1、組員：周宇杰 聶家達(dá) 汪佳安,傳熱過程的計(jì)算及換熱設(shè)備,傳熱過程的數(shù)學(xué)描述,在連續(xù)化的工業(yè)生產(chǎn)中，換熱器內(nèi)進(jìn)行的大都是定態(tài)傳熱過程。采用歐拉考察方法，可使傳熱過程的計(jì)算大為簡化。,1、熱量衡算微分方程式 如圖為一定態(tài)逆流操作的套管式換熱器，熱流體走管內(nèi)，流量為qm1，冷流體走環(huán)隙，流量為qm2 。冷、熱流體的主體溫度分別以t和T表示。在與流動垂直方向上取一微元管段dL，其傳熱面積為dA。若所取微元處的局部熱流密度為q，則熱流體通過dA傳給冷流體的熱流量為 dQ=qdA 以微元體內(nèi)內(nèi)管空間為控制體作熱量衡算，并假定 （1）熱流體流量qm1和比熱容CP1沿傳熱面不變， （2）熱流體無相變化， （3

2、）換熱器無熱損失， 控制體兩端面的熱傳導(dǎo)可以忽略（因軸向溫度梯度很小，此假定基本符合實(shí)際），可以得到,一、傳熱過程的計(jì)算,qm1CP1dT=q1dA1=dQ （熱流體在微元體內(nèi)放出的熱量） 同樣，對冷流體作類似假定，并以微元體內(nèi)環(huán)隙空間為控制體作熱量衡算，可得到 qm2CP2dt=q2dA2=dQ （冷流體在微元體內(nèi)吸收的熱量）,2、傳熱速率方程式 熱流密度q是反映具體傳熱過程速率大小的特征量。從理論上講，根據(jù)前面導(dǎo)熱或?qū)α鹘o熱規(guī)律，熱流密度q已可以計(jì)算。但是，這種做法必須引入壁面溫度；而在實(shí)際計(jì)算時，壁溫往往是未知的。為實(shí)用方便，希望能夠避開壁溫，直接根據(jù)冷、熱流體的溫度進(jìn)行傳熱速率的計(jì)算。

3、,如圖所示的套管換熱器中，熱量序貫地由熱流體傳給管壁內(nèi)側(cè)、再由管壁內(nèi)側(cè)傳至外側(cè)，最后由管壁外側(cè)傳給冷流體（參見P201 圖6-35）。在定態(tài)條件下，并忽略管壁內(nèi)外表面積的差異，則各環(huán)節(jié)的熱流量相等，即,tw、Tw-分別為冷、熱流體側(cè)的壁溫，K； 1、2-分別為冷、熱流體側(cè)的給熱系數(shù)，W/(m2K) -管壁材料的熱導(dǎo)率，W/(mK)； -管壁厚度，m 由上式可以得到 式中， 分別為各傳熱環(huán)節(jié)的熱阻。,上式也可寫為 Q=KA(T-t) 式中： 稱為(總)傳熱系數(shù)。 比較式q=(tw-t)和q=K(T-t)式兩式可知，給熱系數(shù)同流體與壁面的溫差相聯(lián)系，而傳熱系數(shù)K則同冷、熱流體的溫差相聯(lián)系。 因此，

4、根據(jù)式 由壁面兩側(cè)的給熱系數(shù)求出傳熱系數(shù)K，可以避開未知的壁溫計(jì)算熱流密度q。,由式 可知，傳熱過程的總熱阻1/K系由各串聯(lián)環(huán)節(jié)的熱阻疊加而成。 原則上減小任何環(huán)節(jié)的熱阻都可提高傳熱系數(shù)，增大傳熱過程的速率。 但是，當(dāng)各環(huán)節(jié)單位傳熱面熱阻1/1、/、1/2具有不同數(shù)量級時，總熱阻1/K的數(shù)值將主要由其中最大熱阻所決定。 對于金屬換熱器，器壁熱阻/一般很小，可以忽略，故當(dāng)12時，必定K2；而當(dāng)21時，則K1。 由此可見，在串聯(lián)過程中可能存在某個控制步驟，在考慮傳熱過程強(qiáng)化時，必須著力減少控制步驟的熱阻，才更易以達(dá)到強(qiáng)化傳熱的目的。,傳熱系數(shù)和熱阻,實(shí)際計(jì)算換熱管熱流量，可依據(jù)管壁內(nèi)表面積或外表面

