换热器的传热及阻力计算ppt
第二章 换热器的传热 及阻力计算 §2-1 换热器传热计算基本信息参数和方程 §2-2 换热器传热计算的基本方法和步骤 §2-3 换热器的阻力计算 §2.1 换热器传热计算基本信息参数 和方程 换热器热计算的基本方程式是： 传热方程式： 热平衡式： 假设换热器向外界散热不计。则三式相等。 § 2.2 换热器传热计算的基本方法 和步骤 换热器的热计算的内容 换热器的基本方法及步骤 平均温差法 效率单元数(?-NTU)法 不论顺流逆流，对数平均温差可统一用下式表示： 平均温差的另一种更简单的形式是算术平均温差，即 总之， ? -NTU法根据 ?及NTU的定义及换热器两类热计算的任务可知，设计计算是已知? 求NTU ，而校核计算则是由 NTU求取 ?值。它们计算步骤都与平均温差中对应计算大致相似。 §2-3 换热器的阻力(压降)计算 换热器内流体的流动必然存在流阻。 原因:粘性剪应力、涡流应力，要损失一定的机械能 大小:与一般管内或通道内压降计算基本一致。 意义:1、判断流体流过所设计换热器是否在允许压降内。 2、选择泵送流体流过换热器所需压头。 3、换热器中流体有相变的情况，流阻对传热影响较大。 ?p:流体流经换热器的压降，Pa ?pc:沿程摩擦阻力，Pa ?pa:局部阻力 ,Pa 一、沿程摩擦阻力 ?pc 是流体流经换热器芯体部分的阻力，一般与流道长L成正比。 f ----摩擦因子 是根据单位换热表面积沿流动方向的当量剪切力 定义的。 反应的是粘性剪切力效应+压力效应 只看综合效果f，简化计算。 换热面一定， 流阻特性试验数据可整理成f与Re之间的关联式f=f(Re); 或用线 二． 局部阻力损失 在流体流经换热器时转弯、截面突然改变等引起的局部阻力。尤其端盖及附加压力损失时要考虑。 阻力系数法 流体通过某一管件或阀门时的机械能损失表示为流体在小管径内流动时平均动能的某一倍数。即： 三、泵送功耗 总之，换热器设计---在掌握了基本的传热学、流体力学和换热器结构后，根据所给任务、条件设计或选定一台或数台换热器。 二种类型的设计任务共性： （1）合理的参数选择和结构设计 （2）传热计算和压降计算 实际上，设计计算和校核计算所依据的原理完全一致，而且在换热器设计中往往是： 1、先按设计计算初选结构 2、然后再按校核计算对初选结构可以进行核定，二者是并用的。 设计的条件和原始数据 设计前必须掌握工艺生产的某些条件，如工作时候的温度、允许温差、压力、允许压降，介质的物理和化学性质（结垢性、腐蚀性、毒性、爆炸性、化学作用）等。 原始资料还包括：热负荷或介质的流量、物性和污垢热阻及加工条件等 （选型、热力计算） 1.2换热器设计概述 一、换热器的合理设计 完善的换热器在设计或选型时应满足以下基本要求： 1 合理地实现所规定的工艺条件； 2 结构安全可靠； 3 便于制造、安装、操作和维修； 4 经济上合理。 P5 二、换热器的设计过程：P6 1、设计指标 2、总体布置 3、热设计 4、结构设计 5、设计的具体方案抉择 具体设计内容： 1、轮廓尺寸的设计与计算(工艺设计) (1)按流体种类, 流量进出的浓度, 操作压力等计算换热器所需传热量Q; (2)由流体特性选择适宜的材料；并根据材料加工性能， 流体流量，压力，Q，拆修清洗方便程度及经济合理等因素合理选择换热器类型。 作业： 2-21 ，22，32，34 ，41， 44 平均温差法与? -NTU法的比较： 设计计算时，两者的工作量差不多，只是平均温差法要求?，不难得知流动布置与逆流的差距，有利于改进型式的选择。 校核计算时， ? -NTU法工作量小一些，迭代时对物性参数 k 的影响也较小。 从上面步骤能够准确的看出， ? -NTU法假设的出口温度对传热量?的影响不是直接的，而是通过定性温度，影响总传热系数，进而影响NTU，并最终影响 ? 值。而平均温差法的假设温度直接用于计算? 值，显然? -NTU法对假设温度没有平均温差法敏感，这是该方法的优势。 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，这种热阻成为污垢热阻，用Rf表示， 式中：k为有污垢后的换热面的传热系数，k0为洁净换热面的传热系数。 换热器设计时的综合考虑 换热器设计是综合性的课题，一定要考虑初投资，运行的成本，安全可靠等诸多因素。 对于两侧均已结构的管壳式换热器，以管子外表面为计算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?o = 1。 