第10章_传热过程分析与换热器的热计算

hi
2
h0 d 0 0 0
(2) 加保温层后
Rt

1
h1d1l

1
21l
ln
d2 d1

1
2 xl
ln
dx d2

1
h2d xl
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临界热绝缘直径:
dcr

2
h0
d0<dcr ,d0↑→Ф ↑; d0=dcr时, Ф= Фmax; d0>dcr时,d0↑→Ф↓.
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10.4 间壁式换热器的热设计
换热器热设计的基本公式
传热方程 : kAtm
(10-14)
热平衡方程: qm1c1(t1't1")
qm2c2 (t2"t2 ')(10 15)
变量 : kA, qm1c1 , qm2c2 , t1 ', t1", t2 ', t2 ",
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3. 板式换热器
10.2 换热器的类型
(c)
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特点：结构紧凑 ,占用空间小；传热系数高 ；
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4. 交叉流换热器 例：板翅式换热器
板翅交叉流
管束交叉流
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10.2 换热器的类型
基本要求
10.2 换热器的类型
1．了解换热器的分类 2. 识别常用换热器，能说出管壳换热器和板式 换热器的流程
面的平均温差Δtm:
tm

1 A
A 0
t x
dA


t' (ekA
kA
1)
=
……
wk.baidu.com

t 't" ln t '
t"
或：tm

tm ax tm in ln tm ax
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tm in
2.逆流换热器
tm

tm ax tm in ln tm ax
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1. 壳管式换热器
10.2 换热器的类型
2019/9/26
10.2 换热器的类型
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1-2型换热器
列管式冷凝器实例
10.2 换热器的类型
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10.2 换热器的类型
波纹管换热器
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波纹换热管
2.套管换热器
10.2 换热器的类型
适用: 传热量不大或流体流量不大的情形
1 ln(do / di ) 1
hidil
2 l
hodol hidi
2
ho d o
定义：(1) 以圆管外侧面积为基准的传热系数 k
kA0 (t fi t f 0 ) kd0l(t fi t f 0 )
1 k
d0 d0 ln d0 1
hi di 2 di h0
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肋壁的传热系数：
10.1 传热过程的分析和计算
(a)以肋侧总表面积A0为基准的肋壁传热系数为：
1
k f A0 A0 1 hi Ai Ai h00
(b)以光侧表面积Ai为基准的肋壁传热系数为：
kf '
1

1
Ai

1

1
1
hi h00 A0 hi h00
壁面 :


Ai (twi
tw0)
肋侧: 0 h0 0A0 (tw0 t f 0 )
热稳态时 , i 0
解得：

1
t fi t f 0

1
hi Ai Ai h00 A0
k f A0 (t fi t f 0 ) k f ' Ai (t fi t f 0 )
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基本要求
10.3 换热器的平均温差
1．掌握不同换热器平均温差的计算方法 2．会分析换热器内冷热流体的变化规律
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10.4 间壁式换热器的热设计
10.4 间壁式换热器的热设计
▲换热器的热设计类型
1.设计计算 2.校核计算 ▲换热器热设计的基本方法 1.平均温压法* 2.传热单元数法 ▲换热器的污垢热阻及对传热的影响 ▲换热器的综合设计
tm in
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10.3 换热器的平均温差
3. 平均温压的简化计算 －－用算术平均温差代替对数平均温差
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1 tm 2 (tmax tmin)
条件：
a. tmax 1.7时,差别 2.3% t m in
b. tmax 2时,差别 4.0% t m in
1
k 1 1 h1 h2
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10.1 传热过程的分析和计算
10.1.2 通过圆筒壁的传热过程
等效电路图(共三个环节串联):
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10.1 传热过程的分析和计算
通过圆筒壁的传热量：

t fi t fo

l(t fi t fo )
1 ln(do / di ) 1
(2) 以圆管内侧面积为基准的传热系数 ki
ki Ai (t fi t f 0 ) kidil(t fi t f 0 )
ki
1

di
1 ln d0
di
hi 2 di h0d0
10.1 传热过程的分析和计算
10.1.3 通过肋壁的传热过程
hi Ai (t f 1 tw1)
10.2 换热器的类型
▲10.2.1 换热器的分类 ▲10.2.2 间壁式换热器的主要型式
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10.2 换热器的类型
10.2.1 换热器的分类
换热器—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
按操作过程分: 间壁式—也称表面式，在工程中最常用 混合式—适用于冷热流体为同类介质的场合 回热式(蓄热式) —适用于气体与气体间的换热
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10.1 传热过程的分析和计算
10.1.1 通过平壁的传热过程
等效电路图(共三个环节串联):
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通过平壁的传热量：
10.1 传热过程的分析和计算

tf1 tf2
1 1
kA(t f 1 t f 2 ) kAt
h1A A h2 A
影响 因素 分析
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10.4 间壁式换热器的热设计
10.4.2 换热器热设计的平均温差法(LMTD法)
1.平均温压法用于设计计算的步骤 : (1)初步布置换热面, 并计算传热系数k; (2)由热平衡式求出第4个温度; (3)计算平均温差(注意保持修正系数具有合适的
数值; (4)由传热方程求出所需传热面积A,并核算流动
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10.4 间壁式换热器的热设计
10.4.3 换热器热设计的效能—传热单元数法 [ (ε-NTU法), 简称传热单元数法 ]
1. 换热器效能ε 的定义
(效能ε的概念与计算是传热单元数法的关键)
定义 :

