《热交换器原理与设计》第1章-热交换器基本原理.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,热交换器原理与设计,（第,6,版）,按热量传递方式分：,换热器分类与型式,1,换热器的定义：,将某种流体的热量以一定的传热,方式传递给他种流体的设备。,2,换热器的分类：,按两种流体的相对流动方向分：,顺流、逆流、顺逆混合流、交叉流,按用途分,：,1.,加热器：,2.,预热器：,3.,过热器：,4.,冷却器：,5.,蒸发器：,6.,冷凝器：,7.,再沸器：,用于把流体加热到所需的温度。,用于流体的预热，以提高整套工艺,装置的效率。,用于加热饱和蒸汽，使其达到过热状态。,用于冷却流体，使其达到所需温度。,用于加热液体，使其蒸发汽化。,用于冷却凝结性饱和蒸汽，使其放出,潜热而凝结液化。,用于加热已被冷凝的液体，使其再受热,汽化。为蒸馏过程专用设备。,1.,间壁式换热器（表面式换热器、,间接式换热器）,冷、热流体被固体壁面隔开，,互不接触，热量由热流体通过,壁面传递给冷流体。,形式多样，应用广泛。,适于冷、热流体不允许混和的场合。,如各种管壳式、板式结构的换热器。,按热量传递方式分：,热流体,冷流体,t,1,t,2,t,w1,t,w2,Q,Q,2.,混合式换热器,(,直接接触式,),冷、热流体直接接触，相互,混合传递热量。,特点：结构简单，传热效率高。,适于冷、热流体允许混合的场合。,如冷却塔、喷射式等。,热流体,冷流体,3.,蓄热式换热器,(,回流式换热器、,蓄热器,),借助于热容量较大的固体蓄热体，将热量由热流体传给冷流体。,有固体壁面，两流体并非同时，而是轮流与壁面接触。,当与热流体接触，蓄热体接受热量，温度升高；与冷流体接触，将热量传给冷流体，蓄热体温度下降，达到换热目的。,特点：结构简单，可耐高温，体积庞大，不能完全避免两种流体的混和。,适于高温气体热量的回收或冷却。如回转式空气预热器。,冷流体,热流体,热流体,冷流体,蓄热式换热器示意图,1.,金属材料换热器,常用的材料有碳钢、合金钢、铜及铜合金、铝及铝合金、钛及钛合金等。因金属材料导热系数大，故此类换热器的传热效率高。,2.,非金属材料换热器,常用的材料有石墨、玻璃、塑料、陶瓷等。因非金属材料导热系数较小，故此类换热器的传热效率较低。常用于具有腐蚀性的物系。,按材料分：,1.,管式换热器,通过管子壁面进行传热的换热器。按传热管结构形式可分为管壳式换热器、蛇管式换热器、套管式换热器、翅片式换热器等。,2.,板式换热器,通过板面进行传热的换热器。按传热板的结构形式可分为平板式、螺旋板式、板翅式等。,3.,特殊形式换热器,根据工艺特殊要求而设计的具有特殊结构的换热器。如回转式、热管式换热器等。,按传热面形状和结构分,管壳式换热器的外形,内部构造,管壳式换热器端部流程安排,多流程焊接式换热器,1,热交换器热计算基本原理,设计性计算,校核性计算,设计新换热器，确定其面积。,但同样大小的传热面积可采用不同的构造尺寸，而不同的构造尺寸会影响换热系数，故一般与结构计算交叉进行。,针对现有换热器，确定流体的进出口温度。,了解其在非设计工况下的性能变化，判断其是否能满足新的工艺要求。,热,(,力,),计算是换热器设计的基础,以,间壁式,换热器为基础介绍换热器的热（力）计算，其他形式的换热器计算方法相同。,1.1,热计算基本方程,1.,传热方程：,Q=,k,F,t,m,Q,=,k,t,d,F,2.,热平衡方程,热容量：,W=MC,Q,=,W,1,t,1,=,W,2,t,2,(W/),平行流：,顺流和逆流,顺流 逆流,对,顺、逆流,的传热温差分析，作如下假设,：,1.,冷热流体的质量流量和比热保持定值；,2.,传热系数是常数；,3.,热交换器没有热损失；,4.,沿流动方向的导热量可以忽略不计；,5.,同一种流体从进口到出口，不能既有相变又,有单相对流换热。,要计算整个换热的平均温差，首先需要知道温差随换热面的变化，即,t,x,=f,(,F,x,),，然后再沿整个换热面积进行平均。