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热交换器原理与设计（第6版）史美中王中铮按热量传递方式分：按热量传递方式分：换热器分类与型式1换热器的定义：换热器的定义：将某种流体的热量以一定的传热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。方式传递给他种流体的设备。2换热器的分类：换热器的分类：按两种流体的相对流动方向分：按两种流体的相对流动方向分：顺流、逆流、顺逆混合流、交叉流顺流、逆流、顺逆混合流、交叉流按用途分按用途分：1.加热器：加热器：2.预热器：预热器：3.过热器：过热器：4.冷却器：冷却器：5.蒸发器：蒸发器：6.冷凝器：冷凝器：7.再沸器：再沸器：用于把流体加热到所需的温度。用于把流体加热到所需的温度。用于流体的预热，以提高整套工艺用于流体的预热，以提高整套工艺装置的效率。装置的效率。用于加热饱和蒸汽，使其达到过热状态。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，使其放出用于冷却凝结性饱和蒸汽，使其放出潜热而凝结液化。潜热而凝结液化。用于加热已被冷凝的液体，使其再受热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。汽化。为蒸馏过程专用设备。1.间壁式换热器（表面式换热器、间壁式换热器（表面式换热器、间接式换热器）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。形式多样，应用广泛。适于冷、热流体不允许混和的场合。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。如各种管壳式、板式结构的换热器。按热量传递方式分：热热流流体体冷冷流流体体t1t2tw1tw2QQ2.混合式换热器混合式换热器(直接接触式直接接触式)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。特点：结构简单，传热效率高。适于冷、热流体允许混合的场合。适于冷、热流体允许混合的场合。如冷却塔、喷射式等。如冷却塔、喷射式等。热流体热流体冷流体冷流体3.蓄热式换热器蓄热式换热器(回流式换热器、回流式换热器、蓄热器蓄热器)借助于热容量较大的固体蓄热体，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。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。当与热当与热流体接触，蓄热体接受热量，温度流体接触，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，达到换冷流体，蓄热体温度下降，达到换热目的。热目的。特点：结构简单，可耐高温，体特点：结构简单，可耐高温，体积庞大，不能完全避免两种流体的积庞大，不能完全避免两种流体的混和。混和。适于高温气体热量的回收或冷却。适于高温气体热量的回收或冷却。如回转式空气预热器。如回转式空气预热器。冷流体冷流体热流体热流体热流体热流体冷流体冷流体 蓄热式换热器示意图蓄热式换热器示意图 1.金属材料换热器金属材料换热器常用的材料有碳钢、合金钢、铜及铜合金、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。系数大，故此类换热器的传热效率高。2.非金属材料换热器非金属材料换热器常用的材料有石墨、玻璃、塑料、陶瓷等。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。传热效率较低。常用于具有腐蚀性的物系。按材料分：1.管式换热器管式换热器通过管子壁面进行传热的换热器。按传热管结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。管式换热器、翅片式换热器等。2.板式换热器板式换热器通过板面进行传热的换热器。按传热板的结构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。形式可分为平板式、螺旋板式、板翅式等。3.特殊形式换热器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。