换热器的串联与并联.doc

换热器的串联与并联

1. 串联换热器
在一管式换热器中，冷热流体逆流操作，热流体的进出口温度分别为和，冷流体的进、出口温度分别为和。现有另外一台完全相同的换热器，试分别计算两台换热器按以下流程操作时，冷流体的出口温度分别为多少 (两流体的进口温度不变)？
(1) 按附图(a)所示流程操作，即串联组合，且每台换热器均为逆流流动；
(2) 按附图(b)所示流程操作，即串联组合，但A为并流而B为逆流流动；
(3) 按附图(c)所示流程操作，即串联组合，且两换热器皆为并流流动。
(a)
t1
T2
t2
T1
A
B
t
T

T2
t1
T1
A
B
(b)
t1
T2
t1
T1
A
B
(c)

t2

解：分析：关于换热的计算，本质为热量衡算、温差计算和传热系数计算式的综合应用。这三个公式中，又以热量衡算和温差计算涉及了四个温度，而在热量衡算中除了温度之外还有冷、热流体流量之间的关系式，所以，热量衡算和温差计算式是换热器操作计算的重点和关键，而联系热量衡算和温差计算的过渡正是总传热速率方程，也就是总传热系数。
本题是有关换热器调节的，为和原工况下比较，先给出原工况下的热量衡算，温差和总传热速率方程的关系。
根据单台换热器的逆流操作工况可得
平均传热推动力
由热量衡算式得
由传热速率方程
(1) 按附图(a)的流程操作，相当于传热面积增大一倍，即，而和不变。则
热量衡算方程 (1)
传热速率方程式

(2)
联立求解式(1)、(2)得
组合后的平均推动力为

(2) 按附图(b)的流程操作，设冷、热流体在换热器A出口处的温度分别为和，则对换热器A可以写热量衡算式和传热速率方程为
(3)

(4)
联立求解式(3)、(4)可得

换热器A的平均推动力为

设冷、热流体在换热器B出口处的温度为和，则
(5)

(6)
联立求解式(5)、(6)得
换热器的平均推动力

设组合后的平均推动力，则
，

(3) 按附图(c)的流程操作，相当于并联操作，传热面积增大一倍，即，和不变，并热量衡算式和传热速率方程分别为
(7)

(8)
联立求解式(7)、(8)得
组合后的总平均推动力为

从三种流程的计算结果可以看出，在冷，热流体进口温度相同的条件下，流程(a)因两流体呈纯逆流流动，传热推动力即热流量最大；流程(b)因流体呈纯并流丽流动，传热推动力即热流量最小；而流程(c)介于两者之间。

2. 并联换热器
冷、热流体的总流量分别为与，进口温度分别为和以及A、B两换热器与串联换热器的相同。假设在串联组合时，热流体走壳程，给热系数，冷流体走管程，给热系数。试求换热器并联组合，逆流操作，且冷、热流体均匀分配时，冷流体的出口温度为多少？与串联组合逆流操作相比，总热流量有什么变化？

t1

W2

B
A

解：由串联换热器的计算结果可知
A

根据本题例所给的条件，可求出串联组合时的传热系数为

对于并联组合，
热量衡算式 (1)
若壳程中设置多块25％圆缺形挡板，则并联组合时传热系数

由传热速率方程式
其中
所以
(2)
联立求解式(1)和(2)得
在逆流操作时，串联组合与并联组合得总热量比(参见串联传热)为
(倍)
此结果说明，在总流量不变得条件下，并联组合由于传热系数下降，其传热能力远不如串联组合逆流操作好。但是，如果流体总流量很大。为减少动力能可采用并联组合。

应用：
北京理工大学2004，20分，浙江大学1997
水
B
A

溶液
附图
如附图所示，流量为0.5 kg/s、温度为20 ℃的水(其比热)流过串联的两台列管式换热器，以冷却流量为0.8 kg/s、温度为120 ℃的某溶液(其比热)，测得该溶液的出口温度为65 ℃。现因故使进口水温降到6 ℃，问：若保持其它进口条件不变，则溶液的出口温度变为多少?
解：分析：欲求溶液出口的温度变化，需先知道原工况下溶液的出口温度，先求溶液的出口温度；然后根据条件的变化确定新工况下的温度，本题表面看来是换热器的串联，其实还是换热过程中三个公式的应用。
原工况下，由换热器的逆流操作可得
热量衡算，
(1)
传热推动力， (2)
传热速率方程， (3)
新工况下，由换热器的逆流操作可得
传热速率方程，
(4)
热量衡算，
(5)
联立(4)、(5)可得
华南理工大学2005，23分
用一套管式换热器将流量为2000 kg/h的甲苯饱和蒸气(110 ℃)冷凝为饱和液体，甲苯的气化热为363 kJ/kg。冷却水在16 ℃及5000 kg/h的流量进入套管内管(内径50 mm)作强制湍流流动，其传热膜系数为1740 w/(m2·K)。水的比热可取为4.19 kJ/(kg·℃)，假设甲苯侧热阻和管壁热阻远小于水侧热阻。
(1) 求冷却水的出口温度及套管管长；
(2) 由于气候变化，冷却水的进口温度升高到25 ℃，试计算换热器的热负荷变化(以%表示)。忽略物性参数的变化。
(3) 冷却水温度升高后，有人建议将冷却水流率加倍，问此时的热负荷及冷却水出口温度与未升高时相比如何，计算出热负荷增加或减少的百分数。
华东理工大学1998，20分
槽内盛有20吨重油，拟用图示装置在4小时内将其从20 ℃加热至80 ℃，加热介质为120 ℃的饱和水蒸汽，在加热过程中，传热系数的平均值为，加热器的换热面积为12 m2，泵的输送量为，重油的比热容。试求换热器应具有多大的换热面积才能满足要求？(槽内重油因搅拌而温度均一，忽略热损失)。(19.7 m2 )

8
文章来源： 版权所有