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9-3 换热器的热计算 换热器热计算分两种情况：设计计算和校核计算 (1)设计计算：设计一个新的换热器，以确定所需的换热面积 校核计算：对已有或已选定了换热面积的换热器，在非设 计工况条件下，核算他能否胜任规定的新任务。,换热器热计算的基本方程式是传热方程式及热平衡式,式中， 不是独立变量，因为它取决于 以及换热器的布置。另外，根据公式(9-15)可是，一旦 和 以及 中的三个已知的话，我 们就可以计算出另外一个温度。因此，上面的两个方程 中共有8个未知数，即 需要给定其中的5个变量，才可以计算另外三个变量。 对于设计计算而言，给定的是 ，以及进出口 温度中的三个，最终求 对于校核计算而言，给定的一般是 ，以及2个进口 温度，待求的是,换热器的热计算有两种方法：平均温差法 效能-传热单元数(-NTU)法 平均温差法：就是直接应用传热方程和热平衡方程进行热 计算，其具体步骤如下： 对于设计计算（已知 ，及进出口温度中的三个，求 ） 初步布置换热面，并计算出相应的总传热系数k 根据给定条件，由热平衡式求出进、出口温度中的那个待定的温度 由冷热流体的4个进出口温度确定平均温差 由传热方程式计算所需的换热面积A，并核算换热面流体的流动阻力 如果流动阻力过大，则需要改变方案重新设计。,对于校核计算（已知 ，及两个进口温度，求 ） 先假设一个流体的出口温度，按热平衡式计算另一个出口温度 根据4个进出口温度求得平均温差 根据换热器的结构，算出相应工作条件下的总传热系数k 已知kA和 ，按传热方程式计算在假设出口温度下的 根据4个进出口温度，用热平衡式计算另一个 ，这个值和上面的 ，都是在假设出口温度下得到的，因此，都不是真实的换热量 比较两个 值，满足精度要求，则结束，否则，重新假定出口温度，重复(1)(6)，直至满足精度要求。,2 效能-传热单元数法 (1) 换热器的效能和传热单元数 换热其效能的定义是基于如下思想：当换热器无限长，对于一个逆流换热器来讲，则会发生如下情况 a 当 时， ，则 b 当 时， ，则 于是，我们可以得到 然而，实际情况的船热量q总是小于可能的最大传热量qmax，我们将q/qmax定义为换热器的效能，并用 表示，即,对于一个已存在的换热器，如果已知了效能 和冷热流体的进口温差，则实际传热量可很方便地求出 那么在未知传热量，之前， 又如何计算？和那些因素有关？ 以顺流换热器为例，并假设 ，则有 根据热平衡式得： 于是,式， 相加：,热容比,式代入下式得：,+,+,当 时，同样的推导过程可得：,上面的推导过程得到如下结果，对于顺流： 当 时,上面两个公式合并，可得：,换热器效能公式中的 依赖于换热器的设计， 则依赖于换热器的运行条件，因此， 在一定程度上表征了换热器综合技术经济性能，习惯上将这个比值（无量纲数）定义为传热单元数NTU，即 因此， 与顺流类似，逆流时：,当冷热流体之一发生相变时，相当于 ，即 ，于是上面效能公式可简化为,当两种流体的热容相等时，即 公式可以简化为,顺流：,逆流：,（ ，及两个进口温度，求 ）,(2) 用效能-传热单元数法计算换热器的步骤 a 设计计算 显然，利用已知条件可以计算出 ，而带求的k，A则包含在NTU内，因此，对于设计计算是已知 ，求NTU，求解过程与平均温差法相似，不再重复 b 校核计算 由于k事先不知，所以仍然需要假设一个出口温度，具体如下： 假设一个出口温度 ，利用热平衡式计算另一个 利用四个进出口温度计算定性温度，确定物性，并结合换热器结构，计算总传热系数k 利用k, A计算NTU,（ ，及进出口温度中的三个，求 ）, 利用NTU计算 利用(9-17)计算，利用(9-14)计算另一个 比较两个，是否满足精度，否则重复以上步骤,从上面步骤可以看出，假设的出口温度对传热量的影响不是直接的，而是通过定性温度，影响总传热系数，从而影响NTU，并最终影响 值。而平均温差法的假设温度直接用于计算 值，显然-NTU法对假设温度没有平均温差法敏感，这是该方法的优势。,3 换热器设计时的综合考虑 换热器设计是综合性的课题，必须考虑出投资，运行费用，安全可靠等诸多因素。 4 换热器的结垢及污垢热阻 污垢增加了热阻，使传热系数减小，这种热阻成为污垢热阻，用Rf表示， 式中：k为有污垢后的换热面的传热系数，k0为洁净换热面 的传热系数。,对于两侧均已结构的管壳式换热器，以管子外表面为计算依据的传热系数可以表示成： 如果管子外壁没有肋化，则肋面总效率o = 1。 