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管壳式换热器的外形内部构造内部构造管壳式换热器端部流程安排管壳式换热器端部流程安排多流程焊接式换热器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设计性计算校核性计算校核性计算设计新换热器，确定其面积。设计新换热器，确定其面积。但同样大小的传热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。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。针对现有换热器，确定流体的进出口温度。了解了解其在非设计工况下的性能变化，判断其是否能满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。足新的工艺要求。热(力)计算是换热器设计的基础以以间壁式间壁式换热器为基础介绍换热器的热（力）计算，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。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：传热方程：Q=kFtm Q=ktdF 2.热热平平衡衡方方程程热容量：W=MC Q=W1 t1=W2 t2(W/)平行流：顺流和逆流顺流和逆流顺流 逆流对对顺、逆流顺、逆流的传热温差分析，作如下假设的传热温差分析，作如下假设：1.冷热流体的质量流量和比热保持定值；冷热流体的质量流量和比热保持定值；2.传热系数是常数；传热系数是常数；3.热交换器没有热损失；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；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。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，即差随换热面的变化，即tx=f(Fx)，然后再沿整，然后再沿整个换热面积进行平均。个换热面积进行平均。1.2平均温差1.2.1流体的温度分布流体的温度分布a：两种流体都有相变：两种流体都有相变 t1 冷凝冷凝t2 沸腾沸腾d：顺流，无相变：顺流，无相变吸热吸热t1放热放热t1t2t2c：一种流体有相变：一种流体有相变t1放热放热t1t2 沸腾沸腾b：一种流体有相变：一种流体有相变吸热吸热t2t2 t1 冷凝冷凝g：一种流体有相变：一种流体有相变沸腾沸腾t1放热放热t2t1t2过热过热吸热吸热e：逆流，无相变：逆流，无相变吸热吸热t1放热放热t2t1t2f：一种流体有相变：一种流体有相变过冷过冷过热蒸汽冷却过热蒸汽冷却吸热吸热t1冷凝冷凝t2t1t2h：可凝蒸气和非凝结性：可凝蒸气和非凝结性气体混合物的冷凝气体混合物的冷凝吸热吸热t1部分冷凝部分冷凝t2t1t21.2.2顺流、逆流下的平均温差顺流、逆流下的平均温差以以顺流顺流为例：已知冷热流体的进出口温度，为例：已知冷热流体的进出口温度，针对微元换热面针对微元换热面dF一段的传热，温差为：一段的传热，温差为：t=t1 t2 dt=dt1 dt2通过微元面通过微元面dF，两流体的换热量为，两流体的换热量为:dQ=ktdF分别对热流体与冷流体分别对热流体与冷流体:热流体：热流体：冷流体：冷流体：对对逆流逆流：t=t1 t2 dt=dt1 dt2dQ=ktdF热流体：热流体：冷流体：冷流体：+：顺流 -：逆流+：顺流 -：逆流当当Fx=F 时，时，tx=t顺流与逆流的区别：顺流与逆流的区别：顺流：顺流：逆流：逆流：将对数平均温差将对数平均温差写成统一形式写成统一形式(顺顺/逆流都适用逆流都适用)当当时，两者的差别小于时，两者的差别小于4；当当时，两者的差别小于时，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平均温差另一种更为简单的形式是算术平均温差，即：算术平均温差，即：(a)两种流体不混合两种流体不混合(b)一种流体混合，另一种不混合一种流体混合，另一种不混合图图1.4错流热交换器错流热交换器实际换热器一般处于顺流和逆流之间，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。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。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。