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1、第六章 间壁式热质交换设备 的热工计算 第六章 间壁式热质交换设备 的热工计算 71-1 2015/5/11 环设、节能12级 内 容内 容 间壁式热质交换设备的形式与结构间壁式热质交换设备的形式与结构6.1 间壁两侧流体传热过程分析间壁两侧流体传热过程分析6.2 总传热系数与总传热热阻总传热系数与总传热热阻 2015/5/11 热工计算常用计算方法 其它间壁式热质交换设备的热工计算 表面式冷却器的热工计算 热工计算常用计算方法 其它间壁式热质交换设备的热工计算 表面式冷却器的热工计算 6.3 6.4 6.5 6.6 71-2 环设、节能12级 套管式换热器套管式换热器（Tube-in-tub
2、e heat exchanger）：最 简单的一种间壁式换热器，流体有顺流和逆流两种， 适用于传热量不大或流体流量不大的情形。 最 简单的一种间壁式换热器，流体有顺流和逆流两种， 适用于传热量不大或流体流量不大的情形。 顺流逆流顺流逆流 6.1 间壁式热质交换设备的形式与结构间壁式热质交换设备的形式与结构 2015/5/11 71-3 x T Th Tc T1 T2 x T Th (Hot) Tc (cold) T1 T2 Cold fluid Hot fluid Cold fluid Hot fluid 环设、节能12级 管壳式换热器管壳式换热器(shell and tube heat ex
3、changer)： 最主要的一种间壁式换热器，传热面由管束组成， 管子两端固定在管板上，管束与管板再封装在外壳 内。两种流体分 最主要的一种间壁式换热器，传热面由管束组成， 管子两端固定在管板上，管束与管板再封装在外壳 内。两种流体分管程管程和和壳程壳程。（tube pass and shell pass） 单壳程、单管程单壳程、单管程 2015/5/11 71-4 outB T , side) (shell ,inB T side) (tube ,inA T outA T , 环设、节能12级 增加管程增加管程 单壳程、双管程单壳程、双管程 side) (tube ,inA T outA T
4、 , side) (shell ,inB T outB T , 2015/5/1171-5 环设、节能12级 进一步增加管程和壳程进一步增加管程和壳程 2-4型型 3-6型型 双壳程、四管程双壳程、四管程 side) (shell ,inB T outB T , side) (tube ,inA T outA T , 2015/5/1171-6 环设、节能12级 交叉流换热器：交叉流换热器： 其主要特点是冷热流体呈交叉状流动。交叉流换热 器又分管束式、管翅式和板翅式三种。 其主要特点是冷热流体呈交叉状流动。交叉流换热 器又分管束式、管翅式和板翅式三种。 2015/5/1171-7 环设、节能1
5、2级 2015/5/1171-8 环设、节能12级 (c) 板翅式交叉流换热器板翅式交叉流换热器 2015/5/1171-9 环设、节能12级 板式换热器板式换热器(plate-type heat exchanger)： 由一组几何结构相同的平行薄平板叠加所组成，冷热 流体间隔地在每个通道中流动，其特点是拆卸清洗方 便，故适用于含有易结垢物的流体。 由一组几何结构相同的平行薄平板叠加所组成，冷热 流体间隔地在每个通道中流动，其特点是拆卸清洗方 便，故适用于含有易结垢物的流体。 2015/5/1171-10 环设、节能12级 11 环设、节能12级 12 环设、节能12级 螺旋板式换热器螺旋板式
6、换热器(Spiral-plate Heat Exchanger)： 换热表面由两块金属板卷制而成。 优点：换热效果好；缺点：密封比较困难。 换热表面由两块金属板卷制而成。 优点：换热效果好；缺点：密封比较困难。 1 2 1 1 2 2 2015/5/1171-13 环设、节能12级 例如，空调工程中处理空气的 表冷器， 一般在空气侧加装各 种形式的肋片 间壁式换热器种类和型式的不同 换热设备两端流体的不同 例如，空调工程中处理空气的 表冷器， 一般在空气侧加装各 种形式的肋片 间壁式换热器种类和型式的不同 换热设备两端流体的不同 2015/5/1171-14 环设、节能12级 2015/5/1
7、171-15 环设、节能12级 表冷器工作过程 2015/5/1171-16 环设、节能12级 hi ho i o wowi d d l Q ttln 2 内部对流：内部对流： ldh Q tt ii wifi 圆柱面导热：圆柱面导热： ldh Q tt oo fowo 外部对流：外部对流： ooi o ii fofi dhd d dh ttl Q 1 )ln( 2 11 )( 上三式相加：上三式相加： 6.2 间壁两侧流体传热过程分析间壁两侧流体传热过程分析 2015/5/1171-17 环设、节能12级 6.3 总传热系数与总传热热阻总传热系数与总传热热阻 KA Rt 1 t R t KA
8、 t tKAQ 1 其中： 单位管长的总热阻为 其中： 单位管长的总热阻为: ooi o ii t hdd d hd R 1 )ln( 2 11 其中其中i表示内表面，表示内表面，o表示外表面表示外表面 hi ho 2015/5/1171-18 环设、节能12级 AR K t 1 KA Rt 1 o dA ooi o ii t hdd d hd R 1 )ln( 2 11 单位管长外表面面积单位管长外表面面积 单位管长内表面面积单位管长内表面面积 i dA oi oo ii o o hd dd hd d K 1 )ln( 2 1 1 对于外表面对于外表面 oo i i oi i i hd d
