《换热器教学》PPT课件.ppt

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1、2021-4-20 第第第 四四四 章章章 传 热传 热传 热换 热 器 热 计 算换 热 器 热 计 算换 热 器 热 计 算的 基 本 原 理的 基 本 原 理的 基 本 原 理 1 换 热 器 设 计 计 算 的 内 容换 热 器 设 计 计 算 的 内 容换 热 器 设 计 计 算 的 内 容 2021-4-20 1 换 热 器 设 计 计 算 的 内 容换 热 器 设 计 计 算 的 内 容换 热 器 设 计 计 算 的 内 容 在 设 计 一 个 热 交 换 器 时 ， 从 收 集原 始 资 料 开 始 ， 到 正 式 绘 画 图 纸 为 止 ，需 要 进 行 一 系 列 的 设

2、计 计 算 工 作 ， 这种 计 算 一 般 包 括 下 列 几 个 方 面 的 内 容 : 2021-4-20 2021-4-20 2021-4-20 2021-4-20 2021-4-20 2021-4-20 2021-4-20 传 热 计 算 设 计 计 算 校 核 计 算 根 据 生 产 任 务 的 要 求 ， 确 定 换 热 器 的传 热 面 积 及 换 热 器 的 其 它 有 关 尺 寸 ，以 便 设 计 或 选 用 换 热 器 。 判 断 一 个 换 热 器 能 否 满 足 生 产 任 务 的要 求 或 预 测 生 产 过 程 中 某 些 参 数 的 变化 对 换 热 器 传 热

3、 能 力 的 影 响 。 2021-4-20 换 热 器 热 计 算 的 基 本 公 式 为传 热 方 程 式 ：热 平 衡 方 程 式 ： 1 1 1 1 2 2 2 2Q M ( ) M ( )c t t c t t 2021-4-20 1 1 2 2 1 1 2 2Q,K,F,M ,M ,c c t t t t 以 及 ， ， ， 中 的 三 个对 于 设 计 计 算 而 言 ， 给 定 的 是 ， 以 及 进 出 口温 度 中 的 三 个 ， 最 终 求 1 1 2 2M ,Mc c1 1 2 2F,M ,Mc c独 立 变 量 ：需 要 给 定 其 中 的 5个 变 量 ， 才 可

4、以 计 算 另 外 三 个 变 量 。 1 2t t ，对 于 校 核 计 算 而 言 ， 给 定 的 一 般 是 ， F， 以 及 2个进 口 温 度 ， 待 求 的 是 K 1 1 1 1 2 2 2 2Q M ( ) M ( )c t t c t t 2021-4-20 1.1.1 传 热 方 程 式传 热 方 程 式传 热 方 程 式传 热 方 程 式 的 普 遍 形 式 为 2021-4-20 在 工 程 计 算 中 采 用 如 下 简 化 的 传 热 方 程 式 2021-4-20 如 果 不 考 虑 散 至 周 围 环 境 的 热 损 失 ， 则 冷 流 体所 吸 收 的 热 量

5、 就 应 该 等 于 热 流 体 所 放 出 的 热 量 。 这时 热 平 衡 方 程 式 可 写 为 ： 2021-4-20 当 流 体 无 相 变 时 ， 热 负 荷 也 可 用 下 式 表 示（ 1. 4）在 工 程 中 一 般 都 采 取 平 均 比 热 （ 1. 5） 2021-4-20 式 (1. 5)中 的 乘 积 Mc称 为 热 容 量 ， 它 的 数 字 代 表流 体 的 温 度 每 改 变 1 时 所 需 的 热 量 ， 用 W表 示 。因 而 式 (1. 5)可 写 成 （ 1.6）（ 1. 7） 两 种 流 体 在 热 交 换 器 内 的 温 度 变 化 (温 降 或温