修正，以获得其它流动方式的平均温差。tm=tlm,c系数系数 称为称为温差修正系数温差修正系数，它表明流动方，它表明流动方式接近逆流的程度。式接近逆流的程度。tlm,c是给定冷、热流体的进出口温度布置是给定冷、热流体的进出口温度布置成逆流时的成逆流时的平均温差平均温差。关于：（1）定义无量纲参数定义无量纲参数P和和R（2）P的物理意义：冷流体的实际温升与理论所的物理意义：冷流体的实际温升与理论所能达到的最大温升之比（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。的物理意义：两种流体的热容量之比。=f(P、R)P=P RR=1/R温度效率(1.22)1)热流体在管外为一个流程，热流体在管外为一个流程，冷流体在管内先逆后顺两个冷流体在管内先逆后顺两个流程流程型热交换器型热交换器先顺后逆先顺后逆型适用；型适用；并且并且型也可近似使用型也可近似使用型热交换器型热交换器的计算的计算热平衡：热平衡：W1(t1t1)=W2(t2t2)(a)x=x到到x=L段的热平衡：段的热平衡：W1(t1t1)=W2(t2bt2a)(b)微元段微元段dx内，设热流体放热量内，设热流体放热量dQ1，冷流体第一，冷流体第一流程吸热量流程吸热量dQ2，第二流程吸热量，第二流程吸热量dQ2，则：，则：dQ1=W1dt1；dQ2=W2dt2；dQ2=W2dt2b故：故：W1dt1=W2(dt2adt2b)(c)若若整整以以S表示每一流程中单位长度上的表示每一流程中单位长度上的传热面积，则：传热面积，则：W2dt2a=KS(t1t2a)dx(d)W2dt2b=KS(t1t2b)dx(e)将式将式(d)、(e)代入式代入式(c)得得:(f)将此式对将此式对x微分，则微分，则:(g)将式将式(d)、(e)代入式代入式(g)：(h)将式将式(b)代入式代入式(h)并整理：并整理：(i)此为壳侧流体温度沿流动方向的微分方程。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：为求解此式，引入新变量：Z=t1t1(j)t1为热流体起始温度，看作常量，为热流体起始温度，看作常量，(i)式变成：式变成：(k)此为二阶齐次线性常微分方程，设其解为：此为二阶齐次线性常微分方程，设其解为：Z=emx(l)代入式代入式(k)中，则为中，则为(m)解此一元二次方程，可得到解此一元二次方程，可得到m的两个解：的两个解：(1.17)式中：式中：因此，由式因此，由式(l)可得式可得式(k)的通解：的通解：(n)待定常数待定常数Ma、Mb可由边界条件确定可由边界条件确定 x=0时时t1=t1或或Z=t1t1 x=L时时t1=t1或或Z=0将其代入式将其代入式(n)中，可求出待定常数：中，可求出待定常数：(p)将式将式(p)代入代入(n)，则：，则：(q)式式(q)表示了壳侧流体温度沿距离表示了壳侧流体温度沿距离x的变化规律。的变化规律。若对式若对式(n)x求导，可得壳侧流体温度的变化率：求导，可得壳侧流体温度的变化率：(r)将式将式(f)代入式代入式(r)，考虑到边界条件：，考虑到边界条件：x=0时，时，t1=t1，t2a=t2，t2b=t2则：则：(s)将将式式(1.17)、(p)确确定定的的ma、mb及及Ma、Mb代代入入式式(s)：(t)整理得整理得:(1.18)同除以同除以exp(mbL)，得到：，得到：(u)根据式根据式(1.17)，有：，有：(v)对热交换器，结合传热方程和热平衡方程：对热交换器，结合传热方程和热平衡方程：2KSLtm=W1(t1t1)其中其中2SL=F为传热面积，所以：为传热面积，所以：(w)由式由式(u)、(v)，得：，得：(x)将式将式(x)代入式代入式(w)，并考虑到，并考虑到:(y)整理，得到平均温差的公式：整理，得到平均温差的公式：(1.19)由辅助函数由辅助函数P、R，将上式，将上式(1.19)改写成：改写成：(1.20)使式使式(1.20)与与(1.21)相等，整理得：相等，整理得：(1.22)可见，该流动方式的平均温差可直接用式可见，该流动方式的平均温差可直接用式(1.19)、(1.20)计算，或用式计算，或用式(1.13)计算，其中的计算，其中的值则用值则用式式(1.22)算出。算出。对先顺流后逆流对先顺流后逆流，式，式(1.22)也是适用的。也是适用的。