熱交換器原理與設計第1章熱交換器熱計算的基本原理課件

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1.0概述熱（力）計算是換熱器設計的基礎。以間壁式換熱器為基礎介紹換熱器的熱（力）計算，其他形式的換熱器計算方法相同。設計性計算校核性計算設計新?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)計算交叉進行。針對現(xiàn)有換熱器，確定流體的進出口溫度。了解其在非設計工況下的性能變化，判斷其是否能滿足新的工藝要求。設計性計算校核性計算1.0概述熱（力）計算是換熱器設計的基礎。以間壁式換熱器為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—熱負荷k、Δt—微元面上的傳熱系數(shù)和溫差。K—總傳熱系數(shù)Δtm—對數(shù)平均溫差。1.1熱計算基本方程式傳熱方程式和熱平衡方程式1.1.11.1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，Δtm1.1熱計算基本方程式1.1.1傳熱方程式工藝計算的目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1代表熱流體。下標2冷流體；上標1撇代表進口，上標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熱平衡方程式如不考慮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，ηL—對外熱損失系數(shù)，取0.97~0.981.1熱計算基本方程式1.1.2熱平衡方程式Mc稱為熱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1.2平均溫差1.2.1流體的溫度分布右圖為流體平行流上節(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備。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，熱量通過壁面進行傳遞。蓄熱式（回熱式）：冷熱流體輪流和壁面接觸，熱流體放熱，冷流體吸熱?；旌鲜剑豪錈崃黧w直接接觸進行傳熱。又可分為管式換熱器、板式換熱器、夾套式換熱器分類簡介：按傳遞熱量的方法來分：間壁式：冷熱流體間有一個固體0.3換熱器設計計算的內(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，為選擇泵和風機提供依據(jù)或校核其是否超過允許的數(shù)值。(4)強度計算0.3換熱器設計計算的內(nèi)容(1)熱計算確定傳熱系數(shù)及傳熱熱交換器原理與設計第1章熱交換器熱計算的基本原理ppt課件熱交換器原理與設計第1章熱交換器熱計算的基本原理ppt課件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，ηL—對外熱損失系數(shù)，取0.97~0.981.1熱計算基本方程式1.1.2熱平衡方程式Mc稱為熱假設：(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熱量可以忽略不計。下標1、2分別代表熱冷流體。上標1撇和2撇分別代表進出口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)平均溫差假設：(1)冷熱流體的質(zhì)量流量qm2、qm1以及比熱容c2,在假設的基礎上，并已知冷熱流體的進出口溫度，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:dt1dt2t1t2對于熱流體:對于冷流體:在假設的基礎上，并已知冷熱流體的進出口溫度，現(xiàn)在來看圖中微元可見，當?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：可見，當?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)(3)(2)、(3)代入(1)中對數(shù)平均溫差(1)(2)(3)(2)、(3)代入(1)中對數(shù)平均溫差順流時：表明：熱流體從進口到出口方向上，兩流體間的溫差總是不斷降低的。順流時：表明：熱流體從進口到出口方向上，兩流體間的溫差總是不逆流時：當：不斷升高，當：不斷降低。逆流時：當：不斷對數(shù)平均溫差統(tǒng)一表示方法LMTD(logarithmic-meantemperaturedifference)表示始端和終端的最大的和最小的溫度差。式中：對數(shù)平均溫差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。平均溫差的另一種更為簡單的形式是算術(shù)平均溫差，即算術(shù)平均與對數(shù)平均溫差算術(shù)平均溫差相當于溫度呈直線變化的情況，因此，總是大于相同進出口溫度下的對數(shù)平均溫差，當時，兩者的差別小于4％；當時，兩者的差別小于2.3％。算術(shù)平均與對數(shù)平均溫差算術(shù)平均溫差相當于溫度呈直線變化的情況2復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，也就不可能自身進行混合，稱該氣體為非混合流。

2復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動，稱為混合流。但是管內(nèi)的流體屬于非混合流?；旌狭鳎汗茏硬粠С崞?，管外的氣流可以在橫向自由的隨意的運動，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，一般設計時要>0.9，<0.75時，認為設計不合理。恒不大于0或≤13、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。P<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R的含義：冷流體的熱容量與熱流體的熱容量之比，R>1，R=1,或者R<1。則:可以表示為P和R及的函數(shù)R的含義：冷流體的熱容量與熱流體的熱容量之比，R>1，R=為了簡化的計算，引入兩輔助參數(shù)：溫度效率熱容量比的實際吸熱量與最大可能的吸熱量的比率，其值恒小于1冷流體的熱容量與熱流體的熱容量之比，其值可以大于1、等于1、小于1對于某種特定的流動形式，是、的函數(shù)，即：冷流體為了簡化的計算，引入兩輔助參數(shù)：溫度效率熱容量比的實際吸例如對于殼側(cè)為一個流程、管程為偶數(shù)流程的殼管式熱交換器，其值為：（推導得出）兩種流體中只有一種橫向混合的錯流式熱交換器，其值為：溫度修正系數(shù)與流體的流動形式有關，而與流體的性質(zhì)無關例如對于殼側(cè)為一個流程、管程為偶數(shù)流程的殼管式熱交換器，其對于某種特定的流動形式，是輔助參數(shù)P、R的函數(shù)該函數(shù)形式因流動方式而異。對于只有一種流體有橫向混合的錯流式熱交換器，可將輔助參數(shù)的取法歸納為：

