第六章-间壁式热质交换设备的热工计算---热质交换与设备原理分解

第六章间壁式热质交换设备的热工计算71-12020/1/3内容间壁式热质交换设备的形式与结构6.1间壁两侧流体传热过程分析6.2总传热系数与总传热热阻2020/1/3热工计算常用计算方法其它间壁式热质交换设备的热工计算表面式冷却器的热工计算6.36.46.56.671-2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。顺流逆流6.1间壁式热质交换设备的形式与结构2020/1/371-3xTThTcT1T2xTTh(Hot)Tc(cold)T1T2ColdfluidHotfluidColdfluidHotfluid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。单壳程、单管程2020/1/371-4outBT,side)(shell,inBTside)(tube,inAToutAT,增加管程单壳程、双管程side)(tube,inAToutAT,side)(shell,inBToutBT,2020/1/371-5进一步增加管程和壳程2-4型3-6型双壳程、四管程side)(shell,inBToutBT,side)(tube,inAToutAT,2020/1/371-6交叉流换热器：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。2020/1/371-72020/1/371-8(c)板翅式交叉流换热器2020/1/371-9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。2020/1/371-10螺旋板式换热器：换热表面由两块金属板卷制而成。优点：换热效果好；缺点：密封比较困难。1211222020/1/371-11例如，空调工程中处理空气的表冷器，一般在空气侧加装各种形式的肋片间壁式换热器种类和型式的不同换热设备两端流体的不同2020/1/371-122020/1/371-13表冷器工作过程2020/1/371-14hihoiowowiddlQttln2内部对流：ldhQttiiwifi圆柱面导热：ldhQttoofowo外部对流：ooioiifofidhdddhttlQ1)ln(211)(上三式相加：6.2间壁两侧流体传热过程分析2020/1/371-156.3总传热系数与总传热热阻KARt1tRtKAttKAQ1其中：单位管长的总热阻为:ooioiithdddhdR1)ln(211其中i表示内表面，o表示外表面hiho2020/1/371-16ARKt1KARt1odAooioiithdddhdR1)ln(211单位管长外表面面积单位管长内表面面积idAoiooiioohdddhddK1)ln(211对于外表面ooiioiiihdddddhK1)ln(211对于内表面2020/1/371-17考虑污垢热阻（污垢热阻某种情况下影响很大）对于平壁，考虑其两侧的污垢热阻后，总热阻为2111hRhRft对于圆管，考虑垢热阻后，以外表面为计算面积的总传热系数为：oofiooifioiioohRdddRddhddK1)ln(211,,ooiofoiioiifiihddRdddddRhK1)ln(211,,基于内表面2020/1/371-18oofiooifioiioohRdddRddhddK1)ln(211,,实验可以测定总表面传热系数确定传热过程分热阻的威尔逊图解法以外表面为计算基准的总传热系数为：ioifwooddhRRhK111其中Rw和Rf分别为管壁与污垢热阻2020/1/371-19工业换热器中的管内流体的流动一般都是处于旺盛湍流状态，hi与流速ui0.8成正比，因此，可以写成hi=ciui0.8的形式，代入前式：ioiifwoodducRRhK8.0111如果能保持ho不变，Rw壁面的导热热阻不会变化，Rf在短时间内不会有大的改变，因此，上式右边前三项可认为是常数，用b表示，在物性不变的情况下，可以认为do/(dici)是常数，用m表示，于是上式可变为:8.011ioumbK2020/1/371-208.011ioumbk改变管内流速ui，则可以测得一系列的总表面传热系数，然后绘制成图。bO1/Ko1/ui0.8b主要是与热阻有关的常数2020/1/371-218.0iiiuch从图可得b，m，和ci，从而管子内侧的hi为这样就将内部热阻从总传热系数中分离出来。ioiifwoodducRRhk8.0111当干净换热器运行一段时间后，再进行同样过程的测量，可以获得另外一条曲线，则两条曲线截距之差就是污垢热阻，这样又把污垢热阻Rf分离出来了。已知Rw和Rf，则可确定ho。ho亦可实验确定。Rfbb’O1/ko1/ui0.82020/1/371-226.4换热器热工计算常用计算方法6.4.1换热器热工计算的基本公式传热方程式:Q=KAΔtm热平衡方程式:Q=G1c1（t1’-t1”）=G2c2（t2”-t2’）通常：1-热流体；2-冷流体2020/1/371-2324顺流逆流6.4.2对数平均温差法2020/1/371-24xTThTcT1T2xTTh(Hot)Tc(cold)T1T2ColdfluidHotfluidColdfluidHotfluid传热方程的一般形式：mtKAQ当温差沿整个壁面不是常数时，比如等壁温条件下的管内对流换热，以及我们现在遇到的换热器等，需要用到平均温差。