换热器的传热和阻力计算

1

f
b

2 f f
几种常用扩展表面的翅片效率
对流表面传热系数越大，翅片高度越大，翅 片效率会越高吗？
为什么说有翅片一侧的热阻包含了流体对翅 片表面的对流换热热阻及翅片的导热热阻？
常用的翅片形状
流体与洁净带翅片壁面间的对流换 热热阻
流体通过带翅片的壁面换热
A Af Ap
NTU tm KAtm 1 NTU tmax
tmax Wmintmax
tm
W2
Wmin
P
t2" t2' t1' t2'

W1
Wmin

P



W1 W2
, R
t1' t1" t2" t2'
W2 W1
效率-传热单元数法
2 L

1
do L

1


rd
2
翅片效率
翅片效率用来表征因翅片内部存在导热热阻，沿 翅片高度上的温度梯度降低了翅片表面的传热效 率，相对于翅根（或基壁），翅片传热效率的降 低。
肋片效率＝
实际散热量Φ
假设整个肋表面处于肋基温度下的散热量Φ0
f

tanhmh
mh
m
2 f f
tm 1 KA
I U R
间壁传热过程简图
换热器的传热热阻
通路中忽略污垢热阻后
t1 t2 R1 Rw R2
t1 tw1 tw1 tw2 tw2 t2
R1
Rw
R2
R

1 KA

R1

Rw

R2
间壁的导热热阻



A

tw1

tw2


效率-传热单元数法
两种流体各自均非混合的单流程叉流流动
德雷克（Drake） 近似关系式
NTU 0.22

1 exp C*

exp C*NTU 0.78 1
效率-传热单元数法
逆流型多流程叉流换热器效率
逆流型三流程叉流换热器流程示意图
效率-传热单元数法


1


rd

1
A0
2
圆管壁
1 KA

1
di L
1


rd
1

lndo di
2 L


1
do L
1


rd
2
圆筒壁外 侧带翅片
1 KA

1
di L
1


rd
1

lndo di
2 L



1


rd
t1' t2" t1" t2'
ln
t1' t2" t1" t2'
tlm

tmax tmin ln tmax
t m in
逆流中的温度分布
平均温差法
其他流动形式
在相同的进口、出口温度条件下，逆流的平均温差 最大。
tm tlm
温度修正系数
tm Acounter R, P
校核计算
对已有换热器的换热能力进行校核或变工况计算。
根据给定的换热器结构参数和两侧流体的工作条件
及 W1、W2、t1' 及 t2' ，求传热热流量 和两流体的出
口温度
t1"
和
t
" 2
。
换热器传热计算的步骤
进行换热器传热设计计算的步骤
换热器传热计算的步骤
进行换热器传热校核计算的步骤
The end

max

W1 t1' t1" Wmin t1' t2'

W2 t2" t2' Wmin t1' t2'
max
只能在传热面积无限大的逆流式 换热器内实现。
逆流式换热器中的最大温差
效率-传热单元数法
传热单元数
KA NTU
Wm in
KA 当换热器的平均温差为1℃时所传递的热量
平均温差定义
微元传热面的传热热流量 d Kt1 t2 dA

d
t1 t2


KdA
A
Km
1 A
KdA
A
Kmtm A
1
tm
1
d
t1 t2
Ktm A
平均温差的定义式
tm
1 A
A t1 t2 dA
换热器的传热热阻
壁面上附有污垢后的导热热阻
考虑污垢热阻后的典型间壁传热热 阻
11
1

KA K1 A1 K2 A2
K1A1 K2 A2
平壁 圆管壁
1 KA

1 Aw

1

rd
1

1

rd
2
1 KA

1
di L

1


rd
1

lndo di

1
A0
2
换热器传热计算方法
平均温差法 由于在换热器中沿任一流体流动长度上的热、冷
两流体之间的温差是变化的，需合理计算壁面 两侧流体间温差对面积的平均值 tm
KAtm
效率（效能）-传热单元数（ NTU ）法
换热器的实际传热热流量 与理论上最大可能的

m
传热热流量之比
ax
W1 W2 W1 W2
W1 W2
平均温差法
顺流
tm
t1' t2' t1" t2"
ln
t1' t2' t1" t2"
tm

tmax tmin ln tmax
t m in
顺流中的温度分布
平均温差法
逆流
tm


qm2c2
t2"

t
' 2
W2 t2" t2'

