《第九章-传热过程分析与换热器热计算-2.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第九章-传热过程分析与换热器热计算-2.ppt（24页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、 9-3 9-3 换热器的热计算换热器的热计算 换热器热计算分两种情况：换热器热计算分两种情况：设计计算设计计算和和校核计算校核计算(1)(1)设计计算：设计计算：设计一个新的换热器，以确定所需的换热面积设计一个新的换热器，以确定所需的换热面积(2)(2)校核计算：校核计算：对已有或已选定了换热面积的换热器，在非设对已有或已选定了换热面积的换热器，在非设(3)(3) 计工况条件下，核算他能否胜任规定的新任务。计工况条件下，核算他能否胜任规定的新任务。换热器热计算的基本方程式是换热器热计算的基本方程式是传热方程式传热方程式及及热平衡式热平衡式式中，式中， 不是独立变量，因为它取决于不是独立变量，
2、因为它取决于 以及换热器的布置。另外，根据公式以及换热器的布置。另外，根据公式(9-15)(9-15)可是，一旦可是，一旦 和和 以及以及 中的三个已知的话，我中的三个已知的话，我们就可以计算出另外一个温度。因此，上面的两个方程们就可以计算出另外一个温度。因此，上面的两个方程中共有中共有8 8个未知数，即个未知数，即需要给定其中的需要给定其中的5 5个变量，才可以计算另外三个变量。个变量，才可以计算另外三个变量。对于对于设计计算设计计算而言，给定的是而言，给定的是 ，以及进出口，以及进出口温度中的三个，最终求温度中的三个，最终求对于对于校核计算校核计算而言，给定的一般是而言，给定的一般是 ，以
3、及，以及2 2个进口个进口温度，待求的是温度，待求的是换热器的热计算有两种方法：换热器的热计算有两种方法：平均温差法平均温差法 效能效能- -传热单元数传热单元数( ( -NTU-NTU) )法法1 1平均温差法：平均温差法：就是直接应用传热方程和热平衡方程进行热就是直接应用传热方程和热平衡方程进行热2 2 计算，其具体步骤如下：计算，其具体步骤如下：对于对于设计计算（已知设计计算（已知 ，及进出口温度中的三个，及进出口温度中的三个，求求 ）(1)(1)初步布置换热面，并计算出相应的总传热系数初步布置换热面，并计算出相应的总传热系数k k(2)(2)根据给定条件，由热平衡式求出进、出口温度中的
4、那个待根据给定条件，由热平衡式求出进、出口温度中的那个待定的温度定的温度(3)(3)由冷热流体的由冷热流体的4 4个进出口温度确定平均温差个进出口温度确定平均温差 (4)(4)由传热方程式计算所需的换热面积由传热方程式计算所需的换热面积A A，并核算换热面流体，并核算换热面流体的流动阻力的流动阻力(5)(5)如果流动阻力过大，则需要改变方案重新设计。如果流动阻力过大，则需要改变方案重新设计。对于对于校核计算（已知校核计算（已知 ，及两个进口温度，求，及两个进口温度，求 ）(1)(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度(2
5、)(2)根据根据4 4个进出口温度求得平均温差个进出口温度求得平均温差(3)(3)根据换热器的结构，算出相应工作条件下的总传热系数根据换热器的结构，算出相应工作条件下的总传热系数k k(4)(4)已知已知kAkA和和 ，按传热方程式计算在假设出口温度下的，按传热方程式计算在假设出口温度下的(5)(5)根据根据4 4个进出口温度，用热平衡式计算另一个个进出口温度，用热平衡式计算另一个 ，这个值和，这个值和上面的上面的 ，都是在假设出口温度下得到的，因此，都不是，都是在假设出口温度下得到的，因此，都不是真实的换热量真实的换热量(6)(6)比较两个比较两个 值，满足精度要求，则结束，否则，重新假定值
6、，满足精度要求，则结束，否则，重新假定出口温度，重复出口温度，重复(1)(6)(1)(6)，直至满足精度要求。，直至满足精度要求。2 2 效能效能- -传热单元数法传热单元数法(1) (1) 换热器的效能和传热单元数换热器的效能和传热单元数 换热其效能的定义是基于如下思想：当换热器无限长，换热其效能的定义是基于如下思想：当换热器无限长，对于一个对于一个逆流换热器逆流换热器来讲，则会发生如下情况来讲，则会发生如下情况 a a 当当 时，时， ，则，则 b b 当当 时，时， ，则，则于是，我们可以得到于是，我们可以得到然而，实际情况的船热量然而，实际情况的船热量q q总是小于可能的最大传热量总是
