热交换器传热计算的基本方法.pptx
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1热交换器传热计算的基本方法热交换器热计算的基本原理1.1热计算基本方程平均温差法效率1.3传热单元数法(传热有效度)热交换器热计算方法的比较流体流动方式的选择第1页/共81页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两流体的出口温差第2页/共81页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。
第3页/共81页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)第4页/共81页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、冷流体在进、出口温度范围内的平均定压质量比热,J/(Kg)分别为热、冷流体的热容量,W/K第5页/共81页讨论:
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2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第6页/共81页热交换器传热计算的基本方法:
平均温差法效率(效能)传热单元数法(NTU)一、平均温差法第7页/共81页流体1的放热量流体2的吸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流体1的放热量流体2的吸热量第8页/共81页热交换器的传热热量dt1dt2t1t2第9页/共81页工程上:
平均传热系数Km平均温差tm第10页/共81页12二、平均温差流体的温度分布1、等温有相变的传热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.第11页/共81页1简单顺流及逆流换热器的对数平均温差流动形式不同,冷热流体温差沿换热面的变化规律也不同.传热方程的一般形式:
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。
第12页/共81页三、换热器中传热过程对数平均温差的计算以顺流情况为例,作如下假设:
1冷热流体的质量流量qm2、qm1以及比热容C2,C1是常数;2传热系数是常数;3换热器无散热损失;4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,首先需要知道当地温差随换热面积的变化,然后再沿整个换热面积进行平均。
dt1dt2t1t2第13页/共81页在假设的基础上,并已知冷热流体的进出口温度,现在来看图中微元换热面dA一段的传热。
温差为:
在固体微元面dA内,两种流体的换热量为:
dt1dt2t1t2对于热流体:
对于冷流体:
第14页/共81页可见,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:
第15页/共81页
(1)
(2)(3)
(2)、(3)代入
(1)中对数平均温差第16页/共81页顺流时:
第17页/共81页逆流时:
第18页/共81页LMTD(logarithmic-meantemperaturedifference第19页/共81页平均温差的另一种更为简单的形式是算术平均温差,即使用条件:
如果流体的温度沿传热面变化不大,范围在内可以使用算数平均温差。
第20页/共81页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。
第21页/共81页2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:
以错流为例,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,也就不可能自身进行混合,称该气体为非混合流。
第22页/共81页混合流:
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。
但是管内的流体属于非混合流。
第23页/共81页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在给定工作条件下,接近逆流形式的在相同的流程体度进,出一口般温设度计条时件要下0,.9按,某种流时动,形式工作时的平均温差认为与设逆计流不工合作理时。
的对数平均温差的比值在相同的流体进出口温度条件下,按逆流工作所需的传热恒不大于0或1第24页/共81页y值的求取方法逆流时对数平均温差为:
令:
第25页/共81页R的含义:
冷流体的热容量与热流体的热容量之比R1,R=1,或者R1。
则:
可以表示为P和R及的函数第26页/共81页为了简化的计算,引入两辅助参数:
温度效率冷流体的实际吸热量与最大可能的吸热量的比率,其值恒小于1热容量比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:
第27页/共81页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)第28页/共81页值的计算公式可以从表查得。
在工程上为了使计算方便,通常将求取的公式绘成线图,我们可以查图求得。
第29页/共81页管壳式换热器的y。
图1、等多流程管壳式换热器的修正系数第30页/共81页交叉流式换热器的y图2、等多流程管壳式换热器的修正系数第31页/共81页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第32页/共81页图3交叉流,两种流体各自都不混合时的修正系数第33页/共81页图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第34页/共81页练习:
第35页/共81页关于的注意事项
(1)值取决于无量纲参数P和R式中:
下标1、2分别表示两种流体,上角标表示量。
(3)R的物理意义:
两种流体的热容量之比进口,表示出口,图表中均以P为横坐标,R为参
(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,查图时需要注意流动的“程”数第36页/共81页(5)值总是小于或者等于1。
从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程度。
第37页/共81页(6)设计中最好使,若就认为不合理。
出于降低壁温的目的,除外。
(7)当R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P和R查图。
第38页/共81页各种流动形式的比较
(1)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
(2)顺流时最大,顺流则最小;,而逆流时,则可能大于,可见,逆流布置时的换热最强。
