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热交换器原理与设计 （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相同。,1.1 热计算基本方程,1. 传热方程： Q = kFtmQ = ktdF,2.热平衡方程,热容量： W = MCQ = W1 t1 =W2 t2,(W/),平行流：顺流和逆流,顺流 逆流,对顺、逆流的传热温差分析，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 tx= 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,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：t=t1 t2 dt=dt1 dt2通过微元面dF，两流体的换热量为:dQ=ktdF 分别对热流体与冷流体:,热流体：,冷流体：,对逆流： t = t1 t2 dt = dt1 dt2 dQ = ktdF,热流体：,冷流体：,+：顺流 -：逆流,+：顺流 -：逆流,当 Fx = F 时，tx =t“,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：,(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,板式,板翅式,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。tm = tlm,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。 tlm,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 R R = 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型热交换器,先顺后逆型适用； 并且型也可近似使用,型热交换器 的计算 热平衡：W1(t1 t1) =W2(t2 t2) (a) x=x到x=L段的热平衡：W1(t1 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dQ2，第二流程吸热量dQ2，则：dQ1=W1dt1；dQ2=W2dt2；dQ2= 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 = t1 t1 (j) t1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 =t1 或 Z=t1 t1x=L时 t1 =t1 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 =t1，t2a =t2，t2b =t2 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：2KSLtm=W1(t1 t1) 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，其中的值则用 式(1.22)算出。 对先顺流后逆流，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 型热交换器的值,图1.9 一个流程顺流，两个流程逆流的热交换器的值,图1.10 一个流程逆流，两个流程顺流的热交换器的值,图1.11 24型热交换器的值,图1.12 串联混合流型热交换器的值,图1.13 只有一种流体有横向混合的一次错流热交换器的值,图1.14 两种流体均无横向混合的一次错流热交换器的值,1.2.4 流体比热或传热系数变化时的平均温差,图 1.15 Q t 图,Q =M C dt,各段传热面： Fi =qi / Ki ti，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 (tm)int ：(tm)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=2707 kJ/kg过热蒸汽焓 i=2749kJ/kg ；汽化潜热 r=2202 kJ/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 W1W2时，t1=t2 则：Qmax= W1 (t1t2) b. 当 W2W1时，t2=t1 则：Qmax= W2 (t1t2)于是有：Qmax= Wmin (t1t2),1.3 传热有效度 “传热学”中的效能传热单元数方法,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),W1W2,W2W1,式， 相加：,1.3.2 顺流和逆流时的传热有效度,根据热平衡：,即：,假设： W1W2,顺流,代入,两个公式合并，得：,当 W2W1时，同样的推导过程可得：,定义传热单元数NTU (Number of Transfer Unit),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： =1exp(-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=9360/36004186=10883.6 W/ 冷水热容量 W2=4680/36004186=5441.8 W/ 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=5441.828/83073.8=2.49 m2 若用热流体的温度效率计算 、Rc、NTU三值时，可得：1=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 =2.851900=5415 W/W2 =M2C2 =0.6674180=2788 W/ 故冷流体水为最小值流体，则：Rc =Wmin / Wmax=2788/5415=0.515 NTU=KF/Wmin =32015.8/2788 =1.8,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：,12n型,图1.20 型热交换器的 图1.22 型热交换器的,24n,(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 =1expRc(NTU)0.2exp-Rc(NTU)0.781 (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=1353 m2，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=141353/10540=1.8 热容量比：Rc=Wmin /Wmax=10540/14460=0.729 分传热单元数 (NTU) =1/2NTU=1/21.8=0.9 查与本题相应的一次错流的线图1.21，得 1=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 + (t1 t2) =135+0.68(465135)=359.4 由热平衡可求出烟气出口温度： t1=t1 Rc (t2 t2) =4650.729(359.4135)=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 = KFtm = KF 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 (t1 或t2 ) 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tm 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t 可以比较大。,不能片面追求高的t，高的t使热交换器两端温差 t 和t有所降低，使平均温差 tm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 型与型热交换器中的温度分布,表1.2 不同情况下的 值,型 =0.928,增加管程和壳程,t1,t1,t2,t2,
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