热交换器热计算的基本原理.pptx
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1、1.1 1.1 热交换器的热计算基本方程式热交换器的热计算基本方程式1.1.热计算(又称热力计算)的两种类型热计算(又称热力计算)的两种类型:(1 1)设计性热计算设计性热计算 设计一个新的换热器,以确定所需的换热面积,同一换热面积可以有不同的结构,因此设计性热计算一般与结构计算交叉进行。(2 2)校核性热计算校核性热计算 对已有或已选定了换热面积的换热器,在非设计工况条件下,核算他能否胜任规定的新任务。p热负荷(传热量)、流体进出口温度、传热系数、传热面积。两个基本关系式两个基本关系式(1)传热方程式(2)热平衡方程式2.2.传热方程式传热方程式工程形式:工程形式:普遍形式:普遍形式:对各个
2、字母进行详细解释(单位、物理意义等等)对各个字母进行详细解释(单位、物理意义等等)要求要求F F,则要知道热负荷,则要知道热负荷Q Q、总(平均)传热系总(平均)传热系数数以及平均温差以及平均温差如何得到?如何得到?第二章讲传热学3.3.热平衡方程式热平衡方程式普遍形式:普遍形式:无相变时:无相变时:C为常数时:为常数时:热容量热容量:把Mc的乘积称为热容量,用W表示,即:意义意义:表示比热为c,质量流量为M的流体的温度每改变1时所需要的热量。右下角的角码1代表热流体;角码2代表冷流体。同样右上角的角码代 表进口状态;而 代表出口状态。温度变化与热容量成反比反比,即热容量越大的流体其温度变化越
3、小注意:上述考虑均未考虑换热器的散热损失。注意:上述考虑均未考虑换热器的散热损失。(1)已知Q和流体进出口温度,求质量流量M;(2)已知质量流量M和流体进出口温度,求热负荷;(3)已知M和一种流体的进出口温度以及另一种流体的进 口(或者出口),可求出口(或者进口)温度。对于热容量对于热容量、和和的两种情形,画出顺流和逆流时冷、热流体温度沿流的两种情形,画出顺流和逆流时冷、热流体温度沿流动方向的变化曲线。(提示:注意动方向的变化曲线。(提示:注意W W相对大小关系相对大小关系)课堂讨论顺流顺流逆流逆流纵坐标表示温度纵坐标表示温度横坐标表示传热面积横坐标表示传热面积1.2 1.2 平均温差平均温差
4、1.1.定义和分类定义和分类平均温差(平均温压)平均温差(平均温压):指整个热交换器各处温差的平均值。用 表示。算术平均温差对数平均温差积分平均温差平均温差平均温差流体比热变化时,一种分段计算平均温差的方法。2.2.流体的温度分布流体的温度分布见教材见教材P9P9平行流动平行流动时的温度时的温度分布分布3.3.简单顺流及逆流换热器的对数平均温差简单顺流及逆流换热器的对数平均温差传热方程的一般形式:传热方程的一般形式:这个过程对于传热过程是通用的,但这个过程对于传热过程是通用的,但是当温差是当温差 沿整个壁面不是常数沿整个壁面不是常数时,比如等壁温条件下的管内对流换时,比如等壁温条件下的管内对流
5、换热,以及我们现在遇到的换热器等。热,以及我们现在遇到的换热器等。对于前者我们曾经提到过对数平均温对于前者我们曾经提到过对数平均温差差(LMTDLMTD)的公式,但是没有给出推导。的公式,但是没有给出推导。下面我们就来看看下面我们就来看看LMTDLMTD的推导过程的推导过程dthdtcthtc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 1)冷热流体的质量流量)冷热流体的质量流量 以及比热容以及比热容c c2 2,c,c1 1是是 常数;常数;(2 2)传热系数是常数;)传热系数是常数;(3 3)换热器无散热损失;)换热器无散热损失;(4 4)换热面沿流动方向的导热量可以忽略
6、不计。)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,即温差随换热面积的变化,即 ,然后再沿整,然后再沿整个换热面积进行积分平均个换热面积进行积分平均在前面假设的基础上,并已知冷热流体的进出口温度,现在前面假设的基础上,并已知冷热流体的进出口温度,现在来看图中微元换热面在来看图中微元换热面dFdF一段的传热。温差为:一段的传热。温差为:在固体微元面在固体微元面dFdF内,两种流体的换热量为内,两种流体的换热量为:在微元面内,对于热流体和冷流体在微元面内,对于热流体和冷流体:可见,当地温
