传热过程分析与换热器热计算

第九章 传热过程分析与换热器热计算 本章的学习目的 (1)分析实际传热问题的能力 (2)综合应用三种基本传热方式及其相关公式的能力 (3)了解换热器的基本知识和设计过程 )( 21 ff ttkA 9-1 传热过程的分析和计算 传热过程 ？ 基本计算式 (传热方程式 )？ 式中： K是传热系数 (总传热系数 )。对于 不同的传热过 程 ， K的计算公式也不同。 t o tAR k 1 1 通过平壁的传热 K的计算 公式？ 21 11 1 hh k 说明 ： (1) h1和 h2的计算；（ 2）如果计及辐射时对流 换热系数应该采用等效换热系数 (总表面传热系数 ) rct hhh 单相对流： 21 4 2 4 1 )( TT TTh r 343434 rct hhh 膜态沸腾： (8-24) (6-23) 2 通过圆管的传热 hi ho )ln ( 2 1 )( i o wowi d d ttl 内部对流： )( 1 wifii ttldh 圆柱面导热： )( 2fwooo ttldh 外部对流： ii hi dlhR 1 l ddR io 2 )ln ( oo ho ldhR 1 )( 1 )l n ( 2 11 )( fofioo ooi o ii fofi ttldk dhd d dh ttl oi oo ii o o hd dd dh d k 1)ln ( 2 1 其中： 3 通过肋壁的传热 肋壁面积： 21 AAA o 稳态下换热情况： )( 11 wfii ttAh )( 1 wowi ttA )( )()( 21 fowoooo fowofofowoo ttAh ttAhttAh o f o A AA )( 21 A1 A2 A i 肋面总效率 ooo i i ffi oooiii ff Ah A h ttA AhAAh tt 1 )( 11 2121 定义肋化系数： 则传热系数为 所以，只要 就可以起到强化换热的效果。 io AA ooi hh k 11 1 1o 4 带保温层的圆管传热 临界热绝缘直径 21 21 11 )( hh ttA ff ooi o ii fofi dhd d dh ttl 1 )ln ( 2 11 )( ooi ffi hh ttA 11 )( 21 21 2 2 1 1 1 )l n ( 2 1 )l n ( 2 11 )( ooo o i o ii fofi dhd d d d dh ttl 圆管外敷保温层后： 可见，保温层使得导热热阻增加，换热削弱；另一方面，降 低了对流换热热阻，使得换热赠强，那么，综合效果到底是 增强还是削弱呢？这要看 d/ddo2 和 d2/ddo22的值 21 2 2 1 1 2 1)l n ( 2 1)l n ( 2 11)( ooo o i o ii o dhd d d d dhd )( )( 2o fofi d ttl 2 2222 2 22 1 2 1 )( )( d d ooo fofi o dhdd ttl d 0dd 2 od cro dhd 2 2 2 2 可见，确实是有一个极值存在，那么，到底是极大值，还是 极小值呢？从热量的基本传递规律可知，应该是极大值。也 就是说， do2在 do1 dcr之间， 是增加的，当 do2大于 dcr时， 降低。 or 2 2 22 hdBi o 9-2 换热器的型式及平均温差 1 换热器的定义： 用来使热量从热流体传递到冷流体，以 满足规定的工艺要求的装置 2 换热器的分类： 螺旋板式 板式 交叉流换热器 管壳式壳管式 套管式 )( 蓄热式 混合式 间壁式 板翅式 管翅式 管束式 三种类型换热器 简介 3 间壁式换热器的主要型式 (1)套管式换热器： 最简单的一种间壁式换热器，流体有顺 流和逆流两种，适用于传热量不大或流 体流量不大的情形 Co ld f luid H o t f luid Co ld f luid H o t f luid 顺流 逆流 x T T h T c T 1 T 2 x T T h ( H ot) T c ( c old) T 1 T 2 (2) 管壳式换热器： 最主要的一种间壁式换热器，传热面由 管束组成，管子两端固定在管板上，管束与管板再封装在外 壳内。两种流体分 管程 和 壳程。 outBT , s id e ) (s h e ll , inBT s id e ) ( t u b e , inAT outAT , s id e ) ( tu b e , inAT outAT , s id e ) (s h e ll , inBT outBT , 增加管程 s id e ) (s h e ll , inBT outBT , s id e ) (t u b e ,inAT outAT , 进一步增加管程和壳程 (3) 交叉流换热器： 间壁式换热器的又一种主要形式。其 主要特点是冷热流体呈交叉状流动。交叉流换热器又分管 束式、管翅式和板翅式三种。 (c) 板翅式交叉流换热器 (4) 板式换热器： 由一组几何结构相同的平行薄平板叠加所 组成，冷热流体间隔地在每个通道中流动，其特点是拆卸清 洗方便，故适用于含有易结垢物的流体。 单位体积内所包含的换热面积作为衡量换热器紧凑程度的衡 量指标，一般将大于 700m2/m3的换热器称为 紧凑式换热器 ， 板翅式换热器多属于紧凑式，因此，日益受到重视。 (5) 螺旋板式换热器： 换热表面由两块金属板卷制而成， 有点：换热效果好；缺点：密封比较困难。 