熱交換器熱計算的基本原理

《熱交換器熱計算的基本原理》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《熱交換器熱計算的基本原理（86頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

第1章 熱交換器熱計算的基本原理,能源與動力工程教研室,能源與動力工程教研室,能源與動力工程教研室,1.0 概述,熱（力）計算是換熱器設(shè)計的基礎(chǔ)。,以間壁式換熱器為基礎(chǔ)介紹換熱器的熱（力）計算，其他形式的換熱器計算方法相同。,設(shè)計性計算,校核性計算,設(shè)計新?lián)Q熱器，確定其面積。但同樣大小的傳熱面積可采用不同的構(gòu)造尺寸，而不同的構(gòu)造尺寸會影響換熱系數(shù)，故一般與結(jié)構(gòu)計算交叉進(jìn)行。,針對現(xiàn)有換熱器，確定流體的進(jìn)出口溫度。了解其在非設(shè)計工況下的性能變化，判斷其是否能滿足新的工藝要求。,設(shè)計性計算,校核性計算,1.1 熱計算基本方程式,傳熱方程式和熱平衡方程式,1.1.1 傳熱方程式,Q 熱負(fù)荷k、t微元面上的傳熱系數(shù)和溫差。,K 總傳熱系數(shù)tm對數(shù)平均溫差。,1.1 熱計算基本方程式,1.1.1 傳熱方程式,工藝計算的目的是求換熱面積，即,需要先求出Q，K，tm,1.1 熱計算基本方程式,1.1.2 熱平衡方程式,如不考慮熱損失，則,下標(biāo)1代表熱流體。下標(biāo)2冷流體；上標(biāo)1撇代表進(jìn)口，上標(biāo)2撇代表出口。,如無相變，則,或,1.1 熱計算基本方程式,1.1.2 熱平衡方程式,Mc稱為熱容，用W表示，則，,考慮熱損失時，,L對外熱損失系數(shù)，取0.970.98,1.2 平均溫差,1.2.1 流體的溫度分布,右圖為流體平行流動時溫度分布,上節(jié)回顧,什么是熱交換器,在工程中，將某種流體的熱量以一定的傳熱方式傳遞給其他流體的設(shè)備。,分類簡介：,按傳遞熱量的方法來分：,間壁式：冷熱流體間有一個固體壁面，兩種流體不直接接觸，熱量通過壁面進(jìn)行傳遞。,蓄熱式（回?zé)崾剑豪錈崃黧w輪流和壁面接觸，熱流體放熱，冷流體吸熱。,混合式：冷熱流體直接接觸進(jìn)行傳熱。,又可分為管式換熱器、板式換熱器、夾套式換熱器,0.3 換熱器設(shè)計計算的內(nèi)容,(1) 熱計算,確定傳熱系數(shù)及傳熱面積。,(2) 結(jié)構(gòu)計算,計算換熱器的主要部件的尺寸，如管子的直徑、長度、根數(shù)、殼體的直徑，折流板的尺寸和數(shù)目，分程隔板的數(shù)目和布置，接管尺寸等。,(3) 流動阻力計算,包括管程和殼程的阻力，為選擇泵和風(fēng)機(jī)提供依據(jù)或校核其是否超過允許的數(shù)值。,(4) 強(qiáng)度計算,1.1 熱計算基本方程式,1.1.2 熱平衡方程式,Mc稱為熱容，用W表示，則，,考慮熱損失時，,L對外熱損失系數(shù)，取0.970.98,假設(shè)：,(1)冷熱流體的質(zhì)量流量qm2、qm1以及比熱容c2, c1是常數(shù)；,(2)傳熱系數(shù)是常數(shù)；,(3)換熱器無散熱損失；,(4)換熱面沿流動方向的導(dǎo)熱量可以忽略不計。,下標(biāo)1、2分別代表熱冷流體。