值的計算公式可以從表1.1查得。在工程上為了使計算方便，通常將求取的公式繪成線圖，我們可以查圖求得。對于某種特定的流動形式，是輔助參數(shù)P、R的函數(shù)對于只有一管殼式換熱器的。圖1<1－2>、<1－4>等多流程管殼式換熱器的修正系數(shù)

管殼式換熱器的。圖1<1－2>、<1－4>等多流程管交叉流式換熱器的圖2<2－4>、<2－8>等多流程管殼式換熱器的修正系數(shù)

交叉流式換熱器的圖2<2－4>、<2－8>等多流程管殼對于其它的叉流式換熱器，其傳熱公式中的平均溫度的計算關系式較為復雜，工程上常常采用修正圖表來完成其對數(shù)平均溫差的計算。具體的做法是：（a）由換熱器冷熱流體的進出口溫度，按照逆流方式計算出相應的對數(shù)平均溫差；（b）從修正圖表由兩個無量綱數(shù)查出修正系數(shù)(c)最后得出叉流方式的對數(shù)平均溫差對于其它的叉流式換熱器，其傳熱公式中的平均溫度的計算關系式較圖3交叉流，兩種流體各自都不混合時的修正系數(shù)

圖3交叉流，兩種流體各自都不混合時的修正系數(shù)圖4一次交叉流，一種流體混合、一種流體不混合時的修正系數(shù)圖4一次交叉流，一種流體混合、一種流體不混合時的修正系數(shù)

練習：練習：關于的注意事項（1）值取決于無量綱參數(shù)P和R式中：下標1、2分別表示兩種流體，上角標`表示進口，``表示出口，圖表中均以P為橫坐標，R為參量。（3）R的物理意義：兩種流體的熱容量之比（2）P的物理意義：流體2的實際溫升與理論上所能達到的最大溫升之比，所以只能小于1（4）對于管殼式換熱器，查圖時需要注意流動的“程”數(shù)關于的注意事項式中：下標1、2分別表示兩種流體，上角標（5）Ψ值總是小于或者等于1。從Ψ值的大小可以看得出來某種流動方式在給定的工況下接近逆流的程度。（6）Ψ設計中最好使Ψ>0.9，若Ψ<0.75就認為不合理。出于降低壁溫的目的，除外。（7）當R超過線圖所表示的范圍或者當某些區(qū)域的Ψ值不易讀準時，可以用P’和R’查圖。（5）Ψ值總是小于或者等于1。從Ψ值的大小可以看得出來某種流P’和R’的含義為：把熱交換器中的兩種流體交換后，即下標1改成冷流體，下標2改成熱流體后，以P和R以P’和R’表示。P’和R’的含義為：把熱交換器中的兩種流體交換后，即下標1改各種流動形式的比較順流和逆流是兩種極端情況，在相同的進出口溫度下，逆流的最大，順流則最??；順流時，而逆流時，則可能大于，可見，逆流布置時的換熱最強。InOutInOut各種流動形式的比較順流和逆流是兩種極端情況，在相同的進出口溫(3)一臺換熱器的設計要考慮很多因素，而不僅僅是換熱的強弱。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，對于高溫換熱器，又是需要故意設計成順流。xTInOutxTInOut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。(3)一臺換熱器的設計要考慮很多因素，而不僅僅是換熱的強弱熱交換器原理與設計第1章熱交換器熱計算的基本原理ppt課件熱交換器原理與設計第1章熱交換器熱計算的基本原理ppt課件熱交換器原理與設計第1章熱交換器熱計算的基本原理ppt課件例題110-9、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）1－2型熱交換器；（4）2－4型熱交換器；（5）順流布置。例題110-9、已知，熱交換器原理與設計第1章熱交換器熱計算的基本原理ppt課件熱交換器原理與設計第1章熱交換器熱計算的基本原理ppt課件三、流體比熱或傳熱系數(shù)變化時的平均溫差當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)為線性關系。1.流體比熱變化時的平均溫差三、流體比熱或傳熱系數(shù)變化時的平均溫差當流體的比熱不隨時間變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2～3倍）應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。積分平均溫差的計算出發(fā)點：如果在討論的溫度范圍內(nèi)，比熱隨溫度各段的傳熱面總傳熱面各段的傳熱面總傳熱面使用情況（1）當熱交換過程，一種流體處于冷卻并冷凝，過冷，或加熱并沸騰過熱時，相當于比熱發(fā)生劇烈變化的情況，應當考慮分段計算。（2）當熱流體含有不凝結(jié)氣體，這時所放出的熱量不與溫度的變化成正比，這時也應當分段計算平均溫差。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。使用情況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