由由 式式(1.13)及及(1.16)，有：有：(1.21)2)两种流体中只有一种流体有两种流体中只有一种流体有横向混合的错流式热交换器横向混合的错流式热交换器(1.24)图图1.8型热交换器的型热交换器的值值图图1.9一个流程顺流，两个流程逆流的热交换器的一个流程顺流，两个流程逆流的热交换器的值值图图1.10一个流程逆流，两个流程顺流的热交换器的一个流程逆流，两个流程顺流的热交换器的值值图图1.1124型热交换器的型热交换器的值值图图1.12串联混合流型热交换器的串联混合流型热交换器的值值图图1.13只有一种流体有横向混合的一次错流热交换器的只有一种流体有横向混合的一次错流热交换器的值值图图1.14两种流体均无横向混合的一次错流热交换器的两种流体均无横向混合的一次错流热交换器的值值1.2.4流体比热或传热系数变化时的平均温差流体比热或传热系数变化时的平均温差图图1.15Qt 图图Q=M C dt各段传热面：各段传热面：Fi=qi /Ki ti，所以总传热面：，所以总传热面：(a)又：又：(b)使式使式(a)和和(b)相等，并假定各段的传热系数相同，相等，并假定各段的传热系数相同，可得总的平均温差，即积分平均温差可得总的平均温差，即积分平均温差(tm)int：(tm)int=(1.27)例例1.1有一蒸汽加热空气的热交换器，它将质量流量为有一蒸汽加热空气的热交换器，它将质量流量为21600kg/h的的空气从空气从10加热到加热到50。空气与蒸汽逆流，其比热为。空气与蒸汽逆流，其比热为1.02kJ/(kg)，加热，加热蒸汽系压力蒸汽系压力P=0.2MPa，温度为，温度为140的蒸汽，在热交换器中被冷却为该压的蒸汽，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。力下的饱和水。试求其平均温差。解解由水蒸气的热力性质表查的蒸汽有关状态参数为：由水蒸气的热力性质表查的蒸汽有关状态参数为：饱和温度饱和温度ts=120.23；饱和蒸汽焓；饱和蒸汽焓i=2707kJ/kg 过热蒸汽焓过热蒸汽焓i=2749kJ/kg；汽化潜热；汽化潜热r=2202kJ/kg于是可算出整个热交换器的传热量：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从热平衡关系求蒸汽耗量M1：热交换器中存在冷却和冷凝段，分为两段计算，如图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。所示。过热蒸汽的冷却段放出的热量：过热蒸汽的冷却段放出的热量：冷凝段，则为：冷凝段，则为：求两分段分界处的空气温度求两分段分界处的空气温度ta：t1tst2t2冷冷却却段段冷凝段冷凝段Fta图图1.16冷却段之平均温差：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，其误差也很小凝段的参数来计算，其误差也很小。冷凝段之平均温差：冷凝段之平均温差：总平均温差：总平均温差：作业：作业：按图中所给定参数，其中制冷剂流量按图中所给定参数，其中制冷剂流量1kg/s，分，分段计算冷凝器的对数平均温差和总的对数平均温差。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的定义传热有效度基于如下思想：当换热器无限长，传热有效度基于如下思想：当换热器无限长，对对逆流换热器逆流换热器，则会发生如下情况：，则会发生如下情况：a.当当W1W2时，时，t1=t2则：则：Qmax=W1(t1t2)b.当当W2W1时，时，t2=t1则：则：Qmax=W2(t1t2)于是有：于是有：Qmax=Wmin(t1t2)1.3传热有效度“传热学”中的效能效能传热单元数方法传热单元数方法但实际传热量但实际传热量Q 总是小于可能的最大传热量总是小于可能的最大传热量Qmax，将将Q/Qmax定义为传热有效度，并用定义为传热有效度，并用 表示，即：表示，即：换热器效能换热器效能 定义：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。换热器的实际传热量与理论上最大可能的传热量之比。