第1章_热交换器基本原理【《热交换器原理与设计》课件】

热交换器原理与 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 （第6版）史美中王中铮PPT编制：李新国天津大学机械学院热能系按热量传递方式分：换热器分类与型式1换热器的定义：将某种流体的热量以一定的传热方式传递给他种流体的设备。2换热器的分类：按两种流体的相对流动方向分：顺流、逆流、顺逆混合流、交叉流按用途分：1.加热器：2.预热器：3.过热器：4.冷却器：5.蒸发器：6.冷凝器：7.再沸器：用于把流体加热到所需的温度。用于流体的预热，以提高整套工艺装置的效率。用于加热饱和蒸汽，使其达到过热状态。用于冷却流体，使其达到所需温度。用于加热液体，使其蒸发汽化。用于冷却凝结性饱和蒸汽，使其放出潜热而凝结液化。用于加热已被冷凝的液体，使其再受热汽化。为蒸馏过程专用设备。1.间壁式换热器（表面式换热器、间接式换热器）冷、热流体被固体壁面隔开，互不接触，热量由热流体通过壁面传递给冷流体。形式多样，应用广泛。适于冷、热流体不允许混和的场合。如各种管壳式、板式结构的换热器。按热量传递方式分：2.混合式换热器(直接接触式)冷、热流体直接接触，相互混合传递热量。特点：结构简单，传热效率高。适于冷、热流体允许混合的场合。如冷却塔、喷射式等。3.蓄热式换热器(回流式换热器、蓄热器)借助于热容量较大的固体蓄热体，将热量由热流体传给冷流体。有固体壁面，两流体并非同时，而是轮流与壁面接触。当与热流体接触，蓄热体接受热量，温度升高；与冷流体接触，将热量传给冷流体，蓄热体温度下降，达到换热目的。特点：结构简单，可耐高温，体积庞大，不能完全避免两种流体的混和。适于高温气体热量的回收或冷却。如回转式空气预热器。1.金属材料换热器常用的材料有碳钢、合金钢、铜及铜合金、铝及铝合金、钛及钛合金等。因金属材料导热系数大，故此类换热器的传热效率高。2.非金属材料换热器常用的材料有石墨、玻璃、塑料、陶瓷等。因非金属材料导热系数较小，故此类换热器的传热效率较低。常用于具有腐蚀性的物系。按材料分：1.管式换热器通过管子壁面进行传热的换热器。按传热管结构形式可分为管壳式换热器、蛇管式换热器、套管式换热器、翅片式换热器等。2.板式换热器通过板面进行传热的换热器。按传热板的结构形式可分为平板式、螺旋板式、板翅式等。3.特殊形式换热器根据工艺特殊要求而设计的具有特殊结构的换热器。如回转式、热管式换热器等。按传热面形状和结构分管壳式换热器的外形内部构造管壳式换热器端部流程安排多流程焊接式换热器1热交换器热计算基本原理设计性计算校核性计算设计新换热器，确定其面积。但同样大小的传热面积可采用不同的构造尺寸，而不同的构造尺寸会影响换热系数，故一般与结构计算交叉进行。针对现有换热器，确定流体的进出口温度。了解其在非设计工况下的性能变化，判断其是否能满足新的工艺要求。热(力)计算是换热器设计的基础以间壁式换热器为基础介绍换热器的热（力）计算，其他形式的换热器计算 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 相同。1.1热计算基本方程1.传热方程：Q=k·F·ΔtmQ=k·Δt·dF2.热平衡方程热容量：W=M·CQ=W1·Δt1=W2·Δt2(W/℃)平行流：顺流和逆流顺流逆流ColdfluidHotfluidColdfluidHotfluidxtt1t2t’t”xtt1(hot)t2(cold)t’t”对顺、逆流的传热温差 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 ，作如下假设：1.冷热流体的质量流量和比热保持定值；2.传热系数是常数；3.热交换器没有热损失；4.沿流动方向的导热量可以忽略不计；5.同一种流体从进口到出口，不能既有相变又有单相对流换热。要计算整个换热的平均温差，首先需要知道温差随换热面的变化，即Δtx=f(Fx)，然后再沿整个换热面积进行平均。