7、小于可能的最大传热量q qmaxmax，我，我们将们将q/qq/qmaxmax定义为换热器的效能，并用定义为换热器的效能，并用 表示，即表示，即对于一个已存在的换热器，如果已知了效能对于一个已存在的换热器，如果已知了效能 和冷热流体的进和冷热流体的进口温差，则实际传热量可很方便地求出口温差，则实际传热量可很方便地求出那么在未知传热量，之前，那么在未知传热量，之前， 又如何计算？和那些因素有关？又如何计算？和那些因素有关？以以顺流顺流换热器为例，并假设换热器为例，并假设 ，则有，则有根据热平衡式得：根据热平衡式得：于是于是式式， 相加：相加：热容比热容比热容比热容比式式代入下式得：代入下式得：+
8、当当 时，同样的推导过程可得：时，同样的推导过程可得：上面的推导过程得到如下结果，对于上面的推导过程得到如下结果，对于顺流：顺流：当当 时时上面两个公式合并，可得：上面两个公式合并，可得：换热器效能公式中的换热器效能公式中的 依赖于换热器的设计，依赖于换热器的设计， 则依赖则依赖于换热器的运行条件，因此，于换热器的运行条件，因此， 在一定程度上表征了换在一定程度上表征了换热器综合技术经济性能，习惯上将这个比值（无量纲数）定义热器综合技术经济性能，习惯上将这个比值（无量纲数）定义为传热单元数为传热单元数NTUNTU，即，即因此，因此，与顺流类似，与顺流类似，逆流逆流时：时：当冷热流体之一发生相变
9、时当冷热流体之一发生相变时，相当于，相当于 ，即，即 ，于是上面效能公式可简化为，于是上面效能公式可简化为当两种流体的热容相等时，即当两种流体的热容相等时，即 公式可以简化为公式可以简化为顺流：顺流：逆流：逆流：（ ，及两个进口温度，求，及两个进口温度，求 ）(2) (2) 用效能用效能- -传热单元数法计算换热器的步骤传热单元数法计算换热器的步骤a a 设计计算设计计算 显然，利用已知条件可以计算出显然，利用已知条件可以计算出 ，而带求的，而带求的k k，A A则包则包含在含在NTUNTU内，因此，对于设计计算是已知内，因此，对于设计计算是已知 ，求，求NTUNTU，求解过，求解过程与平均温
10、差法相似，不再重复程与平均温差法相似，不再重复b b 校核计算校核计算 由于由于k k事先不知，所以仍然需要假设一个出口温度，具体事先不知，所以仍然需要假设一个出口温度，具体如下：如下： 假设一个出口温度假设一个出口温度 ，利用热平衡式计算另一个，利用热平衡式计算另一个 利用四个进出口温度计算定性温度，确定物性，并结合换利用四个进出口温度计算定性温度，确定物性，并结合换热器结构，计算总传热系数热器结构，计算总传热系数k k 利用利用k, Ak, A计算计算NTUNTU（ ，及进出口温度中的三个，求，及进出口温度中的三个，求 ） 利用利用NTUNTU计算计算 利用利用(9-17)(9-17)计算
11、计算 ，利用，利用(9-14)(9-14)计算另一个计算另一个 比较两个比较两个 ，是否满足精度，否则重复以上步骤，是否满足精度，否则重复以上步骤从上面步骤可以看出，假设的出口温度对传热量从上面步骤可以看出，假设的出口温度对传热量 的影响的影响不是直接的，而是通过定性温度，影响总传热系数，从而不是直接的，而是通过定性温度，影响总传热系数，从而影响影响NTUNTU，并最终影响，并最终影响 值。而平均温差法的假设温度直值。而平均温差法的假设温度直接用于计算接用于计算 值，显然值，显然 -NTU-NTU法对假设温度没有平均温差法对假设温度没有平均温差法敏感，这是该方法的优势。法敏感，这是该方法的优势
12、。3 3 换热器设计时的综合考虑换热器设计时的综合考虑 换热器设计是综合性的课题，必须考虑出投资，运行费换热器设计是综合性的课题，必须考虑出投资，运行费用，安全可靠等诸多因素。用，安全可靠等诸多因素。4 4 换热器的结垢及污垢热阻换热器的结垢及污垢热阻 污垢增加了热阻，使传热系数减小，这种热阻成为污垢污垢增加了热阻，使传热系数减小，这种热阻成为污垢热阻，用热阻，用R Rf f表示，表示，式中：式中：k k为有污垢后的换热面的传热系数，为有污垢后的换热面的传热系数，k0k0为洁净换热面为洁净换热面 的传热系数。的传热系数。对于两侧均已结构的管壳式换热器，以管子外表面为计算对于两侧均已结构的管壳式
