管壳式热交换器设计全-解.pptx
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1、本章要求掌握的内容:本章要求掌握的内容:传热过程的计算;对数平均温差的计算;传热过程的计算;对数平均温差的计算;间壁式换热器的设计计算及校核计算。间壁式换热器的设计计算及校核计算。热交换器热计算的基本原理热交换器热计算的基本原理1.1 热计算基本方程热计算基本方程1.2平均温差法平均温差法1.3 效率效率传热单元数法(传热有效度)传热单元数法(传热有效度)1.4热交换器热计算方法的比较热交换器热计算方法的比较1.5流体流动方式的选择流体流动方式的选择1.1 热计算基本方程式热计算基本方程式热交换器的换热面积F热流体1冷流体2进口温度流量比热容出口温度进口温度流量比热容出口温度 两流体的进口温差
2、两流体的出口温差1、传热方程式:工程上热交换器任一微元传热面处的传热系数,w/(m2)微元传热面积,m2在此微元传热面处两种流体之间的温度差,整个传热面上的平均传热系数,w/(m2)传热面积,m2两种流体之间的平均温差,热交换器的热负荷,W想求得 ,必须已知 、Q。2、热平衡方程:适用于任何流体适用于无相变流体分别为热流体与冷流体的质量流量,Kg/s分别为热流体与冷流体的焓,J/Kg分别为两种流体的定压质量比热,J/(Kg)热流体在热换器内的温降值,也称冷却度,冷流体在热交换器内的温升值,也称加热度,分别为热、冷流体的热容量,W/K 对应单位温度变化产生的流动流体的能量存储速率分别为热、冷流体
3、在进、出口温度范围内的平均定压质量比热,J/(Kg)讨论:讨论:1 考虑热损失的情况下:或以放热热量为准的对外热损失系数,通常为0.97-0.982 由式可以知道 可见:两种流体在热交换器内的温度变化与他们的热容量成反比两种流体在热交换器内的温度变化与他们的热容量成反比3 由 =Q,还可以知道,在热交换器内,热容量越大的流体,温度变化值越小,热容量越小的流体,温度变化值越大4 计算流体的热容量时,M与c的单位必须一致 5 已知热交换器热负荷的条件下,热平衡方程可用于确定流体的流量2.2热交换器传热计算的基本方法:热交换器传热计算的基本方法:平均温差法平均温差法 效率(效能)传热单元数法(效率(
4、效能)传热单元数法(NTU)一、平均温差法一、平均温差法流体流体1 1的放热量的放热量流体流体2 2的吸热量的吸热量热交换器的传热热量热交换器的传热热量不考虑热交换器向外界散热热量不考虑热交换器向外界散热热量流体流体1 1的放热量的放热量流体流体2 2的吸热的吸热量量热交换器的传热热量热交换器的传热热量W:流体热容量流体热容量意义意义:单位温度变化下产生的流动流体的能量储存单位温度变化下产生的流动流体的能量储存 速率。速率。微元传热面传递的热流量:dt1dt2t1t2工程上:工程上:平均传热系数平均传热系数Km平均温差平均温差tm12二、二、平均温差平均温差流体的温度分布1、等温有相变的传热
5、2、热流体等温冷凝、冷流体温度不断上升 冷流体等温沸腾、热流体温度不断下降。3、没有相变顺流逆流4、冷凝器(蒸发器)内温度变化情况5、可凝蒸气和非凝结气体组成的热流体.1 1 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:流动形式不同,冷热流体温差沿换热面的变化规律也不同流动形式不同,冷热流体温差沿换热面的变化规律也不同.换热器中冷流体温度沿换热面是不断变化的,因此,冷却换热器中冷流体温度沿换热面是不断变化的,因此,冷却流体的局部换热温差也是沿程变化的。流体的局部换热温差也是沿程变化的。三、换热器中传热过程对数平均温差的计算三、换热器
6、中传热过程对数平均温差的计算以以顺流顺流情况为例,作如下假设情况为例,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q qm2m2、q qm1m1以以及比热容及比热容C C2 2,C,C1 1是常数;是常数;(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)换热面沿流动方向的导热量可以忽略不计。以忽略不计。要想计算沿整个换热面的平均温差,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首先需要知道当地温差随换热面积的变化变化,然后再沿整个换热面积进行平均。然后再沿整个换热面积进行平均。
