传热过程分析与换热器热计算

第九章传热过程分析与换热器热计算本章的学习目的(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)(21ffttkA§9-1传热过程的分析和计算传热过程？基本计算式(传热方程式)？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。totARk11通过平壁的传热K的计算公式？21111hhk说明：(1)h1和h2的计算；（2）如果计及辐射时对流换热系数应该采用等效换热系数(总表面传热系数)rcthhh单相对流：214241)(TTTThr343434rcthhh膜态沸腾：(8-24)(6-23)2通过圆管的传热hiho)ln(21)(iowowiddttlΦ内部对流：)(1wifiittldh圆柱面导热：)(2fwooottldh外部对流：iihidlhR1lddRio2)ln(ooholdhR1)(1)ln(211)(fofiooooioiifofittldkdhdddhttlΦoiooiioohddddhdk1)ln(21其中：3通过肋壁的传热肋壁面积：21AAAo稳态下换热情况：)(11wfiittAh)(1wowittA)()()(21fowoooofowofofowoottAhttAhttAhofoAAA)(21A1A2Ai肋面总效率oooiiffioooiiiffAhAhttAAhAAhtt1)(112121定义肋化系数：则传热系数为所以，只要就可以起到强化换热的效果。ioAAooihhk1111o4带保温层的圆管传热——临界热绝缘直径212111)(hhttAffooioiifofidhdddhttlΦ1)ln(211)(ooiffihhttA11)(212122111)ln(21)ln(211)(ooooioiifofidhdddddhttlΦ圆管外敷保温层后：可见，保温层使得导热热阻增加，换热削弱；另一方面，降低了对流换热热阻，使得换热赠强，那么，综合效果到底是增强还是削弱呢？这要看d/ddo2和d2/ddo22的值21221121)ln(21)ln(211)(ooooioiiodhdddddhd)()(2ofofidttlΦ22222222121)()(ddooofofiodhddttld0dd2odcrodhd2222可见，确实是有一个极值存在，那么，到底是极大值，还是极小值呢？从热量的基本传递规律可知，应该是极大值。也就是说，do2在do1~dcr之间，是增加的，当do2大于dcr时，降低。or2222hdBio§9-2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：螺旋板式板式交叉流换热器管壳式壳管式套管式)(蓄热式混合式间壁式板翅式管翅式管束式三种类型换热器简介3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ColdfluidHotfluidColdfluidHotfluid顺流逆流xTThTcT1T2xTTh(Hot)Tc(cold)T1T2(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。outBT,side)(shell,inBTside)(tube,inAToutAT,side)(tube,inAToutAT,side)(shell,inBToutBT,增加管程side)(shell,inBToutBT,side)(tube,inAToutAT,进一步增加管程和壳程(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(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。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。(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。4简单顺流及逆流换热器的对数平均温差传热方程的一般形式：mtkA这个过程对于传热过程是通用的，但是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。对于前者我们曾经提到过对数平均温差(LMTD)的公式，但是没有给出推导。下面我们就来看看LMTD的推导过程mtdthdtcthtchtcthtct以顺流情况为例，并作如下假设：（1）冷热流体的质量流量qm2、qm1以及比热容c2,c1是常数；(2)传热系数是常数；（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。)(xxAft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在前面假设的基础上，并已知冷热流体的进出口温度，现在来看图9-13中微元换热面dA一段的传热。温差为：ddtAkchchttttttddd在固体微元面dA内，两种流体的换热量为:d1dddhmhhhhmhcqttcqd1dddcmccccmccqttcq对于热流体和冷流体:dd11dddcmchmhchcqcqtttddtAktdAddktdAtdktxxAttkt0dAtdxxkAttln可见，当地温差随换热面呈指数变化，则沿整个换热面的平均温差为：)exp(txxkAtx0xx0)dAexp(t1dAt1xAAmkAAAtcmchmhcqcq111-)exp(t)dAexp(t1x0kAkAkAAtxAmxxkAttlnkAttlnAAx)exp(tkAt(1)(2)(3)(1)+(2)+(3)tttttttmtlnttlnt1-ttlnt对数平均温差tttmtlnt顺流：逆流时：ddtAkchchttttttdddd1dddhmhhhhmhcqttcqd1dddcmccccmccqttcqdd11dcmchmhcqcqtcmchmhcqcq11其他过程和公式与顺流是完全一样，因此，最终仍然可以得到：tttmtlnt,逆流顺流和逆流的区别在于：顺流：逆流：chchttttttchchttttttminmaxminmaxtlnttttm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)5算术平均温差平均温差的另一种更为简单的形式是算术平均温差，即2minmax,tttm算术minmaxminmax,tlnttttm对数算术平均温差相当于温度呈直线变化的情况，因此，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％；当时，两者的差别小于2.3％。2minmaxtt7.1minmaxtt6其他复杂布置时换热器平均温差的计算以上所讨论的对数平均温差(LMTD)只是针对纯顺流和纯逆流情况，而这种情况的出现是比较少的，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，我们当然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他情况下的平均温差。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。关于的注意事项（1）值取决于无量纲参数P和RcchhchccttttRttttP,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hmhcmccchhcqcqttttR（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）对于管壳式换热器，查图时需要注意流动的“程”数7各种流动形式的比较(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。mtchttcthtdqiToThdTcdTTInOutdqiToThdTcdTTInOut(3)那么是不是所有的换热器都设计成逆流形式的就最好呢？不是，因为一台换热器的设计要考虑很多因素，而不仅仅是换热的强弱。比如，逆流时冷热流体的最高温度均出现在换热器的同一侧，使得该处的壁温特别高，可能对换热器产生破坏，因此，对于高温换热器，又是需要故意设计成顺流(4)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的问题。chCCorxTInOutCondTxTInOutchCCorEvapT冷凝蒸发§9-3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，核算他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)()(cccmchhhmhttcqttcq式中，不是独立变量，因为它取决于以及换热器的布置。另外，根据公式(9-15)可是，一旦和以及中的三个已知的话，我们就可以计算出另外一个温度。因此，上面的两个方程中共有8个未知数，即需要给定其中的5个变量，才可以计算另外三个变量。对于设计计算而言，给定的是，以及进出口温度中的三个，最终求对于校核计算而言，给定的一般是，以及2个进口温度，待求的是mtcchhtttt,,,hmhcqcmccqcchhtttt,,,中的三个，，，以及cchhcmchmhttttcqcqAk,,,,,cmchmhcqcq,Ak,cmchmhcqcqA,,chtt，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对于校核计算（已知，及两个进口温