In第39页/共81页(3)一台换热器的设计要考虑很多因素,而不仅仅是换热的强弱。
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。
xTInOutxTInOut冷凝第40页/共81页蒸发(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。
(1)设计计算:
设计一个新的换热器,以确定所需的换热面积
(2)校核计算:
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。
换热器热计算的基本方程式是传热方程式及热平衡式换热器的热计算第41页/共81页两种类型的设计和两种设计方法独立变量:
需要给定其中的5个变量,才可以计算另外三个变量。
对于设计计算而言,给定的是,以及进出口温度中的三个,最终求A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2、两种设计方法平均温差法、效能-传热单元数(e-NTU)法第42页/共81页平均温差法:
直接应用传热方程和热平衡方程进行热计算。
1、设计计算
(1)初步布置换热面,并计算出相应的总传热系数k
(2)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(3)由冷热流体的4个进出口温度确定平均温差(4)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(5)如果流动阻力过大,则需要改变方案重新设计。
第43页/共81页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,都不是真实的换热量;6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、校核计算第44页/共81页1、等温有相变的传热第45页/共81页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第46页/共81页3、没有相变顺流逆流顺流两种流体向同一方向流动逆流两种流体以相反方向平行流动第47页/共81页4、冷凝器、蒸发器内温度变化情况第48页/共81页5、可凝蒸气和非凝结气体组成的热流体第49页/共81页三、流体比热或传热系数变化时的平均温差当流体的比热不随时间变化时,流体温度的变化与吸收或放出的热量成正比,两者表现为线性关系。
第50页/共81页各段的传热面总传热面第52页/共81页使用情况
(1)当热交换过程,一种流体处于冷却并冷凝,过冷,或加热并沸腾过热时,相当于比热发生剧烈变化的情况,应当考虑分段计算。
第53页/共81页
(2)当热流体含有不凝结气体,这时所放出的热量不与温度的变化成正比,这时也应当分段计算平均温差。
2.流体传热系数变化时的平均温差某段传热量某段传热系数某段平均温差某段传热面积第54页/共81页如果传热系数随温差t成线性变化,或K随两流体中任一种流体温度成线性变化时,对于顺流或逆流都可以用下式:
式中:
处的传热系数和两流体温差;处的传热系数和两流体温差。
,、对于其他流型,可在乘以温差修正系数为按逆流情况计算的端部温差。
第55页/共81页例有一蒸气加热空气的热交换器,它将质量流量为21600kg/h的空气从10加热到50。
空气与蒸气逆流,其比热为1.02kJ/(kg),加热蒸气为压力P=0.2MPa,温度为140的过热蒸气,在热交换器中被冷却为该压力下的饱和水。
试求其平均温差。
解:
由水蒸气的热力性质表得饱和温度ts=120.23;饱和蒸气焓i=2707kJ/kg过热蒸气焓i=2749kJ/kg;汽化潜热r=2202kJ/kg热交换器的传热量:
第56页/共81页蒸气耗量:
求取平均温度分段分界处的空气温度ta第57页/共81页冷却段的平均温差:
第58页/共81页冷凝段的平均温差为:
总的平均温差:
第59页/共81页1、传热有效度的定义第三节传热有效度热交换器最大可能的传热量Qmax:
一个面积为无穷大且其流体流量和进口温度与实际热交换器的流量和进口温度相同的逆流型热交换器所能达到的传热量的极限值。
第60页/共81页如果时,如果时,综合统一写成:
第61页/共81页说明:
(1)无因次;
(2)小于1;(3)、已知已知t1t2t1t2第62页/共81页热平衡方程2、顺流和逆流时的传热有效度顺流假设则有根据热平衡式得:
式,相加:
第63页/共81页整理:
由上一节知道第64页/共81页第65页/共81页合并写成当时类似的可以推倒得:
第66页/共81页令类似的推导可得逆流换热器的效能(传热有效度)为称为传热单元数顺流:
第67页/共81页令则:
第68页/共81页当两种流体的热容相等时,e公式可以简化为顺流逆流3、用传热单元数表示的效能计算公式与图线第69页/共81页NTU:
传热单元数,换热器热设计中的一个无量纲参数,在一定意义上可看成是换热器kA大小的一种度量。
当冷热流体之一发生相变时,即趋于无穷大时,于是上面效能公式可简化为对于比较复杂的流动形式,可以参照教材的线算图来计算效能e。
顺流第70页/共81页逆流4、使用NTU的注意事项
(1)在同样的传热单元数下,逆流热交换器的传热有效度总是大于顺流的,且随着传热单元数的增加而增加。
在顺流热交换器中则与此相反,其传热有效度一般随着传热单元数的增加而趋于一定值。
当W2=Wmin时第71页/共81页当W1=Wmin时关系为:
(3)传热有效度的意义实际上是以温度的形式反映出冷热流体可以被利用的程度。
第72页/共81页例2温度为99的热水进入一个逆流热交换器,将4的冷水流量为4680KJ/h加热到32。
热水流量为9360Kg/h,传热系数为830W/(m2),试计算该传热面积和传热有效度。
解:
方法一(NTU)热水的热容量第73页/共81页冷水的热容量由比较知道:
热平衡关系:
第74页/共81页第75页/共81页方法二:
平均温差法代入第76页/共81页第四节热交换器的计算方法的比较热力计算的基本方程为:
第77页/共81页在热力计算的七个基本量即:
(KA),W1,W2,t1,t1,t2,t2,在这七个量中我们必须事先给出五个才能进行计算。
采用平均温差法或传热单元数法都可以得到相同的结果,但是解题时的具体步骤不同。
对于设计计算来说,平均温差法与传热单元数法在繁简称度上没有区别,但是在平均温差法计算时,可以通过修正系数值的大小来判定拟订的流动方式与逆流之间的差别,有利流动形式的比较。
第78页/共81页对于校核性热计算时,平均温差法和传热效能系数传热单元数法都要进行试算,在有些情况下,如传热系数K值已知或者可以套用经验数据时,采用传热单元数法更加方便。
因此,在设计计算时,采用平均温差法,在校核性计算时,传热单元数法。
第五节流体流动方式的选择1、流动方式选择应该从以下几个方面来考虑材料消耗量;能量消耗量;材料制造;传热面积2、顺流与逆流出口温度第79页/共81页
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