6、 升 )与 它 们 的 热 容 量 成 反 比 。 1 1 2 2Q=W t W t 2 1 1 11 2 2 2W t t =W t t tt 或 2021-4-20 以 上 讨 论 的 是 没 有 散 热 损 失 的 情 况 ， 实 际 上 任 何 热 交换 器 都 有 散 向 周 围 环 境 的 热 损 失 （ QL)， 这 时 热 平 衡 方 程式 就 可 写 成 （ 1. 8b）（ 1. 8a） 2021-4-20 1.2 平 均 温 差 2021-4-20 1.2.1流 体 的 温 度 分 布流 体 的 温 度 分 布流 体 的 温 度 分 布 流 体 在 热 交 换器 内 流 动

7、 ， 其 温 度变 化 过 程 以 平 行 流动 最 为 简 单 。 图 中所 示 的 为 流 体 平 行流 动 时 温 度 变 化 的示 意 图 。 图 中 的 纵坐 标 表 示 温 度 ， 横坐 标 表 示 传 热 面 积 。 2021-4-20 图 （ a） 是 一 侧 蒸 汽 冷凝 而 另 一 侧 为 液 体 沸 腾， 两 种 流 体 都 有 相 变 的传 热 。 因 为 冷 凝 和 沸 腾都 在 等 温 下 进 行 ， 故 其传 热 温 差 为， 且 在 各 处 保 持 相 同 的 数 值 。 2021-4-20 图 （ b)表 示 的 是 热 流 体 在等 温 下 冷 凝 而 将

8、其 热 量 传给 温 度 沿 着 传 热 面 不 断 提高 的 冷 流 体 ， 其 传 热 温 差从 进 口 端 的 变 化 到 出 口 端 。 2021-4-20 图 (c)是 冷 流 体 在 等 温 下 沸腾 ， 而 热 流 体 的 温 度 沿 传热 面 不 断 降 低 ， 其 传 热 温差 从 进 口 端 的变 化 到 出 口 端 的 2021-4-20 若 两 种 流 体 都 没 有 发 生 相变 ， 这 里 又 有 两 种 不 同 情形 ： 顺 流 和 逆 流 。图 （ d)顺 流 ， 两 种 流 体 向 着同 一 方 向 平 行 流 动 ， 热 流 体的 温 度 沿 传 热 面 不

9、 断 降 低 ，冷 流 体 的 温 度 沿 传 热 面 不 断提 高 。 两 者 的 温 差 从 进 口 端的变 化 到 出 口 端 的 2021-4-20 图 （ e)逆 流 ， 两 种 流 体 以 相 反 的 方 向 平 行 流 动， 传 热 温 差 从 一 端 的变 化 到 另 一 端 的 2021-4-20图 (f)所 示 的 冷 凝 器 内 的 温 度 变 化 过 程 要 比 图 (b)所示 的 更 加 普 遍 一 些 。 在 这 里 ， 蒸 汽 在 高 于 饱 和 温 度的 状 态 下 进 在 等 温 冷 凝 ， 在 凝 结 液 离 开 热 交 换 器 之前 还 产 生 液 体 的

10、 过 冷 。 冷 流 体 可 以 是 顺 流 方 向 或 逆流 方 向 通 过 。 传 热 温 差 的 变 化 要 比 前 面 各 种 情 形 复杂 。 2021-4-20图 （ g)所 表 示 的 是 冷 流 体 在 液 态 情 况 下 进 入设 备 吸 热 ， 沸 腾 ， 然 后 过 热 。 2021-4-20 1. 2. 2 . . . . 顺 流 和 逆 流 情 况 下 的 平 均 温 差顺 流 和 逆 流 情 况 下 的 平 均 温 差顺 流 和 逆 流 情 况 下 的 平 均 温 差平 均 温 差 ： 整 个 热 交 换 器 各 处 温 差 的 平 均 值 。 但 是应 用 不 同

