傳熱學(xué)教學(xué)課件第九章 第三節(jié) 換熱器的熱計(jì)算

1、第三節(jié)換熱器的熱計(jì)算,本節(jié)主要介紹換熱器熱計(jì)算的任務(wù)、原理和方法 換熱器熱計(jì)算的任務(wù) 換熱器熱計(jì)算的原理 換熱器熱計(jì)算的方法,換熱器熱計(jì)算的任務(wù),設(shè)計(jì)計(jì)算：根據(jù)給定的要求，設(shè)計(jì)一個(gè)新的換熱器，以確定換熱器所需要的換熱面積。 校核計(jì)算：對(duì)已有的或已選定的換熱器，在非設(shè)計(jì)工況下進(jìn)行校核，以確定其出口溫度是否能滿足規(guī)定的換熱任務(wù)。,換熱器熱計(jì)算的原理,傳熱方程 熱平衡方程 上述三個(gè)方程中共包含8個(gè)變量，所以必須給定其中的5個(gè)變量才能進(jìn)行計(jì)算。,換熱器熱計(jì)算的方法,平均溫差法 ：所謂平均溫差法，就是直接利用傳熱方程和熱平衡方程進(jìn)行熱計(jì)算的方法。 效能傳熱單元數(shù)法：利用換熱器的效能和傳熱單元數(shù)之間的關(guān)系

2、進(jìn)行換熱器熱計(jì)算的方法稱為效能傳熱單元數(shù)法。,平均溫差法作設(shè)計(jì)計(jì)算的步驟,初步布置換熱面，并計(jì)算出相應(yīng)的傳熱系數(shù)k； 根據(jù)給定的條件，由熱平衡方程求出進(jìn)、出口溫度中未知的溫度； 由冷、熱流體的4個(gè)進(jìn)、出口溫度，按照換熱器的布置型式來(lái)確定平均溫差，計(jì)算時(shí)要注意保持修正系數(shù)具有合適的數(shù)值； 由傳熱方程求出所需的傳熱面積A，并核算換熱面兩側(cè)流體的流動(dòng)阻力； 如流動(dòng)阻力過(guò)大，改變方案重新設(shè)計(jì)。,平均溫差法作校核計(jì)算的步驟,先假定一個(gè)流體的出口溫度，由熱平衡方程求出另一個(gè)流體的出口溫度； 由4個(gè)進(jìn)、出口溫度，根據(jù)換熱器的布置型式，求得平均溫差 ； 根據(jù)換熱器的結(jié)構(gòu)，算出相應(yīng)工作條件下的傳熱系數(shù)的數(shù)值；

3、由傳熱方程計(jì)算換熱器的傳熱量。因?yàn)榱黧w的出口溫度是假設(shè)的，因此求出的值未必就是真實(shí)的數(shù)值； 由4個(gè)進(jìn)、出口溫度，用熱平衡方程求得傳熱量。同理，這個(gè)值也是假設(shè)性的；,平均溫差法作校核計(jì)算的步驟,6. 比較步驟4和5中求得的兩個(gè)換熱量值。一般說(shuō)來(lái)，兩者總是不同的。這說(shuō)明步驟1中假設(shè)的溫度值與實(shí)際溫度不符。所以，重新假設(shè)一個(gè)流體的出口溫度，重復(fù)以上步驟1至6，直到由步驟4和5求得的兩個(gè)換熱量值彼此接近為止。至于兩者接近到何種程度方稱滿意，則由所要求的計(jì)算精度而定。一般認(rèn)為兩者之差應(yīng)小于2-5。,平均溫差法的特點(diǎn),由上面介紹的計(jì)算步驟可以看出： 用平均溫差法作設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，可根據(jù)已知條件直接計(jì)算出平均溫

4、差，進(jìn)而求得換熱面積； 而用平均溫差法作校核計(jì)算時(shí)，需要進(jìn)行試算，因此計(jì)算工作量大而且煩。 所以下面介紹其他的計(jì)算方法，即效能傳熱單元數(shù)法。,換熱器熱計(jì)算的效能傳熱單元數(shù)法,主要介紹效能的定義、計(jì)算； 傳熱單元數(shù)的定義； 不同類型的換熱器其效能和傳熱單元數(shù)之間的關(guān)系； 應(yīng)用該方法作換熱器熱計(jì)算的步驟。,效能的定義,換熱器效能用 表示，其定義為 式中，分母為流體在換熱器中可能發(fā)生的最大溫差，而分子則為冷流體或熱流體在換熱器中的實(shí)際溫差中較大者。 當(dāng)冷流體的溫度變化較大時(shí)， 當(dāng)熱流體的溫度變化較大時(shí) ，,效能的物理意義和用途,物理意義：由其定義式可見(jiàn)，換熱器的效能實(shí)際上表示換熱器中流體的實(shí)際換熱量

5、與可能出現(xiàn)的換熱量之比，或者說(shuō)，換熱器的實(shí)際換熱效果與可能出現(xiàn)的換熱效果之比。 當(dāng)換熱器的效能已知時(shí)，可由兩種流體的進(jìn)口溫度差求換熱器的換熱量。,效能的計(jì)算,主要尋找效能與換熱器的換熱面積、傳熱系數(shù)及流體熱容量之間的關(guān)系。 以順流布置為例進(jìn)行推導(dǎo)。 當(dāng) 時(shí)，效能的定義式為 根據(jù)熱平衡方程式，有,順流布置時(shí)效能的計(jì)算式,順流布置時(shí)效能的計(jì)算式,將上述兩個(gè)式子合并，可以得到,傳熱單元數(shù),定義：我們將NTU稱為傳熱單元數(shù)，它是英文Number of Transfer Unit 的縮寫。是換熱器設(shè)計(jì)中的一個(gè)無(wú)量鋼數(shù)，在一定意義上可看成是換熱器Ak值的大小的一種度量。其定義式為,逆流布置時(shí)效能的計(jì)算式,