K
A
t1

t2
dA
间壁式换热器 的基本参数
热容量
流体的质量流量 qm 与其比热容 c 的乘积 qmc W 对应单位温度变化产生的流动流体的能量储存
速率，单位为W/K
较小者为 Wmin qmc min 较大者为 Wmax qmc max
f p
Ap tw t Af f tw t
Ap Af f tw t
Aef tw t
流体与洁净带翅片壁面间的对流换 热热阻
0
Aef A
1 Af A
1 f
表面效率：有效传热面积与总传热面积之比
tlm
Aother
R

t1' t2"
t1" t2'
P

t2" t1'
t2' t2'
平均温差法
一种流体混合和另一种流体非混合的 单流程叉流式换热器的修正系数曲线
平均温差法
两种流体均非混合的单流程叉流式换热器的修正系数曲线
效率-传热单元数法
换热器效率

tw1


tw2

A
Rw A
Rw

lnd0 di
2 L

流体与洁净光壁的对流换热热阻
At
t 1
A
R 1
A
流体与结垢表面的热阻
污垢系数（污垢热阻）：
rd

d d
tw t rd 1
A A
污垢的形成及性质与流体的性质、壁 面的材料和形状、流体的速度及运行 的时间有关，准确选值比较困难。
一种流体混合和另一种流体非混合的单流程叉流流动
W1 Wm Wmin,W2 Wum Wmax




1 1
e C* eC*NTU
W1 Wm Wmax,W2 Wum Wmin





1 e C*
C*
1 eNTU
C* 1 1 e 1eNTU
逆流式换热器的效率曲线
效率-传热单元数法
顺流流动
1 eNTU 1C*
1 C*
C* 0 1 eNTU C* 1 1 e2NTU
2
顺流式换热器的效率曲线
换热过程中有一种流体温度不变时， 其效率值与流体流动方向无关。
顺流式换热器的效率曲线
效率-传热单元数法
换热器
第二章 换热器的传热及阻力计算
2.1 换热器传热计算中的基本参数和方程 2.2 换热器的传热热阻及翅片效率 2.3 换热器传热计算的基本方法
传热计算的基本参数和方程
热流体1放热热流量 冷流体2吸热热流量 换热器的传热热流量
qm1c1 t1' t1" W1 t1' t1"


A0
tw

t


0
tw
1

t


t
w 1
t
A
A
考虑污垢热阻后典型带翅片间壁的 传热热阻
平壁
1 KA

1 Aw

1

rd
1


1

rd
2
平壁两侧 带翅片
1 KA


1


rd

1
A0
Βιβλιοθήκη Baidu 1

Aw
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谢 谢！
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热容比
C* Wmin 1 Wm a x
效率-传热单元数法
效率-传热单元数关系式
f NTU ,C*,流动形式
逆流流动


1 e NTU 1C* 1 C*eNTU 1C*
NTU

1
1 C
*
1 C *
ln
1
C* Wmin Wmax 0 1 eNTU C* 1 NTU 1 NTU
逆流型多流程叉流换热器效率
假定流体在流程之间相互充分混合，总效率与单 流程效率间的关系为



1 C*i 1i
3

1

1 C*i 1i
3

C*
i

1

1 C* 1
3
1
1

1 C* 1

3

C*
效率-传热单元数法
逆流型多流程叉流换热器效率
C*
1

ni
1 n 1i
i


n n 1
各类换热器的效率关系式见表2-4
换热器传热计算的步骤
设计计算
根据给定的工作条件及换热量，确定所需的换热
面积，进而确定换热器的具体尺寸。通常已知 W1、W2 和 t1'、t1"、t2'、t2" 四个温度中的三个。