換熱器熱計算基本原理PPT教案

1、會計學1換熱器熱計算基本原理換熱器熱計算基本原理傳熱方程式Q=KFtm式中，K整個傳熱面上的平均傳熱系數(shù)，W/m2； F傳熱面積，m2； tm兩流體間的平均溫差， ； Q熱負荷，W。 注意：要想得到注意：要想得到F，要先已知，要先已知Q、K、 tm，這些數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)的計算即構(gòu)成了熱計算的基本內(nèi)容。鑒于的計算即構(gòu)成了熱計算的基本內(nèi)容。鑒于 K、 tm與與F有有關，所以不同換熱器熱計算方法不同。關，所以不同換熱器熱計算方法不同。第1頁/共34頁熱平衡方程式式中，C平均比熱，KJ/kg； M質(zhì)量流量，kg/s； t流體溫度， ； 上標上標代表進口；上標代表進口；上標代表出口；代表出口；1.放（吸）

2、熱方程式 11111ttCMQ2 2222ttCMQ 下標下標1代表熱流體；下標代表熱流體；下標2代表冷流體。代表冷流體。 第2頁/共34頁2.熱平衡方程式21QQ式中，以放熱量為準的保溫系數(shù)，通常為0.97-0.98。1.2 平均溫差順逆流情況下平均溫差1.推導假設 兩種流體質(zhì)量流量和比容在整個傳熱面上為定值； 傳熱系數(shù)在整個傳熱面上不變；第3頁/共34頁 無熱損失； 忽略管子軸向?qū)幔?同一種流體在流動過程中，不能既有相變又有單相對流。2.推導過程（以順流為例）熱流體放熱量：111dtCMdQ冷流體吸熱量：222dtCMdQ 微元體傳熱量：xdFttKdQ21第4頁/共34頁放吸熱方程聯(lián)立

3、：tdttdWWdQ212111聯(lián)立傳熱方程得：xdFKttd積分上式得：xxFxttdFKttd0 xKFxett第5頁/共34頁整個傳熱面的平均溫差為：110KFxFKFmeKFtdFetFtx由出口溫差可知：KFttettKF ln 最終平均溫差表達式為： ln tttttm 注意：逆流的溫差表達式同上，但注意：逆流的溫差表達式同上，但中的加號應為減號；中的加號應為減號；另外不要搞混兩流體進出口溫差表達式另外不要搞混兩流體進出口溫差表達式。第6頁/共34頁其他流動方式的平均溫差 以他們的進出口溫度為準，先按逆流算出平均溫差，然后乘以考慮流動不同于逆流而引入的修正系數(shù)：lmcmtt式中，

4、按逆流算得的對數(shù)平均溫差；lmct 一般情況下：RPf,1212 2兩流體進口溫差冷流體加熱度ttttP122 2 11WWttttR冷流體加熱度熱流體冷熱度第7頁/共34頁 注意：一般而言注意：一般而言P、R如上表達。但對于某些流動而言如上表達。但對于某些流動而言可能還有其他表達形式，關鍵要與查取的圖表對應。可能還有其他表達形式，關鍵要與查取的圖表對應。第8頁/共34頁第9頁/共34頁第10頁/共34頁第11頁/共34頁第12頁/共34頁 注意：注意： （1）總是小于總是小于1，從其大小中可以看出流動方式接近逆，從其大小中可以看出流動方式接近逆流的程度。在設計中除非出于降低壁溫的目的，否則最

5、好流的程度。在設計中除非出于降低壁溫的目的，否則最好大于大于0.9，若小于，若小于0.75認為流動方式不合理，需調(diào)整。認為流動方式不合理，需調(diào)整。 （2） 值的推導基于熱平衡方程和傳熱方程，因此冷值的推導基于熱平衡方程和傳熱方程，因此冷熱流體交換下標，熱流體交換下標， 不變，但根據(jù)前面不變，但根據(jù)前面P、R的定義，交換的定義，交換后：后： 此時用新定義的此時用新定義的P、R查圖，查圖， 不變。不變。第13頁/共34頁流體比容或傳熱系數(shù)變化時的平均溫差1.基本思路 雖然流體的比容是變化的，但只要把傳熱量分成若干小段，每段內(nèi)比容和傳熱系數(shù)可以認為是不變的，因此沒一小段內(nèi)傳熱溫差可以用對數(shù)溫差的方法

6、來表示，而后整合所有溫差可得積分平均溫差。2.適用條件 幾乎所有情形。第14頁/共34頁3.計算步驟 按照 作Q-t圖； ttMCdtQ 將Q-t圖按需要分段，得到各 段的Qi； 計算各段的對數(shù)平均溫差 ti； 計算積分平均溫差：iiimmiiiitKQKQttKFQtFKQintint第15頁/共34頁1.3 傳熱有效度傳熱有效度的定義1.定義2.關于的幾點認識關于的幾點認識21maxttt1實用性：實用性：21minmaxttWQQ 傳熱有效度 即實際傳熱量與最大可能傳熱量之比。而最大可能傳熱量是指面積無限大且流體的流量和進而最大可能傳熱量是指面積無限大且流體的流量和進口溫度與實際換熱器的

