换热器选型和计算.ppt

课程设计 换热器选型计算 推荐参考书目 第三版 第四版 王志魁刘丽英刘伟 任晓光宋永吉李翠清 钱颂文 3 换热概述热传导对流传热 一 换热理论 四 管壳式换热器选型步骤 二 管壳式换热器 三 两流体间传热过程计算 4 生产中的应用 热量的传递简称传热 物料的加热或冷却 热量与冷量的回收利用 设备或管路的保温 传热的基本方式 热传导 对流 热辐射 1 传热概述 一 换热理论 5 傅里叶定律 2 热传导 1 温度场和温度梯度 温度场 某时刻 物体内部各点的温度分布 等温面 在同一时刻 温度场中所有温度相同的点组成的面 注意 不同温度的等温面不相交 温度梯度 温度场内 某一点沿其等温面法线方向的温度变化率 向量 与法线方向一致 以温度增加的方向为正 等温线 不同等温面与同一平面相交的交线 6 式中Q 热流量或传热速率 W或J s A 导热面积 m2 t n 温度梯度 m或K m 热传导系数 W m 或W m K 在质地均匀的物体内 若等温面上各点温度梯度相同 则单位时间内的传热量Q与温度梯度及垂直于热流方向上的导热面积A成正比 2 傅里叶定律 傅立叶定律 数学表达式 7 假设 1 A大 b小 2 材料均匀 热导率 视为常数 3 温度仅沿x方向变化 且不随时间变化 故为一维稳态传热 单层平壁的稳态热传导 A Q 图中 Q 热流量或传热速率 W或J s A 平壁的面积 m2 b 平壁的厚度 m 平壁的导热系数 W m t1 t2 平壁两侧的温度 A 8 对dx薄层 导热速率可表示为 边界条件为 积分导出 单层平壁导热速率方程式为 假定 圆筒壁材质均匀 热导率 为常数 温度只沿半径方向变化 等温面为同心圆柱面 一维稳态温度场 单层圆筒壁的稳态热传导 图中 Q 热流量或传热速率 W或J s 导热系数 W m 或W m K t1 t2 圆筒壁两侧的温度 r1 r2 圆筒壁内外半径 m 10 对于dr同心薄层圆筒 传热速率为 边界条件 积分导出 圆筒壁导热速率方程式为 对数平均面积 11 对流传热过程 间壁 导热 热阻大 温差大 层流底层 导热 热阻大 温差大 湍流核心 对流 热阻很小 温差很小 过渡区域 介于层流底层和湍流核心之间 热流体 冷流体 3 对流传热 12 对流传热速率方程 牛顿冷却公式 式中Q 对流传热速率 W 对流传热系数 W m2 t 对流传热温度差 A 传热面积 m2 的求解是关键 通过对流传热的特征关系式求解 又称管壳式换热器 工业上广泛使用 二 列管式换热器 传热面为壳内所有管束壁内外表面积 主要部件 封头 管板 管束 折流挡板 外壳 管壳式换热器示意图 管程 流体在同一组管束中的流程 壳程 流体在壳体中沿某一方向的流程 式中 K 总传热系数 W m2 或W m2 K Q 总传热速率 W或J s A 总传热面积 m2 tm 两流体的平均温差 或K 冷热两流体通过间壁传热过程 其总传热速率Q与传热面积A和两流体温度差成正比 即总传热速率方程式 三 两流体间传热过程的计算 15 一 热量衡算 图中 热 冷流体的质量流量 kg s cp1 cp2 热 冷流体的比热容 J Kg h1 h2 冷流体的进 出口焓 J kg H1 H2 热流体的进 出口焓 J kg 列管换热器 16 若流体均无相变 且流体比热容cp不随温度变化 此时 热量衡算式 假设 传热过程无热损失 热量衡算式 17 一 恒温传热 二 变温传热 二 求传热平均温度差 饱和蒸汽 液体沸腾 两侧流体温度沿传热面无变化 一侧或两侧流体沿传热面的不同位置温度不同 三 流体流动方式 逆流 冷热流体沿传热面两侧流向相反 顺流 冷热流体沿传热面两侧流向相同 错流 两流体垂直交叉流动 折流 一侧流体只沿一个方向流动 另一侧流体反复改变流向来回折返流动 18 1 逆流和并流时的 tm 逆流 并流 传热平均温差 注意 较大温差记为 t1 较小温差记为 t2 当 2时 19 逆流时的平均温度差 2 错流 折流时的 温度校正系数 是辅助量P R的函数 即 注意 校正系数 应至少不小于0 8 c 固体壁面另一侧冷流体 b 固体壁面一侧另一侧 20 对于微元段dA 三 总传热系数 a 热流体固体壁面一侧 微元段温度分布 21 式中K 总传热系数 W m2 K 稳态热传导时 沿同一热流方向上 传热速率为定值 故 22 污垢热阻 式中 R1 R2 传热面两侧的污垢热阻 m2 K W 以传热面dA1为基准 dA dA1 传热表面常有污垢积存 其热阻一般不可忽视 工程上一般根据经验选用污垢热阻 以传热面A1为基准 以传热面dA2为基准 dA dA2 以传热面dAm为基准 dA dAm 1 根据工艺要求 计算热负荷Q 2 初选流动方式 尽可能保证逆流或接近逆流 计算平均温度差 tm 3 依据经验范围选取总传热系数K估 估算总传热面积A估 Q K估 tm 4 确定流体流经管程或壳程 选定管程流速u1 先按单壳程多管程的计算 如果 0 8 应增加壳程数 由流速u1和流量qm1估算单管程的管子根数n 由n和A估来估算管子长度L 选择合适管长 及管程数再由系列标准选适当型号的换热器 四 管壳式换热器选型步骤 5 核算总传热系数K 分别计算管程和壳程的 确定污垢热阻Rd 求出K 与选取的K估比较 保证K在经验范围内 并与K估相差不大 若相差很大 回到4改变管程流速u1来调整总传热系数K 6 计算总传热面积A 根据A Q K tm计算A 并与选定的换热器传热面积A选比较 应有10 25 的裕量 若不能达到裕量要求 应回到3重新选取K估估算并选型 选型实例 注意 选型计算是一个反复试算的过程 有时要反复试算两三次