5、積寫出兩個方程 內(nèi)表面： Ql=KlA1 (T-t) 外表面： Q2=K2A2 (T-t) 式中，K1、K2分別為以內(nèi)、外表面積為基準(zhǔn)的傳熱系數(shù)，明顯兩者是不相等的。 但有 K1A1=K2A2 若圓管的內(nèi)、外直徑分別用d1、d2表示，結(jié)合式子： 可導(dǎo)出： 式中，dm為d2與d1的對數(shù)均值，在d2/d12時可用算術(shù)均值代替，在傳熱計(jì)算中，用內(nèi)表面或外表面作為傳熱面積計(jì)算結(jié)果相同。,工程上習(xí)慣以外表面作為計(jì)算的傳熱面積，因此下述傳熱系數(shù)K都是基于管外表面。當(dāng)管壁不太厚，則傳熱系數(shù)仍可按式 ： 計(jì)算。,污垢熱阻,當(dāng)換熱器傳熱面存在污垢時，因污垢熱阻較大，在傳熱計(jì)算時，應(yīng)加上污垢熱阻。 又因?yàn)槲酃笇雍?/p>

6、度及其熱導(dǎo)率難以測量，污垢熱阻一般取經(jīng)驗(yàn)值。(課本表6-5有常見流體的污垢熱阻表)。假如管壁兩側(cè)的污垢熱阻分別為R2和R1，則傳熱系數(shù)變?yōu)?,壁溫計(jì)算,由式: 可以看出，在傳熱過程中熱阻大的環(huán)節(jié)其溫差也必然大,而上式包括三個方程，可以解出熱流密度q及兩側(cè)壁溫Tw和tw。 金屬壁的熱阻通?？梢院雎裕碩wtw，于是 此式表明，傳熱面兩側(cè)溫差之比等于兩側(cè)熱阻之比，壁溫Tw接近于熱阻較小或給熱系數(shù)較大一側(cè)的流體溫度。,傳熱過程基本方程式 傳熱過程的積分表達(dá)式,在換熱器內(nèi)，隨傳熱過程的進(jìn)行，冷流體溫度逐漸上升而熱流體溫度逐漸下降，故換熱器各截面上的熱流密度是變化的。 將熱流密度計(jì)算式：q=K(T-t)

7、 代入熱量衡算式：qm1cp1dT=qdA 和式：qm2cp2dt=qdA ，可得 qm1cp1dT=K(T-t)dA 及 qm2cp2dT=K(T-t)dA 假定傳熱系數(shù)K及比熱cp為常數(shù)，均取平均溫度下數(shù)值，將上兩式積分可得,操作線與推動力的變化規(guī)律,為將以上兩式積分，必須找出推動力(T-t)隨流體溫度T或t的變化規(guī)律。而在逆流換熱器內(nèi)，冷、熱流體溫度沿傳熱面的變化如圖所示。,設(shè)冷、熱流體在換熱器內(nèi)無相變化，在冷流體入口端和任意截面間取控制體作熱量衡算可得,若忽略cp1、cp2隨溫度的變化，上式為一直線方程式，如右圖中的直線AB所示。 直線AB兩個端點(diǎn)分別代表換熱器兩端冷、熱流體的溫度，線

