傳熱過程分析與換熱器的熱計算

關(guān)于傳熱過程分析與換熱器的熱計算2023/6/27第1頁，講稿共74頁，2023年5月2日，星期三2023/6/27基本要求1．掌握傳熱過程的概念及宏觀規(guī)律2．掌握傳熱系數(shù)的概念及影響因素，并能計算常見傳熱過程的傳熱系數(shù)3．了解換熱器的分類及主要型式4．能計算不同型式換熱器的平均溫差，并進(jìn)行換熱器內(nèi)冷、熱流體的溫度變化規(guī)律分析5．熟記換熱器熱設(shè)計的基本公式，了解換熱器熱設(shè)計的類型及計算方法，并能用平均溫差法進(jìn)行換熱器的設(shè)計計算6．掌握熱量傳遞過程的控制原理與方法第2頁，講稿共74頁，2023年5月2日，星期三2023/6/27主要內(nèi)容▲傳熱過程的分析和計算▲換熱器的類型▲傳熱過程的平均溫差及計算▲間壁式換熱器的熱設(shè)計▲熱量傳遞過程的控制(強(qiáng)化和削弱)第3頁，講稿共74頁，2023年5月2日，星期三2023/6/2710.1傳熱過程的分析和計算傳熱過程的定義——熱量由壁面一側(cè)的熱流體通過壁面?zhèn)鞯搅硪粋?cè)的冷流體中的過程,稱為傳熱過程傳熱過程的宏觀規(guī)律——傳熱方程式中：k為傳熱系數(shù)(W/m2.K),反映傳熱過程的強(qiáng)弱為傳熱熱阻第4頁，講稿共74頁，2023年5月2日，星期三2023/6/2710.1.1通過平壁的傳熱過程計算等效電路圖(共三個環(huán)節(jié)串聯(lián)):10.1傳熱過程的分析和計算第5頁，講稿共74頁，2023年5月2日，星期三2023/6/27影響傳熱系數(shù)k的數(shù)值的主要因素：①冷熱流體的物性；②流速；③物體表面的形狀和布置；④壁面材料導(dǎo)熱系數(shù)通過平壁的傳熱量：當(dāng)流過壁面的是輻射性氣體(二氧華碳、水蒸汽、煙氣等),或壁面與周圍表面間存在較大溫差時,則該側(cè)應(yīng)按復(fù)合換熱考慮.10.1傳熱過程的分析和計算第6頁，講稿共74頁，2023年5月2日，星期三2023/6/2710.1.2通過圓筒壁的傳熱過程計算10.1傳熱過程的分析和計算等效電路圖(共三個環(huán)節(jié)串聯(lián)):第7頁，講稿共74頁，2023年5月2日，星期三定義：(1)以圓管外側(cè)面積為基準(zhǔn)的傳熱系數(shù)k(2)以圓管內(nèi)側(cè)面積為基準(zhǔn)的傳熱系數(shù)ki通過圓筒壁的傳熱量：(10-2)10.1傳熱過程的分析和計算第8頁，講稿共74頁，2023年5月2日，星期三2023/6/27總傳熱熱阻=管內(nèi)熱阻+管壁熱阻+管外熱阻注意：①因Ai≠A0，故不采用單位面積熱阻的概念；②管子內(nèi)、外側(cè)有污垢或包有保溫層時，只要增加相應(yīng)的熱阻項即可；③要強(qiáng)化或削弱傳熱過程，應(yīng)從熱阻最大的環(huán)節(jié)入手(10-5)10.1傳熱過程的分析和計算第9頁，講稿共74頁，2023年5月2日，星期三2023/6/2710.1.3通過肋壁的傳熱過程計算