9、d dd h K 1 )ln( 2 1 1 对于内表面对于内表面 2015/5/1171-19 环设、节能12级 考虑污垢热阻考虑污垢热阻（污垢热阻某种情况下影响很大）（污垢热阻某种情况下影响很大） 对于平壁，考虑其两侧的污垢热阻后，总热阻为对于平壁，考虑其两侧的污垢热阻后，总热阻为 21 11 h R h R ft 对于圆管，考虑垢热阻后，以对于圆管，考虑垢热阻后，以外表面外表面为计算面积 的总传热系数为： 为计算面积 的总传热系数为： o of i oo if i o ii o o h R d dd R d d hd d K 1 )ln( 2 1 1 , oo i of o i i oi
10、if i i hd d R d d d dd R h K 1 )ln( 2 1 1 , 基于内表面基于内表面 2015/5/1171-20 环设、节能12级 o of i oo if i o ii o o h R d dd R d d hd d K 1 )ln( 2 1 1 , 实验可以测定总表面传热系数实验可以测定总表面传热系数 确定传热过程分热阻的威尔逊图解法确定传热过程分热阻的威尔逊图解法 以以外表面外表面为计算基准的总传热系数为：为计算基准的总传热系数为： i o i fw oo d d h RR hK 111 其中其中Rw和和Rf分别为管壁与污垢热阻分别为管壁与污垢热阻 2015/5
11、/1171-21 环设、节能12级 工业换热器中的管内流体的流动一般都是处于旺盛湍 流状态， 工业换热器中的管内流体的流动一般都是处于旺盛湍 流状态，hi与流速与流速ui0.8成正比，成正比，因此，可以写成因此，可以写成 hi= ciui0.8的形式，代入前式：的形式，代入前式： i o ii fw oo d d uc RR hK 8 . 0 111 如果能保持如果能保持ho不变，不变，Rw壁面的导热热阻不会变化，壁面的导热热阻不会变化，Rf 在短时间内不会有大的改变，因此，上式在短时间内不会有大的改变，因此，上式右边前三项 可认为是常数， 右边前三项 可认为是常数，用用 b 表示，在物性不变
12、的情况下，可 以 表示，在物性不变的情况下，可 以认为认为do/(dici)是常数，是常数，用用m表示，于是上式可变为表示，于是上式可变为: 8 . 0 11 i o u mb K 2015/5/1171-22 环设、节能12级 8 . 0 11 i o u mb k 改变管内流速改变管内流速ui，则可以测得一系列的总表面传 热系数，然后绘制成图。 ，则可以测得一系列的总表面传 热系数，然后绘制成图。 b O 1/Ko 1/ui0.8 b主要是与热阻 有关的常数 主要是与热阻 有关的常数 2015/5/1171-23 环设、节能12级 8 . 0 iii uch 从图可得从图可得b，m，和，和
13、ci， 从而管子内侧的 ， 从而管子内侧的hi为 这样就将内部热阻从总传热系数中分离出来。 为 这样就将内部热阻从总传热系数中分离出来。 i o ii fw oo d d uc RR hk 8 . 0 111 当干净换热器运行一段时间后，再进行同样过程 的测量，可以获得另外一条曲线，则两条曲线 当干净换热器运行一段时间后，再进行同样过程 的测量，可以获得另外一条曲线，则两条曲线截距之 差就是污垢热阻， 截距之 差就是污垢热阻，这样又把污垢热阻这样又把污垢热阻Rf分离出来了。分离出来了。 已知已知Rw和和Rf，则可确定，则可确定ho。ho亦可实验确定。亦可实验确定。 Rf b b O 1/ko
14、1/ui0.8 2015/5/1171-24 环设、节能12级 6.4 换热器热工计算常用计算方法换热器热工计算常用计算方法 6.4.1 换热器热工计算的基本公式换热器热工计算的基本公式 传热方程式传热方程式: Q=KAtm 热平衡方程式热平衡方程式: Q=G1c1（t1-t1”）=G2c2（t2”-t2） 通常：通常：1-热流体；热流体；2-冷流体冷流体 2015/5/1171-25 环设、节能12级 26顺流顺流逆流逆流 6.4.2 对数平均温差法对数平均温差法 2015/5/11 71-26 x T Th Tc T1 T2 x T Th (Hot) Tc (cold) T1 T2 Col
15、d fluid Hot fluid Cold fluid Hot fluid 环设、节能12级 传热方程的一般形式：传热方程的一般形式： m tKAQ 当温差沿整个壁面不是常 数时，比如等壁温条件下的 管内对流换热，以及我们现 在遇到的换热器等，需要用 到 当温差沿整个壁面不是常 数时，比如等壁温条件下的 管内对流换热，以及我们现 在遇到的换热器等，需要用 到平均温差平均温差。 dth dtc th tc h t c t h t c t m t 2015/5/1171-27 环设、节能12级 以以顺流顺流情况为例，并作如下假设： （ 情况为例，并作如下假设： （1）冷热流体的质量流量）冷热流体
16、的质量流量G2、G1以及比热容以及比热容c2, c1 是常数； （ 是常数； （2）传热系数）传热系数k沿流动方向是常数； （ 沿流动方向是常数； （3）换热器无散热损失； （ ）换热器无散热损失； （4）换热面沿流动方向的导热量可以忽略不计。 要想计算沿整个换热面的平均温差，首先需要知道 当地温差随换热面积的变化，即，然后 再沿整个换热面积进行平均 ）换热面沿流动方向的导热量可以忽略不计。 要想计算沿整个换热面的平均温差，首先需要知道 当地温差随换热面积的变化，即，然后 再沿整个换热面积进行平均 dAt 1 xx 0 A m A t )( xx Aft 2015/5/1171-28 环设、节能12级 在前面假