1.2平均温差1.2.1流体的温度分布1.2.2顺流、逆流下的平均温差�EMBEDPhotoshop.Image.6\s���_1081667671.psd以顺流为例：已知冷热流体的进出口温度，针对微元换热面dF一段的传热，温差为：Δt=t1–t2→dΔt=dt1–dt2通过微元面dF，两流体的换热量为:dQ=k·Δt·dF分别对热流体与冷流体:热流体：冷流体：对逆流：Δt=t1–t2→dΔt=dt1–dt2dQ=k·Δt·dF热流体：冷流体：+：顺流-：逆流+：顺流-：逆流当Fx=F时，Δtx=Δt"顺流与逆流的区别：顺流：逆流：将对数平均温差写成统一形式(顺/逆流都适用)当时，两者的差别小于4％；当时，两者的差别小于2.3％。算术平均温差平均温差另一种更为简单的形式是算术平均温差，即：*以顺流的温度图为例，说明这一点，对于逆流情况，则很难用图表示算术平均温差大于对数平均温差(a)两种流体不混合(b)一种流体混合，另一种不混合图1.4错流热交换器实际换热器一般处于顺流和逆流之间，更多的是多流程、错流的复杂流动。1.2.3其它流动方式下的平均温差�EMBEDPhotoshop.Image.6\s���_1081678184.psd板式板翅式�EMBEDPhotoshop.Image.6\s���_1081678339.psd管翅式对这种复杂流动，数学推导将非常复杂。可以在纯逆流的对数平均温差基础上进行修正，以获得其它流动方式的平均温差。Δtm=Δtlm,c系数称为温差修正系数，它表明流动方式接近逆流的程度。Δtlm,c是给定冷、热流体的进出口温度布置成逆流时的平均温差。关于：（1）定义无量纲参数P和R（2）P的物理意义：冷流体的实际温升与理论所能达到的最大温升之比（<1）（3）R的物理意义：两种流体的热容量之比。=f(P、R)P’=P·RR’=1/R→温度效率(1.22)1)热流体在管外为一个流程，冷流体在管内先逆后顺两个流程<1–2>型热交换器先顺后逆<1-2>型适用；并且<1-2n>型也可近似使用<1－2>型热交换器ψ的计算热平衡：W1(t′1–t″1)=W2(t″2–t′2)(a)x=x到x=L段的热平衡：W1(t′1–t1)=W2(t2b–t2a)　(b)微元段dx内，设热流体放热量dQ1，冷流体第一流程吸热量dQ′2，第二流程吸热量dQ″2，则：dQ1=W1dt1；dQ′2=W2dt2；dQ″2=–W2dt2b故：W1dt1=W2(dt2a–dt2b)　(c)若整以S表示每一流程中单位长度上的传热面积，则：W2dt2a=KS(t1–t2a)dx　　(d)W2dt2b=–KS(t1–t2b)dx　(e)将式(d)、(e)代入式(c)得:(f)将此式对x微分，则:(g)将式(d)、(e)代入式(g)：(h)将式(b)代入式(h)并整理：(i)此为壳侧流体温度沿流动方向的微分方程。为求解此式，引入新变量：Z=t′1–t1　　(j)t′1为热流体起始温度，看作常量，(i)式变成：(k)此为二阶齐次线性常微分方程，设其解为：Z=emx　　(l)代入式(k)中，则为(m)解此一元二次方程，可得到m的两个解：(1.17)式中：因此，由式(l)可得式(k)的通解：(n)待定常数Ma、Mb可由边界条件确定x=0时　t1=t″1　或　Z=t′1–t″1x=L时　t1=t′1　或　Z=0将其代入式(n)中，可求出待定常数：(p)将式(p)代入(n)，则：(q)式(q)表示了壳侧流体温度沿距离x的变化规律。