7、相同的逆流式換熱器所能達到的傳口溫度與實際換熱器的相同的逆流式換熱器所能達到的傳熱量極限熱量極限 。maxQQ21minmaxttWQ第16頁/共34頁順逆流的傳熱有效度 以順流為例進行推導，推導的原理是利用順流平均溫差和熱平衡方程。 由順流溫差 得 KFett KFetttt21 2 1 熱平衡方程2 22 111ttWttW 聯(lián)立以上兩方程：KFetttttWWt21 22 2121第17頁/共34頁 如果冷流體的熱容小，則上式轉(zhuǎn)化為：KFettttttWWtt21 222 2122112111122WWeWWWKF 如果熱流體的熱容小，則上式轉(zhuǎn)化為：21111211WWeWWWKF第18

8、頁/共34頁 綜上所述，順流傳熱有效度為：maxmin111maxminminWWeWWWKF 上式中：為傳熱單元數(shù)NTUWKFmin1maxmin為熱容比，橫小于cRWW第19頁/共34頁第20頁/共34頁 逆流傳熱有效度為：ccRNTUcRNTUeRe1111第21頁/共34頁 注意：注意： （1）NTU相同時，逆流傳熱有效度大于順流的。順流相同時，逆流傳熱有效度大于順流的。順流時，傳熱有效度隨著單元數(shù)增加趨于定值；而逆流時，傳時，傳熱有效度隨著單元數(shù)增加趨于定值；而逆流時，傳熱有效度則一直增加。熱有效度則一直增加。 （2）傳熱有效度和平均溫差兩者能相互轉(zhuǎn)化。）傳熱有效度和平均溫差兩者能相

9、互轉(zhuǎn)化。 （3）除了平均溫差法和傳熱有效度法外，還有一種溫）除了平均溫差法和傳熱有效度法外，還有一種溫度效率度效率傳熱單元數(shù)法，此時對每種流體都可以定義：傳熱單元數(shù)法，此時對每種流體都可以定義：11NTUWKF121cRWW111,cRNTU第22頁/共34頁其他流動方式的傳熱有效度 可由對應流動方式的平均溫差表達式，輔之熱平衡方式加以推導，詳細結(jié)果參見錢頌文錢頌文換熱器設計換熱器設計手冊手冊。第23頁/共34頁第24頁/共34頁第25頁/共34頁1.4 換熱器熱計算方法的比較 原則上換熱器的設計都要用到傳熱方程和熱平衡方程，而平均溫差法和傳熱單元數(shù)法都是由這兩個方程推導而來，所以兩種方法都可

10、進行換熱器的熱計算，只是繁簡程度不同而已。2211,ttttKFftKFQm 222 111ttWttWQ 221121,ttttWWKF 熱計算基本參量第26頁/共34頁熱計算類型設計性校核性熱計算方法平均溫差法適用性好適用性好適用性一般傳熱單元數(shù)法適用性一般適用性好適用性好 對于設計性熱計算：平均溫差法較好，因為可以得到溫差修正系數(shù)，判斷流動方式選擇合理與否。 對于校核性熱計算：傳熱單元數(shù)差法較好，因為試算工作量小得多。第27頁/共34頁1.5 流體流動方法的選擇 注意事項：注意事項： （1）在給定溫度狀況下，保證大的平均溫差，減小傳熱面積。）在給定溫度狀況下，保證大的平均溫差，減小傳熱面

11、積。 （2）流體本身的溫差大，減小質(zhì)量流量，節(jié)約動力能耗。）流體本身的溫差大，減小質(zhì)量流量，節(jié)約動力能耗。 （3）使傳熱面溫度比較均勻，材料便宜。）使傳熱面溫度比較均勻，材料便宜。 （4）應有好的工況，以增大傳熱系數(shù)，減小傳熱面積。）應有好的工況，以增大傳熱系數(shù)，減小傳熱面積。 以上幾點往往難共存，應根據(jù)具體情況分析，考慮主以上幾點往往難共存，應根據(jù)具體情況分析，考慮主要因素。要因素。第28頁/共34頁順逆流選擇 （1）溫度相同條件下，逆流溫差大，節(jié)約傳熱面積。 （2）逆流時流體本身溫度變化大，可減少流量。 （3）逆流時，換熱器兩端溫差大，有可能增加材料成本。錯混流選擇 （1）管內(nèi)為偶數(shù)程的簡單混流，只要進出口溫度相同，平 均溫差相同，與先逆或先順流無關。 對于型換熱器，避免溫度交叉現(xiàn)象( )，因為此時發(fā)生反向傳熱。