(t 't" ) m a x t1't2 '

实际换热效果 最大可能换热效果
ho A1(two t fo )
ho f A2 (two t fo ) hoo Ao (two t fo )
o
( A1
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f Ao
A2 )
肋面总 效率
10.1 传热过程的分析和计算
(2)肋壁传热过程分析
光侧: i hi Ai (t fi twi )
(c)未加肋时平壁的传热系数为：
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k
1
1

1
hi h0
A0 ,称为肋化系数
Ai
10.1 传热过程的分析和计算
10.1.4 肋片和保温对传热影响
问题：在圆管或平壁外加肋是否一定能增强传热？ 在圆管或平壁外敷设保温层是否一定能削弱传热？
1 、平壁： (1)加肋后
1
k 1 1 hi ho
阻力; (5)如流动阻力过大, 改变方安重新设计.
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10.4 间壁式换热器的热设计
2.平均温压法用于校核计算的步骤(迭代法): (1)假定1 个出口温度,按热平衡方程求出另一出口
温度; (2)计算平均温差; (3)根据换热器的结构, 计算传热系数k; (4)已知kA, △tm, 由传热方程求出传热量Φ ht; (5)根据4个温度, 由热平衡方程求出另一传热量Φhb; (6)比较Φht与Φhb(要求两者之差小于2%～5%).
(qm c) m in (qmc)max
]
(10
d (t) dt1 dt2
（5）

( 1 qm1c1

1 qm2c2
)d
（6）
d ktdA （7）
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10.3 换热器的平均温差
10.3 换热器的平均温差
得截面Ax处的温差Δ tx与Ax的关系为:
tx t ' ekAx
将上式沿全换热面积分平均，即可得整个换热



Ai (tw1 two )
ho A1(two t fo ) ho A2 (tm t fo )
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10.1 传热过程的分析和计算
10.1.3 通过肋壁的传热过程
（1）肋片效率和肋壁总效率
f
Q
Q0
ho A2 (tm t fo ) ho A2 (two t fo )
第10章
传热过程 与换热器
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主要内容
▲ 10.1传热过程的分析和计算 ▲ 10.2换热器的类型 ▲ 10.3传热过程的平均温差及计算 ▲ 10.4间壁式换热器的热设计
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10.1 传热过程的分析和计算
10.1 传热过程的分析和计算
▲10.1.1 通过平壁的传热过程 ▲10.1.2 通过圆筒壁的传热过程 ▲10.1.3 通过肋壁的传热过程 ▲10.1.4 肋片和保温对传热的影响
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10.4 间壁式换热器的热设计
10.4.1 两种类型的设计和两种设计方法 1.两种类型的设计
——设计计算与校核计算
设计计算 已知：两个水当量qm1c1和qm2c2、四个进出口温
度中的三个 求： 另一温度值、kA、传热量Φ
校核计算 已知： kA、两个水当量、两个进口温度t1’、t2’ 求： 两个出口温度t1”、t2”、及传热量Φ
(10
16)
则换热器的传热量为:
(qmc)min(t't")max (qmc)min(t1't2 ')(10 17)
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10.4 间壁式换热器的热设计
2. 效能ε 的计算[式(10-19)—式(10-23)]
(1)顺流 :

1
exp(NTU )[1
10.3 换热器的平均温差
10.3.2 其他复杂布置时平均温差的计算 —采用修正系数线算图求解
tm (tm )ctf
(1)以给定的冷热流体的进出口温度,计算按逆流 布置时的对数平均温差(Δ tm )ctf
(2)根据流动型式, 根据P、R从相应的线算图中查
得修正系数ψ, 则: tm (tm )ctf
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10.1 传热过程的分析和计算
基本要求
10.1 传热过程的分析和计算
1．掌握传热过程的概念及宏观规律 2．掌握传热系数的概念及影响因素，并能计算
常见传热过程的传热系数 3．掌握肋片效率和肋片总效率的物理意义 4．掌握保温或肋片对圆管或平板的传热影响
2019/9/26
10-2 换热器的类型
2019/9/26
10.3 换热器的平均温差
10-3 换热器的平均温差
▲10.3.1简单顺、逆流换热器平均温差的计算 ▲10.3.2其他复杂布置时平均温差的计算
2019/9/26
10.3 换热器的平均温差
10.3.1简单顺、逆流换热器平均温差的计算
简化假定: a. 冷、热流体的质量流量qm2、qm1及比热容c2、
c1在整个换热面上都是常量； b. 传热系数 k 在整个换热面上不变； c. 换热器无散热损失； d. 换热面沿流动方向的导热量可忽略不计。
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1.顺流换热器
在dA中:
t t1 t2
（1）
d ktdA
（2）
d qm1c1dt1 （3）
d qm2c2dt2 （4）
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10.4 间壁式换热器的热设计
2. 换热器的两种热计算方法
平均温压法(LMTD法) ——常用于设计计算(可直接进行计算) 具体步骤见 平均温压法用于校核计算的步骤见P485(需试算)
传热单元数法[效能—传热单元数法(ε -NTU法)] ——常用于校核计算 计算步骤与平均温压法大致相似
kf '
1

1
Ai

1

1
1
hi h00 A0 hi h00
(2)加保温层后
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kf'
1

1
1

1
hi 1 ho
10.1 传热过程的分析和计算
2、圆筒壁：
ki

1

di
1 ln d0

di
hi 2 di h0d0
(1) 加肋后
1
k f ' 1 di ln(do / di ) di