若对式(n)x求导，可得壳侧流体温度的变化率：(r)将式(f)代入式(r)，考虑到边界条件：x=0时，t1=t″1，t2a=t′2，t2b=t″2则：(s)将式(1.17)、(p)确定的ma、mb及Ma、Mb代入式(s)：(t)整理得:(1.18)同除以exp(mbL)，得到：(u)根据式(1.17)，有：(v)对热交换器，结合传热方程和热平衡方程：2KSLΔtm=W1(t′1–t″1)其中2SL=F为传热面积，所以：(w)由式(u)、(v)，得：(x)将式(x)代入式(w)，并考虑到:(y)整理，得到平均温差的公式：(1.19)由辅助函数P、R，将上式(1.19)改写成：(1.20)使式(1.20)与(1.21)相等，整理得：(1.22)可见，该流动方式的平均温差可直接用式(1.19)、(1.20)计算，或用式(1.13)计算，其中的ψ值则用式(1.22)算出。对先顺流后逆流<1－2>，式(1.22)也是适用的。由式(1.13)及(1.16)，有：(1.21)2)两种流体中只有一种流体有横向混合的错流式热交换器(1.24)图1.8　<1–2>型热交换器的ψ值图1.9　一个流程顺流，两个流程逆流的热交换器的ψ值图1.10　一个流程逆流，两个流程顺流的热交换器的ψ值图1.11　〈2–4〉型热交换器的ψ值图1.12　串联混合流型热交换器的ψ值图1.13　只有一种流体有横向混合的一次错流热交换器的ψ值图1.14　两种流体均无横向混合的一次错流热交换器的ψ值1.2.4流体比热或传热系数变化时的平均温差图1.15Q–t图Q=MCdt各段传热面：ΔFi=Δqi/KiΔti，所以总传热面：　(a)又：　　　(b)使式(a)和(b)相等，并假定各段的传热系数相同，可得总的平均温差，即积分平均温差(Δtm)int：(Δtm)int=(1.27)[例1.1]有一蒸汽加热空气的热交换器，它将质量流量为21600kg/h的空气从10℃加热到50℃。空气与蒸汽逆流，其比热为1.02kJ/(kg℃)，加热蒸汽系压力P=0.2MPa，温度为140℃的蒸汽，在热交换器中被冷却为该压力下的饱和水。试求其平均温差。[解]由水蒸气的热力性质表查的蒸汽有关状态参数为：饱和温度ts=120.23℃；饱和蒸汽焓i″=2707kJ/kg过热蒸汽焓i=2749kJ/kg；汽化潜热r=2202kJ/kg于是可算出整个热交换器的传热量：从热平衡关系求蒸汽耗量M1：热交换器中存在冷却和冷凝段，分为两段计算，如图1.16所示。过热蒸汽的冷却段放出的热量：冷凝段，则为：求两分段分界处的空气温度ta：　　　　图1.16冷却段之平均温差：可见，由于过热度不是很大，过热蒸汽的冷却段在整个热交换器中所起的作用不是很大，因而即使以冷凝段的参数来计算，其误差也很小。冷凝段之平均温差：总平均温差：作业：按图中所给定参数，其中制冷剂流量1kg/s，分段计算冷凝器的对数平均温差和总的对数平均温差。1.3.1传热有效度的定义传热有效度基于如下思想：当换热器无限长，对逆流换热器，则会发生如下情况：a.当W1≤W2时，t1″→=t2′则：Qmax=W1(t1′–t2′)b.当W2≤W1时，t2″→=t1′则：Qmax=W2(t1′–t2′)于是有：Qmax=Wmin(t1′–t2′)1.3传热有效度“传热学”中的效能–传热单元数方法*因为逆流换热器的换热最强，在相同进出口温度的情况下，传递的热量最大，因此，要想得到最大可能的换热量，必须采用逆流换热器作为例子但实际传热量Q总是小于可能的最大传热量Qmax，将Q/Qmax定义为传热有效度，并用表示，即： 换热器效能定义： 换热器的实际传热量与理论上最大可能的传热量之比。 如已知，则实际传热量为：Q=Wmin(t1′–t2′)W1≤W2W2≤W1*因为逆流换热器的换热最强，在相同进出口温度的情况下，传递的热量最大，因此，要想得到最大可能的换热量，必须采用逆流换热器作为例子式①，②相加：①②1.3.2顺流和逆流时的传热有效度根据热平衡：即：假设：W1≤W2顺流代入两个公式合并，得：当W2≤W1时，同样的推导过程可得：定义传热单元数NTU(NumberofTransferUnit)则顺流时：同理可推导逆流：逆流：顺流：◆当冷热流体之一发生相变，或相当于Wmax→∞，即Rc=Wmin/Wmax→0，效能公式可简化为：=1–exp(-NTU)◆当两种流体的热容相等，即：Rc=Wmin/Wmax=1公式可以简化为：顺流：逆流：罗必塔法则图1.18顺流热交换器的图1.19逆流热交换器的效能-传热单元数关系—NTU： 效能一般均随NTU的增大而增大，但有的达到一定NTU后趋于饱和。