传热学

华北电力大学传热学HeatTransfer9-2换热器的型式及平均温压一、引言二、分类三、换热器传热温差的计算华北电力大学传热学HeatTransfer一、引言换热器是用来实现冷、热流体热量交换的一种设备。它广泛应用于电力、化工、炼油、制冷、低温、冶金、建材、环保、航天、航空、食品、轻工、医药等部门，是量大用广的通用设备。例如，热交换设备投资占电厂总投资的1/5，重量占工艺投资总重的40%；在年产30万吨的乙烯装置中，各种换热器达300-500台。华北电力大学传热学HeatTransfer二、换热器的分类1.按换热器操作过程分为：间壁式——冷热流体由固体壁面隔开。混合式——冷热流体直接相互掺混。蓄热式（回热式）——冷热流体交替流过换热面而实现热量交换。华北电力大学传热学HeatTransfer混合式换热器举例：电厂中的冷却塔、除氧器和喷水减温器，化工厂的洗涤塔。华北电力大学传热学HeatTransfer蓄热式换热器举例：回转式空气预热器结构图空气烟气华北电力大学传热学HeatTransfer蓄热式换热器举例：回转式空气预热器中的蓄热板华北电力大学传热学HeatTransfer2.间壁式换热器（1）套管式。最简单的间壁式换热器，依两种流体的流动方向又分顺流和逆流布置。热流体冷流体顺流式套管换热器华北电力大学传热学HeatTransfer热流体冷流体逆流式套管换热器华北电力大学传热学HeatTransfer（2）壳管式换热器。它是间壁式换热器的主要形式。电厂中的冷油器和给水加热器等。壳管式换热器的传热面由管束构成。一种流体在管子内部流动，称为管程，另一种流体在管子与换热器的壳体之间流动，称为壳程。华北电力大学传热学HeatTransfer典型壳管式换热器外形华北电力大学传热学HeatTransfer典型两流程固定管板式管壳式换热器热流体出冷流体进冷流体出热流体进华北电力大学传热学HeatTransfer四流程固定管板式管壳式换热器热流体出冷流体进冷流体出热流体进华北电力大学传热学HeatTransferU形管管壳式换热器U形管管壳式换热器华北电力大学传热学HeatTransfer折流板的作用：（1）作为管子的支撑结构；（2）使壳侧流体横掠管束，从而强化传热。纵横流体横掠管束和纵掠管束换热系数的比较：Nu横/Nu纵=1.356华北电力大学传热学HeatTransfer折流板的缺点：（1）壳侧流动阻力大；（2）存在流动死区和折流板孔隙的漏流，使实际传热效果低于理论值；（3）引起诱导振动，从而导致管子断裂。华北电力大学传热学HeatTransfer新型的折流杆管壳式换热器的结构华北电力大学传热学HeatTransfer（3）板式换热器。板式换热器由一组结构相同的平行薄平板叠加组成，每两个相邻的平板之间组成一个流体通道，冷、热流体间隔流过各个通道。华北电力大学传热学HeatTransfer板式换热器的各种板型华北电力大学传热学HeatTransfer间壁式换热器的工作过程属于传热过程。因此换热器的传热量可由传热方程式计算：三、传热温差的计算tAkttAkff＝)(21mtAk热流体冷流体由于冷热流体的温度沿流动过程不断变化，因此传热方程中的温差应是整个换热器面积上的平均温差。华北电力大学传热学HeatTransfer1.简单顺流及逆流换热器的对数平均温差平均温压推导的思路热流体冷流体1't2't2t1t'ttxt0AtAmAtAt0xxd1对任意的微元换热面dA的传热情况进行研究，得到Δtx的计算公式。tAkΦdd111ddtcqΦm222ddtcqΦm华北电力大学传热学HeatTransfer假设：（a）冷热流体的质量流量qm1、qm2及比热容c1、c2在整个换热面上为常量；（b）传热系数在整个换热面上不变；（c）换热器无热损失；（d）换热面沿流动方向的导热量可以忽略。（1）以顺流时为例华北电力大学传热学HeatTransfer在前面假设的基础上，对图中微元换热面dA一段的传热情况进行分析。1't2't2t1t'tt0AttAdxAtAkΦdd111ddtcqΦm222ddtcqΦm21dd)(dtttΦΦcqcqtmmdd11)(d2211华北电力大学传热学HeatTransfertAkΦddΦΦcqcqtmmdd11)(d2211xxAttkt0dAtdxxkAttln)exp(txxkAttAktd)(ddAtdkt)exp(tkAt华北电力大学传热学HeatTransferAmAtAt0xxd1tttttmtlnt1-ttlnt1-)exp(t)dAexp(t1x0kAkAkAAtxAm上式就是顺流情况下的对数平均温差。华北电力大学传热学HeatTransfer（2）逆流情况0At热流体冷流体1't2't2t1t'tt21''ttt21'tttminmaxminmaxtlnttttm此时有可能'tt因此，无论顺流还是逆流，平均温差统一写成华北电力大学传热学HeatTransfer2.算术平均温差与对数平均温差的选用当换热器的进出口端差变小时，采用算术平均温差代替对数平均温差的误差逐渐变小。因此，当7.1minmaxtt常采用算术平均温差来计算：2minmax,tttm算术对数平均温差实际上是在整个换热面面积上的积分平均值。算术平均温差则是指，相当于假定冷热流体的温度都是按照线性变化时的平均温度。xt2/)(minmaxtt华北电力大学传热学HeatTransfer3.其它复杂布置时换热器的平均温查计算实际换热器很少有纯顺流或纯逆流型式。