dthdtcthtchtcthtctmt2020/1/371-25以顺流情况为例，并作如下假设：（1）冷热流体的质量流量G2、G1以及比热容c2,c1是常数；（2）传热系数k沿流动方向是常数；（3）换热器无散热损失；（4）换热面沿流动方向的导热量可以忽略不计。要想计算沿整个换热面的平均温差，首先需要知道当地温差随换热面积的变化，即，然后再沿整个换热面积进行平均dAt1xx0AmAt)(xxAft2020/1/371-26在前面假设的基础上，并已知冷热流体的进出口温度，分析图中微元换热面dA一段的传热。温差为：ddtAkQ2121dddtttttt在面dA内，两种流体的换热量为QcGttcGQd1ddd111111QcGttcGQd1ddd222222对于热流体（温度降低方向）:对于冷流体（温度升高方向）:1t2t1t2t2020/1/371-27QQcGcGtttdd11ddd221121ddtAkQtdAddkQtdAtdktxxAttkt0dAtdxxkAttln沿整个换热面的平均温差为：)exp(txxkAtx0xx0)dAexp(t1dAt1xAAmkAAAt221111cGcG2020/1/371-281]-)[exp(t)dAexp(t1x0kAkAkAAtxAmxxkAttlnkAttlnAAx)exp(tkAttttttttmtlnttlnt1-ttlnt对数平均温差2020/1/371-29tttmtlnt顺流：逆流时：ddtAkQ21ttt111ddtcGQ222ddtcGQ21dddtttQcGtd1d222QcGtd1d111对热冷流体温度均是降低方向，于是有：2020/1/371-30QQcGcGtdd11d2211其他过程和公式与顺流是完全一样，最终仍然可以得到：tttmtlnt,逆流21dddtttQcGtd1d222QcGtd1d1112020/1/371-31顺流和逆流的区别在于：2121;tttttt2121;ttttttminmaxminmaxtlnttttm可将对数平均温差写成如下统一形式(顺流和逆流都适用):顺流：逆流：二者中之大者和为tttmax二者中之小者和为tttmin2020/1/371-32平均温差更为简单的形式是算术平均温差，即2minmax,tttm算术minmaxminmax,tlnttttm对数算术平均温差算术平均温差相当于温度呈直线变化的情况，总是大于相同进出口温度下的对数平均温差，当时，两者的差别小于4％(3.8%)；当时，两者的差别小于2.3％。7.1minmaxtt2minmaxtt2020/1/371-33其他复杂布置时换热器平均温差的计算实际换热器一般都是处于顺流和逆流之间，或者有时是逆流，有时又是顺流。对于这种复杂情况，数学推导将非常复杂。ctfmmtt)(（Δtm）ctf是给定的冷热流体的进出口温度布置成逆流时的对数平均温差，是小于1的修正系数。见图。逆流的平均温差最大，因此，可对纯逆流的对数平均温差进行修正以获得其他情况下的平均温差：2020/1/371-34（1）取决于无量纲参数P和R2211ttttR式中：下标1、2分别表示两种流体，上角标`表示进口，``表示出口，图表中均以P为横坐标，R为参量。（3）R的物理意义：两种流体的热容量之比11222211cGcGttttR（2）P的物理意义：流体2的实际温升与理论上所能达到的最大温升之比，所以只能小于1（4）对管壳式换热器，查图需注意流动的“程”数关于的注意事项2122ttttP2020/1/371-356.4.3效能-传热单元数法（ε-NTU法）换热器热工计算的基本公式:Q=KAΔtm;Q=G1c1（t1’-t1”）=G2c2（t2”-t2’）将方程式无因次化：ε-NTU法八个变量:Q，KA，G1c1，G2c2，t1’，t1”，t2”，t2’。2020/1/371-36三个无因次量：热容比（或水当量比Cr）：maxmin)()(GcGcCrmin)(GcKANTUG2C2G1C1时G2C2G1C1时传热单元数NTU：传热效能ε：'2'1'2''2tttt'2'1''1'1tttt2020/1/371-3721minmaxmin)()(ttGCttGCQ换热器的效能定义:22max221111max2211)()(ttttcGcGttttcGcG时，当时，当物理意义：21maxtttt最大可能换热效果实际换热效果如果已知了效能和冷热流体的进口温差，则Q：ε-NTU法推导：2020/1/371-38ε如何计算？和哪些因素有关？以顺流换热器为例，并假设:2211cGcG又)(2111tttt根据热平衡式得)()(22221111ttCGttCG于是)()(1111221122ttCttCGCGttr11max2211)(ttttcGcG时，当21maxtttt2020/1/371-39)(2111tttt)()(1111221122ttCttCGCGttr))(1()()()()()()(2121211121