(以平壁一側(cè)裝肋的情況為例)基礎(chǔ)：肋壁(或肋面)總效率的概念10.1傳熱過程的分析和計算第10頁，講稿共74頁，2023年5月2日，星期三2023/6/27(1)肋壁總效率η0式中：10.1傳熱過程的分析和計算第11頁，講稿共74頁，2023年5月2日，星期三2023/6/27(2)肋壁傳熱過程分析解得：10.1傳熱過程的分析和計算第12頁，講稿共74頁，2023年5月2日，星期三2023/6/27肋壁的傳熱系數(shù)：(a)以肋側(cè)總表面積A0為基準(zhǔn)的肋壁傳熱系數(shù)為：(10-7a)(b)以光側(cè)表面積Ai為基準(zhǔn)的肋壁傳熱系數(shù)為：(10-7b)(c)未加肋時平壁的傳熱系數(shù)為：(10-1)10.1傳熱過程的分析和計算第13頁，講稿共74頁，2023年5月2日，星期三2023/6/27注意：b.不同的傳熱系數(shù)，在定義時所采用的計算面積不同c.復(fù)雜肋管的傳熱系數(shù)應(yīng)依靠專門的實驗來確定10.1傳熱過程的分析和計算第14頁，講稿共74頁，2023年5月2日，星期三2023/6/2710.1.4臨界熱絕緣直徑問題：在圓管外加肋是否一定能增強(qiáng)傳熱？在圓管外敷設(shè)保溫層是否一定能削弱傳熱？(2)加保溫層后，導(dǎo)熱熱阻增大，對流熱阻不變，故總熱阻增大，傳熱系數(shù)減小，換熱削弱(10-7b)(10-1)10.1傳熱過程的分析和計算第15頁，講稿共74頁，2023年5月2日，星期三2023/6/272、圓筒壁：(1)加肋時，肋側(cè)對流熱阻Rh的下降遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過導(dǎo)熱熱阻Rλ的增大幅度，故總熱阻下降，換熱增強(qiáng)(2)加保溫層后，導(dǎo)熱熱阻Rλ增大，外側(cè)對流熱阻Rh減小。傳熱量的變化應(yīng)視兩者的變化幅度而定。

一般情況下，Rλ的增加幅度超過Rh的減小幅度,故總熱阻增大,傳熱系數(shù)減小,換熱削弱.特殊情況：當(dāng)Rλ的增加幅度小于Rh的減小幅度時,總熱阻減小,傳熱系數(shù)反而增大,熱損失增加(10-2)10.1傳熱過程的分析和計算第16頁，講稿共74頁，2023年5月2日，星期三2023/6/27臨界熱絕緣直徑:即:d0<dcr(Bi<2),d0↑→Ф↑;d0=dcr(Bi=2)時,Ф=Фmax;d0>dcr(Bi>2)時,d0↑→Ф↓.10.1傳熱過程的分析和計算第17頁，講稿共74頁，2023年5月2日，星期三2023/6/2710.2.1換熱器的分類1.按操作過程分:間壁式—也稱表面式，在工程中最常用混合式—適用于冷熱流體為同類介質(zhì)的場合回?zé)崾?蓄熱式)—適用于氣體與氣體間的換熱,為非穩(wěn)態(tài)過程換熱器—使熱量從熱流體傳遞到冷流體,以滿足規(guī)定的工藝要求的裝置10-2換熱器的類型10.2換熱器的類型第18頁，講稿共74頁，2023年5月2日，星期三2023/6/272.按表面的緊湊程度分:緊湊式與非緊湊式緊湊式—β≥700m2/m3,或dh≤6mm層流換熱器—β＞3000m2/m3,或100μm≤dh≤1mm微型換熱器–β＞15000m2/m3,或100μm≤dh≤1mm緊湊程度用當(dāng)量直徑de(dh)或傳熱面積密度

β來衡量(β---單位體積中的傳熱面積)(詳見P467圖10-5)10.2換熱器的類型第19頁，講稿共74頁，2023年5月2日，星期三2023/6/2710.2.2間壁式換熱器的主要型式

套管式管式殼管式*(列管式.最簡單,最典型)管束式蛇管式板式板式螺旋板式板翅式夾套式熱管換熱器見P467-471圖10.2換熱器的類型第20頁，講稿共74頁，2023年5月2日，星期三2023/6/27特點(diǎn):耐壓抗震,不易變形;耐臟耐垢,不易堵塞;