,1.2,平均温差,1.2.1,流体的温度分布,a,：两种流体都有相变,t,1,冷凝,t,2,沸腾,d,：顺流，无相变,吸热,t,1,放热,t,1,t,2,t,2,c,：一种流体有相变,t,1,放热,t,1,t,2,沸腾,b,：一种流体有相变,吸热,t,2,t,2,t,1,冷凝,g,：一种流体有相变,沸腾,t,1,放热,t,2,t,1,t,2,过热,吸热,e,：逆流，无相变,吸热,t,1,放热,t,2,t,1,t,2,f,：一种流体有相变,过冷,过热蒸汽冷却,吸热,t,1,冷凝,t,2,t,1,t,2,h,：可凝蒸气和非凝结性,气体混合物的冷凝,吸热,t,1,部分冷凝,t,2,t,1,t,2,1.2.2,顺流、逆流下的平均温差,以,顺流,为例：已知冷热流体的进出口温度，针对微元换热面,dF,一段的传热，温差为：,t=,t,1,t,2,d,t=,d,t,1,d,t,2,通过微元面,dF,，两流体的换热量为,:,dQ=k,t,d,F,分别对热流体与冷流体,:,热流体：,冷流体：,对,逆流,：,t=,t,1,t,2,d,t=,d,t,1,d,t,2,d,Q=k,t,d,F,热流体：,冷流体：,+,：顺流,-,：逆流,+,：顺流,-,：逆流,当,F,x,=,F,时，,t,x,=,t,顺流与逆流的区别：,顺流：,逆流：,将对数平均温差写成统一形式,(,顺,/,逆流都适用,),当 时，两者的差别小于,4,；,当 时，两者的差别小于,2.3,。,算术平均温差,平均温差另一种更为简单的形式是,算术平均温差，即：,(a),两种流体不混合,(b),一种流体混合，另一种不混合,图,1.4,错流热交换器,实际换热器一般处于顺流和逆流之间，更多的是多流程、错流的复杂流动。,1.2.3,其它流动方式下的平均温差,板式,板翅式,管翅式,对这种复杂流动，数学推导将非常复杂。可以在纯逆流的对数平均温差基础上进行修正，以获得其它流动方式的平均温差。,t,m,=,t,lm,c,系数,称为,温差修正系数,，它表明流动方式接近逆流的程度。,t,lm,c,是给定冷、热流体的进出口温度布置成逆流时的,平均温差,。,关于,：,（,1,）,定义无量纲参数,P,和,R,（,2,）,P,的物理意义：冷流体的实际温升与理论所,能达到的最大温升之比（,1,）,（,3,）,R,的物理意义：两种流体的热容量之比。,=f,(,P,、,R,),P=P,R,R=,1/,R,温度效率,(1.22),1),热流体在管外为一个流程，,冷流体在管内先逆后顺两个,流程,型热交换器,先顺后逆,型适用；,并且,型也可近似使用,型热交换器,的计算,热平衡：,W,1,(,t,1,t,1,)=,W,2,(,t,2,t,2,),(a),x,=,x,到,x=L,段的热平衡,：,W,1,(,t,1,t,1,)=,W,2,(,t,2,b,t,2,a,),(b),微元段,d,x,内，设热流体放热量,d,Q,1,，冷流体第一,流程吸热量,d,Q,2,，第二流程吸热量,d,Q,2,，则,：,d,Q,1,=,W,1,d,t,1,；,d,Q,2,=,W,2,d,t,2,；,d,Q,2,=,W,2,d,t,2,b,故,：,W,1,d,t,1,=,W,2,(d,t,2,a,d,t,2,b,),(c),若,整,以,S,表示每一流程中单位长度上的,传热面积，则,：,W,2,d,t,2,a,=,KS,(,t,1,t,2,a,),d,x,(d),W,2,d,t,2,b,=,KS,(,t,1,t,2,b,),d,x,(e),将式,(d),、,(e),代入式,(c),得,:,(f),将此式对,x,微分，则,:,(g),将,式,(d),、,(e),代入式,(g),：,(h),将式,(b),代入式,(h),并整理,：,(,i,),此为壳侧流体温度沿流动方向的微分方程。,为求解此式，引入新变量,：,Z=,t,1,t,1,(j),t,1,为热流体起始温度，看作常量,，,(,i,),式变成,：,(k),此为,二阶齐次线性常微分方程，设其解为,：,Z,=,e,mx,(l),代入式,(k),中，则为,(m),解此一元二次方程，可得到,m,的两个解：,(1.17),式中：,因此，由式,(l),可得式,(k),的通解,：,(n),待定常数,M,a,、,M,b,可由边界条件确定,x,=,0,时,t,1,=,t,1,或,Z,=,t,1,t,1,x=L,时,t,1,=,t,1,或,Z=,0,将其代入式,(n),中，可求出待定常数,：,(p),将式,(p),代入,(n),，则,：,(q),式,(q),表示了壳侧流体温度沿距离,x,的变化规律,。