第十章—传热和换热器.doc

《第十章—传热和换热器.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第十章—传热和换热器.doc（11页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。

1、精品文档，仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除第十章 传热和换热器第一节 通过肋壁的传热一、肋片传热计算式1以平壁的一侧为肋壁，分析肋壁的传热。设肋和平壁为同一种材料，平壁厚度为，导热系数为，肋表面积为（，其中为肋片之间的基部面积，为肋片表面积）。（1）无肋的光壁表面积为，光壁侧流体1的表面传热系数为，温度为，光壁面温度为。（2）肋壁侧流体2的表面传热系数为，温度为，肋基壁面温度为，肋片的平均壁温为，设。在稳态情况下，各传热环节的热量为： 光壁换热： 平壁导热： 肋壁换热：肋片效率为：式中，称为肋片的总效率。整理以上各式，将肋壁传热公式写成两侧流体温差表示的形式，即：将上式写为：式中，是以光

2、壁面面积为基准的传热系数。式中，称为肋化系数（加肋后的肋壁总面积与光壁面面积之比）， （往往远大于1，所以总可以使大于1）另 式中，是以为基准的传热系数。如果壁面的任何一侧有污垢，则导热系数中应加上污垢热阻，即导热项的热阻为：对：对：加肋后，肋片一侧的热阻为：，它比无肋的光壁换热热阻小（），因而使换热量增大。2增加肋片改进换热的效果又与以下因素有关：（1）肋片的高度：须同时考虑与二者的关系，肋高增加会使下降，但却使表面积增大，。应合理确定肋高，使达到一最佳值。（2）肋片间距： 减少肋的间距，可使肋片的数量增多，肋壁的表面积相应增大，能使值增大，有利于减小热阻，增加传热。 减小肋片间距可增强肋间

3、流体的扰动，使表面传热系数增大。 肋片间距不应小于热边界层厚度的两倍，以避免肋间流体温度升高，降低传热温差。（3）肋的厚度（4）肋的形状：变截面肋（5）肋的材料：导热系数要大，材料要轻。二、加肋的目的1强化传热当换热器两侧的表面传热系数相差较大时，肋片应加在热阻大的一侧效果好。传热壁两侧的热阻差相差越大，在热阻大的一侧加肋产生的强化传热的效果越显著。当换热器两侧的表面传热系数都较低时，如气体换热器，则可在两侧都加肋片。2调节壁面温度在传热壁的低温侧加肋能降低壁面温度。当低温侧热阻壁高温侧热阻大时，在低温侧加肋既能强化传热，又能降低壁面温度。如果低温侧热阻壁高温侧热阻小，则低温侧加肋的主要目的是

4、降低壁面温度。同样，加肋片有时也能使壁温升高。第二节 有复合换热时的传热计算复合换热：壁面上除对流换热外，还同时有辐射换热。在分析复合换热时，通常是把辐射换热量按对流换热公式折算成辐射换热表面传热系数，它与对流换热表面传热系数之和即为复合换热表面传热系数。第三节 传热的增强和削弱3-1 增强传热的方法3-2 削弱传热的方法第四节 换热器的型式和基本构造换热器的分类1、按工作原理分：间壁式冷热流体由固体壁隔开，不能相混合；混合式冷热流体相互混合（直接接触），如冷却塔，浴池等；回热式（蓄热式）冷热流体交替与固体壁接触，使固体壁周期地吸热和放热，从而将流体的热量传给冷流体。如炼钢热风炉，燃气机空气预

5、热器。2、按结构分（间壁式）：管壳式：结构坚固、制造方便肋片管式：如汽车的水箱板式：以板作为间壁板翅式螺旋板式管壳式换热器构造：传热面由管束构成，管子的两端固定在管板上，管束与管板再封装再外壳内，外壳两端有封头。流体II在管内流动，从进口封头流进管子里，再经出口封头流出。这条路径称为管程。（从管的一端流到另一端称为一个管程）当管子总数及流体流量一定时，管程数分得越多，则管内流速越高。流体I从外壳上的连接管进出换热器，这条路径称为壳程。流体I是在管外流动。在同样流速下，流体横向掠过管子的换热效果要比顺着管子纵向流过时好，因此外壳内一般装有折流挡板，来改善壳程的换热。2-4型换热器示意图第五节 平