8、上的每一點(diǎn)代表換熱器某一截面上冷、熱流體的溫度，故稱之為換熱器的操作線。,傳熱基本方程式,將式 和式 分別代入 各得,再設(shè)換熱器的總熱流量為Q，由整個換熱器作熱量衡算可得 Q=qm1cp1(T1-T2)=qm2cp2(t2-t1) 于是，以上兩式中A均可寫成 即 稱為傳熱過程基本方程式 式中 稱為對數(shù)平均溫差或?qū)?shù)平均推動力。,對數(shù)平均推動力,對數(shù)平均推動力恒小于算術(shù)平均推動力，特別是當(dāng)換熱器兩端推動力相差懸殊時，對數(shù)平均值要比算術(shù)平均值小得多。 當(dāng)換熱器一端兩流體溫差接近于零時，對數(shù)平均推動力將急劇減小。 對數(shù)平均推動力這一特性，對換熱器的操作有著深刻的影響。 例如，當(dāng)換熱器兩端溫差有一個為

9、零時，對數(shù)平均溫差必為零。 這意味著傳遞相應(yīng)的熱流量，需要無限大的傳熱面。 但是，當(dāng)兩端溫差相差不大時，如0.5(T-t)1/(T-t)22時，對數(shù)平均推動力可用算術(shù)平均推動力代替。,在冷、熱流體進(jìn)出口溫度相同的條件下，并流操作兩端推動力相差較大，其對數(shù)平均值必小于逆流操作。 因此，逆流傳熱過程推動力tm，比并流的大。 在原則上，式 只適用于逆流和并流。 但實(shí)際換熱器內(nèi)，純粹的逆流和并流是不多見的。 但對工程計(jì)算來說，如圖所示的流體經(jīng)過管束的流動，只要曲折次數(shù)超過4次，就可作為純逆流和純并流處理。,換熱器設(shè)計(jì)型計(jì)算,（一）、設(shè)計(jì)型計(jì)算的命題方式 設(shè)計(jì)任務(wù)：將流量qm1的熱流體由溫度T1冷卻至溫

10、度T2 設(shè)計(jì)條件：可供使用的冷卻介質(zhì)溫度，即冷流體的進(jìn)口溫度t1。 計(jì)算目的：確定經(jīng)濟(jì)上合理的傳熱面積及換熱器其他有關(guān)尺寸。,設(shè)計(jì)型問題的計(jì)算方法 設(shè)計(jì)計(jì)算步驟： 計(jì)算換熱器熱流量(或稱熱負(fù)荷) Q=qm1cp1(T1-T2) 作出適當(dāng)?shù)倪x擇并計(jì)算平均推動力tm 計(jì)算冷、熱流體與管壁的對流給熱系數(shù)及總傳熱系數(shù)K； 由傳熱基本方程Q=KAtm計(jì)算傳熱面積。,設(shè)計(jì)型計(jì)算中參數(shù)的選擇,由傳熱基本方程式可知，為確定所需的傳熱面積，必須知道平均推動力tm和傳熱系數(shù)K。 一、為計(jì)算對數(shù)平均溫差tm，設(shè)計(jì)者首先必須： 選擇流體的流向，即決定采用逆流、并流還是其他復(fù)雜流動方式； （1）在A相同的條件下，逆流操

11、作時，加熱劑（冷卻劑）用量較并流少。 （2）在加熱劑（冷卻劑）用量相同條件下，逆流操作的換熱器傳熱面積較并流的少。 另外，逆流操作還有冷、熱流體間的溫度差較均勻的優(yōu)點(diǎn)。 所以說，在一般情況下，逆流操作總是優(yōu)于并流，應(yīng)盡量采用。 選擇冷卻介質(zhì)的出口溫度。 冷卻介質(zhì)出口溫度t2越高，其用量越少，回收的能量的價值也越高，同時，輸送流體的動力消耗即操作費(fèi)用也減小。 但是，t2越高，傳熱過程的平均推動力tm越小，傳遞同樣的熱流量所需的加熱面積A也越大，設(shè)備投資費(fèi)用必然增加。,因此，冷卻介質(zhì)的選擇是一個經(jīng)濟(jì)上的權(quán)衡問題。 換熱器的設(shè)備投資費(fèi)與冷卻介質(zhì)操作費(fèi)的總值可用總費(fèi)用C表示： C=CAA+Cwqm2