7、dt1dt2t1t2在假设的基础上,并已知冷热流体的在假设的基础上,并已知冷热流体的进出口温度,进出口温度,现在来看图中微元换热现在来看图中微元换热面面dAdA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dAdA内,两种流体的换热内,两种流体的换热量为量为:dt1dt2t1t2对于热流体对于热流体:对于冷流体对于冷流体:可见,当地温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)(2)(2)(2)(2)、(3)(3)(3)(3)代入代入代入代入(1)(1)(1)(1)中中中中
8、对数平均温差对数平均温差顺流顺流时:时:表明表明:热流体从进口到出口方向上,两流体间的温:热流体从进口到出口方向上,两流体间的温差总是不断降低的。差总是不断降低的。逆流逆流时:时:当当 :不断升高,当当 :不断降低。对数平均温差统一表示方法LMTD(logarithmic-mean temperature difference)表示表示始端始端和和终端终端的最大的和最小的温度差。的最大的和最小的温度差。式中:平均温差的另一种更为简单的形式是平均温差的另一种更为简单的形式是算术平均算术平均温差温差,即,即使用条件使用条件:如果流体的温度沿传热面变化不大,如果流体的温度沿传热面变化不大,范围在范围
9、在 内可以使用算数平均温差。内可以使用算数平均温差。算术平均与对数平均温差算术平均与对数平均温差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。2 2 复杂布置时换热器平均温差的计算复杂布置时换热器平均温差的计算非混合流与混合流的区别:非混合流与混合流的区别:以以错流错流为例,带翅片的管束,在管外侧流过的气体为例,带翅片的管束,在管外侧流过的气体被限制在肋片之间形成
10、各自独立的通道,在垂直于被限制在肋片之间形成各自独立的通道,在垂直于流动的方向上(横向)不能自由流动,也就不可能流动的方向上(横向)不能自由流动,也就不可能自身进行混合,称该气体为非混合流。自身进行混合,称该气体为非混合流。混合混合流:管子不带翅片,管外的气流可以在横向流:管子不带翅片,管外的气流可以在横向自由的随意的运动,称为混合流。但是管内的流自由的随意的运动,称为混合流。但是管内的流体属于非混合流。体属于非混合流。3、其他流动方式时的平均温差 按逆流方式计算的对数平均温差温度修正系数在相同的流体进出口温度条件下,按某种流动形式工作时的平均温差 与逆流工作时的对数平均温差 的比值在相同的流
11、体进出口温度条件下,按逆流工作所需的传热面积 与按某种流动形式工作所需的传热面积 之比值(传热系数相等的条件小),表示即:值的大小说明某种流动形式的换热器值的大小说明某种流动形式的换热器在给定工作条件下,接近逆流形式的在给定工作条件下,接近逆流形式的程度,一般设计时要程度,一般设计时要0.9 0.9,0.750.75时,认为设计不合理。时,认为设计不合理。恒不大于0或1 值的求取方法值的求取方法逆流时对数平均温差为逆流时对数平均温差为 :令:令:P P的含义:的含义:冷流体冷流体的的实际实际吸热量与吸热量与最大可能最大可能的吸的吸热量的比例,称为热量的比例,称为温度效率温度效率。P1P1R1,
12、R=1,R=1,或者或者 R1R1。则则:可以表示为可以表示为P P 和和 R R及及 的函数的函数为了简化 的计算,引入两辅助参数:温度效率热容量比的实际吸热量与最大可能的吸热量的比率,其值恒小于1冷流体的热容量与热流体的热容量之比,其值可以大于1、等于1、小于1对于某种特定的流动形式,是 、的函数,即:冷流体例如 对于壳侧为一个流程、管程为偶数流程的壳管式热交换器,其 值为:(推导得出)两种流体中只有一种横向混合的错流式热交换器,其 值为:温度修正系数与流体的流动形式有关,而与流体的性质无关对于对于某种特定某种特定的流动形式,的流动形式,是辅助参数是辅助参数P P、R R的的函函数数该该函