,若对式,(n),x,求导，可得壳侧流体温度,的,变化率,：,(r),将式,(f),代入式,(r),，考虑到边界条件,：,x=,0,时,，,t,1,=,t,1,，,t,2,a,=,t,2,，,t,2,b,=,t,2,则,：,(s),将式,(1.17),、,(p),确定的,m,a,、,m,b,及,M,a,、,M,b,代入式,(s),：,(t),整理得,:,(1.18),同除以,exp(,m,b,L,),，得到,：,(u),根据式,(1.17),，有,：,(v),对热交换器，结合传热方程和热平衡方程,：,2,KSL,t,m,=,W,1,(,t,1,t,1,),其中,2,SL,=,F,为传热面积，所以,：,(w),由式,(u),、,(v),，得,：,(x),将式,(x),代入式,(w),，并考虑到,:,(y),整理,，,得到平均温差的公式：,(1.19),由,辅助函数,P,、,R,，将,上,式,(1.19),改写成,：,(1.20),使式,(1.20),与,(1.21),相等，整理得,：,(1.22),可见，该流动方式的平均温差可直接用式,(1.19),、,(1.20),计算，或用式,(1.13),计算，其中的,值则用,式,(1.22),算出。,对先顺流后逆流,，式,(1.22),也是适用的。,由式,(1.13),及,(1.16),，有,：,(1.21),2),两种流体中只有一种流体有,横向混合的错流式热交换器,(1.24),图,1.8,型热交换器的,值,图,1.9,一个流程顺流，两个流程逆流的热交换器的,值,图,1.10,一个流程逆流，两个流程顺流的热交换器的,值,图,1.11,2,4,型热交换器的,值,图,1.12,串联混合流型热交换器的,值,图,1.13,只有一种流体有横向混合的一次错流热交换器的,值,图,1.14,两种流体均无横向混合的一次错流热交换器的,值,1.2.4,流体比热或传热系数变化时的平均温差,图,1.15,Q,t,图,Q,=,M C dt,各段传热面：,F,i,=,q,i,/,K,i,t,i,，所以总传热面：,(a),又：,(b),使式,(a),和,(b),相等，并假定各段的传热系数相同，,可得总的平均温差，即积分平均温差,(,t,m,),int,：,(,t,m,),int,=,(1.27),例,1.1,有一蒸汽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,。空气与蒸汽逆流，其比热为,1.02kJ/(kg),，加热蒸汽系压力,P=0.2MPa,，温度为,140,的蒸汽，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查的蒸汽有关状态参数为：,饱和温度,t,s,=120.23,；饱和蒸汽焓,i,=,2707 kJ/kg,过热蒸汽焓,i,=2749kJ/kg,；汽化潜热,r,=2202 kJ/kg,于是可算出整个热交换器的传热量：,从热平衡关系求蒸汽耗量,M,1,：,热交换器中存在冷却和冷凝段，分为两段计算，如图,1.16,所示。,过热蒸汽的冷却段放出的热量：,冷凝段，则为：,求两分段分界处的空气温度,t,a,：,t,1,t,s,t,2,t,2,冷却段,冷凝段,F,t,a,图,1.16,冷却段之平均温差：,可见，由于过热度不是很大，过热蒸汽的冷却段在整个热交换器中所起的作用不是很大，因而即使以冷凝段的参数来计算，其误差也很小,。,冷凝段之平均温差：,总平均温差：,作业：,按图中所给定参数，其中制冷剂流量,1kg/s,，分段计算冷凝器的对数平均温差和总的对数平均温差。,1.3.1,传热有效度的定义,传热有效度基于如下思想：当换热器无限长，,对,逆流换热器,，则会发生如下情况：,a.,当,W,1,W,2,时，,t,1,=,t,2,则：,Q,max,=,W,1,(,t,1,t,2,),b.,当,W,2,W,1,时，,t,2,=,t,1,则：,Q,max,=,W,2,(,t,1,t,2,),于是有：,Q,max,=,W,min,(,t,1,t,2,),1.3,传热有效度,“传热学”中的,效能,传热单元数方法,但实际传热量,Q,总是小于可能的最大传热量,Q,max,，,将,Q,/,Q,max,定义为传热有效度，并用,表示，即：,换热器效能,定义：,换热器的实际传热量与理论上最大可能的传热量之比。