12、式中，CA、Cw為相應(yīng)的價格系數(shù)。 上式右邊第一項(xiàng)為設(shè)備費(fèi)，右邊第二項(xiàng)為操作費(fèi)，它們與t2的關(guān)系見右圖。 按總費(fèi)用最低的原則可以確定冷卻介質(zhì)的最優(yōu)出口溫度t2obt,二、為求得傳熱系數(shù)K，須計(jì)算兩側(cè)的給熱系數(shù)，故設(shè)計(jì)者必須決定： 冷、熱流體各走管內(nèi)還是管外； 選擇適當(dāng)?shù)牧魉佟?流速的選擇一方面涉及傳熱系數(shù)K即所需傳熱面的大小，另一方面又與流體通過換熱面的阻力損失有關(guān)。 因此，流速選擇也是經(jīng)濟(jì)上權(quán)衡得失的問題。 但管內(nèi)、外都盡量避免層流狀態(tài)。 同時，還必須選定適當(dāng)?shù)奈酃笩嶙琛?換熱器的操作型計(jì)算,判斷一個現(xiàn)有換熱器對指定的生產(chǎn)任務(wù)是否適用，或者預(yù)測某些參數(shù)的變化對換熱器傳熱能力的影響等都屬于操作

13、型問題。,(1)第一類命題 給定條件：換熱器的傳熱面積以及有關(guān)尺寸，冷、熱流體的物理性質(zhì)，冷、熱流體的流量和進(jìn)口溫度以及流體的流動方式。 計(jì)算目的：冷熱流體的出口溫度。 (2)第二類命題 給定條件：換熱器的傳熱面積以及有關(guān)尺寸，冷、熱流體的物理性質(zhì)，熱流體的流量和進(jìn)、出口溫度，冷流體的進(jìn)口溫度以及流動方式。 計(jì)算目的；所需冷流體的流量及出口溫度。,計(jì)算方法 由逆流操作換熱器的熱流量計(jì)算及熱量衡算式可得： 熱量恒算式;Q=qm1cp1(T1-T2)=qm2cp2(t2-t1) 各種操作型問題，可用上兩式聯(lián)立求解，得出下式。,第一類命題的操作型問題可由上式將傳熱基本方程式變換為線性方程，然后采用消

14、元法求出冷、熱流體的溫度。,但第二類操作型問題，則須直接處理非線性的傳熱基本方程式，只能采用試差法逐次逼近。 例如，可先假定冷流體出口溫度t2，由式Q=qm1cp1(T1-T2)=qm2cp2(t2-t1)計(jì)算qm2cp2，就可求出2及K值，再由式： 計(jì)算出t2*（假設(shè)）。如計(jì)算t2* 和設(shè)定值t2相符，則計(jì)算結(jié)果正確，否則，應(yīng)修正設(shè)定值t2，重新計(jì)算。 數(shù)學(xué)上有迭代法，可根據(jù)設(shè)定值t2和計(jì)算值t2*的差異選擇新的設(shè)定值。 如果傳熱系數(shù)可以預(yù)計(jì)且兩端溫差之比小于2，則對數(shù)平均推動力可由算術(shù)平均值代替。此時，傳熱基本方程式成為線性，無論何種類型的操作型問題皆可采用消元法求解，無需試差或迭代。 由