如已知如已知 ，则实际传热量为：，则实际传热量为：Q=Wmin(t1t2)W1W2W2W1式式，相加：相加：1.3.2顺流和逆流时的传热有效度顺流和逆流时的传热有效度根据热平衡：根据热平衡：即：即：假设：假设：W1W2顺流顺流代入代入两个公式合并，得：两个公式合并，得：当当W2W1时，时，同样的推导过程可得：同样的推导过程可得：定义传热单元数定义传热单元数NTU(NumberofTransferUnit)则顺流时：则顺流时：同理可推同理可推导逆流：导逆流：逆流：逆流：顺流：顺流：当冷热流体之一发生相变，或相当于当冷热流体之一发生相变，或相当于Wmax，即即Rc=Wmin/Wmax0，效能公式可简化为：，效能公式可简化为：=1exp(-NTU)当两种流体的热容相等，当两种流体的热容相等，即：即：Rc=Wmin/Wmax=1 公式可以简化为：公式可以简化为：顺流：顺流：逆流：逆流：罗必塔法则罗必塔法则图图1.18顺流热交换器的顺流热交换器的 图图1.19逆流热交换器的逆流热交换器的 效能效能-传热单元数关系传热单元数关系 NTU：效能效能 一般均随一般均随NTU的增大而增大，的增大而增大，但有的达到一定但有的达到一定NTU后趋于饱和。后趋于饱和。过分增大换热器面积没有意义。过分增大换热器面积没有意义。效能效能 随随R的减小而增加。的减小而增加。R为零时，所有的曲线相同。为零时，所有的曲线相同。逆流换热优于顺流。逆流换热优于顺流。设计计算设计计算:根据能量守恒关系求出未知出口温度；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；系数和总传热系数；求换热器效能求换热器效能 及及R；求出求出NTU，进而得到换热面积；，进而得到换热面积；若与初选面积不同，修改布局重新计算。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校核计算:根据已知传热面积、总传热系数和较小根据已知传热面积、总传热系数和较小侧热容侧热容W 可直接求出可直接求出NTU值；值；由由R和和NTU 值，选取相应的公式或曲线值，选取相应的公式或曲线求得换热器效能求得换热器效能；由由 求出小求出小W 流体的出口温度，再流体的出口温度，再由能量守恒得到另一出口温度。由能量守恒得到另一出口温度。【例1.3】温度为温度为99的热水进入一个逆流交换器，将的热水进入一个逆流交换器，将4的冷水加的冷水加热到热到32。热水流量为。热水流量为9360kg/h，冷水流量为，冷水流量为4680kg/h，传热系数，传热系数为为830W/(m2)，试计算该热交换器的传热面积和传热有效度。，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：解：按题意可将温度工况示意如下：t1=99热水热水t1=?t2=32冷水冷水t2=4热水热容量热水热容量W1=9360/36004186=10883.6W/冷水热容量冷水热容量W2=4680/36004186=5441.8W/因而因而W1=Wmax，W2=Wmin热平衡关系热平衡关系10883.6(99t1)=5441.8(324)故：故：t1=85而而Rc=W2/W1=5441.8/10883.6=0.5,所需传热面积仍为：所需传热面积仍为：F=5441.828/83073.8=2.49m2若用热流体的温度效率计算若用热流体的温度效率计算、Rc、NTU三值时，可得：三值时，可得：1=0.147，Rc1=2，NTU1=0.19，而，而F仍为仍为2.49m2。例在一传热面积为在一传热面积为15.8m2的逆流套管换热器中，用油加热冷水。油的逆流套管换热器中，用油加热冷水。油的流量为的流量为2.85kg/s，进口温度为，进口温度为110；水的流量为；水的流量为0.667kg/s，进口温，进口温度为度为35。油和水的平均比热分别为。油和水的平均比热分别为1.9kJ/(kg)及及4.187kJ/(kg)。换热器的总传热系数为换热器的总传热系数为320W/(m2)。求水的出口温度。求水的出口温度。解：解：W1=M1C1=2.851900=5415W/W2=M2C2=0.6674180=2788W/故冷流体水为最小值流体，则：故冷流体水为最小值流体，则：Rc=Wmin/Wmax=2788/5415=0.515NTU=KF/Wmin=32015.8/2788=1.8型热交换器型热交换器该型热交换器的传热有效度可直接按式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：作进一步分析：S为每一流程单位长度上的传热面积，故：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：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其他流动方式时的传热有效度(a)(b)将其代入式将其代入式(1.18)，得：，得：令令，则式，则式(a)之左等于：之左等于：(c)(1.42)式式(a)之右，由于：之右，由于：故：故：式式(a)简化：简化：得到：得到：12n型型图图1.20型热交换器的型热交换器的图图1.22型热交换器的型热交换器的24n(a)两种流体都不混合两种流体都不混合(b)一种流体混合，另一种流体不混合一种流体混合，另一种流体不混合图图1.4错流热交换器错流热交换器图图1.24二次错流二次错流图图1.25三次错流三次错流无混合的错流=1expRc(NTU)0.2exp-Rc(NTU)0.781(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)图图1.23两种流体都不混合的错流热交换器两种流体都不混合的错流热交换器 