1、第三節(jié)換熱器的熱計算,本節(jié)主要介紹換熱器熱計算的任務、原理和方法 換熱器熱計算的任務 換熱器熱計算的原理 換熱器熱計算的方法,換熱器熱計算的任務,設計計算：根據給定的要求，設計一個新的換熱器，以確定換熱器所需要的換熱面積。 校核計算：對已有的或已選定的換熱器，在非設計工況下進行校核，以確定其出口溫度是否能滿足規(guī)定的換熱任務。,換熱器熱計算的原理,傳熱方程 熱平衡方程 上述三個方程中共包含8個變量，所以必須給定其中的5個變量才能進行計算。,換熱器熱計算的方法,平均溫差法 ：所謂平均溫差法，就是直接利用傳熱方程和熱平衡方程進行熱計算的方法。 效能傳熱單元數(shù)法：利用換熱器的效能和傳熱單元數(shù)之間的關系

2、進行換熱器熱計算的方法稱為效能傳熱單元數(shù)法。,平均溫差法作設計計算的步驟,初步布置換熱面，并計算出相應的傳熱系數(shù)k； 根據給定的條件，由熱平衡方程求出進、出口溫度中未知的溫度； 由冷、熱流體的4個進、出口溫度，按照換熱器的布置型式來確定平均溫差，計算時要注意保持修正系數(shù)具有合適的數(shù)值； 由傳熱方程求出所需的傳熱面積A，并核算換熱面兩側流體的流動阻力； 如流動阻力過大，改變方案重新設計。,平均溫差法作校核計算的步驟,先假定一個流體的出口溫度，由熱平衡方程求出另一個流體的出口溫度； 由4個進、出口溫度，根據換熱器的布置型式，求得平均溫差 ； 根據換熱器的結構，算出相應工作條件下的傳熱系數(shù)的數(shù)值；

3、由傳熱方程計算換熱器的傳熱量。因為流體的出口溫度是假設的，因此求出的值未必就是真實的數(shù)值； 由4個進、出口溫度，用熱平衡方程求得傳熱量。同理，這個值也是假設性的；,平均溫差法作校核計算的步驟,6. 比較步驟4和5中求得的兩個換熱量值。一般說來，兩者總是不同的。這說明步驟1中假設的溫度值與實際溫度不符。所以，重新假設一個流體的出口溫度，重復以上步驟1至6，直到由步驟4和5求得的兩個換熱量值彼此接近為止。至于兩者接近到何種程度方稱滿意，則由所要求的計算精度而定。一般認為兩者之差應小于2-5。,平均溫差法的特點,由上面介紹的計算步驟可以看出： 用平均溫差法作設計計算時，可根據已知條件直接計算出平均溫

4、差，進而求得換熱面積； 而用平均溫差法作校核計算時，需要進行試算，因此計算工作量大而且煩。 所以下面介紹其他的計算方法，即效能傳熱單元數(shù)法。,換熱器熱計算的效能傳熱單元數(shù)法,主要介紹效能的定義、計算； 傳熱單元數(shù)的定義； 不同類型的換熱器其效能和傳熱單元數(shù)之間的關系； 應用該方法作換熱器熱計算的步驟。,效能的定義,換熱器效能用 表示，其定義為 式中，分母為流體在換熱器中可能發(fā)生的最大溫差，而分子則為冷流體或熱流體在換熱器中的實際溫差中較大者。 當冷流體的溫度變化較大時， 當熱流體的溫度變化較大時 ，,效能的物理意義和用途,物理意義：由其定義式可見，換熱器的效能實際上表示換熱器中流體的實際換熱量

5、與可能出現(xiàn)的換熱量之比，或者說，換熱器的實際換熱效果與可能出現(xiàn)的換熱效果之比。 當換熱器的效能已知時，可由兩種流體的進口溫度差求換熱器的換熱量。,效能的計算,主要尋找效能與換熱器的換熱面積、傳熱系數(shù)及流體熱容量之間的關系。 以順流布置為例進行推導。 當 時，效能的定義式為 根據熱平衡方程式，有,順流布置時效能的計算式,順流布置時效能的計算式,將上述兩個式子合并，可以得到,傳熱單元數(shù),定義：我們將NTU稱為傳熱單元數(shù)，它是英文Number of Transfer Unit 的縮寫。是換熱器設計中的一個無量鋼數(shù)，在一定意義上可看成是換熱器Ak值的大小的一種度量。其定義式為,逆流布置時效能的計算式,