管壳式换热器的部分污垢热阻可以在表9-1种查得。, 9-4 传热的强化和隔热保温技术 强化传热的目的：缩小设备尺寸、提高热效率、保证设备安全 削弱传热的目的：减少热量损失 根据不同的需求，对于实际传热的传热过程，有时需要强化，有时则需要削弱。显然，根据不同的传热方式，强化和削弱传热的手段应该不同，本节主要针对对流换热过程的强化和削弱 1 强化传热的原则和手段 (1) 强化换热的原则：哪个环节的热阻大，就对哪个环节采取强化措施。 举例：以圆管内充分发展湍流换热为例，其实验关联式为：,(2) 强化手段: a 无源技术(被动技术) ；b 有源技术(主动式技术) a 无源技术(被动技术)：除了输送传热介质的功率消耗外，无需附加动力 其主要手段有：涂层表面；粗糙表面(图9-28)；扩展表面(图9-29)；扰流元件(图9-30a)；涡流发生器(图9-30b) ；螺旋管(图9-30c) ；添加物； 射流冲击换热 b 有源技术(主动式技术)：需要外加的动力 其主要手段有：对换热介质做机械搅拌；使换热表面振动；使换热瘤体振动；将电磁场作用于流体以促使换热表面附近流体的混合；将异种或同种流体喷入换热介质或将流体从换热表面抽吸走。,对换热器而言，随着强化措施的完善，污垢热阻有时会成为传热过程的主要热阻，因此，需要给换热器的设计提供哈里的污垢热阻的数据，这就需要实验测定，可是实验测出来的是总表面传热系数，那么如何将总的传热系数分成各个环节的热阻呢？下面的威尔逊图解法提供了一种有效途径 2 确定传热过程分热阻的威尔逊图解法 利用数据采集系统可以测定壁面和流体的温度，从而获得平均温差，利用热平衡方程式获得热流量，换热面积可以根据设计情况获得，这样就可以通过传热方程式计算出总表面传热系数。这是威尔逊图解法的基础。 我们已管壳式换热器为例，说明如何应用威尔逊图解法获得各个分热阻。总表面传热系数可以表示成：,工业换热器中的管内流体的流动一般都是处于旺盛湍流状态，hi 与流速u0.8成正比，因此，可以写成 的形式，带入上式：,如果能保持ho不变，Rw壁面的导热热阻不会变化，Rf在短时间内不会有大的改变，因此，上式右边的前三项可认为是常数，用 b 表示，物性不变的情况下， 可以认为是 常数，用m表示，于是上式可变为 改变管内流速u，则可以测得一系列的总表面传热系数，然后绘制成图，则是一条直线，如图(9-31)所示,从这个图中可以获得b，m，和ci，从而，管子内侧的对流换热系数 这样就将内部热阻从总传热系数中分离出来，然后，当换热器运行一段时间后，再进行同样过程的测量，可以获得另外一条曲线，则两条曲线截距之差就是污垢热阻，这样又把污垢热阻分离出来了。 威尔逊图解法的前提是有一侧的换热热阻基本保持不变，有时候这格条件很难被满足，因此，后来人们提出了一种修正威尔逊图解法。,3 隔热保温技术 (1) 需求背景 (2) 高于环境温度的热力设备的保温多采用无机的绝热材料 (3) 低于环境温度时，有三个档次的绝热材料可供选择， a 一般性的绝热材料；b 抽真空至10Pa的粉末颗粒热 材料；c 多层真空绝热材料。 (4) 保温效率 0 单位长度裸管的散热量，W/m； x 单位长度包有厚x(单位：mm)保温材料的 管子的散热量，W/m,本章小结： 换热器的定义、类型，及其各自的优缺点； 不同表面的总表面传热系数，污垢热阻的概念； 对数平均温差(LMTD)； LMTD在换热器分析中的应用 强化传热的原则和手段 临界热绝缘直径 用于不同的传热方式分析、计算换热器内的传热量,思考题： 1.通过平板与园管的传热系数的计算方法. 2.肋化系数和肋面总效率的定义. 肋效率, 肋化系数和肋 面总效率之间的区别. 3.已知肋化系数后, 通过肋面的传热系数的计算方法. 4.临界热绝缘直径的物理意义及计算方法. 5.换热器有那些主要形式? 6.换热器的对数平均温差计算方法 7.换热器热计算的基本方法. 8.什么是换热器的效能和传热单元数. 9.在换热器热计算中, 平均温差法和传热单元法各有什么 特点?,10.什么是污垢热阻? 工程实际中,怎样减小管路中的污垢 热阻? 举几个例子. 11.强化传热系数的原则是什么? 12.什么是有源强化换热(主动式强化换热)和无源强化换热 (被动式强化换热)? 13.怎样使用试验数据, 用威尔逊图解法求解传热过程分热 阻? 14.有那些隔热保温技术. 什么是保温效率?,作业： 9-2，9-13,
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