图图1.21两种流体中仅有一种混合的错流热交换器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，有一管式空气换热器，烟气流过管内，在管程间有横向混合，如图如图1.26所示，已知其传热面积所示，已知其传热面积F=1353m2，传热系数，传热系数K=14W/(m2)，烟气热容量，烟气热容量W1=14460W/，进口温度，进口温度t1=465，空气热容量，空气热容量W2=10540W/，进口温度，进口温度t2=135，求烟气及空气的出口温度。，求烟气及空气的出口温度。解：传热单元数：解：传热单元数：NTU=KF/Wmin=141353/10540=1.8热容量比：热容量比：Rc=Wmin/Wmax=10540/14460=0.729分传热单元数分传热单元数(NTU)=1/2NTU=1/21.8=0.9查与本题相应的一次错流的线图查与本题相应的一次错流的线图1.21，得，得1=0.485于是可利用式（于是可利用式（1.46）计算总的传热有效度：）计算总的传热有效度：空气出口温度：空气出口温度：t2=t2+(t1t2)=135+0.68(465135)=359.4由热平衡可求出烟气出口温度：由热平衡可求出烟气出口温度：t1=t1Rc(t2t2)=4650.729(359.4135)=301.4t1t2t2t1图图1.26例例1.4附图附图1.4热交换器热计算方法的比较热交换器热计算方法的比较传热方程：传热方程：Q=KFtm=KF f(t1，t1，t2，t2)热平衡方程：热平衡方程：Q=W1(t1t1)=W2(t2t2)共七个基本量：共七个基本量：(KF)，W1，W2，t1，t1，t2，t2必须事先给出五个才能进行计算。采用平均温差法或传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。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，通过上没有多大差别。但平均温差法，通过大小可判断流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。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，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。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；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。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，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。以减小传热面积。2)使流体本身的温度变化使流体本身的温度变化(t1 或或t2)尽可能大，尽可能大，使流体的热量得到合理利用，并可节省泵或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。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。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，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。起到减小传热面积的作用。1.5.1顺流和逆流(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tm最大，顺流则最小；其它介于顺、逆流之间。