管壳式换热器的部分污垢热阻可以查表得。 【例】流量Vl=39m3/h的30号透平油，在冷油器中从 t1’＝59.5℃ 冷却到t1?＝45℃。冷油器采用1—2型壳管式结构，管子为铜管，外径为15mm，壁厚1mm。47.7t/h的河水作为冷却水在管侧流过，进口温度为t2’＝33℃。 油安排在壳侧。油侧的换热系数ho＝450W/(m2·K)，水侧的换热系数hi＝5850W/(m2.K)。已知30号透平油在运行温度下的物性为?l＝879kg/m3,c1＝ 1.95kJ/(kg·K)。求所需换热面积。 【解】 油侧的热流量： ?＝qmlcl(t1’ - t1?)＝ ?lVlcl(t1’ - t1? ) ＝879×39×1.95×(56.9-45)/3600 ＝798000kJ/h＝221000W 冷却水的温升 t2?- t2’ = ? /(qm2c2)=798000/(47700 ×4.19)=4℃ 于是，冷却水的出口温度为 t2’＝33十4＝37℃ 计算参量 P 和 R ： 查图得 ?＝0.97, 平均温压为 ℃ 按表取管内、外侧污垢系数为0.0005m2K/W和0.0002m2K/W，于是总的污垢系数为 注： 污垢系数有内外之分 管壁导热热阻可以忽赂不计 实际设计面积可留10％的裕度，取为47.3×1.10=52.0m2。 【例】上例如冷油器的进口油温升高到58.7℃，水的流量、进口温度以及油的流量均不变，求出口油温和出口水温。 【解】：油和水的温度如升高很多，则需考虑物性变化对k的影响。现在升高甚少，可认为传热系数仍为311W/(m2.K)。此题应采用? — NTU 法计算。计算如下： 查图得 ? ＝0.54。热流量 ℃ ℃ 局部损失的计算关键的就是局部损失系数ζ的 计算。一般说来，ζ仅与形成局部阻力的关键 几何形态有关，而与Re无关。因而计算ζ无需 判断流态，只需按管件形状选择公式计算即可。 见32页P的公式及分析。 设计的原则： 适用 经济 安全 运行灵活 检修清理方便 ?高 A低 成本低 安全可靠 检修清理方便 1.合理地实现所规定的工艺条件： 考虑: 传热量→与传热面积有关～与结构有关 操作参数(p, t, 介质,流量) 流体物化性质(密度,粘度,导热系数) 流体腐蚀性→与材料有关 →与给热系数有关 ～结构有关 2.强度足够,结构可靠—换热器存在强、刚、Δt →引出补偿问题。 3.便于制造、安装、操作、维修—流体结垢/沉淀 → 需便于清洗、装拆。 4.经济合理→成本低。 上面各方面条件互相矛盾时，需最优化设计 * (1)设计计算：设计一个新的换热器，以确定所需的换热面积。 校核计算：核算已有换热器在非设计工况下的传热性能 。 2、两种设计方法 （1）平均温差法 （2）效率单元数法(?-NTU)法 一、换热器的传热计算内容 1、两种类型的设计 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 独立变量： 需要给定其中的5个变量，才可以计算另外三个变量。 对于校核计算而言，给定的一般是 ，A，以及2个进口温度，待求的是 1、简单顺流及逆流换热器的对数平均温差的计算 流动形式不同，冷热流体温差沿换热面的变化规律也不同. 二、平均温差法： 其中：?tmax----两侧温差中较大者。 ?tmin---- 两侧温差中较小者。 算术平均与对数平均的比较： 算术平均温差相当于温度呈直线变化的情况，因此，总是大于相同进出口温度下的对数平均温差，当 时，两者的差别小于4％；当 时，两者的差别小于2.3％。 实际换热器一般都是处于顺流和逆流之间，或者有时是逆流，有时又是顺流。 对于这种复杂情况，我们当然也能够使用微元办法来进行分析，但数学推导将很复杂。 实际上，逆流的平均温差最大，因此，人们想到对纯逆流的对数平均温差进行修正以获得其他情况下的平均温差。 ?：小于1的温度修正系数。 2、复杂布置时换热器平均温差的计算 ：按逆流布置的对数平均温差。 对于复杂的叉流式换热器，其传热公式中的平均温度的计算关系式较为复杂，工程上常常采用修正图表来完成其对数平均温差的计算。具体的做法是： （a）由换热器冷热流体的进出口温度，按照逆流方式计算出相应的对数平均温差； （b）从修正图表由两个无量纲数查出修正系数 (c) 最后得出叉流方式的对数平均温差 1－2、1－4等多流程管壳式换热器的修正系数 2－4、2－8等多流程管壳式换热器的修正系数 交叉流，两种流体各自都不混合时的修正系数 一次交叉流，一种流体混合、一种流体不混合时的修正系数 P19，温度修正系数曲线 关于?