上標(biāo)1撇和2撇分別代表進(jìn)出口,1.2 平均溫差,1.2.2 順流和逆流情況下的平均溫差,簡單順流時的對數(shù)平均溫差,在假設(shè)的基礎(chǔ)上，并已知冷熱流體的進(jìn)出口溫度，現(xiàn)在來看圖中微元換熱面dA一段的傳熱。溫差為：,在固體微元面dA內(nèi)，兩種流體的換熱量為:,對于熱流體:,對于冷流體:,可見，當(dāng)?shù)販夭铍S換熱面呈指數(shù)變化，則沿整個換熱面的平均溫差為：,(1),(2),(2)、(3)代入(1)中,對數(shù)平均溫差,順流時：,表明：熱流體從進(jìn)口到出口方向上，兩流體間的溫差總是不斷降低的。,逆流時：,當(dāng) ： 不斷升高，,當(dāng) ： 不斷降低。,對數(shù)平均溫差統(tǒng)一表示方法LMTD(logarithmic-mean temperature difference),表示始端和終端的最大的和最小的溫度差。,式中：,平均溫差的另一種更為簡單的形式是算術(shù)平均溫差，即,使用條件：如果流體的溫度沿傳熱面變化不大，范圍在 內(nèi)可以使用算數(shù)平均溫差。,算術(shù)平均與對數(shù)平均溫差,算術(shù)平均溫差相當(dāng)于溫度呈直線變化的情況，因此，總是大于相同進(jìn)出口溫度下的對數(shù)平均溫差，當(dāng) 時，兩者的差別小于4；當(dāng) 時，兩者的差別小于2.3。,2 復(fù)雜布置時換熱器平均溫差的計算,非混合流與混合流的區(qū)別：,以錯流為例，帶翅片的管束，在管外側(cè)流過的氣體被限制在肋片之間形成各自獨(dú)立的通道，在垂直于流動的方向上（橫向）不能自由流動，也就不可能自身進(jìn)行混合，稱該氣體為非混合流。,混合流：管子不帶翅片，管外的氣流可以在橫向自由的隨意的運(yùn)動，稱為混合流。但是管內(nèi)的流體屬于非混合流。,3 、其他流動方式時的平均溫差,按逆流方式計算的對數(shù)平均溫差,溫度修正系數(shù),在相同的流體進(jìn)出口溫度條件下，按某種流動形式工作時的平均溫差 與逆流工作時的對數(shù)平均溫差 的比值,在相同的流體進(jìn)出口溫度條件下，按逆流工作所需的傳熱面積 與按某種流動形式工作所需的傳熱面積 之比值（傳熱系數(shù)相等的條件?。?，,表示,即：,值的大小說明某種流動形式的換熱器在給定工作條件下，接近逆流形式的程度，一般設(shè)計時要0.9 ， 0.75時，認(rèn)為設(shè)計不合理。,恒不大于0或1,值的求取方法,逆流時對數(shù)平均溫差為 ：,令：,P的含義：冷流體的實際吸熱量與最大可能的吸熱量的比例，稱為溫度效率。P1，R=1,或者 R0.9 ，若0.75就認(rèn)為不合理。出于降低壁溫的目的，除外。,（7）當(dāng)R超過線圖所表示的范圍或者當(dāng)某些區(qū)域的值不易讀準(zhǔn)時，可以用P和R查圖。,P和R的含義為：把熱交換器中的兩種流體交換后，即下標(biāo)1改成冷流體，下標(biāo)2改成熱流體后， 以P和R以P和R表示。,各種流動形式的比較,順流和逆流是兩種極端情況，在相同的進(jìn)出口溫度下，逆流的 最大，順流則最小；順流時 ，而逆流時， 則可能大于 ，可見，逆流布置時的換熱最強(qiáng)。,In,Out,(3) 一臺換熱器的設(shè)計要考慮很多因素，而不僅僅是換熱的強(qiáng)弱。比如，逆流時冷熱流體的最高溫度均出現(xiàn)在換熱器的同一側(cè)，使得該處的壁溫特別高，可能對換熱器產(chǎn)生破壞，因此，對于高溫?fù)Q熱器，又是需要故意設(shè)計成順流。