(2)逆流时，冷流体t2则可能大于热流体t1；顺流时t2W2)(orW1t1图图1.28型与型与型热交换器中的温度分布型热交换器中的温度分布项目项目第一种情况第一种情况第二种情况第二种情况第三种情况第三种情况流体温度流体温度()t1=340t1=240t1=300t1=200t1=270 t1=170t2=90t2=190t2=100t2=200t2=90t2=190t1=100t2=100t1=100t2=100t1=100t2=100趋近温度趋近温度(t1-t2)()500温度交叉温度交叉20P0.40.50.56R1110.920.80.64表表1.2不同情况下的不同情况下的 值值型型=0.928增加管程和壳程t1t1t2t22管壳式热交换器2.1.1类型和标准类型和标准国家质量技术监督局发布：国家质量技术监督局发布：管壳式换热器标准管壳式换热器标准GB1511999（1999-02-26发布发布2000-01-01实施）实施）2.1管壳式热交换器的类型、标准与结构固定管板式：固定管板式：将管子两端固定在位于壳体两端的固定管板上，将管子两端固定在位于壳体两端的固定管板上，管板与壳体固定在一起。管板与壳体固定在一起。优点：结构简单，制造成本低，规格范围广，工程中应用广泛。优点：结构简单，制造成本低，规格范围广，工程中应用广泛。缺点：壳侧不便清洗，只能采用化学方法清洗，检修困难，对较脏缺点：壳侧不便清洗，只能采用化学方法清洗，检修困难，对较脏 或有腐蚀性介质不能走壳程。当壳体与换热管温差很大时，或有腐蚀性介质不能走壳程。当壳体与换热管温差很大时，可设置单波或多波膨胀节减小温差应力。可设置单波或多波膨胀节减小温差应力。管壳式换热器结构名称管壳式换热器结构名称单程管壳式换热器单程管壳式换热器1外壳，外壳，2管束，管束，3、4接管，接管，5封头封头6管板，管板，7折流板折流板管子两端固定在管板上，管束与管板再封装管子两端固定在管板上，管束与管板再封装在外壳内。两种流体分在外壳内。两种流体分管程管程和和壳程。壳程。U U形管式：形管式：将换热管弯成将换热管弯成U形，管子两端固定在同一块形，管子两端固定在同一块 管板上，弯曲端不加固定。管板上，弯曲端不加固定。换热管可以自由伸缩，所以壳体与换热管无温差应力。换热管可以自由伸缩，所以壳体与换热管无温差应力。只有一块管板，结构较简单，管束可从壳体内抽出，壳侧只有一块管板，结构较简单，管束可从壳体内抽出，壳侧便于清洗，但管内清洗困难，管内介质必须清洁且不易结垢。便于清洗，但管内清洗困难，管内介质必须清洁且不易结垢。壳程可设置纵向隔板，将壳程分为两程。壳程可设置纵向隔板，将壳程分为两程。浮头式：浮头式：一端管板与壳体固定，另一端管板可以在壳体内自由浮动。一端管板与壳体固定，另一端管板可以在壳体内自由浮动。优点：优点：1.壳体和管束热变形自由，不产生热应力。壳体和管束热变形自由，不产生热应力。2.管束可从壳体中抽出，便于壳程的检修和清洗。管束可从壳体中抽出，便于壳程的检修和清洗。缺点：缺点：1.浮头盖与管板法兰连接有相当大的面积，使壳体直径增大。浮头盖与管板法兰连接有相当大的面积，使壳体直径增大。2.浮头与壳体之间形成阻力较小的环形通道，部分流体将经浮头与壳体之间形成阻力较小的环形通道，部分流体将经此处旁通而不参加换热。此处旁通而不参加换热。适用：适用：管壳间温差大，壳程介质腐蚀性强、易结垢的情况。管壳间温差大，壳程介质腐蚀性强、易结垢的情况。填料函式：填料函式：一端管板固定，另一端管板在填料函中滑动。一端管板固定，另一端管板在填料函中滑动。将浮头露在壳体外面的浮头式换热器，将浮头露在壳体外面的浮头式换热器，又称外浮头式换热器。又称外浮头式换热器。填料密封处容易泄露，不宜用于易挥发、易燃、易爆、填料密封处容易泄露，不宜用于易挥发、易燃、易爆、有毒和高压的流体有毒和高压的流体。且制造复杂，安置不便。且制造复杂，安置不便。主要部件的分类及代号主要部件的分类及代号(a)等边三角形法；等边三角形法；(b)同心圆法；同心圆法；(c)正方形法正方形法图2.8管子在管板上的排列2.1.2管子在管板上的固定与排列管子在管板上的固定与排列换热管外径换热管外径10 12 14 16 19 20 22 25 30 32 35 38 45 50 55 57换热管中心距换热管中心距s131416 19 22 25 26 28 32 38 40 44 48 57 64 70 72分程隔板槽两分程隔板槽两侧相邻管中心侧相邻管中心距距lE28 30 32 35 38 40 42 44 50 52 56 60 68 76 78 80表表2.2换热管中心距换热管中心距mm浮头式：DL=Di 