经典换热器热力计算基础.ppt

tf1 tf 2
1
h1 A2 h2
h1 h2
A1k1 tf1 tf 2 A1k1t
0.0
13
式中 k1 称为以光壁表面积为基准的传热系数，
其表达式为
k1
1
1
1
h1 h2
式中 A2 A1 ， 称为肋化系数。从上式可
1
见，加肋后，肋侧的对流换热热阻是 h2 ，
1
而未加肋时为 有关。
根据肋片效率的定义式
f
A2h2 tw 2 tf 2 A2h2 t0.0w 2 tf 2
tw 2 tf 2 tw2 tf 2
12
联立三式，可得通过肋壁的传热热流量计算公式为
tf1 tf 2
1
1
A1h1 A1 A2h2
上式还可以改写成
A1
1
tf1 tf 2
A1
1
A1
1
t
t1
t2
dQ kdA
d(t) mdQ
dQ k(t1 t2 )dA
d（t） mkdA t
t'' d (t) A
mkdA
t' t
0
ln t '' mkA t '
0.0
26
d(t) mdQ
t ' t '' Q t ' kA
ln t ''
由tm
Q得 kA
t '' t ' mQ ln t '' mkA
（1）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
（2）根据4个进出口温度求得平均温差 tm （3）根据换热器的结构，算出相应工作条件下的
总传热系数k
0.0
62
（4）已知k、A和 ，按传热方程式计算在假设 出口温度下的 tm
（5）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
h2
，加肋后热阻减小的程度与
0.0
14
从肋化系数的定义可知， 1 ，其大小取决 于肋高与肋间距。增加肋高可以 加大 ，但
增加肋高会使肋片效率 降低，从而f使肋面总
效率 降低。减小肋间距，即使肋片加密也
可以加大 ，但肋间距过小会增大流体的流
动阻力，使肋间流体的温度升高，降低传热温
差，不利于传热。一般肋间距应大于两倍边界
热交换器热计算基础
0.0
1
传热计算解决的问题
解决3个问题：①热量衡算，传热速率。②温度 沿传热面变化。③tw Tw不好测。
0.0
2
2－1间壁式换热器的传热分析
• 1、传热系数K • 2、对流换热系数a1、a2 • 3、导热系数λ • 4、平均温压 • 热平衡方程
– 无相变时的热平衡方程 – 有相变的热平衡方程
0.0
23
逆流平均温压
0.0
24
对数平均温差
dQ qm1c1dt1 qm2 c2 dt2
dt1
dQ q m1c1
dQ W1
dQ dQ
dt2
qm2c2
W2
d
(t1
t
2
)
( 1 W1
1 W2
)dQ
令t
t1
t2
,
m
1 W1
1 W2
则得
0.0
25
d(t) mdQ
对微元面积dA，传热方程为
•<1－2>型先逆后顺折流的平均温压
0.0
43
• <1－2>型先逆后顺折流的平均温压tm tm
=f(R,P)
P t2 t2 , R t'1t1
t1 t2
t2 t2
• 对于其它流动型式， 可以看作是介于顺 流和逆流之间，其平均传热温差可以采
用下式计算
tm tm
式中 tm 为冷、热流体进、出口温度相同情况下
向不断变化，冷、热流体间的传热温差沿程
也发生变化，如图所示。因此，对于换热器
的传热计算，上式中的 传热温t 差 应该
是整个换热器传热面的平均温差（或称为平
均温压） 形式应为
。于tm是，换热器传热方程式的
kAtm
0.0
30
换热器中流体温0.0 度沿程变化
31
分析表明，计算换热器的平均温差公式：
0.0
36
有相变时换热器内流体的温度变 化示意图
0.0
37
三、折流平均温压
• 错流：两流体的流向相互垂直，称为错 流
0.0
38
折流
两种流体在列管式换热器中流动并非是简单的并流和逆流， 而是比较复杂的多程流动，既有折流又有错流。
简单折流
一种流体作折流流动，另 一种流体不折流，或仅沿 一个方向流动。
（2）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 t。m
（3）由冷、热流体的4个进、出口温度确定平均温