13、数形式函数形式因因流动方式流动方式而异。而异。对于只有一种流体有横向混合的对于只有一种流体有横向混合的错流式热交换器错流式热交换器,可将辅助参数的取法归纳为:可将辅助参数的取法归纳为:值的计算公式可以从值的计算公式可以从表表1.11.1查得。在工程上为了查得。在工程上为了使计算方便,通常将求取的公式绘成使计算方便,通常将求取的公式绘成线图线图,我们可,我们可以以查图查图求得。求得。管壳式换热器的管壳式换热器的 。图图1 11 2、14等多流程管壳式换热器的修正系数等多流程管壳式换热器的修正系数 交叉流式交叉流式换热器的换热器的 图图2 22 4、28等多流程管壳式换热器的修正系数等多流程管壳式
14、换热器的修正系数 对于其它的叉流式换热器,其传热公式中的平均温度的对于其它的叉流式换热器,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:其对数平均温差的计算。具体的做法是:(a a)由换热器冷热流体的进出口温度,按照逆流方式)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;计算出相应的对数平均温差;(b b)从修正图表由两个无量纲数查出修正系数)从修正图表由两个无量纲数查出修正系数(c)(c)最后得出叉流方式的对数平均温差最后得出叉流方式的对数平均温差图图3 3 交
15、叉流,两种流体各自都不混合时的修正系数交叉流,两种流体各自都不混合时的修正系数 图图4 4 一次交叉流,一种流体混合、一种流体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 练习:练习:关于关于 的注意事项的注意事项(1 1)值取决于无量纲参数值取决于无量纲参数 P P和和 R R式中:下标式中:下标1 1、2 2分别表示两种流体,上角标分别表示两种流体,上角标 表示表示进口,进口,表示出口,图表中均以表示出口,图表中均以P P为横坐标,为横坐标,R R为参量。为参量。(3 3)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(2 2)P P的物理
16、意义:流体的物理意义:流体2 2的实际温升与理论上所能达到的实际温升与理论上所能达到 的最大温升之比,所以只能小于的最大温升之比,所以只能小于1 1(4 4)对于管壳式换热器,查图时需要注意流动的对于管壳式换热器,查图时需要注意流动的“程程”数数(5 5)值总是小于或者等于值总是小于或者等于1 1。从。从值的大小可以值的大小可以看得出来某种流动方式在给定的工况下接近逆流的看得出来某种流动方式在给定的工况下接近逆流的程度。程度。(6 6)设计中最好使设计中最好使0.9 ,若,若0.75就认为不合就认为不合理。出于降低壁温的目的,除外。理。出于降低壁温的目的,除外。(7 7)当当R R超过线图所表
17、示的范围或者当某些区域的超过线图所表示的范围或者当某些区域的值不易读准时,可以用值不易读准时,可以用P P和和R R查图。查图。P P和和R R的含义的含义为:为:把热交换器中的两种流体交换把热交换器中的两种流体交换后,即下标后,即下标1 1改成冷流体,下标改成冷流体,下标2 2改成热流体后,改成热流体后,以以P P和和R R以以P P和和R R表示。表示。各种流动形式的比较各种流动形式的比较(1)(1)顺流和逆流是两种极端情况,在相同的进出口温度下,顺流和逆流是两种极端情况,在相同的进出口温度下,逆流的逆流的 最大,顺流则最小;最大,顺流则最小;(2)(2)顺流时顺流时 ,而逆流时,而逆流时
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