2(b1+b2+b)固定管板式、U型管式：DL=Di2b3b3=0.25d；且10mm布管限定圆管板与壳体的连接2.1.3管板管板换热管外径换热管外径d02525d05050管板最小管板最小厚度厚度min用于易燃易爆用于易燃易爆有毒介质等场有毒介质等场合合d0其他场合其他场合0.75d00.70d00.65d0表2.3管板最小厚度mm程程数数24(平行平行)4(丁字形丁字形)6分分程程图图流口流口体端体端进隔进隔出板出板另一另一隔端隔端板板分程隔板分程隔板2.1.5纵向隔板、折流板和支持板纵向隔板、折流板和支持板为提高流体流速和湍流程度，强化壳程流体为提高流体流速和湍流程度，强化壳程流体传热，在壳程常装设纵向隔板或折流板。传热，在壳程常装设纵向隔板或折流板。折流板除使流体横过管束流动外，还有支撑折流板除使流体横过管束流动外，还有支撑管束、防止管束振动和弯曲的作用。管束、防止管束振动和弯曲的作用。折流板常用形式有：弓形、盘环形折流板常用形式有：弓形、盘环形(或称圆或称圆盘圆环形盘圆环形)。弓形折流板有。弓形折流板有单弓形、双弓形和三弓形三种。单弓形、双弓形和三弓形三种。弓形弓形圆盘形圆盘形管板管板折流板折流板管板管板圆盘形折流板圆盘形折流板(b)缺口左右交替排列缺口左右交替排列图图2.18弓形折流板的排列弓形折流板的排列图图2.20缺口高度及板间距对流动的影响缺口高度及板间距对流动的影响(a)缺口高度过小，板间距过大缺口高度过小，板间距过大(c)缺口高度过大，板间距过小缺口高度过大，板间距过小(b)正常，缺口高度应使流体通过缺口正常，缺口高度应使流体通过缺口时与横过管束时的流速相近。时与横过管束时的流速相近。(b)正常正常(a)缺口上下交替排列缺口上下交替排列(a)(c)缺口弦高一般为壳体内径的缺口弦高一般为壳体内径的20%45%折流板间距折流板间距壳体内径的壳体内径的1/5(最小最小50mm)换热管外径换热管外径10121416192532384557碳素钢和高合金钢碳素钢和高合金钢,400;低合金钢低合金钢450;镍铜合金镍铜合金300;镍镍450;镍铬铁合金镍铬铁合金54090010001100 1300 150018502200250027503150在标准允许的温度在标准允许的温度范围内范围内:铝和铝合铝和铝合金金,铜和铜合金铜和铜合金,钛和钛合金钛和钛合金,锆和锆和锆合金锆合金7508509501100 130016001900220024002750表表2.4最大无支撑跨距最大无支撑跨距单位：单位：mm图图2.21折流板的安装和固定折流板的安装和固定2.1.6挡管和旁路挡板挡管和旁路挡板浮头式热交换器中，由于安装浮头法兰需要，圆筒内有一浮头式热交换器中，由于安装浮头法兰需要，圆筒内有一圈较大没有排列管子的间隙，使部分流体由此间隙短路，使圈较大没有排列管子的间隙，使部分流体由此间隙短路，使主流速度及换热系数下降。而旁路流体未经换热就达出口，主流速度及换热系数下降。而旁路流体未经换热就达出口，与主流混合必使流体出口温度达不到预期数值。挡管和旁路与主流混合必使流体出口温度达不到预期数值。挡管和旁路挡板就是为了防止流体短路而设立的构件。挡板就是为了防止流体短路而设立的构件。挡管是两端堵死的管子，安置在相应于分程隔板槽后面的挡管是两端堵死的管子，安置在相应于分程隔板槽后面的位置上，每根挡管占据一根换热管的位置，但不穿过管板，位置上，每根挡管占据一根换热管的位置，但不穿过管板，用点焊的方法固定于折流板上。通常每隔用点焊的方法固定于折流板上。通常每隔34排管子安排一排管子安排一根挡管，但不应设置在折流板缺口处，也可用带定距管的拉根挡管，但不应设置在折流板缺口处，也可用带定距管的拉杆来代替挡管。杆来代替挡管。旁路挡板可减小管束外环间隙的短路，用它增加阻力，迫旁路挡板可减小管束外环间隙的短路，用它增加阻力，迫使大部分流体通过管束进行热交换。其厚度一般与折流板厚使大部分流体通过管束进行热交换。其厚度一般与折流板厚度相同，将它嵌入折流板槽内，并点焊在每块折流板上。度相同，将它嵌入折流板槽内，并点焊在每块折流板上。图图2.22旁路挡板旁路挡板图图2.23旁路挡板和挡管旁路挡板和挡管2.1.7防冲板和导流筒防冲板和导流筒当管程采用轴向入口或换热管内流速超过当管程采用轴向入口或换热管内流速超过3m/s，应设置，应设置防冲板，以减少流体分布不均和对换热管端的冲蚀。防冲板，以减少流体分布不均和对换热管端的冲蚀。防冲板结构尺寸防冲板结构尺寸v防冲板外表面到壳体内壁的距离不小于接管内径的防冲板外表面到壳体内壁的距离不小于接管内径的1/4，其通道流通面积须