,x,T,In Out,x,T,In Out,冷凝,蒸發(fā),(4) 對于有相變的換熱器，如蒸發(fā)器和冷凝器，發(fā)生相變的流體溫度不變，所以不存在順流還是逆流的問題。,例題 1,10-9、已知 ，試計算下列流動布置時換熱器的對數(shù)平均溫差：（1） 逆流布置；（2）一次交叉，兩種流體均不混合； （3） 12型熱交換器；（4） 24型熱交換器；（5） 順流布置。,三、流體比熱或傳熱系數(shù)變化時的平均溫差,當(dāng)流體的比熱不隨時間變化時，流體溫度的變化與吸收或放出的熱量成正比，兩者表現(xiàn)為線性關(guān)系。,1.流體比熱變化時的平均溫差,積分平均溫差的計算出發(fā)點： 在每個小段中的傳熱溫差可以采用對數(shù)平均溫差或者算數(shù)平均溫差的方法計算。,如果在討論的溫度范圍內(nèi)，比熱隨溫度有顯著變化時（大于23倍）應(yīng)用積分平均溫差來計算。,計算步驟：(1)作Q-t圖;(2)將Q-t圖分段，計算Qi。(3)求出各段的對數(shù)平均溫差或者算數(shù)平均溫差；(4)計算積分平均溫差。,各段的傳熱面,總傳熱面,使用情況（1）當(dāng)熱交換過程，一種流體處于冷卻并冷凝，過冷，或加熱并沸騰過熱時，相當(dāng)于比熱發(fā)生劇烈變化的情況，應(yīng)當(dāng)考慮分段計算。（2）當(dāng)熱流體含有不凝結(jié)氣體，這時所放出的熱量不與溫度的變化成正比，這時也應(yīng)當(dāng)分段計算平均溫差。,2.流體傳熱系數(shù)變化時的平均溫差,如果傳熱系數(shù)變化確實較大，那么我們?nèi)钥梢圆捎梅侄斡嬎愕姆椒?，把每段的傳熱系?shù)視作常數(shù)，分段計算平均溫差和傳熱量。,某段傳熱量,某段傳熱系數(shù),某段平均溫差,某段傳熱面積,如果傳熱系數(shù)隨溫差t成線性變化，或K隨兩流體中任一種流體溫度成線性變化時，對于順流或逆流都可以用下式：,式中： 處的傳熱系數(shù)和兩流體溫差； 處的傳熱系數(shù)和兩流體溫差。,對于其他流型，可在乘以溫差修正系數(shù) ， 、 為按逆流情況計算的端部溫差。,例有一蒸氣加熱空氣的熱交換器，它將質(zhì)量流量為21600kg/h的空氣從10加熱到50?？諝馀c蒸氣逆流，其比熱為1.02kJ/(kg),加熱蒸氣為壓力P=0.2MPa,溫度為140的過熱蒸氣，在熱交換器中被冷卻為該壓力下的飽和水。試求其平均溫差。,解：由水蒸氣的熱力性質(zhì)表得飽和溫度ts=120.23；飽和蒸氣焓i=2707kJ/kg過熱蒸氣焓i=2749kJ/kg; 汽化潛熱r=2202kJ/kg,熱交換器的傳熱量：,蒸氣耗量：,過熱蒸氣的冷卻段放出的熱量：,過熱蒸氣冷凝段放出的熱量為：,求取平均溫度,分段分界處的空氣溫度ta,冷卻段的平均溫差:,冷凝段的平均溫差為:,總的平均溫差：,1.3.1 傳熱有效度的定義,既“傳熱學(xué)”中的效能-傳熱單元數(shù)法。,傳熱有效度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，則會發(fā)生如下情況：,但實際情況的傳熱量 總是小于可能的最大傳熱量 max，將 / max定義為傳熱有效度，并用 表示，即,a 當(dāng) qm1c1qm2c2時，,則,b 當(dāng) qm2c2qm1c1時，,則,于是可得：,1.3 傳熱有效度,定義傳熱單元數(shù)NTU (Number of Transfer Unit),則順流時，,1.3.2 順流和逆流時的傳熱有效度,1.3 