7、差随换热面呈指数变化,则沿整个换热面的平可见,当地温差随换热面呈指数变化,则沿整个换热面的平均温差为:均温差为:(1)(1)(2)(2)(3)(3)(1)+(2)+(3)(1)+(2)+(3)对数平对数平均温差均温差顺流:顺流:逆流时:逆流时:其他过程和公式与顺流是完全一样,因此,最终仍然可以其他过程和公式与顺流是完全一样,因此,最终仍然可以得到:得到:顺流和逆流的区别在于:顺流和逆流的区别在于:顺流:顺流:逆流:逆流:我们可以将对数平我们可以将对数平均温差写成如下统均温差写成如下统一形式一形式(顺流和逆顺流和逆流都适用流都适用)代表 和 中之大者,代表两者中之小者。例题:在一台螺旋板式换热器
8、中,热水流量为2000kg/h,冷水流量为3000kg/h;热水进口温度80,冷水进口温度10。如果要将冷水加热到30,试求顺流和逆流时的平均温差。(已知水的比热在上述温度范围内为一常数)请比较两种流动方式下的计算结果解:热水质量流量 冷水质量流量 根据热平衡方程式有得 50即0.56(80)0.83(3010)(1)顺流时 801070 503020则 (2)逆流时 803050 501040 则 由上面分析可见,逆流布置时平均温差比顺流时大12.3,也就是说,在同样的传热量和同样的传热系数下,只要将顺流改为逆流,换热器可以减少12.3的换热面积。24.4.算术平均温差算术平均温差平均温差的
9、另一种更为简单的形式是算术平均温差,即平均温差的另一种更为简单的形式是算术平均温差,即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,当同进出口温度下的对数平均温差,当 时,两者的差时,两者的差别小于别小于4 4;当;当 时,两者的差别小于时,两者的差别小于2.32.3。算术平均温差恒高于对数平均温差。区别区别5.5.其他复杂布置时换热器的平均温差其他复杂布置时换热器的平均温差以上所讨论的对数平均温差以上所讨论的对数平均温差(LMTD)(LMTD)只是针对只是针对纯顺流和纯逆流纯顺流和纯逆流情况,而这
10、种情况的出现是比较少的,实际换热器一般都是情况,而这种情况的出现是比较少的,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,我们当然也可以采用前面的方法进行分析,于这种复杂情况,我们当然也可以采用前面的方法进行分析,但数学推导将非常复杂,实际上,但数学推导将非常复杂,实际上,逆流的平均温差最大逆流的平均温差最大,因,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。情况下的平均温差。是给定的冷热流体的进出口温度布置成逆流时的是给定的
11、冷热流体的进出口温度布置成逆流时的LMTDLMTD;是因考虑流动方式不同于逆流而引入的小于是因考虑流动方式不同于逆流而引入的小于1 1的修正系数。的修正系数。问题的关键聚焦到各种换热器如何得到修正系数对于逆流对于逆流令:令:P P的物理意义:冷流体的实际温升与理论上所能达到的最的物理意义:冷流体的实际温升与理论上所能达到的最大温升之比,所以恒小于大温升之比,所以恒小于1 1。称为。称为温度效率温度效率R R的物理意义:两种流体的热容量之比的物理意义:两种流体的热容量之比已经通过严格的数学运算查明,已经通过严格的数学运算查明,值取决于无量纲参数值取决于无量纲参数 P P和和 R R即:即:各种换
12、热器 的两种来源:(1)可以通过数学方法推导,其结果在P18表1.1中列出;(2)可以通过查工程线算图,先计算出P和R在P19P21图1.8图1.14中查找。P12关于混流、混合流与非混合流的区别:关于混流、混合流与非混合流的区别:混流:混流:两种流体在流动过程中既有顺流部分,又有逆流部分。混合流:混合流:流体可以在垂直于流动方向(横向)自由地混合,随意地运动。非混合流:非混合流:流体在垂直于流动方向(横向)上不能自由运动,也就是不可能自身进行混合。6.6.流体比热或传热系数变化时的平均温差流体比热或传热系数变化时的平均温差 在推导对数平均温差时,假设了比热和传热系数均为常数;前面平均温差的各
13、个公式及线算图都是在假定流体物性(包括比热)恒定的基础上推导得到的。(1 1)变比热的积分平均温差变比热的积分平均温差步骤:步骤:a 已知已知 则,则,作出作出Q-t(t-F)图;)图;b 将将Q-t曲线进行分段,每段近似取为直线关系,并求曲线进行分段,每段近似取为直线关系,并求 出相应于各段的传热量出相应于各段的传热量 c 按具体情况用对数平均温差或算术平均温差求各段的按具体情况用对数平均温差或算术平均温差求各段的 平均温差平均温差 d 根据公式计算积分平均温差根据公式计算积分平均温差根据上述步骤,则每段所对应的传热面积为:根据上述步骤,则每段所对应的传热面积为:则总传热面积为:则总传热面积
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