6、均温度差在非相变换热过程中，流体温度随换热过程而不断变化，所以换热器中各点的传热温差也不断变化，进行传热量计算必须了解换热器的平均传热温差。根据平均传热温差表示的传热方程式的一般形式为：一、简单顺流换热器平均温差的计算式在推导平均温差计算式时的假定：1、冷、热流体的质量流量和及比热容和在整个换热面上都是常量；2、传热系数在整个传热面上不变；3、换热器无散热损失；4、换热面沿流动方向的导热量可以忽略不计；5、在换热器中，任一种流体都不能既有相变又有单相介质换热。在换热面处，取一段微元换热面积分析。在两侧，冷、热流体的温度分别为及，温差为，即。 （1）通过微元面的热流量为： （2）热流体放出这部分

7、热量后温度下降了，则 （3）式中，“”是因热流体流过时，为温度降，负值。对冷流体，则有： （4）对式（1）微分，并利用式（3）、（4）的关系，有： （5） 将式（2）代入式（5）得： 对该式从0到积分，已知 时，处，温差为由此可见，温差沿换热面按指数曲线变化。整个换热面的平均温差：在时，（根据 ），则：由此， 该式称为对数平均温差。二、简单逆流换热器平均温差的计算式同样，经过推导可得到逆流时换热器的平均温差：在顺流时，总是大于，在逆流时可能出现的情况。实际计算中，统一用下式计算：当时，可以用算术平均温差来代替对数平均温差，即：流体在换热器中的流动形式，除顺流、逆流外，还有其他多种形式。顺流：两

8、种流体作平行且同方向流动。逆流：两种流体作平行且反方向流动。横流式或交叉流：两种流体在相互垂直的方向流动。混合流：是顺流、逆流和交叉流三种流动方式的组合。横流式及混合流式平均温差的确定：先一律按逆流方式计算出对数平均温差，再按流动方式乘以温差修正系数。反映了换热器中两流体的流动方式接近逆流的程度，可查图确定。图中有两个辅助参量和。当超过了图中的范围时，可用和分别代替和值查图。在各种流动形式中，顺流和逆流可看作是两个极端情况，在相同的进出口温度条件下，逆流的平均温差最大，顺流的平均温差最小。顺流时：冷流体的出口温度总是低于热流体的出口温度。逆流时： 可以大于。所以，工程上换热器尽可能采用逆流布置

9、。但逆流布置也有缺点，就是高温部分集中在换热器的一端。第六节 换热器的热计算设计一台换热器必须进行的全部工作包括： 热计算 结构布置 流动阻力计算 结构强度计算 绘图。实际上前四项任务是交叉在一起的，无法单独进行。换热器的热计算根据计算目的不同，分为两种类型：设计计算和校核计算。1设计计算：设计一个新的换热器，根据生产工艺提出的条件和要求，确定换热器的型式，面积和结构参数。2校核计算：对已有的换热器，校核它能否满足非设计工况条件下的换热任务。一般是核算流体的出口温度和换热量能否达到要求。3对于两种计算，所用的公式均为以下三式： （传热方程式）而 ， 4在以上三式种的变量为：，。（不是独立变量）

10、5对设计计算，给定的量为：，和四个进、出口温度中的三个 ，6对校核计算，给定的量为：，和， ，7换热器的计算有两种方法：平均温差法 和 效能传热单元数法6-1 平均温差法一、平均温差法用于设计计算的步骤为：1确定换热器的型式及部分结构参数；2根据给定条件，由 进出温度中的那个待定温度；3由 ， 4初步布置换热面，并计算出相应的传热系数。5由 ，并核算换热面两侧流体的流动阻力。6如果流动阻力过大，则应改变方案重新设计。二、平均温差法用于校核计算的步骤为：1先假定一个流体的出口温度，按照热平衡方程式：求出另一个出口温度；2由 ， ；3根据换热器的结构，算出相应工作条件下传热系数；4已知、，由 ，因