4 简单顺流及逆流换热器的对数平均温差 传热方程的一般形式： mtkA 这个过程对于传热过程是通用的，但 是当温差 沿整个壁面不是常数 时，比如等壁温条件下的管内对流换 热，以及我们现在遇到的换热器等。 对于前者我们曾经提到过对数平均温 差 (LMTD)的公式，但是没有给出推导。 下面我们就来看看 LMTD的推导过程 mt dt h dtc th tc ht ct ht ct 以 顺流 情况为例，并作如下假设 ：（ 1）冷热流体的质 量流量 qm2、 qm1以及比热容 c2,c1是常数； (2) 传热系 数是常数；（ 3）换热器无散热损失；（ 4）换热面沿流 动方向的导热量可以忽略不计。 )( xx Aft 要想计算沿整个换热面的平均温差，首先需要知道当地 温差随换热面积的变化，即 ，然后再沿整 个换热面积进行平均 在前面假设的基础上，并已知冷热流体的进出口温度，现 在来看图 9-13中微元换热面 dA一段的传热。温差为： dd tAk chch tttttt ddd 在固体微元面 dA内，两种流体的换热量为 : d1ddd hmh hhhmh cqttcq d1ddd cmc cccmc cqttcq 对于热流体和冷流体 : dd11ddd cmchmh ch cqcqttt dd tAk tdAdd kt dA t d kt xx Att kt 0 dAtd xx kAt tln 可见，当地温差随换热面呈指数变化，则沿整个换热面的平 均温差为： )e x p(t xx kAt x0 xx0 ) dAe x p (t 1 dAt1 x AA m kAAAt cmchmh cqcq 11 1-)e x p ( t ) d Ae x p (t 1 x 0 kA kA kA A t x A m x x kAt tln kA t tln AAx )e x p(t kAt (1) (2) (3) (1)+(2)+(3) t t t tt t t m t ln t t ln t 1- t t ln t 对数平 均温差 t t t m t ln t顺流： 逆流时： dd tAk chch tttttt ddd d1ddd hmh hhhmh cqttcq d1ddd cmc cccmc cqttcq dd11d cmchmh cqcq t cmchmh cqcq 11 其他过程和公式与顺流是完全一样，因此，最终仍然可以 得到： t t t m t ln t , 逆流 顺流和逆流的区别在于： 顺流： 逆流： chch tttttt chch tttttt m i n m a x m i nm a x t ln t t t t m 或者我们也可以将 对数平均温差写成 如下统一形式 (顺 流和逆流都适用 ) 5 算术平均温差 平均温差的另一种更为简单的形式是算术平均温差，即 2 m i nm a x , ttt m 算术 m i n m a x m i nm a x , t ln t t t t m 对数 算术平均温差相当于温度呈直线变化的情况，因此，总是大于相 同进出口温度下的对数平均温差，当 时，两者的差 别小于 4；当 时，两者的差别小于 2.3。 2m i nm a x tt 7.1m i nm a x tt 6 其他复杂布置时换热器平均温差的计算 以上所讨论的对数平均温差 (LMTD)只是针对纯顺流和纯逆 流情况，而这种情况的出现是比较少的，实际换热器一般 都是处于顺流和逆流之间，或者有时是逆流，有时又是顺 流。对于这种复杂情况，我们当然也可以采用前面的方法 进行分析，但数学推导将非常复杂，实际上，逆流的平均 温差最大，因此，人们想到对纯逆流的对数平均温差进行 修正以获得其他情况下的平均温差。 c t fmm tt )( 是给定的冷热流体的进出口温度布置成逆流时的 LMTD， 是小于 1的修正系数。图 9-15 9-18分别给出了管壳式 换热器和交叉流式换热器的 。 关于 的注意事项 （ 1） 值取决于无量纲参数 P和 R cc hh ch cc tt ttR tt ttP , 式中：下标 1、 2分别表示两种流体，上角标 表示进口， 表示出口，图表中均以 P为横坐标， R为参量。 （ 3） R的物理意义：两种流体的热容量之比 hmh cmc cc hh cq cq tt ttR （ 2） P的物理意义：流体 2的实际温升与理论上所能达到 的最大温升之比，所以只能小于 1 （ 4） 对于管壳式换热器，查图时需要注意流动的“程”数 7 各种流动形式的比较 (1)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 最大，顺流则最小； (2)顺流时 ，而逆流时， 则可能大于 ， 可见，逆流布置时的换热最强。 mt ch tt c t ht dq iT oT hdT cdT T In Out dqiT oT hdT cdT T In Out (3) 那么是不是所有的换热器都设计成逆流形式的就最好 呢？不是，因为一台换热器的设计要考虑很多因素，而不 仅仅是换热的强弱。比如，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，可能对 换热器产生破坏，因此，对于高温换热器，又是需要故意 设计成顺流 (4) 对于有相变的换热器，如蒸发器和冷凝器，发生相变 的流体温度不变，所以不存在顺流还是逆流的问题。 ch CC o r x T In Out CondT x T In Out ch CC o r EvapT 冷凝 蒸发