管壳式热交换器设计全解1

第二节热交换器传热计算的基本方法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；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1.1热计算基本方程1.2平均温差法1.3效率—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1.5流体流动方式的选择1.1热计算基本方程式t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1t1t2t2t1c2c1M2M两流体的进口温差两流体的出口温差t1、传热方程式：FotdFkQQkdFtmtKFQKFmt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，W①想求得，必须已知、、Q。KmtF2、热平衡方程：1C222111iiMiiMQ适用于任何流体2221112211dtCMdtCMQtttt适用于无相变流体②1M2M分别为热流体与冷流体的质量流量，Kg/s1i2i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·℃)2C1t热流体在热换器内的温降值，也称冷却度，℃2t冷流体在热交换器内的温升值，也称加热度，℃1W2W分别为热、冷流体的热容量，W/K1111ttcMQ1111ttcM111tcM11tW2222ttcMQ222tcM22tW11tWQ22tW③2221112211dtCMdtCMQtttt对应单位温度变化产生的流动流体的能量存储速率1c2c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·℃)讨论：1考虑热损失的情况下：或LQQQ2121QQLL以放热热量为准的对外热损失系数，通常为0.97-0.982由式③可以知道1221ttWW热流体的冷却度冷流体的加热度可见：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11tW22tW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：平均温差法效率（效能）－传热单元数法（η－NTU）一、平均温差法流体1的放热量流体2的吸热量热交换器的传热热量AdAttk21不考虑热交换器向外界散热热量'2''222ttCqm''1'111ttCqm流体1的放热量流体2的吸热量热交换器的传热热量''1'11''1'111ttWttCqm'2''22'2''222ttWttCqmCqWmW：流体热容量意义：单位温度变化下产生的流动流体的能量储存速率。微元传热面传递的热流量：dAttKd)(21dt1dt2t1t21t2t1t2tAdAttK21AtKmm2111ttdtm工程上：dAttAtAm211AmKdAAK1平均传热系数Km平均温差△tm13二、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.1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：mtkA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。dt1dt2t1t21t2t1t2t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：ddtAk1212dddtttttt在固体微元面dA内，两种流体的换热量为:dt1dt2t1t21t2t1t2t1111111ddddmmqcttqc对于热流体:2222221ddddmmqcttqc对于冷流体:12112211dddddmmtttqcqcddtAktdAddktdAtdktxxAttkt0dAtdxxkAttln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：)exp(txxkAtx0xx0)dAexp(t1dAt1xAAmkAAAt112211mmqcqcxxkAttlnAAx1-)exp(t)dAexp(t1x0kAkAkAAtxAm(1)kAttln(2))exp(tkAt(3)(2)、(3)代入(1)中tttttttmtlnttlnt1-ttlnt对数平均温差顺流时：2122111111WWcqcqum0uttx表明：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。逆流时：2122111111WWcqcqum当：不断升高，21WW0uxt当：不断降低。21WW0uxt对数平均温差统一表示方法LMTD(logarithmic-meantemperaturedifference)minmaxminmax1lntttttmmaxt表示始端和终端的最大的和最小的温度差。mint式中：平均温差的另一种更为简单的形式是算术平均温差，即2minmax,tttm算术使用条件：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。2minmaxtt算术平均与对数平均温差2minmax,tttm算术minmaxminmax,tlnttttm对数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％。2minmaxtt7.1minmaxtt2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。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。3、其他流动方式时的平均温差clmmtt,按逆流方式计算的对数平均温差clmt,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：othercounterclmmFFtt,clmt,mtcounterFotherF值的大小说明某种流动形式的换热器在给定工作条件下，接近逆流形式的程度，一般设计时要0.9，0.75时，认为设计不合理。恒不大于0或≤1值的求取方法•逆流时对数平均温差为：21212121,1lntttttttttcm两流体的进口温差冷流体的加热温度2122ttttP令：P的含义：冷流体的实际吸热量与最大可能的吸热量的比例，称为温度效率。P1。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。冷流体的加热度热流体的冷却度2211ttttR则:可以表示为P和R及的函数cmt,1)(12ttPRPttRtcm11ln122,1为了简化的计算，引入两辅助参数：2122ttttp两种流体的进口温差冷流体的加热度2211ttttR冷流体的加热度热流体的冷却度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：pR),(RPf冷流体12WW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对于某种特定的流动形式，是辅助参数P、R的函数该函数形式因流动方式而异。),(RPf对于只有一种流体有横向混合的错流式热交换器，可将辅助参数的取法归纳为：两流体进口温度的差值混合流体的温度变化值P值无混合流体的温度变化混合流体的温度变化值R值的计算公式可以从表1.1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。管壳式换热器的。图11－2、1－4等多流程管壳式换热器的修正系数交叉流式换热器的图22－4、2－8等多流程管壳式换热器的修正系数22111222ttttPRttt、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cmmtt)(1图3交叉流，两种流体各自都不混合时的修正系数图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801t501t302t402t2.030803040P330405080R94.0练习：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`表示进口，``表示出口，图表中均以P为横坐标，R为参量。（3）R的物理意义：两种流体的热容量之比22112211mmqcttRttqc（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22111222ttttPRttt、（5）Ψ值总是小于或者等于1。从Ψ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。（6）Ψ设计中最好使Ψ0.9，若Ψ0.75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Ψ值不易读准时，可以用P’和R’查图。P’和R’的含义为：把热交换器中的两种流体交换后，即下标1改成冷流体，下标2改成热流体后，以P和R以P’和R’表示。PRttttP1211RttttR11122)1,(,RPRfRPf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，逆流的最大，顺流则最小；(2)顺流时，而逆流时，则可能大于，可见，