熱交換器原理與設(shè)計(jì)第1章 熱交換器熱計(jì)算的基本原理課件

第1章熱交換器熱計(jì)算的基本原理熱交換器原理與設(shè)計(jì)第1章熱交換器熱計(jì)算的基本原理1.0概述熱（力）計(jì)算是換熱器設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。以間壁式換熱器為基礎(chǔ)介紹換熱器的熱（力）計(jì)算，其他形式的換熱器計(jì)算方法相同。設(shè)計(jì)性計(jì)算校核性計(jì)算設(shè)計(jì)新?lián)Q熱器，確定其面積。但同樣大小的傳熱面積可采用不同的構(gòu)造尺寸，而不同的構(gòu)造尺寸會(huì)影響換熱系數(shù)，故一般與結(jié)構(gòu)計(jì)算交叉進(jìn)行。針對(duì)現(xiàn)有換熱器，確定流體的進(jìn)出口溫度。了解其在非設(shè)計(jì)工況下的性能變化，判斷其是否能滿足新的工藝要求。熱交換器原理與設(shè)計(jì)第1章熱交換器熱計(jì)算的基本原理1.1熱計(jì)算基本方程式傳熱方程式和熱平衡方程式1.1.1傳熱方程式Q—熱負(fù)荷k、Δt—微元面上的傳熱系數(shù)和溫差。K—總傳熱系數(shù)Δtm—對(duì)數(shù)平均溫差。熱交換器原理與設(shè)計(jì)第1章熱交換器熱計(jì)算的基本原理1.1熱計(jì)算基本方程式1.1.1傳熱方程式

工藝計(jì)算的目的是求換熱面積，即

需要先求出Q，K，Δtm熱交換器原理與設(shè)計(jì)第1章熱交換器熱計(jì)算的基本原理1.1熱計(jì)算基本方程式1.1.2熱平衡方程式

如不考慮熱損失，則下標(biāo)1代表熱流體。下標(biāo)2冷流體；上標(biāo)1撇代表進(jìn)口，上標(biāo)2撇代表出口。

如無相變，則或熱交換器原理與設(shè)計(jì)第1章熱交換器熱計(jì)算的基本原理1.1熱計(jì)算基本方程式1.1.2熱平衡方程式Mc稱為熱容，用W表示，則，考慮熱損失時(shí)，ηL—對(duì)外熱損失系數(shù)，取0.97~0.98熱交換器原理與設(shè)計(jì)第1章熱交換器熱計(jì)算的基本原理1.2平均溫差1.2.1流體的溫度分布右圖為流體平行流動(dòng)時(shí)溫度分布熱交換器原理與設(shè)計(jì)第1章熱交換器熱計(jì)算的基本原理假設(shè)：(1)冷熱流體的質(zhì)量流量qm2、qm1以及比熱容c2,c1是常數(shù)；(2)傳熱系數(shù)是常數(shù)；(3)換熱器無散熱損失；(4)換熱面沿流動(dòng)方向的導(dǎo)熱量可以忽略不計(jì)。下標(biāo)1、2分別代表熱冷流體。上標(biāo)1撇和2撇分別代表進(jìn)出口1.2平均溫差1.2.2順流和逆流情況下的平均溫差

簡單順流時(shí)的對(duì)數(shù)平均溫差熱交換器原理與設(shè)計(jì)第1章熱交換器熱計(jì)算的基本原理1.2平均溫差1.2.2順流和逆流情況下的平均溫差

簡單順流時(shí)的對(duì)數(shù)平均溫差分析微元面dA的換熱：溫差：兩種流體的換熱量為:對(duì)于熱流體和冷流體:熱交換器原理與設(shè)計(jì)第1章熱交換器熱計(jì)算的基本原理1.2平均溫差1.2.2順流和逆流情況下的平均溫差

簡單順流時(shí)的對(duì)數(shù)平均溫差可見，當(dāng)?shù)販夭铍S換熱面呈指數(shù)變化，則沿整個(gè)換熱面的平均溫差為：熱交換器原理與設(shè)計(jì)第1章熱交換器熱計(jì)算的基本原理1.2平均溫差1.2.2順流和逆流情況下的平均溫差

簡單順流時(shí)的對(duì)數(shù)平均溫差對(duì)數(shù)平均溫差熱交換器原理與設(shè)計(jì)第1章熱交換器熱計(jì)算的基本原理1.2平均溫差1.2.2順流和逆流情況下的平均溫差