11、 的 平 均 方 法 ， 就 有 不 同 的 名 称 ， 例如 算 术 平 均 温 差 、 对 数 平 均 温 差 、 积 分 平 均温 差 等 等 。 2021-4-20 恒 温 差 传 热 ：变 温 差 传 热 ： 传 热 温 度 差 不 随 位 置 而 变 的 传 热 传 热 温 度 差 随 位 置 而 改 变 的 传 热 传 热流 动 形 式 顺 流 ：逆 流 ：错 流 ：折 流 ： 两 流 体 平 行 而 同 向 的 流 动 两 流 体 平 行 而 反 向 的 流 动 两 流 体 垂 直 交 叉 的 流 动 一 流 体 只 沿 一 个 方 向 流 动 ， 而 另 一 流 体反 复 折

12、 流 2021-4-20 在 对 顺 、 逆 流 热 交 换 器 的 传 热 温 差 作 过 分 析 前 假 定 :（ 1） 两 种 流 体 的 质 量 流 量 和 比 热 在 整 个 传 热 面 上 保持 定 值 ;（ 2） 传 热 系 数 在 整 个 传 热 面 上 不 变 ;（ 3） 热 交 换 器 没 有 热 损 失 ;（ 4） 沿 管 子 的 轴 向 导 热 可 以 忽 略 ;（ 4） 同 一 种 流 体 从 进 口 到 出 口 的 流 动 过 程 中 ， 不 能既 有 相 变 又 有 单 相 对 流 换 热 。 2021-4-20 经 分 析 ， 传 热 温 差 沿 传 热 面 是

13、 按 下 面 所 示 的指 数 规 律 变 化 的此 处 “ 十 ” 号 用 于 顺 流 ， “ 一 ” 号 用 于 逆 流 。 （ 1. 9） 2021-4-20在 顺 流 时 ， 不 论 W1、 W2值 的 大 小 如 何 ， 总 有 0， 因 而 在热 流 体 从 进 口 到 出 口 的 方 向 上 ， 两 流 体 间 的 温 差 t 总 是 不断 降 低 2021-4-20 逆 流 ， 沿 着 热 流 体 进 口 到 出 口 的 方 向 上 ， 当 W1 W2时 ， 0， t不 断 升 高 。 2021-4-20 按 照 式 (1. 9)所 示 的 温 差 变 化 关 系 ， 在 传

14、热 学 中 已 推导 出 对 于 顺 流 、 逆 流 热 交 换 器 均 可 适 用 的 平 均 温 差 计 算公 式 为 : （ 1. 10） 由 于 其 中 包 含 了 对 数 项 ， 常 称 这 种 平 均 温 差 为 对数 平 均 温 差 ， 以 或 LMTD表 示 。 m ln t tt tt 2021-4-20 顺 流 和 逆 流 的 区 别 在 于 ：顺 流 ：逆 流 ： 1 2 1 2t t t t t t 1 2 1 2t t t t t t 2021-4-20 如 不 分 传 热 面 的 始 端 和 终 端 ， 而 用 代 表中 之 大 者 ， 以代 表 两 者 中 之 小

15、 者 ， 则 对 数 平 均 温 差 可 统 一 写 成（ 1. 11） 2021-4-20 如 果 流 体 的 温 度 沿 传 热 面 变 化 不 太 大 （ ） 可 用算 术 平 均 的 方 法 计 算 平 均 温 差 ， 称 算 术 平 均 温 差 ， 即（ 1. 12）例 ： 在 一 单 壳 单 管 程 无 折 流 挡 板 的 列 管 式 换 热 器 中 ， 用 冷 却水 将 热 流 体 由 100 冷 却 至 40 ， 冷 却 水 进 口 温 度 15 ， 出口 温 度 30 ， 试 求 在 这 种 温 度 条 件 下 ， 逆 流 和 并 流 的 平 均 温度 差 。 2021-4-20 解 ： 逆 流 时 ： 热 流 体 ： 40100 冷 流 体 ： 15 30 70 252 1 , 21 ln m t tt tt 逆 2570ln 2570 C07.43顺 流 时 ： 热 流 体 ：冷 流 体 ： 40100301585 10 2021-4-20 2 1, 21 ln m t tt tt 顺 1085ln 1085 C035可 见 ： 在 冷 、 热 流 体 初 、 终 温 度 相 同 的 条 件 下 ， 逆流 的 平 均 温 度 差 大 。