回油順暢,安全性高;結(jié)構(gòu)靈活,布置方便適用:傳熱量不大或流體流量不大的情形

1.套管換熱器10.2換熱器的類型第21頁，講稿共74頁，2023年5月2日，星期三2023/6/272.殼管式換熱器10.2換熱器的類型第22頁，講稿共74頁，2023年5月2日，星期三2023/6/2710.2換熱器的類型第23頁，講稿共74頁，2023年5月2日，星期三2023/6/27列管式冷凝器實例

10.2換熱器的類型第24頁，講稿共74頁，2023年5月2日，星期三2023/6/27波紋管換熱器波紋換熱管

10.2換熱器的類型第25頁，講稿共74頁，2023年5月2日，星期三2023/6/273.交叉流換熱器例：板翅式換熱器10.2換熱器的類型第26頁，講稿共74頁，2023年5月2日，星期三2023/6/27直片形U形

L形方形10.2換熱器的類型第27頁，講稿共74頁，2023年5月2日，星期三2023/6/274.板式換熱器10.2換熱器的類型第28頁，講稿共74頁，2023年5月2日，星期三2023/6/27特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)緊湊,占用空間??；傳熱系數(shù)高；端部溫差小(可達(dá)1℃);熱損失小，熱效率高(≥98%);適應(yīng)性好，易調(diào)整;不易結(jié)垢1,2介質(zhì)3環(huán)行孔道墊圈4板片密封墊圈5激光切焊焊縫6焊接密封流道

第29頁，講稿共74頁，2023年5月2日，星期三2023/6/275.螺旋板式換熱器10.2換熱器的類型第30頁，講稿共74頁，2023年5月2日，星期三2023/6/27螺旋板換熱器的特點(diǎn):

傳熱效率高(總傳熱系數(shù)最高可達(dá)3300Kcal/m2.h.，傳熱效率為列管式換熱器的1～3倍。)，節(jié)能效果好，體積小、價格便宜，使用可靠等。適用氣－氣、液－液、氣－液對流傳熱，以及用于蒸氣冷凝和液體蒸發(fā)傳熱。但密封較困難.10.2換熱器的類型第31頁，講稿共74頁，2023年5月2日，星期三2023/6/276.管束式換熱器10.2換熱器的類型第32頁，講稿共74頁，2023年5月2日，星期三2023/6/277.熱管換熱器10.2換熱器的類型第33頁，講稿共74頁，2023年5月2日，星期三2023/6/27第34頁，講稿共74頁，2023年5月2日，星期三2023/6/27換熱器中流體的流程及流向

流程:用i—j表示

i—?dú)こ虜?shù)；j—管程數(shù)

流向：順流—冷熱兩種流體平行而同向流動逆流—冷熱兩種流體平行而反向流動交叉流—冷熱兩種流體空中垂直相交流動混合流—上述幾種流向的混合10.2換熱器的類型第35頁，講稿共74頁，2023年5月2日，星期三2023/6/2710.2.3提高換熱器緊湊性的途徑減小管徑;采用板式結(jié)構(gòu)(減小當(dāng)量直徑);采用肋化表面;采用絲網(wǎng)狀材料10.2.4殼管式換熱器的近期發(fā)展螺旋折流板換熱器,折流桿換熱器10.2換熱器的類型第36頁，講稿共74頁，2023年5月2日，星期三2023/6/2710.3.1、簡單順、逆流換熱器平均溫差的計算簡化假定:

a.冷、熱流體的質(zhì)量流量qm2、qm1及比熱容c2、

c1在整個換熱面上都是常量；

b.傳熱系數(shù)k在整個換熱面上不變；

c.換熱器無散熱損失；

d.換熱面沿流動方向的導(dǎo)熱量可忽略不計。

10.3換熱器中傳熱過程平均溫差的計算傳熱方程：Δtm—（對數(shù)）平均溫壓10.3換熱器的平均溫差第37頁，講稿共74頁，2023年5月2日，星期三2023/6/271.順流換熱器在dA中:10.3換熱器的平均溫差第38頁，講稿共74頁，2023年5月2日，星期三2023/6/27或：……=將式(h)沿全換熱面積分平均，即可得整個換熱面的平均溫差Δtm:得截面Ax處的溫差Δtx與Ax的關(guān)系為:(h)10.3換熱器的平均溫差第39頁，講稿共74頁，2023年5月2日，星期三2023/6/272.逆流換熱器在微元面dA中:其他均同順流第40頁，講稿共74頁，2023年5月2日，星期三2023/6/273.平均溫壓的簡化計算

－－用算術(shù)平均溫差代替對數(shù)平均溫差條件：10.3換熱器的平均溫差第41頁，講稿共74頁，2023年5月2日，星期三2023/6/2710.3.2其他復(fù)雜布置時平均溫差的計算

—采用修正系數(shù)線算圖求解具體計算步驟見P478:(1)以給定的冷熱流體的進(jìn)出口溫度,計算按逆流布置時的對數(shù)平均溫差(Δtm)ctf(2)根據(jù)流動型式,根據(jù)P、R從相應(yīng)的線算圖中查得修正系數(shù)ψ,則:(10-12)各種流動型式換熱器的修正系數(shù)線算圖見P479-48010.3換熱器的平均溫差第42頁，講稿共74頁，2023年5月2日，星期三2023/6/2710.3.3不同流動布置型式平均溫差的比較(1)在冷熱流體進(jìn)出口溫度一定的條件下,(Δtm)順最小,(Δtm)逆最大;且逆流布置時熱損失對(Δtm)的影響最小(2)其他流動型式的(Δtm)介于順流與逆流之間,設(shè)計中一般要求修正系數(shù)ψ大于0.9,至少不能小于0.8;(3)當(dāng)其中一種流體有相變時,無順逆流之分;(4)蛇形管束當(dāng)曲折次數(shù)超過四次時,可作純順流或純逆流處理第43頁，講稿共74頁，2023年5月2日，星期三2023/6/27

10.4間壁式換熱器的熱設(shè)計▲換熱器的熱設(shè)計類型1.設(shè)計計算

2.校核計算▲換熱器熱設(shè)計的基本方法

1.平均溫壓法*

2.傳熱單元數(shù)法▲換熱器的污垢熱阻及對傳熱的影響▲換熱器的綜合設(shè)計10.4間壁式換熱器的熱設(shè)計第44頁，講稿共74頁，2023年5月2日，星期三2023/6/27換熱器熱設(shè)計的基本公式熱平衡方程:(10-14)10.4間壁式換熱器的熱設(shè)計第45頁，講稿共74頁，2023年5月2日，星期三2023/6/271.兩種類型的設(shè)計

——設(shè)計計算與校核計算已知：兩個水當(dāng)量qm1c1和qm2c2、四個進(jìn)出口溫度中的三個求：另一溫度值、kA、傳熱量Φ已知：kA、兩個水當(dāng)量、兩個進(jìn)口溫度t1’、t2’

求：兩個出口溫度t1”、t2”、及傳熱量Φ

設(shè)計計算校核計算10.4.1兩種類型的設(shè)計和兩種設(shè)計方法10.4間壁式換熱器的熱設(shè)計第46頁，講稿共74頁，2023年5月2日，星期三2023/6/272.換熱器的兩種熱計算方法平均溫壓法(LMTD法)

傳熱單元數(shù)法[效能—傳熱單元數(shù)法(ε-NTU法)]平均溫壓法用于校核計算的步驟見P485(需試算)——常用于設(shè)計計算(可直接進(jìn)行計算)

具體步驟見——常用于校核計算計算步驟與平均溫壓法大致相似10.4間壁式換熱器的熱設(shè)計第47頁，講稿共74頁，2023年5月2日，星期三2023/6/27

10.4.2換熱器熱設(shè)計的平均溫差法(LMTD法)