簡單逆流時(shí)的對(duì)數(shù)平均溫差逆流時(shí)：熱交換器原理與設(shè)計(jì)第1章熱交換器熱計(jì)算的基本原理其他過程和公式與順流是完全一樣，因此，最終仍然可以得到：1.2平均溫差1.2.2順流和逆流情況下的平均溫差

簡單逆流時(shí)的對(duì)數(shù)平均溫差熱交換器原理與設(shè)計(jì)第1章熱交換器熱計(jì)算的基本原理

順流和逆流的區(qū)別：將對(duì)數(shù)平均溫差寫成如下統(tǒng)一形式(順流和逆流都適用)順流：逆流：1.2平均溫差1.2.2順流和逆流情況下的平均溫差熱交換器原理與設(shè)計(jì)第1章熱交換器熱計(jì)算的基本原理

算術(shù)平均溫差算術(shù)平均溫差相當(dāng)于溫度呈直線變化的情況，因此，總是大于相同進(jìn)出口溫度下的對(duì)數(shù)平均溫差，當(dāng)時(shí)，兩者的差別小于4％；當(dāng)時(shí)，兩者的差別小于2.3％。平均溫差的另一種更為簡單的形式是算術(shù)平均溫差，即1.2平均溫差1.2.2順流和逆流情況下的平均溫差熱交換器原理與設(shè)計(jì)第1章熱交換器熱計(jì)算的基本原理1.2平均溫差1.2.3其他流動(dòng)方式時(shí)的平均溫差純順流和純逆流情況比較少，實(shí)際換熱器一般都是處于順流和逆流之間，或者有時(shí)是逆流，有時(shí)又是順流，流動(dòng)情況非常復(fù)雜。是給定的冷熱流體的進(jìn)出口溫度布置成逆流時(shí)的LMTD。純逆流的平均溫差最大，一般通過對(duì)純逆流的對(duì)數(shù)平均溫差進(jìn)行修正來獲得其他情況下的平均溫差。

是小于1的修正系數(shù)。圖9-15～9-18分別給出了管殼式換熱器和交叉流式換熱器的。熱交換器原理與設(shè)計(jì)第1章熱交換器熱計(jì)算的基本原理熱交換器原理與設(shè)計(jì)第1章熱交換器熱計(jì)算的基本原理熱交換器原理與設(shè)計(jì)第1章熱交換器熱計(jì)算的基本原理熱交換器原理與設(shè)計(jì)第1章熱交換器熱計(jì)算的基本原理

關(guān)于

的注意事項(xiàng)式中：下標(biāo)1、2分別表示冷熱兩種流體，上角標(biāo)1撇表示進(jìn)口，2撇表示出口，圖表中均以P為橫坐標(biāo)，R為參量。（2）P的物理意義：（1）

值取決于無量綱參數(shù)P和R表示冷流體的實(shí)際溫升與理論上所能達(dá)到的最大溫升之比，所以只能小于1。1.2平均溫差1.2.3其他流動(dòng)方式時(shí)的平均溫差熱交換器原理與設(shè)計(jì)第1章熱交換器熱計(jì)算的基本原理

關(guān)于

的注意事項(xiàng)1.2平均溫差1.2.3其他流動(dòng)方式時(shí)的平均溫差（3）R的物理意義：兩種流體的熱容量之比（4）對(duì)于管殼式換熱器，查圖時(shí)需要注意流動(dòng)的“程”數(shù)熱交換器原理與設(shè)計(jì)第1章熱交換器熱計(jì)算的基本原理1.3.1傳熱有效度的定義既“傳熱學(xué)”中的效能-傳熱單元數(shù)法。傳熱有效度的定義是基于如下思想：當(dāng)換熱器無限長，對(duì)于一個(gè)逆流換熱器來講，則會(huì)發(fā)生如下情況：但實(shí)際情況的傳熱量

總是小于可能的最大傳熱量

max，將

/

max定義為傳熱有效度，并用

表示，即a當(dāng)qm1c1≤qm2c2時(shí)，則b當(dāng)qm2c2≤qm1c1時(shí)，則于是可得：1.3傳熱有效度熱交換器原理與設(shè)計(jì)第1章熱交換器熱計(jì)算的基本原理如果已知

