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1、课程设计 换热器选型计算,推荐参考书目： 第三版/第四版. 王志魁 刘丽英 刘伟. . 任晓光 宋永吉 李翠清. . 钱颂文,3,换热概述 热传导 对流传热,一、换热理论,四、管壳式换热器选型步骤,二、管壳式换热器,三、两流体间传热过程计算,4,生产中的应用：,热量的传递简称传热 。,物料的加热或冷却； 热量与冷量的回收利用； 设备或管路的保温。,传热的基本方式：,热传导； 对流； 热辐射。,1、传热概述,一、换热理论,5,傅里叶定律,2.热传导,1)温度场和温度梯度,温度场：某时刻，物体内部各点的温度分布。,等温面：在同一时刻，温度场中所有温度相同的点组成的面。,注意：不同温度的等温面不相交
2、。,温度梯度：温度场内，某一点沿其等温面法线方向的温度变化率。（向量，与法线方向一致，以温度增加的方向为正。）,等温线：不同等温面与同一平面相交的交线。,6,式中 Q 热流量或传热速率，W或J/s； A 导热面积，m2； t/n 温度梯度，/m或K/m； 热传导系数，W/(m)或W/(mK)。,在质地均匀的物体内，若等温面上各点温度梯度相同，则单位时间内的传热量Q与温度梯度 及垂直于热流方向上的导热面积A成正比。,2)傅里叶定律,傅立叶定律,数学表达式：,7,假设：(1) A大，b小； (2) 材料均匀，热导率视为常数； (3)温度仅沿x方向变化，且不随时间变化，故为一维稳态传热。,单层平壁的
3、稳态热传导,A,Q,图中， Q热流量或传热速率，W或J/s； A 平壁的面积，m2； b 平壁的厚度，m； 平壁的导热系数，W/(m)； t1,t2 平壁两侧的温度，。,A,8,对dx薄层， 导热速率可表示为：,边界条件为：,积分导出，单层平壁导热速率方程式为：,假定： 圆筒壁材质均匀，热导率为常数； 温度只沿半径方向变化，等温面为同心圆柱面，一维稳态温度场；,单层圆筒壁的稳态热传导,图中， Q 热流量或传热速率,W或J/s； 导热系数，W/(m)或W/(mK)；t1,t2 圆筒壁两侧的温度,； r1,r2 圆筒壁内外半径,m。,10,对于dr同心薄层圆筒，传热速率为,边界条件：,积分导出，圆
4、筒壁导热速率方程式为：,对数平均面积：,11,对流传热过程,间壁：导热，热阻大，温差大。 层流底层：导热，热阻大，温差大。 湍流核心：对流，热阻很小，温差很小。 过渡区域：介于层流底层和湍流核心之间。,热流体,冷流体,3、对流传热,12,对流传热速率方程,牛顿冷却公式：,式中 Q 对流传热速率，W； 对流传热系数，W/(m2)； t对流传热温度差，； A 传热面积，m2。,的求解是关键，通过对流传热的特征关系式求解。,又称管壳式换热器，工业上广泛使用。,二、列管式换热器,传热面为壳内所有管束壁内外表面积。,主要部件：封头、管板、管束、折流挡板、外壳,管壳式换热器示意图：,管程：流体在同一组管束
5、中的流程。 壳程：流体在壳体中沿某一方向的流程。,式中，K总传热系数，W/(m2)或W/(m2K)； Q总传热速率，W或J/s； A总传热面积，m2； tm两流体的平均温差，或K。,冷热两流体通过间壁传热过程，其总传热速率Q与传热面积A和两流体温度差 成正比。,即总传热速率方程式：,三、两流体间传热过程的计算,15,一、热量衡算,图中， 热、冷流体的质量流量，kg/s； cp1,cp2 热、冷流体的比热容， J/(Kg ) ； h1,h2 冷流体的进、出口焓，J/kg； H1,H2 热流体的进、出口焓， J/kg 。,列管换热器,16,若流体均无相变，且流体比热容cp不随温度变化。 此时，热量
6、衡算式：,假设，传热过程无热损失：,热量衡算式：,17,一、恒温传热：,二、变温传热：,二、求传热平均温度差,饱和蒸汽-液体沸腾,两侧流体温度沿传热面无变化。,一侧或两侧流体沿传热面的不同位置温度不同。,三、流体流动方式：,逆流：冷热流体沿传热面两侧流向相反。 顺流：冷热流体沿传热面两侧流向相同。 错流：两流体垂直交叉流动。 折流：一侧流体只沿一个方向流动，另一侧流体反复改变流向来回折返流动。,18,1、逆流和并流时的tm,逆流,并流,传热平均温差：,注意： 较大温差记为t1，较小温差记为t2； 当 2时，,19,：逆流时的平均温度差,2、错流、折流时的,温度校正系数是辅助量P、R的函数，即,
7、注意：校正系数应至少不小于0.8。,c)固体壁面另一侧 冷流体,b)固体壁面一侧 另一侧,20,对于微元段dA，,三、总传热系数,a)热流体 固体壁面一侧,微元段温度分布：,21,式中 K总传热系数，W/(m2K)。,稳态热传导时，沿同一热流方向上，传热速率 为定值，故,22,污垢热阻,式中 ， R1、R2传热面两侧的污垢热阻，m2K/W。,以传热面dA1为基准(dA=dA1):,传热表面常有污垢积存，其热阻一般不可忽视。工程上一般根据经验选用污垢热阻。 以传热面A1为基准：,以传热面dA2为基准(dA=dA2):,以传热面dAm为基准(dA=dAm):,1. 根据工艺要求，计算热负荷Q；,2
8、. 初选流动方式，尽可能保证逆流或接近逆流，计算平均温度差tm。,3. 依据经验范围选取总传热系数K估，估算总传热面积A估=Q/ K估tm。,4. 确定流体流经管程或壳程，选定管程流速u1；,先按单壳程多管程的计算，如果0.8，应增加壳程数；,由流速u1和流量qm1估算单管程的管子根数n，由n和A估来估算管子长度L，选择合适管长及管程数再由系列标准选适当型号的换热器。,四、管壳式换热器 选型步骤,5. 核算总传热系数K；,分别计算管程和壳程的，确定污垢热阻Rd，求出K，与选取的K估比较，保证K在经验范围内，并与K估相差不大。若相差很大，回到4改变管程流速u1来调整总传热系数K。,6. 计算总传热面积A；,根据A=Q/ Ktm计算A，并与选定的换热器传热面积A选比较，应有10%25%的裕量。若不能达到裕量要求，应回到3重新选取K估估算并选型。,选型实例,注意：选型计算是一个反复试算的过程，有时要反复试算两三次。,