1-换热器热计算基本原理解析

1换热器热计算基本原理1.1热计算基本方程式1.热计算类型设计性热计算：已知传热量Q，确定传热面积F。校核性热计算：已知传热面积F，确定传热量Q。2.热计算基本方程式传热方程式；热平衡方程式。1.1.1传热方程式Q=KFΔtm式中，K—整个传热面上的平均传热系数，W/m2℃；F—传热面积，m2；Δtm—两流体间的平均温差，℃；Q—热负荷，W。注意：要想得到F，要先已知Q、K、Δtm，这些数据的计算即构成了热计算的基本内容。鉴于K、Δtm与F有关，所以不同换热器热计算方法不同。1.1.2热平衡方程式式中，C—平均比热，KJ/kg℃；M—质量流量，kg/s；t—流体温度，℃；上标’代表进口；上标’’代表出口；1.放（吸）热方程式''1'1111ttCMQ'2''2222ttCMQ下标1代表热流体；下标2代表冷流体。2.热平衡方程式21QQ式中，η—以放热量为准的保温系数，通常为0.97-0.98。1.2平均温差1.2.1顺逆流情况下平均温差1.推导假设两种流体质量流量和比容在整个传热面上为定值；传热系数在整个传热面上不变；无热损失；忽略管子轴向导热；同一种流体在流动过程中，不能既有相变又有单相对流。2.推导过程（以顺流为例）热流体放热量：111dtCMdQ冷流体吸热量：222dtCMdQ微元体传热量：xdFttKdQ21放吸热方程联立：tdttdWWdQ212111联立传热方程得：xdFKttd积分上式得：xxFxttdFKttd0'xKFxett'整个传热面的平均温差为：1''10KFxFKFmeKFtdFetFtx由出口温差可知：KFttettKF'''ln'''最终平均温差表达式为：'''ln'''tttttm注意：逆流的温差表达式同上，但μ中的加号应为减号；另外不要搞混两流体进出口温差表达式。1.2.2其他流动方式的平均温差以他们的进出口温度为准，先按逆流算出平均温差，然后乘以考虑流动不同于逆流而引入的修正系数：lmcmtt式中，—按逆流算得的对数平均温差；lmct一般情况下：RPf,1'2'1'2''2两流体进口温差冷流体加热度ttttP12'2''2''1'1WWttttR冷流体加热度热流体冷热度注意：一般而言P、R如上表达。但对于某些流动而言可能还有其他表达形式，关键要与查取的图表对应。注意：（1）ψ总是小于1，从其大小中可以看出流动方式接近逆流的程度。在设计中除非出于降低壁温的目的，否则最好ψ大于0.9，若小于0.75认为流动方式不合理，需调整。（2）ψ值的推导基于热平衡方程和传热方程，因此冷热流体交换下标，ψ不变，但根据前面P、R的定义，交换后：此时用新定义的P’、R’查图，ψ不变。1.2.3流体比容或传热系数变化时的平均温差1.基本思路虽然流体的比容是变化的，但只要把传热量分成若干小段，每段内比容和传热系数可以认为是不变的，因此没一小段内传热温差可以用对数温差的方法来表示，而后整合所有温差可得积分平均温差。2.适用条件几乎所有情形。3.计算步骤按照作Q-t图；'''ttMCdtQ将Q-t图按需要分段，得到各段的ΔQi；计算各段的对数平均温差Δti；计算积分平均温差：iiimmiiiitKQKQttKFQtFKQintint1.3传热有效度1.3.1传热有效度的定义1.定义2.关于的几点认识'2'1maxttt1实用性：'2'1minmaxttWQQ传热有效度即实际传热量与最大可能传热量之比。而最大可能传热量是指面积无限大且流体的流量和进口温度与实际换热器的相同的逆流式换热器所能达到的传热量极限。maxQQ'2'1minmaxttWQ1.3.2顺逆流的传热有效度以顺流为例进行推导，推导的原理是利用顺流平均温差和热平衡方程。由顺流温差得KFett'''KFetttt'2'1''2''1热平衡方程'2''22''1'11ttWttW联立以上两方程：KFetttttWWt'2'1''2'2''212'1如果冷流体的热容小，则上式转化为：KFettttttWWtt'2'1''2'2'2''212'2'112111122WWe如果热流体的热容小，则上式转化为：21111211WWe综上所述，顺流传热有效度为：maxmin111maxminminWWe上式中：为传热单元数NTUWKFmin1maxmin为热容比，横小于cRWW逆流传热有效度为：ccRNTUcRNTUeRe1111注意：（1）NTU相同时，逆流传热有效度大于顺流的。顺流时，传热有效度随着单元数增加趋于定值；而逆流时，传热有效度则一直增加。（2）传热有效度和平均温差两者能相互转化。（3）除了平均温差法和传热有效度法外，还有一种温度效率—传热单元数法，此时对每种流体都可以定义：11NTUWKF121cRWW111,cRNTU1.3.3其他流动方式的传热有效度可由对应流动方式的平均温差表达式，辅之热平衡方式加以推导，详细结果参见钱颂文《换热器设计手册》。1.4换热器热计算方法的比较原则上换热器的设计都要用到传热方程和热平衡方程，而平均温差法和传热单元数法都是由这两个方程推导而来，所以两种方法都可进行换热器的热计算，只是繁简程度不同而已。2211,,,ttttKFftKFQm222''1'11ttWttWQ221121,,,,,,ttttWWKF热计算基本参量热计算类型设计性校核性热计算方法平均温差法适用性好适用性一般传热单元数法适用性一般适用性好对于设计性热计算：平均温差法较好，因为可以得到温差修正系数，判断流动方式选择合理与否。对于校核性热计算：传热单元数差法较好，因为试算工作量小得多。1.5流体流动方法的选择注意事项：（1）在给定温度状况下，保证大的平均温差，减小传热面积。（2）流体本身的温差大，减小质量流量，节约动力能耗。（3）使传热面温度比较均匀，材料便宜。（4）应有好的工况，以增大传热系数，减小传热面积。以上几点往往难共存，应根据具体情况分析，考虑主要因素。1.5.1顺逆流选择（1）温度相同条件下，逆流温差大，节约传热面积。（2）逆流时流体本身温度变化大，可减少流量。（3）逆流时，换热器两端温差大，有可能增加材料成本。1.5.2错混流选择（1）管内为偶数程的简单混流，只要进出口温度相同，平均温差相同，与先逆或先顺流无关。对于1-2型换热器，避免温度交叉现象()，因为此时发生反向传热。021tt（2）管内为奇数程的简单混流，增加其中的逆流程数，平均温差增加，因为逆流面积增加。（3）采用多次混流，可以显著提高平均温差，但结构更为复杂，应慎重考虑。（4）流体间严格垂直的错流换热器应用不多。