11、为流体的出口温度是假设性的，因此求出的值未必是真实的数值；5根据，求出另一个值，同理，这个值也是假设性的；6比较步骤4和5中的两个值，一般说，二者是不同的，这说明步骤1中假设的温度值是不符合实际。再重新假设一个流体的出口温度，重复以上步骤16，直到步骤4和5 得到两个值彼此接近为止。例10-7 设计一卧式管壳式蒸汽水加热器，水在管内、蒸汽在管外冷凝，水的质量流量为，要求从60加热到90，蒸汽为绝对压强下的干饱和蒸汽，凝结水为饱和水。换热器管外径，厚的黄铜管，水侧污垢热阻。水侧阻力损失要求小于。求：换热器所需换热面积及主要结构参数（管长、管程、每管程管数、传热面积等），若换热器外壳的热损失为5%

12、，求蒸汽消耗量？解：水： ， =60 ，=90 ； 饱和蒸汽： =113.3 一、设定换热器的部分结构参数设换热器为4管程，每管程16根管，共64根管，在垂直列上管子数为8根。二、对数平均温差由于加热蒸汽凝结后得到的是饱和水，则=113.3 三、换热量管内水的平均温度为：查得该温度下水的比热为：四、蒸汽侧冷凝换热表面传热系数1、定性温度为冷凝液膜平均温度，由于为未知，需试算。先假定一个壁温，待设计计算结束时再校核。假定=103.2 （蒸汽温度为113.3，水的平均温度为77，两者中间值为94，应在94113.3之间）则，由查水的物性参数：，由，查得蒸汽潜热：2、定型尺寸：水平管束取，为垂直列上

13、的管数，管外径3、表面传热系数：五、水侧表面传热系数1、根据水的定性温度，查水的物性参数：2、流速： 紊流3、水侧换热表面传热系数水与壁面的对数平均温差为：可以认为水与壁面是中等以下温差换热。选用如下准则关联式计算：则，六、传热系数忽略管壁热阻，又管壁很薄，可按平壁计算传热系数，则，校核原来设定的：由传热公式：蒸汽侧换热：两者相差0.3%，所以设定壁温合理，达到计算要求。七、换热面积及管长由于是按平壁考虑的，所以管面积应为按平均直径计算的面积。总管数，则每根管长为：最后取管长，总管数，管程，则实际传热面积为：，壁计算值略大。由上述传热计算结果知，最初设定的结构参数合理。八、蒸汽消耗量换热器外壳

14、的热损失为5%，二蒸汽在壳侧，所以蒸汽实际消耗量为：九、阻力计算水流过换热器的压降为：管中流动紊流摩擦系数为：从附录10选取光滑黄铜管的粗糙度为：，则：换热器有水室进口和出口各1个，阻力系数均为；水由一个管程转入另一个管程时的局部阻力系数，现有4个管程，水在3处发生转折，则，所以，压力损失合乎要求，上述计算合理。6-2 传热单元数法（法）换热器计算中的效能传热单元数法（法）简称法。EffectivenessNTU method , NTUNumber of Transfer Units1换热器的效能按下式定义：就是小热容量量体的进出口温差与冷热流体进口温差的比。反映了换热器里，冷热流体进口温差

15、的利用率。2顺流时： ，其中 称为传热单元数。3逆流时： 传热单元数是个无量纲量，其中包括的和分别反映换热气的初投资和运行费用，是一个反映换热器综合技术经济性能的指标，表征换热器换热能力的大小。（如或大，则传热量必定大）一、法用于设计计算的步骤为：1根据给定条件，由 进出温度中的那个待定温度，然后根据计算出；2根据选定的流动型式及、，查线算图得出；3初步布置换热面，计算出相应的传热系数的值；4确定所需换热面积：，并核算换热器两侧流体的流动阻力；5如果流动阻力过大，则应改变方案重新设计。二、法用于校核计算的步骤为：1根据换热器给定的进口温度和假定的出口温度算出传热系数；2算出和水当量之比；3按换热器中流体的流动型式，在相应的线算图上，查出及对应的值；4根据冷、热流体进口温度等已知量，按求出；5根据，确定冷、热流体的出口温度和。三、平均温度法与法的比较：1设计计算时：平均温度法可从求出的温差修正系数看出选用的流动形式与逆流相比的差距，有助于流动形式的改进与选择，这是法做不到的。两种方法的计算工作量不分上下。2校核计算时：平均温度法需反复进行对数计算，比麻烦一些。当传热系数已知时，由法可直接求出结果，比平均温度法方便。【精品文档】第 11 页