6、一種流體發(fā)生相變時(shí)效能的計(jì)算式,當(dāng)冷、熱流體之一發(fā)生相變，即 趨于無(wú)窮大時(shí)，此時(shí)換熱器效能計(jì)算式可簡(jiǎn)化為,兩種流體的熱容量相等時(shí)效能的計(jì)算式,順流時(shí) 逆流時(shí),復(fù)雜布置時(shí)效能的計(jì)算,對(duì)于比較復(fù)雜的流動(dòng)型式，效能的計(jì)算式可參考相關(guān)的文獻(xiàn)，這里將不再贅述。為便于工程計(jì)算，這些復(fù)雜流動(dòng)型式換熱器的效能計(jì)算式已被繪制成線算圖備查。,順流換熱器效能計(jì)算圖,逆流換熱器效能計(jì)算圖,雙殼程多管程換熱器效能計(jì)算圖,流體不混合一次交叉流換熱器效能計(jì)算圖,一種流體混合一次交叉流換熱器效能計(jì)算圖,用效能傳熱單元數(shù)法作設(shè)計(jì)計(jì)算的步驟,初步布置換熱面，并計(jì)算出相應(yīng)條件下的傳熱系數(shù)； 按照給定的條件，由熱平衡方程計(jì)算出進(jìn)、出

7、口溫度中那個(gè)待定的溫度； 根據(jù)效能的定義式，計(jì)算效能的數(shù)值； 由效能傳熱單元數(shù)的關(guān)系式或圖計(jì)算傳熱單元數(shù)的數(shù)值； 由傳熱單元數(shù)的定義式，確定所求換熱器的面積A，并校核換熱器兩側(cè)流體的流動(dòng)阻力； 如流動(dòng)阻力過(guò)大，改變方案重新設(shè)計(jì)。,用效能傳熱單元數(shù)法作校核計(jì)算的步驟,根據(jù)換熱器的結(jié)構(gòu)，算出相應(yīng)條件下的傳熱系數(shù)k的值； 根據(jù)NTU的定義式，算出NTU的數(shù)值； 根據(jù)換熱器中兩種流體的熱容量值及NTU的值，由 關(guān)系式計(jì)算出換熱器的效能； 由效能的定義式計(jì)算出一個(gè)出口溫度； 由熱平衡方程算出另一個(gè)出口溫度。,對(duì)校核計(jì)算的特別說(shuō)明,在做校核計(jì)算時(shí)，為了算出NTU，同樣需要假定流體的出口溫度以獲得k值。 但

8、出口溫度對(duì)k的影響是通過(guò)定性溫度來(lái)體現(xiàn)的，顯然遠(yuǎn)不如對(duì)熱平衡熱量或平均溫差影響那么大，在這一點(diǎn)上效能傳熱單元數(shù)法有其一定的優(yōu)越性。,換熱器設(shè)計(jì)時(shí)的綜合考慮,換熱器設(shè)計(jì)是個(gè)綜合性的課題，必須考慮初投資、運(yùn)行費(fèi)用、安全可靠等因素，以達(dá)到最佳的綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)為目的。 換熱器的熱計(jì)算僅是這個(gè)綜合課題的一個(gè)局部組成，其他計(jì)算還有流動(dòng)阻力計(jì)算、材料強(qiáng)度計(jì)算及必要的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析與比較等。 設(shè)計(jì)換熱器時(shí)，要對(duì)影響傳熱效果的一些主要因素作全面的考慮。例如，提高流速固然可以增強(qiáng)傳熱，節(jié)省投資，但是往往使壓力增加，從而運(yùn)行費(fèi)用上升。 此外，運(yùn)行中的一些實(shí)際問(wèn)題在換熱器設(shè)計(jì)中也應(yīng)考慮。例如，應(yīng)當(dāng)根據(jù)換熱介質(zhì)及運(yùn)行條

9、件合理地選取污垢熱阻，并且應(yīng)當(dāng)把積垢嚴(yán)重的流體安排在殼管式換熱器的管程，這樣就可以利用機(jī)械清洗法來(lái)除垢，否則就不能用簡(jiǎn)便的機(jī)械清洗法，而只能用比較麻煩的化學(xué)清洗法，對(duì)維護(hù)保養(yǎng)不利。,換熱器的結(jié)垢和污垢熱阻,換熱器運(yùn)行一段時(shí)間后，換熱面上常會(huì)積起水垢、污垢、油垢、煙灰之類的覆蓋物垢層，有時(shí)還由于換熱面與流體的相互作用發(fā)生腐蝕而引起覆蓋物垢層。 所有這些覆蓋物垢層都表現(xiàn)為附加的熱阻，使傳熱系數(shù)減小，換熱器性能下降。 由于垢層厚度及其導(dǎo)熱系數(shù)難于確定，通常采用它所表現(xiàn)出來(lái)的熱阻值來(lái)作計(jì)算。這種熱阻稱為污垢熱阻，并記為 。,污垢熱阻的計(jì)算,污垢熱阻的計(jì)算式為 為潔凈換熱面的傳熱系數(shù)； 為有污垢的換熱面的傳熱系數(shù)。 污垢的產(chǎn)生增加了換熱器設(shè)備的沉余面積，對(duì)使用中的換熱器增加了其運(yùn)行費(fèi)用，因此污垢的抑制、監(jiān)測(cè)及清除等問(wèn)題一直是傳熱學(xué)界與工業(yè)界所關(guān)