則實(shí)際傳熱量為：式①，②相加：①②1.3.2順流和逆流時(shí)的傳熱有效度順流時(shí)，假設(shè)根據(jù)熱平衡式則有1.3傳熱有效度熱交換器原理與設(shè)計(jì)第1章熱交換器熱計(jì)算的基本原理1.3.2順流和逆流時(shí)的傳熱有效度1.3傳熱有效度熱交換器原理與設(shè)計(jì)第1章熱交換器熱計(jì)算的基本原理當(dāng)時(shí)，同樣的推導(dǎo)過程可得：兩個(gè)公式合并，可得：1.3.2順流和逆流時(shí)的傳熱有效度1.3傳熱有效度熱交換器原理與設(shè)計(jì)第1章熱交換器熱計(jì)算的基本原理定義傳熱單元數(shù)NTU(NumberofTransferUnit)則順流時(shí)，1.3.2順流和逆流時(shí)的傳熱有效度1.3傳熱有效度熱交換器原理與設(shè)計(jì)第1章熱交換器熱計(jì)算的基本原理逆流時(shí)1.3.2順流和逆流時(shí)的傳熱有效度1.3傳熱有效度即熱交換器原理與設(shè)計(jì)第1章熱交換器熱計(jì)算的基本原理

當(dāng)冷熱流體之一發(fā)生相變時(shí)

當(dāng)兩種流體的熱容相等時(shí)順流：逆流：相當(dāng)于羅必塔法則1.3.2順流和逆流時(shí)的傳熱有效度1.3傳熱有效度熱交換器原理與設(shè)計(jì)第1章熱交換器熱計(jì)算的基本原理熱交換器原理與設(shè)計(jì)第1章熱交換器熱計(jì)算的基本原理由順流和逆流的傳熱有效度推導(dǎo)結(jié)果可知：1.3.2順流和逆流時(shí)的傳熱有效度1.3傳熱有效度設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，ε、Rc已知，由關(guān)系式或圖求NTU進(jìn)而求換熱面積。熱交換器原理與設(shè)計(jì)第1章熱交換器熱計(jì)算的基本原理熱交換器原理與設(shè)計(jì)第1章熱交換器熱計(jì)算的基本原理熱交換器原理與設(shè)計(jì)第1章熱交換器熱計(jì)算的基本原理1.3.2其他流動(dòng)方式時(shí)的傳熱有效度1.3傳熱有效度(3)兩種流體中僅有一種混合的錯(cuò)流式換熱器(2)<2-4>型換熱器(4)兩種流體都不混合的錯(cuò)流式換熱器(1)<1-2>型換熱器熱交換器原理與設(shè)計(jì)第1章熱交換器熱計(jì)算的基本原理熱交換器原理與設(shè)計(jì)第1章熱交換器熱計(jì)算的基本原理熱交換器原理與設(shè)計(jì)第1章熱交換器熱計(jì)算的基本原理1.4換熱器計(jì)算方法比較換熱器熱計(jì)算的基本方程式是傳熱方程式及熱平衡式:1.換熱器熱計(jì)算概述(1)設(shè)計(jì)計(jì)算：校核計(jì)算：設(shè)計(jì)一個(gè)新的換熱器，以確定所需的換熱面積。對(duì)已有或已選定了換熱面積的換熱器，在非設(shè)計(jì)工況條件下，核算他能否完成規(guī)定的新任務(wù)。(9-14)(9-15)熱交換器原理與設(shè)計(jì)第1章熱交換器熱計(jì)算的基本原理需要給定其中的5個(gè)變量，才可以進(jìn)行計(jì)算。取決于進(jìn)出口溫度和換熱器的型式，不是獨(dú)立變量。因此，上面的兩個(gè)方程中共有8個(gè)未知數(shù)，即由(9-15)進(jìn)出口4個(gè)溫度只有3個(gè)是獨(dú)立變量。(9-14)(9-15)設(shè)計(jì)計(jì)算：給定qm1c1，qm2c2，以及進(jìn)出口溫度中的三個(gè)，最終求k，A校核計(jì)算：給定的一般是k,A

，以及2個(gè)進(jìn)口溫度，待求的是兩個(gè)出口溫度1.4換熱器計(jì)算方法比較1.換熱器熱計(jì)算概述熱交換器原理與設(shè)計(jì)第1章熱交換器熱計(jì)算的基本原理換熱器的熱計(jì)算有兩種方法：直接應(yīng)用傳熱方程和熱平衡方程進(jìn)行熱計(jì)算，具體步驟為：2.平均溫差法：