,如已知,，则实际传热量为：,Q,=,W,min,(,t,1,t,2,),W,1,W,2,W,2,W,1,式，相加：,1.3.2,顺流和逆流时的传热有效度,根据热平衡：,即：,假设：,W,1,W,2,顺流,代入,两个公式合并，得：,当,W,2,W,1,时，,同样的推导过程可得：,定义传热单元数,NTU(Number of Transfer Unit),则顺流时：,同理可推导逆流：,逆流：,顺流：,当冷热流体之一发生相变，或相当于,W,max,，,即,R,c,=,W,min,/,W,max,0,，效能公式可简化为：,=1,exp,(-NTU),当两种流体的热容相等，,即：,R,c,=,W,min,/,W,max,=1,公式可以简化为：,顺流：,逆流：,罗必塔法则,图,1.18,顺流热交换器的,图,1.19,逆流热交换器的,效能,-,传热单元数关系,NTU,：,效能,一般均随,NTU,的增大而增大，,但有的达到一定,NTU,后趋于饱和。,过分增大换热器面积没有意义。,效能,随,R,的减小而增加。,R,为零时，所有的曲线相同。,逆流换热优于顺流。,设计计算,:,根据能量守恒关系求出未知出口温度；,初选流道布置方案并计算两侧表面传热,系数和总传热系数；,求换热器效能,及,R,；,求出,NTU,，进而得到换热面积；,若与初选面积不同，修改布局重新计算。,NTU,方法的应用,校核计算,:,根据已知传热面积、总传热系数和较小,侧热容,W,可直接求出,NTU,值；,由,R,和,NTU,值，选取相应的公式或曲线,求得换热器效能,；,由,求出小,W,流体的出口温度，再,由能量守恒得到另一出口温度。,【,例,1.3】,温度为,99,的热水进入一个逆流交换器，将,4,的冷水加热到,32,。热水流量为,9360kg/h,，冷水流量为,4680kg/h,，传热系数为,830W/(m,2,),，试计算该热交换器的传热面积和传热有效度。,解：按题意可将温度工况示意如下：,t,1,=99,热水,t,1,=?,t,2,=32,冷水,t,2,=4,热水热容量,W,1,=9360/36004186=10883.6 W/,冷水热容量,W,2,=4680/36004186=5441.8 W/,因而,W,1,=,W,max,，,W,2,=,W,min,热平衡关系,10883.6(99,t,1,)=5441.8(32,4),故：,t,1,=85,而,R,c,=,W,2,/,W,1,=5441.8/10883.6=0.5,所需传热面积仍为：,F,=5441.828/83073.8=2.49 m,2,若用热流体的温度效率计算,、,R,c,、,NTU,三值时，可得：,1,=0.147,，,R,c1,=,2,，,NTU,1,=0.19,，而,F,仍为,2.49m,2,。,例,在一传热面积为,15.8m,2,的逆流套管换热器中，用油加热冷水。油的流量为,2.85kg/s,，进口温度为,110,；水的流量为,0.667kg/s,，进口温度为,35,。油和水的平均比热分别为,1.9kJ/(kg),及,4.187kJ/(kg),。换热器的总传热系数为,320W/(m,2,),。求水的出口温度。,解：,W,1,=,M,1,C,1,=2.851900=5415 W/,W,2,=,M,2,C,2,=0.6674180=2788 W/,故冷流体水为最小值流体，则：,R,c,=,W,min,/,W,max,=2788/5415=0.515,NTU=,KF,/,W,min,=32015.8/2788=1.8,型热交换器,该型热交换器的传热有效度可直接按式,(1.18),作进一步分析,：,S,为每一流程单位长度上的传热面积，故,：,假定热流体是小热容量流体，故,：,1.3.3,其他流动方式时的传热有效度,(a),(b),将其代入式,(1.18),，得,：,令 ，,则式,(a),之左等于,：,(c),(1.42),式,(a),之右，由于,：,故：,式,(a),简化,：,得到,：,1,2,n,型,图,1.20,型热交换器的,图,1.22,型热交换器的,2,4,n,(a),两种流体都不混合,(b),一种流体混合，另一种流体不混合,图,1.4,错流热交换器,图,1.24,二次错流 