第10章 传热过程分析与换热器的热计算

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2020/1/21第10章传热过程与换热器2020/1/21基本要求1.掌握传热过程的概念及宏观规律2.掌握传热系数的概念及影响因素,并能计算常见传热过程的传热系数3.了解换热器的分类及主要型式4.能计算不同型式换热器的平均温差,并进行换热器内冷、热流体的温度变化规律分析5.熟记换热器热设计的基本公式,了解换热器热设计的类型及计算方法,并能用平均温差法进行换热器的设计计算6.掌握热量传递过程的控制原理与方法2020/1/21主要内容▲传热过程的分析和计算▲换热器的类型▲传热过程的平均温差及计算▲间壁式换热器的热设计▲热量传递过程的控制(强化和削弱)2020/1/2110.1传热过程的分析和计算传热过程的定义——热量由壁面一侧的热流体通过壁面传到另一侧的冷流体中的过程,称为传热过程传热过程的宏观规律——传热方程tkqtkA或式中:k为传热系数(W/m2.K),反映传热过程的强弱为传热热阻)/(1)/(12WKmkWKkARt或2020/1/2110.1.1通过平壁的传热过程计算等效电路图(共三个环节串联):10.1传热过程的分析和计算2020/1/21)110(11121hhk传热系数为影响传热系数k的数值的主要因素:①冷热流体的物性;②流速;③物体表面的形状和布置;④壁面材料导热系数AhAAhttff212111通过平壁的传热量:tkAttkAff)(21当流过壁面的是辐射性气体(二氧华碳、水蒸汽、烟气等),或壁面与周围表面间存在较大温差时,则该侧应按复合换热考虑.10.1传热过程的分析和计算2020/1/2110.1.2通过圆筒壁的传热过程计算10.1传热过程的分析和计算等效电路图(共三个环节串联):ooioiifofiooioiifofidhdddhttlldhlddldhtt12)/ln(1)(12)/ln(1定义:(1)以圆管外侧面积为基准的传热系数k)()(0000ffiffittldkttkA00001ln21hddddhdkiii(2)以圆管内侧面积为基准的传热系数ki)()(00ffiiiffiiittldkttAk000ln211dhddddhkiiiii通过圆筒壁的传热量:(10-2)10.1传热过程的分析和计算2020/1/21总传热热阻=管内热阻+管壁热阻+管外热阻00001ln21111:AhddlAhAkkARiiiiit即注意:①因Ai≠A0,故不采用单位面积热阻的概念;②管子内、外侧有污垢或包有保温层时,只要增加相应的热阻项即可;③要强化或削弱传热过程,应从热阻最大的环节入手(10-5)10.1传热过程的分析和计算2020/1/2110.1.3通过肋壁的传热过程计算(以平壁一侧装肋的情况为例)基础:肋壁(或肋面)总效率的概念10.1传热过程的分析和计算2020/1/21(1)肋壁总效率η0021,000:)(AAAf见第二章肋面总效率式中:为肋壁的实际散热量0为肋壁的理论散热量),(0000,0fwttAh)(:00000,000fwttAh所以10.1传热过程的分析和计算2020/1/21(2)肋壁传热过程分析))((:)()(:)()(:0000000cttAhbttAattAhf肋侧壁面光侧0,i热稳态时解得:)(')(110000000ffiifffifiiiffittAkttAkAhAAhtt10.1传热过程的分析和计算2020/1/21肋壁的传热系数:(a)以肋侧总表面积A0为基准的肋壁传热系数为:000011hAAAhAkiiif(10-7a)(b)以光侧表面积Ai为基准的肋壁传热系数为:0000011111'hhAhAhkiiif(10-7b)(c)未加肋时平壁的传热系数为:0111hhki(10-1)称为肋化系数,0iAA10.1传热过程的分析和计算2020/1/21),(1.0来达到可通过选择肋片的尺寸只要a注意:b.不同的传热系数,在定义时所采用的计算面积不同c.复杂肋管的传热系数应依靠专门的实验来确定故加肋可以增强传热总有.'kkf10.1传热过程的分析和计算2020/1/2110.1.4临界热绝缘直径问题:在圆管外加肋是否一定能增强传热?在圆管外敷设保温层是否一定能削弱传热?(2)加保温层后,导热热阻增大,对流热阻不变,故总热阻增大,传热系数减小,换热削弱0000011111':)1(hhAhAhkiiif加肋时kkf',10只要(10-7b)21111:.1hhk平壁(10-1)10.1传热过程的分析和计算2020/1/212、圆筒壁:ooioiifofidhdddhttl12)/ln(1)((1)加肋时,肋侧对流热阻Rh的下降远远超过导热热阻Rλ的增大幅度,故总热阻下降,换热增强(2)加保温层后,导热热阻Rλ增大,外侧对流热阻Rh减小。传热量的变化应视两者的变化幅度而定。一般情况下,Rλ的增加幅度超过Rh的减小幅度,故总热阻增大,传热系数减小,换热削弱.特殊情况:当Rλ的增加幅度小于Rh的减小幅度时,总热阻减小,传热系数反而增大,热损失增加(10-2)10.1传热过程的分析和计算2020/1/21临界热绝缘直径:2)(200cricrdhBhd或即:d0dcr(Bi2),d0↑→Ф↑;d0=dcr(Bi=2)时,Ф=Фmax;d0dcr(Bi2)时,d0↑→Ф↓.10.1传热过程的分析和计算2020/1/2110.2.1换热器的分类1.按操作过程分:间壁式—也称表面式,在工程中最常用混合式—适用于冷热流体为同类介质的场合回热式(蓄热式)—适用于气体与气体间的换热,为非稳态过程换热器—使热量从热流体传递到冷流体,以满足规定的工艺要求的装置10-2换热器的类型10.2换热器的类型2020/1/212.