設(shè)計(jì)計(jì)算（已知qm1c1,qm2c2及三個(gè)溫度，求

k,A

）

初步布置換熱面，并計(jì)算出相應(yīng)的總傳熱系數(shù)k(2)根據(jù)給定條件，由熱平衡式求出進(jìn)、出口溫度中的那個(gè)待定的溫度。(3)由冷熱流體的4個(gè)進(jìn)出口溫度確定平均溫差(5)如果流動(dòng)阻力過大，則需要改變方案重新設(shè)計(jì)。(4)由傳熱方程式計(jì)算所需的換熱面積A，并核算換熱面流體的流動(dòng)阻力。平均溫差法、效能-傳熱單元數(shù)(-NTU)法1.4換熱器計(jì)算方法比較熱交換器原理與設(shè)計(jì)第1章熱交換器熱計(jì)算的基本原理1.4換熱器計(jì)算方法比較

校核計(jì)算(已知A,qm1c1,qm2c2及2個(gè)進(jìn)口溫度，求)2.平均溫差法：(1)先假設(shè)一個(gè)出口溫度，按熱平衡式計(jì)算另一個(gè)出口溫度。(2)根據(jù)4個(gè)進(jìn)出口溫度求得平均溫差(3)根據(jù)換熱器的結(jié)構(gòu)，算出相應(yīng)工作條件下的總傳熱系數(shù)k(4)已知kA和△tm，按傳熱方程式計(jì)算在假設(shè)出口溫度下的

(5)根據(jù)4個(gè)進(jìn)出口溫度，用熱平衡式計(jì)算另一個(gè)

，這個(gè)值和上面的

，都是在假設(shè)出口溫度下得到的，因此，都不是真實(shí)的換熱量(6)比較兩個(gè)

值，滿足精度要求，則結(jié)束，否則，重新假定出口溫度，重復(fù)(1)~(6)，直至滿足精度要求。熱交換器原理與設(shè)計(jì)第1章熱交換器熱計(jì)算的基本原理3用效能-傳熱單元數(shù)法計(jì)算換熱器的步驟利用已知條件可以計(jì)算出，而待求的k，A則包含在NTU內(nèi)，因此，對(duì)于設(shè)計(jì)計(jì)算是已知，求NTU，求解過程與平均溫差法相似。

設(shè)計(jì)計(jì)算設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)已知qm1c1,qm2c2及三個(gè)溫度，求

k,A，1.4換熱器計(jì)算方法比較熱交換器原理與設(shè)計(jì)第1章熱交換器熱計(jì)算的基本原理3.3用效能-傳熱單元數(shù)法計(jì)算換熱器的步驟

校核計(jì)算由于k事先不知，仍需要假設(shè)一個(gè)出口溫度，具體如下：已知A,qm1c1,qm2c2及2個(gè)進(jìn)口溫度，求①

假設(shè)一個(gè)出口溫度，利用熱平衡式計(jì)算另一個(gè)②

利用四個(gè)進(jìn)出口溫度計(jì)算定性溫度，確定物性，并結(jié)合換熱器結(jié)構(gòu)，計(jì)算總傳熱系數(shù)k③

利用k,A計(jì)算NTU④

利用NTU計(jì)算

⑤

利用

=εmax計(jì)算

，利用

=kA△tm計(jì)算另一個(gè)

⑥

比較兩個(gè)

，是否滿足精度，否則重復(fù)以上步驟1.4換熱器計(jì)算方法比較熱交換器原理與設(shè)計(jì)第1章熱交換器熱計(jì)算的基本原理從上面步驟可以看出，假設(shè)的出口溫度對(duì)傳熱量

的影響不是直接的，而是通過定性溫度，影響總傳熱系數(shù)，從而影響NTU，并最終影響

值。而平均溫差法的假設(shè)溫度直接用于計(jì)算

值，顯然

-NTU法對(duì)假設(shè)溫度沒有平均溫差法敏感，這是該方法的優(yōu)勢(shì)。在校核計(jì)算中，

-NTU法運(yùn)用較多。3用效能-傳熱單元數(shù)法計(jì)算換熱器的步驟1.4換熱器計(jì)算方法比較熱交換器原理與設(shè)計(jì)第1章熱交換器熱計(jì)算的基本原理1總體原則1.5流體流動(dòng)方式的選擇流動(dòng)方式對(duì)整個(gè)換熱器設(shè)計(jì)的合理性有很大的影響，在選擇流動(dòng)方式時(shí)應(yīng)注意以下幾個(gè)方面：(1)在給定溫度狀況下，保證獲得較大的平均溫差，以較小傳熱面積，降低金屬或其他材料的消耗。(2)使流體本身的溫度變化值(δt1或