1.平均溫壓法用于設(shè)計計算的步驟P485

:(1)初步布置換熱面,并計算傳熱系數(shù)k;(2)由熱平衡式求出第4個溫度;(3)計算平均溫差(注意保持修正系數(shù)具有合適的數(shù)值;(4)由傳熱方程求出所需傳熱面積A,并核算流動阻力;(5)如流動阻力過大,改變方安重新設(shè)計.10.4間壁式換熱器的熱設(shè)計第48頁，講稿共74頁，2023年5月2日，星期三2023/6/272.平均溫壓法用于校核計算的步驟(迭代法):P485(1)假定1個出口溫度,按熱平衡方程求出另一出口溫度;(2)計算平均溫差;(3)根據(jù)換熱器的結(jié)構(gòu),計算傳熱系數(shù)k;(4)已知kA,△tm,由傳熱方程求出傳熱量Φht;(5)根據(jù)4個溫度,由熱平衡方程求出另一傳熱量Φhb;(6)比較Φht與Φhb(要求兩者之差小于2%～5%).10.4間壁式換熱器的熱設(shè)計第49頁，講稿共74頁，2023年5月2日，星期三2023/6/271.換熱器效能ε的定義(效能ε的概念與計算是傳熱單元數(shù)法的關(guān)鍵)10.4.3換熱器熱設(shè)計的效能—傳熱單元數(shù)法[(ε-NTU法),簡稱傳熱單元數(shù)法]10.4間壁式換熱器的熱設(shè)計第50頁，講稿共74頁，2023年5月2日，星期三2023/6/272.效能ε的計算[式(10-19)—式(10-23)]10.4間壁式換熱器的熱設(shè)計第51頁，講稿共74頁，2023年5月2日，星期三2023/6/27(3)簡化計算式①其中任一流體發(fā)生相變時，(qmc)max→∞順、逆流換熱器均有：②兩種流體的水當(dāng)量相等，即(qmc)max=(qmc)min順流：逆流：不同流動形式換熱器的ε—NTU關(guān)系圖詳見P488、489圖10.4間壁式換熱器的熱設(shè)計第52頁，講稿共74頁，2023年5月2日，星期三2023/6/27三個無因次量：

①換熱器的效能ε及其計算計算[式(10-18)——式(10-23)、線算圖]②③水當(dāng)量比:10.4間壁式換熱器的熱設(shè)計第53頁，講稿共74頁，2023年5月2日，星期三2023/6/27第54頁，講稿共74頁，2023年5月2日，星期三2023/6/27(1)計算傳熱單元數(shù)

(2)計算兩個水當(dāng)量之比(3)根據(jù)換熱器型從相應(yīng)線算圖中查得效能值.(4)由熱班程計算傳熱量(2)計算兩個出口溫度已知：kA、兩個水當(dāng)量、兩個進(jìn)口溫度t1’、t2’

求：兩個出口溫度t1”、t2”、及傳熱量Φ3.采用傳熱單元數(shù)法計算換熱器的步驟(需試算)——參見P48910.4間壁式換熱器的熱設(shè)計第55頁，講稿共74頁，2023年5月2日，星期三2023/6/2710.4.4換熱器的污垢熱阻2.污垢對傳熱的影響污垢的存在將使傳熱系數(shù)下降，換熱削弱.1.污垢熱阻