按表面的紧凑程度分:紧凑式与非紧凑式紧凑式—β≥700m2/m3,或dh≤6mm层流换热器—β>3000m2/m3,或100μm≤dh≤1mm微型换热器–β>15000m2/m3,或100μm≤dh≤1mm紧凑程度用当量直径de(dh)或传热面积密度β来衡量(β---单位体积中的传热面积)(详见P467图10-5)10.2换热器的类型2020/1/2110.2.2间壁式换热器的主要型式套管式管式壳管式*(列管式.最简单,最典型)管束式蛇管式板式板式螺旋板式板翅式夹套式热管换热器见P467-471图10.2换热器的类型2020/1/21特点:耐压抗震,不易变形;耐脏耐垢,不易堵塞;回油顺畅,安全性高;结构灵活,布置方便适用:传热量不大或流体流量不大的情形1.套管换热器10.2换热器的类型2020/1/212.壳管式换热器10.2换热器的类型2020/1/2110.2换热器的类型2020/1/21列管式冷凝器实例10.2换热器的类型2020/1/21波纹管换热器波纹换热管10.2换热器的类型2020/1/213.交叉流换热器例:板翅式换热器10.2换热器的类型2020/1/21直片形U形L形方形10.2换热器的类型2020/1/214.板式换热器10.2换热器的类型2020/1/21特点:结构紧凑,占用空间小;传热系数高;端部温差小(可达1℃);热损失小,热效率高(≥98%);适应性好,易调整;不易结垢1,2介质3环行孔道垫圈4板片密封垫圈5激光切焊焊缝6焊接密封流道2020/1/215.螺旋板式换热器10.2换热器的类型2020/1/21螺旋板换热器的特点:传热效率高(总传热系数最高可达3300Kcal/m2.h.,传热效率为列管式换热器的1~3倍。),节能效果好,体积小、价格便宜,使用可靠等。适用气-气、液-液、气-液对流传热,以及用于蒸气冷凝和液体蒸发传热。但密封较困难.10.2换热器的类型2020/1/216.管束式换热器10.2换热器的类型2020/1/217.热管换热器10.2换热器的类型2020/1/212020/1/21换热器中流体的流程及流向流程:用i—j表示i—壳程数;j—管程数流向:顺流—冷热两种流体平行而同向流动逆流—冷热两种流体平行而反向流动交叉流—冷热两种流体空中垂直相交流动混合流—上述几种流向的混合10.2换热器的类型2020/1/2110.2.3提高换热器紧凑性的途径减小管径;采用板式结构(减小当量直径);采用肋化表面;采用丝网状材料10.2.4壳管式换热器的近期发展螺旋折流板换热器,折流杆换热器10.2换热器的类型2020/1/2110.3.1、简单顺、逆流换热器平均温差的计算简化假定:a.冷、热流体的质量流量qm2、qm1及比热容c2、c1在整个换热面上都是常量;b.传热系数k在整个换热面上不变;c.换热器无散热损失;d.换热面沿流动方向的导热量可忽略不计。10.3换热器中传热过程平均温差的计算传热方程:mmtkqtkA或Δtm—(对数)平均温压10.3换热器的平均温差2020/1/211.顺流换热器22211121dtcqddtcqdtdAkdtttmm在dA中:tdAkddcqcqdtdttdmm)11()(22112110.3换热器的平均温差2020/1/21)1('10kAAxmekAtdAtAt或:minmaxminmaxlntttttm'ln'tttt)(l……=将式(h)沿全换热面积分平均,即可得整个换热面的平均温差Δtm:xkAxett'得截面Ax处的温差Δtx与Ax的关系为:(h)10.3换热器的平均温差2020/1/212.逆流换热器22211121dtcqddtcqdtdAkdtttmm在微元面dA中:221111cqcqmm其他均同顺流2020/1/213.平均温压的简化计算--用算术平均温差代替对数平均温差)(21minmaxtttm即取%3.2,7.1.minmax差别时tta%0.4,2.minmax差别时ttb条件:10.3换热器的平均温差2020/1/2110.3.2其他复杂布置时平均温差的计算—采用修正系数线算图求解具体计算步骤见P478:(1)以给定的冷热流体的进出口温度,计算按逆流布置时的对数平均温差(Δtm)ctf(2)根据流动型式,根据P、R从相应的线算图中查得修正系数ψ,则:ctfmmtt)(ctfmmtt)((10-12)各种流动型式换热器的修正系数线算图见P479-48010.3换热器的平均温差2020/1/2110.3.3不同流动布置型式平均温差的比较(1)在冷热流体进出口温度一定的条件下,(Δtm)顺最小,(Δtm)逆最大;且逆流布置时热损失对(Δtm)的影响最小(2)其他流动型式的(Δtm)介于顺流与逆流之间,设计中一般要求修正系数ψ大于0.9,至少不能小于0.8;(3)当其中一种流体有相变时,无顺逆流之分;(4)蛇形管束当曲折次数超过四次时,可作纯顺流或纯逆流处理2020/1/2110.4间壁式换热器的热设计▲换热器的热设计类型1.设计计算2.校核计算▲换热器热设计的基本方法1.平均温压法*2.传热单元数法▲换热器的污垢热阻及对传热的影响▲换热器的综合设计10.4间壁式换热器的热设计2020/1/21换热器热设计的基本公式,,',,',,,:22112211ttttcqcqkAmm变量mtkA:传热方程)'(1111ttcqm)1510()'(2222ttcqm热平衡方程:(10-14)10.4间壁式换热器的热设计2020/1/211.两种类型的

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