差，计算时要注意保持修正系数 具有合适
的数值。
（4）由传热方程求出所需要的换热面积 A，并核算
换热面两侧有流体的流动阻力。
（5）如流动阻力过大，改变方案重新设计。
0.0
61
对于校核计算具体计算步骤：
ln
t ''
对数平均温差
0.0
28
tm
tmax tmin ln tmax
t”
t
t1 t 2
t m in
当 tmax 2时 t m in
t
＝
m
1 2
(t m a x
t m in
)
0.0
t1 t’
t2 A
29
平壁、圆管壁及肋壁的传热过程时都假设
为定值。换热器内的传热过程就不同了，冷、
热流体沿换热面不断换热，它们的温度沿流
0.0
59
换热器的热计算
• 换热器的热计算分为设计计算和校核计算。 • 换热器热计算的基本公式为
传热方程式: kAtm
热平衡方程式：
qm1c1 t1 t1 qm2c2 t2 t2
0.0
60
1、换热器计算的平均温差法
• 平均温差法用作设计计算时步骤如下：
（1）初步布置换热面，计算出相应的传热系数 k。
•
0.0
53
0.0
54
0.0
55
四、交叉流型的平均温压
• 1 一次交叉流型P16 • 1) 两流体中一种流体发生横向混合，一
种流体不发生混合时的平均温压 • 2 )两流体各自均发生横向混合时的平均
温压 • 3 )两流体均无横向混合时的平均温压12
0.0
56
2多次交叉流型(P18)
1一种流体为单程，另一种流体以串联形式 与前一种流体多次交叉，其总趋势为逆 流。
2一种流体为单程，另一种流体以串联形式 与前一种流体多次交叉，其总趋势为顺 流。
3对其它流型平均温压的讨论，P18
0.0
57
五、加权平均温压
加权平均温压，P31
0.0
58
换热器的无因次量及其函数关系
在设•计性计算时(含校核性计算)，其基本方程为： 传热方程式：Q=KF△tm=KFf(t1’,t1’’,t2’,t2’’) 热平衡方程式Q=W1(t1’－t1’’)=W2(t2’－t2’’) 共有7个量KF W1、W2、t1’、t1’’、 t2’、t2’’、，给出5 个量才能进行计算。 对设计性计算可采用上述温差法，对校核性计算应 采用本节的无因次法比较方便。
0.0
7
• 这是一个由圆管内侧的对流换热、圆管 壁的导热及圆管外侧的对流换热三个热 量传递环节组成的传热过程，在稳态情 况下，运用热阻的概念，很容易求出通 过圆管的热流量。根据牛顿冷却公式以 及圆管壁的稳态导热计算公式，通过圆 管的热流量可以分别表示为
0.0
8
d1lh1 tf1 tw1
逆流时的对数平均温差； 为小于1的修正系数，
其数值取决于流动型式和0.无0 量纲参数P,R
44
修正系数φ
• 修正系数φ与R、P的函数关系 • 为了工程上计算方便，对于常见的流动
型式，已绘制成线算图，在有关传热学 或换热器设计手册中可以查到。
0.0
45
P
1壳程，2、4、6、8…管程的
值
0.0
46
33
二、顺流平均温压
• 结果与逆流平均温压的形式相同
tm
tmax tmin ln tmax
t m in
0.0
34
叉流和混合流
tm
t
tmax tmin ln tmax
t m in
逆流时的对数平均温差
0.0
35
蒸发器或冷凝器温度变化
• 在蒸发器或冷凝器中，冷流体或热流体 发生相变，如果忽略相变流体压力的变 化，则相变流体在整个换热面上保持其 饱和温度。在此情况下，由于一侧流体 温度恒定不变，所以无论顺流还是逆流， 换热器的平均传热温差都相同，如图所 示
度为，肋侧总面积。假设肋壁
材料的热导率为常数，肋侧表
面传热系数也为常数。在稳态
情况下，可以分别对于传热过
程的三个环节写出下面三个热
流量的计算公式：
0.0
11
对于左侧对流换热 对于壁的导热
A1h1 tf1 tw1
tf1 tw1 1
tw1
tw2
A1h1
A1
对于肋侧对流换热
A2 h2 tw 2 tf 2 A2h2 tw 2 tf 2
•
P
2壳程，4、8、12…管程的 值
0.0
47
一次交叉流，两种流体各自不 混合
0.0
48
P
• 一次交叉流，两种流体各自不混合时的 值
0.0
49
一次交叉流，一种流体混合、 另一种流体不混合
