系中国矿业大学动力工程系顺流和逆流的区别在于：顺流：逆流：2121tttttt2121ttttttminminmtlnttmaxmaxtt或者我们也可以将对数平均温差写成如下统一形式(顺流和逆流都适用)中国矿业大学动力工程系中国矿业大学动力工程系中国矿业大学动力工程系中国矿业大学动力工程系中国矿业大学动力工程系中国矿业大学动力工程系换热器的热计算有两种方法：平均温差法效能-传热单元数(-NTU)法1平均温差法：就是直接应用传热方程和热平衡方程进行热计算，其具体步骤如下：对于设计计算（已知，及进出口温度中的三个，求）(1)初步布置换热面，并计算出相应的总传热系数k(2)根据给定条件，由热平衡式求出进、出口温度中的那个待定的温度(3)由冷热流体的4个进出口温度确定平均温差(4)由传热方程式计算所需的换热面积A，并核算换热面流体的流动阻力(5)如果流动阻力过大，则需要改变方案重新设计。cmchmhcqcq,Ak,mt中国矿业大学动力工程系对于校核计算（已知，及两个进口温度，求）(1)先假设一个流体的出口温度，按热平衡式计算另一个出口温度(2)根据4个进出口温度求得平均温差(3)根据换热器的结构，算出相应工作条件下的总传热系数k(4)已知kA和，按传热方程式计算在假设出口温度下的(5)根据4个进出口温度，用热平衡式计算另一个，这个值和上面的，都是在假设出口温度下得到的，因此，都不是真实的换热量(6)比较两个值，满足精度要求，则结束，否则，重新假定出口温度，重复(1)~(6)，直至满足精度要求。cmchmhcqcqA,,chtt，mtmt中国矿业大学动力工程系2效能-传热单元数法(1)换热器的效能和传热单元数换热其效能的定义是基于如下思想：当换热器无限长，对于一个逆流换热器来讲，则会发生如下情况a当时，，则b当时，，则于是，我们可以得到然而，实际情况的船热量q总是小于可能的最大传热量qmax，我们将q/qmax定义为换热器的效能，并用表示，即cmchmhcqcqchtt)(maxchhmhttcqqhmhcmccqcqhctt)(maxchcmcttcqq)()()(minminmaxchchmttCttcqqttCttCttCttCqqhcccchhhhminminmax中国矿业大学动力工程系对于一个已存在的换热器，如果已知了效能和冷热流体的进口温差，则实际传热量可很方便地求出那么在未知传热量，之前，又如何计算？和那些因素有关？以顺流换热器为例，并假设，则有根据热平衡式得：于是chTTCqqminmaxcmchmhcqcqchhhchhhhttttttCttCqqminmax)()(hhrhhchccttCttCCtthCCmin)()(ccchhhttCttCmaxminCCCr)(chhhtttt式①，②相加：)()()()(hhrchchchttCtttttt热容比①②中国矿业大学动力工程系))(1()()()()()()(chrchrchhhrchchchttCttCttttCtttttt式①代入下式得：)exp(tkAt)1(11rchchCtttttt+rCkA1)exp(1chcmchmhCCcqcq1111+rrhrchhCCCkACCCCkA1)1(exp11)1(exp1中国矿业大学动力工程系cmchmhcqcqrrcCCCkA1)1(exp1当时，同样的推导过程可得：hcrCCCCCmaxmin上面的推导过程得到如下结果，对于顺流：当时cmchmhcqcqrrhCCCkA1)1(exp1chrCCCCCmaxmin上面两个公式合并，可得：rrCCCkA1)1(exp1minmaxminCCCr中国矿业大学动力工程系换热器效能公式中的依赖于换热器的设计，则依赖于换热器的运行条件，因此，在一定程度上表征了换热器综合技术经济性能，习惯上将这个比值（无量纲数）定义为传热单元数NTU，即因此，与顺流类似，逆流时：kAminCminCkAminNTUCkArrCC1)1(NTUexp1)1(NTUexp)1()1(NTUexp1rrrCCC中国矿业大学动力工程系当冷热流体之一发生相变时，相当于，即，于是上面效能公式可简化为maxC0maxminCCCrNTUexp1当两种流体的热容相等时，即公式可以简化为1maxminCCCr2NTU2exp1NTU1NTU顺流：逆流：中国矿业大学动力工程系（，及两个进口温度，求）(2)用效能-传热单元数法计算换热器的步骤a设计计算显然，利用已知条件可以计算出，而带求的k，A则包含在NTU内，因此，对于设计计算是已知，求NTU，求解过程与平均温差法相似，不再重复b校核计算由于k事先不知，所以仍然需要假设一个出口温度，具体如下：①假设一个出口温度，利用热平衡式计算另一个②利用四个进出口温度计算定性温度，确定物性，并结合换热器结构，计算总传热系数k③利用k,A计算NTU（，及进出口温度中的三个，求）cmchmhcqcq,Ak,cmchmhcqcqA,,chtt，tt中国矿业大学动力工程系④利用NTU计算⑤利用(9-17)计算，利用(9-14)计算另一个⑥比较两个，是否满足精度，否则重复以上步骤从上面步骤可以看出，假设的出口温度对传热量的影响不是直接的，而是通过定性温度，影响总传热系数，从而影响NTU，并最终影响值。而平均温差法的假设温度直接用于计算值，显然-NTU法对假设温度没有平均温差法敏感，这是该方法的优势。