过分增大换热器面积没有意义。 效能随R的减小而增加。 R为零时，所有的曲线相同。 逆流换热优于顺流。设计计算: 根据能量守恒关系求出未知出口温度； 初选流道布置 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 并计算两侧表面传热系数和总传热系数； 求换热器效能及R； 求出NTU，进而得到换热面积； 若与初选面积不同，修改布局重新计算。—NTU方法的应用校核计算: 根据已知传热面积、总传热系数和较小侧热容W可直接求出NTU值； 由R和NTU值，选取相应的公式或曲线求得换热器效能； 由求出小W流体的出口温度，再由能量守恒得到另一出口温度。【例1.3】温度为99℃的热水进入一个逆流交换器，将4℃的冷水加热到32℃。热水流量为9360kg/h，冷水流量为4680kg/h，传热系数为830W/(m2·℃)，试计算该热交换器的传热面积和传热有效度。 解：按 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 意可将温度工况示意如下： t1′=99℃热水t1″=? t2″=32℃冷水t2′=4℃ 热水热容量W1=9360/3600×4186=10883.6W/℃ 冷水热容量W2=4680/3600×4186=5441.8W/℃ 因而W1=Wmax，W2=Wmin 热平衡关系10883.6×(99–t1″)=5441.8×(32–4) 故：t1″=85℃而Rc=W2/W1=5441.8/10883.6=0.5, 所需传热面积仍为：F=5441.8×28/830×73.8=2.49m2 若用热流体的温度效率计算ε、Rc、NTU三值时，可得：ε1=0.147，Rc1=2，NTU1=0.19，而F仍为2.49m2。 例在一传热面积为15.8m2的逆流套管换热器中，用油加热冷水。油的流量为2.85kg/s，进口温度为110℃；水的流量为0.667kg/s，进口温度为35℃。油和水的平均比热分别为1.9kJ/(kg·℃)及4.187kJ/(kg·℃)。换热器的总传热系数为320W/(m2·℃)。求水的出口温度。 解：W1=M1C1=2.85×1900=5415W/℃ W2=M2C2=0.667×4180=2788W/℃ 故冷流体水为最小值流体，则：Rc=Wmin/Wmax=2788/5415=0.515 NTU=KF/Wmin=320×15.8/2788=1.8<1－2>型热交换器该型热交换器的传热有效度可直接按式(1.18)作进一步分析：S为每一流程单位长度上的传热面积，故：假定热流体是小热容量流体，故：1.3.3其他流动方式时的传热有效度(a)(b)将其代入式(1.18)，得：令，则式(a)之左等于：(c)(1.42)式(a)之右，由于：故：式(a)简化：得到：〈1－2n〉型图1.20　<1–2>型热交换器的ε图1.22　<2–4>型热交换器的ε〈2－4n〉(a)两种流体都不混合(b)一种流体混合，另一种流体不混合图1.4错流热交换器图1.24二次错流图1.25三次错流无混合的错流ε=1–exp[Rc(NTU)0.2{exp[-Rc(NTU)0.78]–1}](1.45)有混合的1次错流有混合的2次错流有混合的3次错流(1.43)(1.46)(1.47)图1.23两种流体都不混合的错流热交换器图1.21两种流体中仅有一种混合的错流热交换器【例1.4】有一管式空气换热器，烟气流过管内，在管程间有横向混合，如图1.26所示，已知其传热面积F=1353m2，传热系数K=14W/(m2·℃)，烟气热容量W1=14460W/℃，进口温度t1′=465℃，空气热容量W2=10540W/℃，进口温度t2′=135℃，求烟气及空气的出口温度。 