傳熱有效度,逆流時,1.3.2 順流和逆流時的傳熱有效度,1.3 傳熱有效度,即,當(dāng)冷熱流體之一發(fā)生相變時,相當(dāng)于,1.3.2 順流和逆流時的傳熱有效度,1.3 傳熱有效度,順流時：,逆流時：,順流：,當(dāng)兩種流體的熱容相等時,順流時：,逆流時：,由順流和逆流的傳熱有效度推導(dǎo)結(jié)果可知：,1.3.2 順流和逆流時的傳熱有效度,1.3 傳熱有效度,設(shè)計計算時，、Rc已知，由關(guān)系式或圖求NTU進(jìn)而求換熱面積。,例2 溫度為99的熱水進(jìn)入一個逆流熱交換器，將4的冷水流量為4680KJ/h加熱到32。熱水流量為9360Kg/h,傳熱系數(shù)為830W/(m2),試計算該傳熱面積和傳熱有效度。,解：方法一（NTU）,熱水的熱容量,冷水的熱容量,由比較知道：,熱平衡關(guān)系：,方法二：平均溫差法,代入,練習(xí)題 溫度為90的熱水進(jìn)入一個逆流熱交換器，將10的冷水流量為3000KJ/h加熱到40。熱水流量為8000Kg/h,傳熱系數(shù)為830W/(m2),試計算該傳熱面積和傳熱有效度。,解：方法一（NTU）,冷水的熱容量,由比較知道：,熱平衡關(guān)系：,熱水的熱容量,方法二：平均溫差法,代入,1.3.2 其他流動方式時的傳熱有效度,1.3 傳熱有效度,(3) 兩種流體中僅有一種混合的錯流式換熱器,(2) 型換熱器,(4) 兩種流體都不混合的錯流式換熱器,(1) 型換熱器,1.4 換熱器計算方法比較,換熱器熱計算的基本方程式是傳熱方程式及熱平衡式:,1. 換熱器熱計算概述,(1)設(shè)計計算：,校核計算：,設(shè)計一個新的換熱器，以確定所需的換熱面積。,對已有或已選定了換熱面積的換熱器，在非設(shè)計工況條件下，核算他能否完成規(guī)定的新任務(wù)。,(9-14),(9-15),需要給定其中的5個變量，才可以進(jìn)行計算。,取決于進(jìn)出口溫度和換熱器的型式，不是獨(dú)立變量。,因此，上面的兩個方程中共有8個未知數(shù)，即,由(9-15)進(jìn)出口4個溫度只有3個是獨(dú)立變量。,(9-14),(9-15),設(shè)計計算：給定qm1c1，qm2c2，以及進(jìn)出口溫度中的三個，最 終求k，A,校核計算：給定的一般是 k, A ，以及2個進(jìn)口溫度，待求的 是兩個出口溫度,1.4 換熱器計算方法比較,1. 換熱器熱計算概述,換熱器的熱計算有兩種方法：,直接應(yīng)用傳熱方程和熱平衡方程進(jìn)行熱計算，具體步驟為：,2. 平均溫差法：,設(shè)計計算（已知 qm1c1, qm2c2及三個溫度，求 k, A ）,初步布置換熱面，并計算出相應(yīng)的總傳熱系數(shù)k,(2) 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。,(3) 由冷熱流體的4個進(jìn)出口溫度確定平均溫差,(5) 如果流動阻力過大，則需要改變方案重新設(shè)計。,(4) 由傳熱方程式計算所需的換熱面積A，并核算換熱面流體的流動阻力。,平均溫差法、效能-傳熱單元數(shù)(-NTU)法,1.4 換熱器計算方法比較,1.4 換熱器計算方法比較,校核計算(已知A, qm1c1, qm2c2及2個進(jìn)口溫度，求 ),2. 平均溫差法：,(1) 先假設(shè)一個出口溫度，按熱平衡式計算另一個出口溫度。