—某段傳熱量

—某段傳熱系數(shù)

—某段平均溫差

—某段傳熱面積—某段傳熱量—某段傳熱如果傳熱系數(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。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『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：『例』有一蒸氣加熱空氣的熱交換器，它將質(zhì)量流量為21600k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冷卻段的平均溫差:冷卻段的平均溫差:冷凝段的平均溫差為:總的平均溫差：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”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qm1c1≤qm2c2時，則b當qm2c2≤qm1c1時，則于是可得：1.3傳熱有效度1.3.1傳熱有效度的定義既“傳熱學”中的效能-傳熱單元定義傳熱單元數(shù)NTU(NumberofTransferUnit)則順流時，1.3.2順流和逆流時的傳熱有效度1.3傳熱有效度定義傳熱單元數(shù)NTU(NumberofTransfer逆流時1.3.2順流和逆流時的傳熱有效度1.3傳熱有效度即逆流時1.3.2順流和逆流時的傳熱有效度1.3傳熱有效當冷熱流體之一發(fā)生相變時相當于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：當冷熱流體之一發(fā)生相變時相當于1.3.2順流和逆流時的傳順流：當兩種流體的熱容相等時順流時：逆流時：順流：當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傳熱有效度設計計算時，ε、Rc已知，由關系式或圖求NTU進而求換熱面積。由順流和逆流的傳熱有效度推導結(jié)果可知：1.3.2順流和逆流熱交換器原理與設計第1章熱交換器熱計算的基本原理ppt課件『例2』溫度為99℃的熱水進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（ε－NTU）熱水的熱容量

『例2』溫度為99℃的熱水進入一個逆流熱交換器，解：方法一冷水的熱容量

由比較知道：

熱平衡關系：

冷水的熱容量由比較知道：熱平衡關系：熱交換器原理與設計第1章熱交換器熱計算的基本原理ppt課件方法二：平均溫差法代入方法二：平均溫差法代入『練習題』溫度為90℃的熱水進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（ε－NTU）『練習題』溫度為90℃的熱水進入一個逆流熱交換器，將10℃冷水的熱容量

由比較知道：

熱平衡關系：

熱水的熱容量

冷水的熱容量由比較知道：熱平衡關系：熱水的熱容量熱交換器原理與設計第1章熱交換器熱計算的基本原理ppt課件方法二：平均溫差法代入方法二：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)<2-4>型換熱器(4)兩種流體都不混合的錯流式換熱器(1)<1-2>型換熱器1.3.2其他流動方式時的傳熱有效度1.3傳熱有效度(熱交換器原理與設計第1章熱交換器熱計算的基本原理ppt課件熱交換器原理與設計第1章熱交換器熱計算的基本原理ppt課件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)設計計算：校核計算：設計一個新的換熱器，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，在非設計工況條件下，核算他能否完成規(guī)定的新任務。(9-14)(9-15)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需要給定其中的5個變量，才可以進行計算。取決于進出口溫度和換熱器的型式，不是獨立變量。因此，上面的兩個方程中共有8個未知數(shù)，即由(9-15)進出口4個溫度只有3個是獨立變量。(9-14)(9-15)設計計算：給定qm1c1，qm2c2，以及進出口溫度中的三個，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.換熱器熱計算概述需要給定其中的5個變量，才可以進行計算。取決于進出口溫度和換換熱器的熱計算有兩種方法：直接應用傳熱方程和熱平衡方程進行熱計算，具體步驟為：2.平均溫差法：設計計算（已知qm1c1,qm2c2及三個溫度，求k,A）

初步布置換熱面，并計算出相應的總傳熱系數(shù)k(2)根據(jù)給定條件，由熱平衡式求出進、出口溫度中的那個待定的溫度。(3)由冷熱流體的4個進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換熱器的熱計算有兩種方法：直接應用傳熱方程和熱平衡方程進行熱1.4換熱器計算方法比較校核計算(已知A,qm1c1,qm2c2及2個進口溫度，求)2.平均溫差法：(1)先假設一個出口溫度，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出口溫度下的

(5)根據(jù)4個進出口溫度，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(1)~(6)，直至滿足精度要求。1.4換熱器計算方法比較校核計算(已知A,qm1c13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，對于設計計算是已知，求NTU，求解過程與平均溫差法相似。設計計算設計計算時已知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，仍需要假設一個出口溫度，具體如下：已知A,qm1c1,qm2c2及2個進口溫度，求①

假設一個出口溫度，利用熱平衡式計算另一個②利用四個進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)k③利用k,A計算NTU④利用