13、换热器，以管子外表面为计算依据的传热系数可以表示成：依据的传热系数可以表示成：如果管子外壁没有肋化，则肋面总效率如果管子外壁没有肋化，则肋面总效率 o o = 1 = 1。管壳式换热器的部分污垢热阻可以在表管壳式换热器的部分污垢热阻可以在表9-19-1种查得。种查得。 9-4 9-4 传热的强化和隔热保温技术传热的强化和隔热保温技术强化传热的目的：强化传热的目的：缩小设备尺寸、提高热效率、保证设备安全缩小设备尺寸、提高热效率、保证设备安全削弱传热的目的：削弱传热的目的：减少热量损失减少热量损失根据不同的需求，对于实际传热的传热过程，有时需要强化，根据不同的需求，对于实际传热的传热过程，有时需要
14、强化，有时则需要削弱。显然，根据不同的传热方式，强化和削弱传有时则需要削弱。显然，根据不同的传热方式，强化和削弱传热的手段应该不同，本节主要针对热的手段应该不同，本节主要针对对流换热过程的强化和削弱对流换热过程的强化和削弱1 1 强化传热的原则和手段强化传热的原则和手段(1) (1) 强化换热的原则：强化换热的原则：哪个环节的热阻大，就对哪个环节采哪个环节的热阻大，就对哪个环节采取强化措施。取强化措施。举例：以圆管内充分发展湍流换热为例，其实验关联式为：举例：以圆管内充分发展湍流换热为例，其实验关联式为：(2) (2) 强化手段强化手段: a : a 无源技术无源技术( (被动技术被动技术)
15、) ；b b 有源技术有源技术( (主动主动式技术式技术) )a a 无源技术无源技术( (被动技术被动技术) )：除了输送传热介质的功率消耗外，无：除了输送传热介质的功率消耗外，无需附加动力需附加动力其主要手段有：其主要手段有：涂层表面；涂层表面；粗糙表面粗糙表面( (图图9-28)9-28)；扩展表扩展表面面( (图图9-29)9-29)；扰流元件扰流元件( (图图9-30a)9-30a)；涡流发生器涡流发生器( (图图9-30b)9-30b) ；螺旋管螺旋管( (图图9-30c)9-30c) ；添加物；添加物； 射流冲击换热射流冲击换热b b 有源技术有源技术( (主动式技术主动式技术)
16、 )：需要外加的动力：需要外加的动力其主要手段有：其主要手段有：对换热介质做机械搅拌；对换热介质做机械搅拌；使换热表面振动；使换热表面振动；使换热瘤体振动；使换热瘤体振动；将电磁场作用于流体以促使换热表面附将电磁场作用于流体以促使换热表面附近流体的混合；近流体的混合；将异种或同种流体喷入换热介质或将流体从将异种或同种流体喷入换热介质或将流体从换热表面抽吸走。换热表面抽吸走。对换热器而言，随着强化措施的完善，污垢热阻有时会成为对换热器而言，随着强化措施的完善，污垢热阻有时会成为传热过程的主要热阻，因此，需要给换热器的设计提供哈里传热过程的主要热阻，因此，需要给换热器的设计提供哈里的污垢热阻的数据
17、，这就需要实验测定，可是实验测出来的的污垢热阻的数据，这就需要实验测定，可是实验测出来的是总表面传热系数，那么如何将总的传热系数分成各个环节是总表面传热系数，那么如何将总的传热系数分成各个环节的热阻呢？下面的威尔逊图解法提供了一种有效途径的热阻呢？下面的威尔逊图解法提供了一种有效途径2 2 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 利用数据采集系统可以测定壁面和流体的温度，从而获利用数据采集系统可以测定壁面和流体的温度，从而获得平均温差，利用热平衡方程式获得热流量，换热面积可以得平均温差，利用热平衡方程式获得热流量，换热面积可以根据设计情况获得，这样就可以通过传热方程式
18、计算出总表根据设计情况获得，这样就可以通过传热方程式计算出总表面传热系数。这是面传热系数。这是威尔逊图解法威尔逊图解法的基础。的基础。 我们已管壳式换热器为例，说明如何应用威尔逊图解法我们已管壳式换热器为例，说明如何应用威尔逊图解法获得各个分热阻。总表面传热系数可以表示成：获得各个分热阻。总表面传热系数可以表示成：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，态，h hi i 与流速与流速u0.8u0.8成正比，因此，可以写成成正比，因此，可以写成 的形式，带入上式：的形式，带入上式：如果能保持如果能保持h ho o不变，不变，R Rw