•
0.0
50
•
0.0
51
P
• 一次交叉流，一种流体混合、另一种流 体不混合时的 值
0.0
52
一次交叉流，两种流体均不混合
层最大厚度。应该合理地选择肋高和肋间距， 使
1
及h传2 热系数 具有k最1 佳值。
0.0
15
在工程上，当 h1 h2 3 ~ 5 时，一般选择
较小的低肋；当 h1 h2 10
时，一般选择
较大的高肋。为了有效的强化传热，肋片应
该加在表面传热系数较小的一侧。
0.0
16
肋片管
•
0.0
17
2－3 平均温压
Ah1 A Ah2
tf1 tf2 Rk
Ak tf1 tf 2 Akt
k
1
1
1
h1 h2
0.0
6
二、管壁的传热系数
• 光滑管的传热系数
一单层圆管，内、外半径分 别为 r1、r2，长度为l，热导 率为常数，无内热源，圆管 内、外两侧的流体温度分别 为tf1 、tf2, 且tf1 > tf2，两侧的 表面传热系数分别为h1、h2。
• 换热器中流体的常见流型：
– 逆流、顺流、折流、交叉流、各式混合流， 见图
– 推导平均温压的条件设定P10
0.0
18
流动型式示意图
0.0
19
流体平行流动时的温度分布
0.0
20
0.0
21
一、逆流平均温压
• 对逆流平均温压的分析 • 所得逆流平均温压的公式 • 注意问题
0.0
22
逆流平均温压
t '
t
＝
m
t ' ln
t t '
''
t ''
对数平均温差
0.0
27
对逆流换热过程
dQ qm1c1dt1 qm2c2dt2
t
t1 t 2
dt1
dQ q m1c1
dQ W1
t1
dt 2
dQ qm2c2
dQ W2
t2
A
t
＝
m
t
'
t t '
''
d
(t1
t
2
)
( 1 W1
1 W2
)dQ
tf1 tw1 tf1 tw1
1
Rh1
d1lh1
tw1 tw2
1 ln d2
2 l d1
tw1 tw2 R
d2lh2 tw2 tf 2
tw2 tf 2 tw2 tf 2
1
Rh2
d 2lh2
Rh1 ,R ,Rh2 分别为圆管内侧的对流换热热阻、管壁的 导热热阻和圆管外0.0 侧的对流换热热阻。9
0.0
3
2－2传热系数
•
0.0
4
一、平壁的传热系数
对于一个无内热源、热导率为常数、厚度
为的单层无限大平壁、两侧流体温度分
h1
别为tf1 与tf2、 表面传热系数分别为与的
稳态的传热过程，通过平壁的热流量可
由下式计算：
0.0
5
或写成
tf1 tf2
1 1
tf1 tf 2
Rh1 R Rh2
三、翅化壁(肋化壁)
在表面传热系数较小的一侧采用肋壁是强 化传热的一种行之有效的方法。下面以 平壁的一侧为肋壁的较简单的情况，作 为分析肋壁传热的对象。
0.0
10
三、翅化壁(肋化壁)
• 翅化平壁
• 翅片管
A2 A2 A2
如图所示, 未加肋的左侧面积为， 加肋侧肋基面积为，肋基温度
为，肋片面积为，肋片平均温 thAw22122'
tm
tmax tmin ln tmax
t m in
因为上式中出现对数运算，所以由上式计算的温差 称为对数平均温差
0.0
32
在工程上，当tmax tmin 2 时，可以采用算术平均
温差
tm
tmax
2
tmin
在相同进、出口温度相同情况下，算术平均温 差的数值略大于对数平均温差，偏差小于4%
来自百度文库
0.0
错流
错流是指两流体在间壁两 侧彼此的流动方向垂直；
复杂折流
若两种流体都作折流流动 或既有错流又有折流，称 为复杂折流。
0.0
39
错流或折流时的平均温差，通常是先按逆流求算，然后 再根据流动型式加以修正
t m t m,逆
ψ称为温差修正系数，表示为P和R两参数的函数
f P, R
式中
P t 2 t1 冷流体实际温度变化 T 1 t1 冷流体最大温度变化
R T1 T2 t2 t1
热流体实际温度变化 冷流体实际温度变化
式表示的温差修正曲线绘于图7-5(a)、(b) 和 (c)中。
0.0
40
折流
• 折流：一流体沿一个方向流动，另一流 体反复改变方向称为简单折流。
• 若两流体均作折流，既有折流，又有错 流，称为复杂折流。
0.0
41
0.0
42
简单折流