解：传热单元数：NTU=KF/Wmin=14×1353/10540=1.8 热容量比：Rc=Wmin/Wmax=10540/14460=0.729 分传热单元数(NTU)=1/2×NTU=1/2×1.8=0.9 查与本题相应的一次错流的线图1.21，得ε1=0.485于是可利用式（1.46）计算总的传热有效度： 空气出口温度： t2″=t2′+ε(t1′–t2′)=135+0.68∙(465–135)=359.4℃ 由热平衡可求出烟气出口温度： t1″=t1′–Rc(t2″–t2′)=465–0.729∙(359.4–135)=301.4℃t1′t2′t2″t1″图1.26例1.4附图1.4热交换器热计算方法的比较★传热方程：Q=KFΔtm=K·F·f(t1′，t1″，t2′，t2″)★热平衡方程：Q=W1(t1′–t1″)=W2(t2″–t2′)共七个基本量：(KF)，W1，W2，t1′，t1″，t2′，t2″必须事先给出五个才能进行计算。采用平均温差法或传热单元数法都可得到相同的结果，但具体步骤有所不同。◇设计性热计算，平均温差法和传热单元数法在繁简程度上没有多大差别。但平均温差法，通过ψ大小可判断流动方式与逆流之间的差距，有利于流动型式的比较。◇校核性热计算，两种方法都要试算。某些情况下，K已知时，采用传热单元数法更加方便。◇设计性热计算，最好采用平均温差法；校核性热计算，传热单元数法能显出更大的优越性。1.5流体流动方式的选择1)在给定的温度工况下，保证获得较大的平均温差，以减小传热面积。2)使流体本身的温度变化(Δt1或Δt2)尽可能大，使流体的热量得到合理利用，并可节省泵或风机的投资与能量消耗。3)尽可能使传热面的温度比较均匀，并使其在较低的温度下工作。4)应有最好的传热工况，以便得到较高的传热系数，起到减小传热面积的作用。1.5.1顺流和逆流 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Δtm最大，顺流则最小；其它介于顺、逆流之间。 逆流时，冷流体t2″则可能大于热流体t1″；顺流时t2″<t1″，因此逆流时冷、热流体的温度变化Δt可以比较大。不能片面追求高的Δt，高的Δt使热交换器两端温差Δt′和Δt″有所降低，使平均温差Δtm有相当程度的降低。(3)是不是所有的换热器都设计成逆流形式最好？NO！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。(4)对有相变的换热，如蒸发器和冷凝器，发生相变的流体温度不变，所以不存在顺流与逆流的问题。1.5.2混流和错流•混流和错流的平均温差介于顺流和逆流之间。•混流或错流的选择也不是完全从热工角度出发，更多的是由结构所决定。•为了获取最大的热回收量，冷流体终温t2″必须尽可能的高。•趋近温度：t1″–t2″•温度交叉：t2″>t1″图1.28<1-2>型与<2-4>型热交换器中的温度分布表1.2不同情况下的ψ值<2-4>型Ψ=0.928 项目 第一种情况 第二种情况 第三种情况 流体温度(℃) t1′=340t1″=240 t1′=300t1″=200 t1′=270t1″=170 t2′=90t2″=190 t2′=100t2″=200 t2′=90t2″=190 δt1=100δt2=100 δt1=100δt2=100 δt1=100δt2=100 趋近温度(t″1-t″2)(℃) 50 0 温度交叉20 P 0.4 0.5 0.56 R 1 1 1 ψ 0.92 0.8 0.64增加管程和壳程t1′t1″t2′t2″*以顺流的温度图为例，说明这一点，对于逆流情况，则很难用图表示算术平均温差大于对数平均温差*因为逆流换热器的换热最强，在相同进出口温度的情况下，传递的热量最大，因此，要想得到最大可能的换热量，必须采用逆流换热器作为例子*因为逆流换热器的换热最强，在相同进出口温度的情况下，传递的热量最大，因此，要想得到最大可能的换热量，必须采用逆流换热器作为例子