,(2) 根據(jù)4個進(jìn)出口溫度求得平均溫差,(3) 根據(jù)換熱器的結(jié)構(gòu)，算出相應(yīng)工作條件下的總傳熱系數(shù)k,(4) 已知kA和tm，按傳熱方程式計算在假設(shè)出口溫度下的,(5) 根據(jù)4個進(jìn)出口溫度，用熱平衡式計算另一個 ，這個值和上面的 ，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,(6) 比較兩個 值，滿足精度要求，則結(jié)束，否則，重新假定出口溫度，重復(fù)(1)(6)，直至滿足精度要求。,3 用效能-傳熱單元數(shù)法計算換熱器的步驟,利用已知條件可以計算出 ，而待求的k，A則包含在NTU內(nèi)，因此，對于設(shè)計計算是已知 ，求NTU，求解過程與平均溫差法相似。,設(shè)計計算,設(shè)計計算時已知 qm1c1, qm2c2及三個溫度，求 k, A，,1.4 換熱器計算方法比較,3.3 用效能-傳熱單元數(shù)法計算換熱器的步驟,校核計算,由于k事先不知，仍需要假設(shè)一個出口溫度，具體如下：,已知A, qm1c1, qm2c2及2個進(jìn)口溫度，求, 假設(shè)一個出口溫度，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) 合換熱器結(jié)構(gòu)，計算總傳熱系數(shù)k, 利用k, A計算NTU, 利用NTU計算 , 利用 =max計算，利用=kAtm計算另一個, 比較兩個，是否滿足精度，否則重復(fù)以上步驟,1.4 換熱器計算方法比較,從上面步驟可以看出，假設(shè)的出口溫度對傳熱量的影響不是直接的，而是通過定性溫度，影響總傳熱系數(shù)，從而影響NTU，并最終影響 值。,在校核計算中， -NTU法運(yùn)用較多。,3 用效能-傳熱單元數(shù)法計算換熱器的步驟,1.4 換熱器計算方法比較,平均溫差法的假設(shè)溫度直接用于計算 值，顯然-NTU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。,1 總體原則,1.5 流體流動方式的選擇,流動方式對整個換熱器設(shè)計的合理性有很大的影響，在選擇流動方式時應(yīng)注意以下幾個方面：,(1)在給定溫度狀況下，保證獲得較大的平均溫差，以較小傳熱面積，降低金屬或其他材料的消耗。,(2)使流體本身的溫度變化值(t1或t2 )盡可能大,從而使流體的熱量得到合理利用,減小它的消耗量,并可節(jié)省泵或風(fēng)機(jī)的投資與能量消耗。,1 總體原則,1.5 流體流動方式的選擇,(3)盡可能使傳熱面的溫度比較均勻,并使其在較低的溫度下工作,以便用較便宜的材料制造換熱器。,(4)應(yīng)有最好的傳熱工況，以便得到較高的傳熱系數(shù)同樣起到減小傳熱面的作用。,溫度不均勻(熱應(yīng)力)、溫度高對材料的要求也越高。,2 順流和逆流,1.5 流體流動方式的選擇,平均溫差,(1) 順流最小，逆流最大，其他流動方式介于兩者之間。,(2) 逆流時， 可高于 ，在順流時， 總是低于 ，因而在逆流時，熱(冷)流體的t 較大，可使流體的消耗量減少。,2 順流和逆流,1.5 流體流動方式的選擇,平均溫差,從熱工觀點，應(yīng)盡量選擇逆流。,逆流的缺點:(1)高溫在一端，(2)逆流流體溫差大，使傳熱面在長度方向上溫差大，壁面溫度不均勻；,當(dāng)有相變時，順、逆流無差別。當(dāng)兩種流體的熱容量相差較大時，差別很小。,3 混流和錯流,介于兩者之間,