6、一種流體發(fā)生相變時效能的計算式,當冷、熱流體之一發(fā)生相變，即 趨于無窮大時，此時換熱器效能計算式可簡化為,兩種流體的熱容量相等時效能的計算式,順流時 逆流時,復雜布置時效能的計算,對于比較復雜的流動型式，效能的計算式可參考相關的文獻，這里將不再贅述。為便于工程計算，這些復雜流動型式換熱器的效能計算式已被繪制成線算圖備查。,順流換熱器效能計算圖,逆流換熱器效能計算圖,雙殼程多管程換熱器效能計算圖,流體不混合一次交叉流換熱器效能計算圖,一種流體混合一次交叉流換熱器效能計算圖,用效能傳熱單元數(shù)法作設計計算的步驟,初步布置換熱面，并計算出相應條件下的傳熱系數(shù)； 按照給定的條件，由熱平衡方程計算出進、出

7、口溫度中那個待定的溫度； 根據效能的定義式，計算效能的數(shù)值； 由效能傳熱單元數(shù)的關系式或圖計算傳熱單元數(shù)的數(shù)值； 由傳熱單元數(shù)的定義式，確定所求換熱器的面積A，并校核換熱器兩側流體的流動阻力； 如流動阻力過大，改變方案重新設計。,用效能傳熱單元數(shù)法作校核計算的步驟,根據換熱器的結構，算出相應條件下的傳熱系數(shù)k的值； 根據NTU的定義式，算出NTU的數(shù)值； 根據換熱器中兩種流體的熱容量值及NTU的值，由 關系式計算出換熱器的效能； 由效能的定義式計算出一個出口溫度； 由熱平衡方程算出另一個出口溫度。,對校核計算的特別說明,在做校核計算時，為了算出NTU，同樣需要假定流體的出口溫度以獲得k值。 但

8、出口溫度對k的影響是通過定性溫度來體現(xiàn)的，顯然遠不如對熱平衡熱量或平均溫差影響那么大，在這一點上效能傳熱單元數(shù)法有其一定的優(yōu)越性。,換熱器設計時的綜合考慮,換熱器設計是個綜合性的課題，必須考慮初投資、運行費用、安全可靠等因素，以達到最佳的綜合技術經濟指標為目的。 換熱器的熱計算僅是這個綜合課題的一個局部組成，其他計算還有流動阻力計算、材料強度計算及必要的技術經濟分析與比較等。 設計換熱器時，要對影響傳熱效果的一些主要因素作全面的考慮。例如，提高流速固然可以增強傳熱，節(jié)省投資，但是往往使壓力增加，從而運行費用上升。 此外，運行中的一些實際問題在換熱器設計中也應考慮。例如，應當根據換熱介質及運行條

9、件合理地選取污垢熱阻，并且應當把積垢嚴重的流體安排在殼管式換熱器的管程，這樣就可以利用機械清洗法來除垢，否則就不能用簡便的機械清洗法，而只能用比較麻煩的化學清洗法，對維護保養(yǎng)不利。,換熱器的結垢和污垢熱阻,換熱器運行一段時間后，換熱面上常會積起水垢、污垢、油垢、煙灰之類的覆蓋物垢層，有時還由于換熱面與流體的相互作用發(fā)生腐蝕而引起覆蓋物垢層。 所有這些覆蓋物垢層都表現(xiàn)為附加的熱阻，使傳熱系數(shù)減小，換熱器性能下降。 由于垢層厚度及其導熱系數(shù)難于確定，通常采用它所表現(xiàn)出來的熱阻值來作計算。這種熱阻稱為污垢熱阻，并記為 。,污垢熱阻的計算,污垢熱阻的計算式為 為潔凈換熱面的傳熱系數(shù)； 為有污垢的換熱面的傳熱系數(shù)。 污垢的產生增加了換熱器設備的沉余面積，對使用中的換熱器增加了其運行費用，因此污垢的抑制、監(jiān)測及清除等問題一直是傳熱學界與工業(yè)界所關