对于复杂情况，也可以采用前面的方法进行分析，但数学推导将非常复杂，实际上，逆流的平均温差最大，因此，人们想到对纯逆流的对数平均温差进行修正以获得其它情况下的平均温差。ctfmmtt)(是给定的冷热流体的进出口温度布置成逆流时的LMTD，是小于1的修正系数。图9-15~9-18分别给出了管壳式换热器和交叉流式换热器的。华北电力大学传热学HeatTransfer图2-131壳程，2、4、6、8…管程的值P22112122',ttttRttttP华北电力大学传热学HeatTransfer4.各种流动型式的比较(1)顺流和逆流是两种极端情况，在相同的进出口温度下，逆流的最大，顺流则最小；(2)顺流时，而逆流时，则可能大于，可见，逆流布置时的换热最强。(3)对于有相变的换热器，如蒸发器和冷凝器，发生相变的流体温度不变，所以不存在顺流还是逆流。(4)对于工程上常见的流经蛇形管束的传热，只要管束的曲折次数超过4次，就可以按纯顺流或逆流计算。mthcttctht华北电力大学传热学HeatTransfer9-3换热器的热计算换热器热计算分两种情况：设计计算和校核计算(1)设计计算：设计一个新的换热器，以确定所需的换热面积(2)校核计算：对已有或已选定了换热面积的换热器，在非设计工况条件下，核算它能否胜任规定的新任务。换热器热计算的基本方程式是传热方程式及热平衡式:mtkA)()(22221111ttcqttcqmm华北电力大学传热学HeatTransfer一、换热器传热计算的平均温差法换热器传热计算的基本公式有传热方程式和冷、热流体的热平衡方程式：mtkA11111ttcqpm22222ttcqpm考虑换热器的热损失，则：12c热损失系数的值通常取0.97~0.98。不管是否考虑热损失，热负荷一般取管内流体吸收或放出的热量。c华北电力大学传热学HeatTransfermtkA11111ttcqpm22222ttcqpm如果流体的定压比热已知，则以上3个方程中共有8个独立变量，即:中的3个温度，只要知道其中5个变量，就可以算出其它3个。21ppcc、21mmqqAk、、、、及2211tttt、、、华北电力大学传热学HeatTransfer1、设计计算进行设计计算时，一般是根据生产任务的要求，给定流体的质量流量和4个进、出口温度中的3个，需要确定换热器的型式、结构，计算传热系数k及换热面积A。计算步骤如下：21mmqq、（1）根根据给定的换热条件、流体的性质、温度和压力范围等条件，选择换热器的类型及流动型式，初步布置换热面，计算换热面两侧对流换热的表面传热系数及换热面的传热系数k；华北电力大学传热学HeatTransfer（3）根据由冷、热流体的4个进、出口温度及流动型式确定平均温差；（2）根据给定条件，由热平衡方程式求出4个进、出口温度中未知的温度，并求出换热量；（4）由传热方程式求出所需的换热面积A；（5）计算换热面两侧流体的流动阻力，如果流动阻力过大，会使风机、水泵的电耗增加，从而加大了系统设备的投资和运行费用，须改变方案，重新设计。mt华北电力大学传热学HeatTransfer2、校核计算对已有或设计好的换热器进行校核计算时，一般已知换热器的换热面积A、两侧流体的质量流量、进口温度等5个参数。由于两侧流体的出口温度未知，传热平均温差无法计算；同时由于流体的定性温度不能确定，也无法计算换热面两侧对流换热的表面传热系数及通过换热面的传热系数，因此不能直接求出其余的未知量。在这种情况下，通常采用试算法，其具体计算步骤如下：21mmqq、't't21、华北电力大学传热学HeatTransfer（1）先假设一个流体的出口温度（或），用热平衡方程式求出换热量和另一个流体的出口温度；（2）根据由冷、热流体的4个进、出口温度及流动型式确定平均温差；（3）根据给定的换热器结构及工作条件计算换热面两侧的表面传热系数，进而求得传热系数k；1t2t（4）由传热方程式求出换热量；21hh、mt'华北电力大学传热学HeatTransfer（5）比较，如果两者相差较大（如大于2%或5%），说明步骤(a)中假设的温度值不符合实际，再重新假设一个流体出口温度，重复上述计算步骤，直到值的偏差小到满意为止。至于两者偏差应小到何种程度，则取决于要求的计算精度，一般认为应小于2％-5％。'和'和华北电力大学传热学HeatTransfer二、换热器计算的效能-传热单元数法1.换热器的效能（）0At1t2t1t2t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。2211cqcqmm)(2111maxttcqΦm1122cqcqmm)(2122maxttcqΦm当热流体的出口温度将会降低到接近于冷流体的入口温度。当冷流体的出口温度将会升高到接近于热流体的入口温度。华北电力大学传热学HeatTransfer0At0At因此，在换热器进口温度一定的情况下，换热器可能达到的最大（理想）换热量为：)()(21minmaxttcqΦm换热器的效能（用表示）定义为)()()()(21minmaxminttcqttcqmm表示换热器的实际换热量与理想换热量的比值。1t2t1t2t1t2t1t2t华北电力大学传热学HeatTransfer2.换热器的传热单元数（NTU）min)(NTUcqkAm换热器传热单元数（NTU）也是一个无量纲参数，在一定意义上可看成是换热器kA值的大小。表征了换热器的综合技术经济性能。3.换热器效能（）与传热单元数（NTU）的关系可以证明，对于任何形式的换热器都存在以下形式的无量纲函数关系式：maxmin)