《传热和换热器》PPT课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第十章 传热和换热器,9-1 通过肋壁的传热,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。,肋壁面积：,稳态下换热情况：,A,1,A,2,A,i,肋面总效率,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。,10-2 有复合换热时的传热计算,对流与辐射并存的换热称为复合换热,对流换热密度,辐射换热热流密度,当引入温差 ，用对流换热冷却公式的形式来计算辐射,热流密度时，可把上式写成,称为辐射换热表面传热系数,10-3 传热的增强和削弱,1.增强传热的方法,1）扩展传热面,2）改变流动状况,3）使用添加剂改变流体物性,4）改变表面状况,5）改变换热面的形状和大小,6）改变能量传递方式,7）靠外力产生振荡，强化传热,2.削弱传热的方法,1）覆盖热绝缘材料,泡沫热绝缘材料,超细粉末热绝缘材料,真空热绝缘层,2）改变表面状况,改变表面的辐射特性,附加抑制对流元件,10-4 换热器的型式及基本构造,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：,三种类型换热器简介,3 间壁式换热器的主要型式,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,顺流,逆流,(,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。,增加管程,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。,传热方程的一般形式：,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,dt,1,dt,2,t,1,t,2,10-5 平均温度差,以,顺流,情况为例，并作如下假设,：（1）冷热流体的质量流量M,2,、M,1,以及比热容c,2,c,1,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。,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10-13中微元换热面dA一段的传热。温差为：,在固体微元面dA内，两种流体的换热量为:,对于热流体和冷流体:,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：,(1),(2),(3),(1)+(2)+(3),对数平均温差,顺流：,逆流时：,过程和公式与顺流是完全一样，因此，最终仍然可以,得到：,顺流和逆流的区别在于：,顺流：,逆流：,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),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,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。,9-6 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，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q,max,，我们将q/q,max,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,利用公式分别计算,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R,f,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。,思考题：,1.肋化系数和肋面总效率的定义.,2.,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：,9-3，9-5，9-9，9-10，9-16，9-17，9-20，,9-23，9-26，9-29，9-33，9-35，9-39，,9-45，9-48，9-50，9-52，9-55,