19、 w壁面的导热热阻不会变化，壁面的导热热阻不会变化，R Rf f在短时间在短时间内不会有大的改变，因此，上式右边的前三项可认为是常数，内不会有大的改变，因此，上式右边的前三项可认为是常数，用用 b b 表示，物性不变的情况下，表示，物性不变的情况下， 可以认为是可以认为是常数，用常数，用m m表示，于是上式可变为表示，于是上式可变为改变管内流速改变管内流速u u，则可以测得一系列的总表面传热系数，然后，则可以测得一系列的总表面传热系数，然后绘制成图，则是一条直线，如图绘制成图，则是一条直线，如图(9-31)(9-31)所示所示从这个图中可以获得从这个图中可以获得b b，m m，和，和c ci
20、i，从而，管子内侧的对流，从而，管子内侧的对流换热系数换热系数这这样样就就将将内内部部热热阻阻从从总总传传热热系系数数中中分分离离出出来来，然然后后，当当换换热热器器运运行行一一段段时时间间后后，再再进进行行同同样样过过程程的的测测量量，可可以以获获得得另另外外一一条条曲曲线线，则则两两条条曲曲线线截截距距之之差差就就是是污污垢垢热热阻阻，这这样样又把污垢热阻分离出来了。又把污垢热阻分离出来了。威威尔尔逊逊图图解解法法的的前前提提是是有有一一侧侧的的换换热热热热阻阻基基本本保保持持不不变变，有有时时候候这这格格条条件件很很难难被被满满足足，因因此此，后后来来人人们们提提出出了了一一种种修正威尔
21、逊图解法。修正威尔逊图解法。3 3 隔热保温技术隔热保温技术(1) (1) 需求背景需求背景(2) (2) 高于环境温度的热力设备的保温多采用无机的绝热材料高于环境温度的热力设备的保温多采用无机的绝热材料(3) (3) 低于环境温度时，有三个档次的绝热材料可供选择，低于环境温度时，有三个档次的绝热材料可供选择， a a 一般性的绝热材料；一般性的绝热材料；b b 抽真空至抽真空至10Pa10Pa的粉末颗粒热的粉末颗粒热 材料；材料；c c 多层真空绝热材料。多层真空绝热材料。(4) (4) 保温效率保温效率 0 0 单位长度裸管的散热量，单位长度裸管的散热量，W/mW/m； x x 单位长度包
22、有厚单位长度包有厚x(x(单位：单位：mm)mm)保温材料的保温材料的 管子的散热量，管子的散热量，W/mW/m本章小结：本章小结：换热器的定义、类型，及其各自的优缺点；换热器的定义、类型，及其各自的优缺点；不同表面的总表面传热系数，污垢热阻的概念；不同表面的总表面传热系数，污垢热阻的概念；对数平均温差对数平均温差(LMTD)；LMTD在换热器分析中的应用在换热器分析中的应用强强化化传热传热的原的原则则和手段和手段临界热绝缘直径临界热绝缘直径用于不同的传热方式分析、计算换热器内的传热量用于不同的传热方式分析、计算换热器内的传热量思考题：思考题：1.1.通过平板与园管的传热系数的计算方法通过平板
23、与园管的传热系数的计算方法. . 2.2.肋化系数和肋面总效率的定义肋化系数和肋面总效率的定义. . 肋效率肋效率, , 肋化系数和肋肋化系数和肋 面总效率之间的区别面总效率之间的区别. .3.3.已知肋化系数后已知肋化系数后, , 通过肋面的传热系数的计算方法通过肋面的传热系数的计算方法. .4.4.临界热绝缘直径的物理意义及计算方法临界热绝缘直径的物理意义及计算方法. .5.5.换热器有那些主要形式换热器有那些主要形式? ? 6.6.换热器的对数平均温差计算方法换热器的对数平均温差计算方法7.7.换热器热计算的基本方法换热器热计算的基本方法. .8.8.什么是换热器的效能和传热单元数什么是
24、换热器的效能和传热单元数. .9.9.在换热器热计算中在换热器热计算中, , 平均温差法和传热单元法各有什么平均温差法和传热单元法各有什么 特点特点? ? 10.10.什么是污垢热阻什么是污垢热阻? ? 工程实际中工程实际中, ,怎样减小管路中的污垢怎样减小管路中的污垢 热阻热阻? ? 举几个例子举几个例子. .11.11.强化传热系数的原则是什么强化传热系数的原则是什么? ?12.12.什么是有源强化换热什么是有源强化换热( (主动式强化换热主动式强化换热) )和无源强化换热和无源强化换热 ( (被动式强化换热被动式强化换热)?)?13.13.怎样使用试验数据怎样使用试验数据, , 用威尔逊图解法求解传热过程分热用威尔逊图解法求解传热过程分热 阻阻? ?14.14.有那些隔热保温技术有那些隔热保温技术. . 什么是保温效率什么是保温效率? ?作业：作业： 9-29-2，9-139-13