图,1.25,三次错流,无混合的错流,=1,exp,R,c,(NTU),0.2,exp-,R,c,(NTU),0.78,1,(,1.45,),有混合的,1,次,错流,有混合的,2,次,错流,有混合的,3,次,错流,(1.43),(1.46),(1.47),图,1.23,两种流体都不混合的错流热交换器,图,1.21,两种流体中仅有一种混合的错流热交换器,【,例,1.4】,有一管式空气换热器，烟气流过管内，在管程间有横向混合，如图,1.26,所示，已知其传热面积,F=1353 m,2,，传热系数,K,=14W/(m,2,),，烟气热容量,W,1,=14460W/,，进口温度,t,1,=465,，空气热容量,W,2,=10540W/,，进口温度,t,2,=135,，求烟气及空气的出口温度。,解：传热单元数：,NTU=,KF,/,W,min,=141353/10540=1.8,热容量比：,R,c,=,W,min,/,W,max,=10540/14460=0.729,分传热单元数,(NTU)=1/2NTU=1/21.8=0.9,查与本题相应的一次错流的线图,1.21,，得,1,=0.485,于是可利用式（,1.46,）计算总的传热有效度：,空气出口温度：,t,2,=,t,2,+(,t,1,t,2,)=135+0.68(465,135)=359.4,由热平衡可求出烟气出口温度：,t,1,=,t,1,R,c,(,t,2,t,2,)=465,0.729(359.4,135)=301.4,t,1,t,2,t,2,t,1,图,1.26,例,1.4,附图,1.4,热交换器热计算方法的比较,传热方程,：,Q,=,KF,t,m,=,KF,f,(,t,1,，,t,1,，,t,2,，,t,2,),热平衡方程,：,Q,=,W,1,(,t,1,t,1,),=,W,2,(,t,2,t,2,),共七个基本量,：,(,KF,),，,W,1,，,W,2,，,t,1,，,t,1,，,t,2,，,t,2,必须事先给出五个才能进行计算,。,采用平均温差法或传,热单元数法都可得到相同的结果，但具体步骤有所不同。,设计性热计算，平均温差法和传热单元数法在繁简程度,上没有多大差别,。,但平均温差法，通过,大小,可,判,断,流,动方式与逆流之间的差距，有利于流动型式的比较。,校核性热计算，两种方法都要试算。某些情况下，,K,已知时，采用传热单元数法更加方便。,设计性热计算，最好采用平均温差法；,校核性热计算，传热单元数法能显出更大的优越性,。,1.5,流体流动方式的选择,1),在给定的温度工况下，保证获得较大的平均温差，,以减小传热面积。,2),使流体本身的温度变化,(,t,1,或,t,2,),尽可能大，,使流体的热量得到合理利用，并可节省泵或,风机的投资与能量消耗。,3),尽可能使传热面的温度比较均匀，并使其在较低,的温度下工作。,4),应有最好的传热工况，以便得到较高的传热系数，,起到减小传热面积的作用。,1.5.1,顺流和逆流,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,t,m,最大，顺流则最小；其它介于顺、逆流之间。,逆流时，冷流体,t,2,则可能,大于,热流体,t,1,；,顺流时,t,2,W,2,),(or,W,1,t,1,图,1.28,型与,型热交换器中的温度分布,项目,第一种情况,第二种情况,第三种情况,流体温度,(,),t,1,=,340,t,1,=,240,t,1,=,300,t,1,=,200,t,1,=,270,t,1,=,170,t,2,=,90,t,2,=,190,t,2,=,100,t,2,=,200,t,2,=,90,t,2,=,190,t,1,=100,t,2,=,100,t,1,=,100,t,2,=,100,t,1,=,100,t,2,=,100,趋近温度,(,t,1,-,t,2,)(,),50,0,温度交叉,20,P,0.4,0.5,0.56,R,1,1,1,0.92,0.8,0.64,表,1.2,不同情况下的,值,型,=,0.928,增加管程和壳程,t,1,t,1,t,2,t,2,