——換熱器運(yùn)行一段時間后,由于在換熱面上積起水垢、污泥、煙灰等覆蓋物垢層,或由于換熱面與流體的相互作用發(fā)生腐蝕而引起的覆蓋物垢層所產(chǎn)生的附加熱阻.10.4間壁式換熱器的熱設(shè)計第56頁，講稿共74頁，2023年5月2日，星期三2023/6/273、處理方法注意：當(dāng)換熱壁面面積不是常量時，應(yīng)考慮面積變化的影響，即引用總熱阻的概念。污垢熱阻的參考值見P340表9-1（與水文地質(zhì)條件等有關(guān),由實驗測得）(1)使用中，對冷卻水進(jìn)行預(yù)處理，并應(yīng)定期清洗(2)計算中，在計算式中附加一項經(jīng)驗的熱阻，即污垢熱阻（污垢系數(shù)）Rf(m2.℃/W)10.4間壁式換熱器的熱設(shè)計第57頁，講稿共74頁，2023年5月2日，星期三2023/6/27第58頁，講稿共74頁，2023年5月2日，星期三2023/6/27第59頁，講稿共74頁，2023年5月2日，星期三2023/6/274.有污垢時的傳熱系數(shù)P495.例10-6換熱器的設(shè)計計算例10-7換熱器的校核計算當(dāng)管壁兩側(cè)均結(jié)垢時,以管子外表面積為計算依據(jù)的傳熱系數(shù)為:(10-25)式中:10.4間壁式換熱器的熱設(shè)計第60頁，講稿共74頁，2023年5月2日，星期三2023/6/2710.4.5換熱器的綜合設(shè)計

應(yīng)將初投資、運(yùn)行費(fèi)用、安全可靠等因素進(jìn)行綜合考慮，以達(dá)到最佳的綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)為目標(biāo)基本原則：1、應(yīng)以最惡劣的運(yùn)行條件為設(shè)計依據(jù)；2、設(shè)計時應(yīng)采用一定的安全系數(shù)（減小傳熱系數(shù)、表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)或增大換熱面積)；3、考慮一些技術(shù)經(jīng)濟(jì)問題——最優(yōu)化設(shè)計；4、考慮運(yùn)行中的一些實際問題，如管殼程的安排、管距管徑的選擇、各換熱面間的相互影響、結(jié)垢后的清洗問題，……等10.4間壁式換熱器的熱設(shè)計第61頁，講稿共74頁，2023年5月2日，星期三2023/6/2710.5

熱量傳遞過程的控制(強(qiáng)化與削弱)概說--強(qiáng)化傳熱的原則和手段強(qiáng)化傳熱技術(shù)及機(jī)理熱阻分離法---確定傳熱過程分熱阻的的威爾遜圖解法隔熱保溫技術(shù)（以自學(xué)為主）10.5熱量傳遞過程的控制第62頁，講稿共74頁，2023年5月2日，星期三2023/6/27問題：強(qiáng)化傳熱過程的基本原則是什么？傳熱的強(qiáng)化主要集中在什么領(lǐng)域？各可采取哪些手段？強(qiáng)化傳熱的手段可分為哪幾類？它們之間的差別何在？具體有哪些手段？傳熱的削弱主要集中在什么領(lǐng)域？常用的措施有哪些？常用的保溫材料有哪些？保溫技術(shù)包括哪些內(nèi)容？10.5熱量傳遞過程的控制第63頁，講稿共74頁，2023年5月2日，星期三2023/6/27強(qiáng)化對流傳熱的手段無源技術(shù)(被動式技術(shù))

——指除了輸送傳熱介質(zhì)的功率消耗外不再需要附加動力的強(qiáng)化技術(shù)有源技術(shù)(主動式技術(shù))

——需要采用附加動力的強(qiáng)化技術(shù)對流傳熱的強(qiáng)化10.5熱量傳遞過程的控制第64頁，講稿共74頁，2023年5月2日，星期三2023/6/27具體措施有：①提高流速；②采用短管；③增加擾動；④采用大λ流體；⑤采用肋管或特殊換熱面；⑥采用小管徑管子；……等等單相流體對流傳熱的強(qiáng)化

1.減薄邊界層;2.增加擾動,促使流體各部分混合核態(tài)沸騰傳熱的強(qiáng)化——增加汽化核心膜狀凝結(jié)傳熱的強(qiáng)化

1、減薄液膜厚度2、加速凝結(jié)液膜的順利排泄10.5熱量傳遞過程的控制第65頁，講稿共74頁，2023年5月2日，星期三2023/6/27

對于換熱器，除了強(qiáng)化相應(yīng)的