15、上所述，可再次看到，設(shè)計(jì)型計(jì)算必涉及設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇，而操作型計(jì)算往往需要試差或迭代。,傳熱過程的調(diào)節(jié),傳熱過程的調(diào)節(jié)問題本質(zhì)上也是操作型問題的求解過程，下面仍以熱流體的冷卻為例加以說明。 在換熱器中，若熱流體的流量qm1或進(jìn)口溫度T1發(fā)生變化，而要求其出口溫度T2保持原來數(shù)值不變，可通過調(diào)節(jié)冷卻介質(zhì)流量來達(dá)到目的。 冷卻介質(zhì)流量的調(diào)節(jié)，改變了換熱器內(nèi)傳熱過程的速率。傳熱速率的改變，可能來自tm的變化，也可能來自K的變化，而多數(shù)是由兩者共同引起的。,（1）當(dāng)冷熱 K熱 調(diào)節(jié)作用主要靠tm。 （2）當(dāng)冷熱 qm2的調(diào)節(jié)，將使tm 和K皆有較大變化，此時過程調(diào)節(jié)是兩者共同作用的結(jié)果。 注意：如果出口

16、溫度t2 很低， （t2- t1）很小時， 增大冷流體流量qm2，不會使tm 有較大的增加。調(diào)節(jié)只能靠K的增加。 但是如果此時熱流體側(cè)傳熱為控制步驟， K熱 此時qm2的調(diào)節(jié)無調(diào)節(jié)作用。即：沒法通過qm2的調(diào)節(jié)來保持T2 不變,二、換熱器,換熱器（heat exchanger），是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設(shè)備，又稱熱交換器。換熱器在化工、石油、動力、食品及其它許多工業(yè)生產(chǎn)中占有重要地位，其在化工生產(chǎn)中換熱器可作為加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器和再沸器等，應(yīng)用廣泛。,間壁式換熱器的類型,間壁式換熱器的特點(diǎn)是冷，熱兩流體被一層固體壁面（管或板）隔開，不相混合，通過間壁進(jìn)行熱交換。夾套式、沉

17、浸式蛇管式、噴淋式、套管式、管殼式等換熱器都屬于間壁式換熱器。 （1）夾套式換熱器 夾套式換熱器是間壁式換熱器的一種，在容器外壁安裝夾套制成，結(jié)構(gòu)簡單；但其加熱面受容器壁面限制，傳熱系數(shù)也不高。為提高傳熱系數(shù)且使釜內(nèi)液體受熱均勻，可在釜內(nèi)安裝攪拌器。,(2)沉浸式蛇管式換熱器 蛇管式換熱器由彎曲成蛇形的管子組成。它結(jié)構(gòu)簡單，制造、安裝、清洗和維修方便，價格低廉，又特別適用于高壓流體的冷卻、冷凝，所以現(xiàn)代仍得到廣泛應(yīng)用，但由于容器體積比管子的體積大得多,因此管外流體的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)較小。 （3）噴淋式換熱器 噴淋式換熱器這種換熱器是將換熱管成排地固定在鋼架上，熱流體在管內(nèi)流動，冷卻水 從上方噴淋裝

18、置均勻淋下。此種換熱器大多放置在空氣流通之處，冷卻水的蒸發(fā)亦帶走一部分熱量，可起到降低冷卻水溫度，增大傳熱推動力的作用。,（4）套管式換熱器 套管式換熱器是用兩種尺寸不同的標(biāo)準(zhǔn)管連接而成同心圓套管，而兩種不同流體一個走管內(nèi)、一個走環(huán)隙，為純逆向高速流動，可達(dá)到高效換熱目的。缺點(diǎn)就是檢修、清洗和拆卸都較麻煩，在可拆連接處容易造成泄漏。 （5)管殼式換熱器： 管殼式換熱器由殼體、傳熱管束、管板、折流板（擋板）和管箱等部件組成。殼體多為圓筒形，內(nèi)部裝有管束，管束兩端固定在管板上。進(jìn)行換熱的冷熱兩種流體，一種在管內(nèi)流動，稱為管程流體；另一種在管外流動，稱為殼程流體。為提高管外流體的傳熱分系數(shù)，通常在殼