的需要注意的几点： （1）? 值取决于无量纲参数 P和 R 式中：图表中均以P为横坐标，R为参量。 （3）R的物理意义：两种流体的热容量之比 （2）P的物理意义：流体2的实际温升与理论上所能达到 的最大温升之比，所以只能小于1。 （4） 对于管壳式换热器，查图时必须要格外注意流动的“程”数。 3、各种流动形式的比较 顺流和逆流是两种极端情况，在相同的进出口温度下，逆流的 最大，顺流则最小； 顺流时 ，而逆流时， 则可能大于 ，可见，逆流布置时的换热最强。 In Out In Out (3) 一台换热器的设计要考虑很多因素，而不单单是换热的强弱。比如，逆流时冷热流体的最高温度均出现在换热器的同一侧，使得该处的壁温特别高，可能对换热器产生破坏，因此，对于高温换热器，又是需要故意设计成顺流。 x T In Out x T In Out 冷凝 蒸发 (4) 对于有相变的换热器，如蒸发器和冷凝器，发生相变的流体温度不变，所以不存在顺流还是逆流的问题。 初步布置换热面，并计算出相应的总传热系数k 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。 由冷热流体的4个进出口温度确定平均温差 由传热方程式计算所需的换热面积A，并核算换热面流体的流动阻力。 如果流动阻力过大，则需要改变方案重新设计。 1、设计计算 利用平均温差法设计计算的步骤： （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度； （2）根据4个进出口温度求得平均温差 ； （3）根据换热器的结构，算出相应工作条件下的总传热系数k； （4）已知kA和 ，按传热方程计算在假设出口温度下的传热量? ； （5）根据4个进出口温度，用热平衡式计算另一个?，这个值和上面的? ，都是在假设出口温度下得到的，因此，都不是线）比较两个?值，满足精度要求则结束，否则，重新假定出口温度，重复(1)-(6)，直至满足精度要求。 2、校核计算 三、效能-传热单元数(?-NTU)法 1、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，对于一个逆流换热器来讲，则会发生如下情况 a 当 时， ，则 b 当 时， ，则 于是，我们大家可以得到 然而，真实的情况的传热量q总是小于可能的最大传热量qmax，我们将q/qmax定义为换热器的效能，并用 ? 表示，即 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， ? 又如何计算？和那些因素相关？ 以顺流换热器为例，并假设 ，则有 根据热平衡式得： 于是 式①， ②相加： 热容比 ① ② 式①代入下式得： + + 当 时，同样的推导过程可得： 上面的推导过程得到如下结果，对于顺流： 当 时 上面两个公式合并，可得： 换热器效能公式中的 依赖于换热器的设计， 则依赖于换热器的运行条件，因此， 在某些特定的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）定义为传热单元数NTU，即 因此， 与顺流类似，逆流时： 当冷热流体之一发生相变时，相当于 ，即 ，于是上面效能公式可简化为 当两种流体的热容相等时，即 ? 公式能简化为 顺流： 逆流： （ ，及两个进口温度，求 ） 2、 用效能-传热单元数法计算换热器的步骤 （1）设计计算 显然，利用已知条件可以计算出 ? ，而带求的k，A则包含在NTU内，因此，对于设计计算是已知? ，求NTU，求解过程与平均温差法相似，不再重复。 （2）校核计算 由于k事先不知，所以仍然需要假设一个出口温度，具体如下： ① 假设一个出口温度 ，利用热平衡式计算另一个 ② 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k ③ 利用k, A计算NTU （ ，及进出口温度中的三个，求 ） ④ 利用NTU计算 。 ⑤ 利用?=?Wmin(t1’ –t2’)计算?，利用?=kA 计算另一个?。 ⑥ 比较两个?，是不是满足精度，否则重复以上步骤。 对于很复杂的流动形式，可利用线算图来计算效能?。 顺流 逆流 单壳程换热器 双壳程换热器 * * *
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