19、體內(nèi)安裝若干擋板。擋板可提高殼程流體速度，迫使流體按規(guī)定路程多次橫向通過管束，增強(qiáng)流體湍流程度(當(dāng)作問題),固定管板式換熱器 固定管板式換熱器管束兩端的管板與殼體聯(lián)成一體，結(jié)構(gòu)簡單,但只適用于冷熱流體溫度差不大,且殼程不需機(jī)械清洗時的換熱操作。 浮頭式換熱器 浮頭式換熱器管束一端的管板可自由浮動，完全消除了熱應(yīng)力;且整個管束可從殼體中抽出,便于機(jī)械清洗和檢修。浮頭式換熱器的應(yīng)用較廣，但結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，造價較高。,（3）U型管式換熱器 U型管式換熱器 每根換熱管皆彎成U形，兩端分別固定在同一管板上下兩區(qū)，借助于管箱內(nèi)的隔板分成進(jìn)出口兩室。此種換熱器完全消除了熱應(yīng)力，結(jié)構(gòu)比浮頭式簡單，但管程不易清洗

20、。,管殼式換熱器的設(shè)計(jì)和選用,管殼式換熱器設(shè)計(jì)和選用時應(yīng)該考慮的問題： 在選用和設(shè)計(jì)管殼式換熱器時必須考慮以下問題。 (1)冷、熱流體流動通道的選擇 在管殼式換熱器內(nèi)，冷、熱流體流動通道可根據(jù)以下原則進(jìn)行選擇。 潔凈和易結(jié)垢的液體宜在管程，因管內(nèi)清洗方便； 腐蝕性流體宜在管程，以免管束和殼體同時受到腐蝕； 壓強(qiáng)高的流體宜在管內(nèi)，以免殼體承受壓力； 飽和蒸汽宜走殼程，因飽和蒸汽比較清凈，給熱系數(shù)與流速無關(guān)而且冷凝液容易排出；,被冷卻的流體宜走殼程，便于散熱； 若兩流體溫差較大，對于剛性結(jié)構(gòu)的換熱器，宜將給熱系數(shù)太的流體通人殼程，以減小熱應(yīng)力； 流量小而黏度大的流體一般以殼程為宜。,(2)流動方式

21、的選擇 除逆流和并流之外，在管殼式換熱器中冷、熱流體還可作各種多管程多殼程的復(fù)雜流動。 當(dāng)流量一定時，管程數(shù)或殼程數(shù)越多，給熱系數(shù)越太，對傳熱過程有利。 但是，采用多管程或多殼程必導(dǎo)致流體阻力損失即輸送流體的動力費(fèi)用增加。因此，在決定抉熱器的程數(shù)時，需權(quán)衡傳熱和流體輸送兩方面的得失,(3)換熱管規(guī)格和排列的選擇 換熱管直徑越小，換熱器單位容積的傳熱面積越大。 因此，對于潔凈的流體管徑可取得小些。 但對于不潔凈或易結(jié)垢的流體，管徑應(yīng)取得大些，以免堵塞。 考慮到制造和維修的方便，加熱管的規(guī)格不宜過多。,(4)折流擋板 安裝折流擋板的目的是為提高管外給熱系數(shù)，為取得良好效果，擋板的形狀和間距必須適當(dāng)。 對圓缺形擋板而言，弓形缺口的大小對殼程流體的流動情況有重要影響。,管殼式換熱器的給熱系數(shù)（非重點(diǎn)略）,換熱器的其他類型,一、各種板式換熱器 板式換熱器是由一系列具有一定波紋形狀的金屬片疊裝而成的一種高效換熱器。各種板片之間形成薄矩形通道，通過板片進(jìn)行熱量交換。板式換熱器是液液、液汽進(jìn)行熱交換的理想設(shè)備。它具有換熱效率高、熱損失小、結(jié)構(gòu)緊湊輕巧、占地面積小、應(yīng)用廣泛、使用壽命長等特點(diǎn)，板面式換熱器的傳熱元件是板面，其傳熱性能優(yōu)于管式換熱器。 常用的結(jié)構(gòu)形式有 （1）螺旋板式換熱器 （2）板式換熱器 （3）板翅式換