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1、第四章第四章 传热传热换热器热计算的基本原理1 换热器设计计算的内容1.1 1.1 1.1 1.1 热计算基本方程式热计算基本方程式热计算基本方程式热计算基本方程式1.2 1.2 1.2 1.2 平均温差平均温差平均温差平均温差2022/10/291 换热器设计计算的内容 在设计一个热交换器时，从收集在设计一个热交换器时，从收集原始资料开始，到正式绘画图纸为止，原始资料开始，到正式绘画图纸为止，需要进行一系列的设计计算工作，这需要进行一系列的设计计算工作，这种计算一般包括下列几个方面的内容种计算一般包括下列几个方面的内容:2022/10/29(1)(1)热计算热计算 根据给出的具体条件，例如热
2、交换器的根据给出的具体条件，例如热交换器的类型，流体的进、出口温度，压力，它们的类型，流体的进、出口温度，压力，它们的物理化学性质，在传热过程中有无相变物理化学性质，在传热过程中有无相变等等，求出热交换器的传热系数，进而算出等等，求出热交换器的传热系数，进而算出传热面积的大小。传热面积的大小。2022/10/29(2)(2)结构计算结构计算 根据传热面积的大小计算热交换器主根据传热面积的大小计算热交换器主要部件和构件的尺寸，例如管子的直径、要部件和构件的尺寸，例如管子的直径、长度、根数，壳体的直径，纵向隔板和折长度、根数，壳体的直径，纵向隔板和折流板的尺寸和数目，分程隔板的数目和布流板的尺寸和
3、数目，分程隔板的数目和布置，以及连接管尺寸等等。置，以及连接管尺寸等等。2022/10/29(3)(3)流动阻力计算流动阻力计算 进行流动阻力计算的目的在于为选择进行流动阻力计算的目的在于为选择泵或风机提供依据，或者核算其压降是否泵或风机提供依据，或者核算其压降是否在限定的范围之内。当压降超过允许的数在限定的范围之内。当压降超过允许的数值时，则必须改变热交换器的某些尺寸，值时，则必须改变热交换器的某些尺寸，或者改变流速等。或者改变流速等。2022/10/29(4)(4)强度计算计算强度计算计算 热交换器各部件尤其是受压部件热交换器各部件尤其是受压部件(如壳如壳体体)的应力大小，检查其强度是否在
4、允许范的应力大小，检查其强度是否在允许范围内，对于在高温高压下工作的热交换器，围内，对于在高温高压下工作的热交换器，更不能忽视这一步。在考虑强度时，应该尽更不能忽视这一步。在考虑强度时，应该尽量采用我国生产的标准材料和部件，按照国量采用我国生产的标准材料和部件，按照国家压力容器安全技术规定进行计算或核算。家压力容器安全技术规定进行计算或核算。2022/10/29 在热交换器向着大型化发展并对传热进行在热交换器向着大型化发展并对传热进行强化的情况下，有可能因流体的流速过高而引强化的情况下，有可能因流体的流速过高而引起强烈的振动，严重时甚至可使整个热交换器起强烈的振动，严重时甚至可使整个热交换器遭
5、到破坏。因而在设计热交换器时，还必须对遭到破坏。因而在设计热交换器时，还必须对其振动情况进行预测或校核，判断有无产生强其振动情况进行预测或校核，判断有无产生强烈振动的可能，以便采取相应的减振措施，保烈振动的可能，以便采取相应的减振措施，保证安全运行。证安全运行。2022/10/291.1 1.1 热计算基本方程式热计算基本方程式2022/10/29传热计算 设计计算 校核计算 根据生产任务的要求，确定换热器的传热面积及换热器的其它有关尺寸，以便设计或选用换热器。判断一个换热器能否满足生产任务的要求或预测生产过程中某些参数的变化对换热器传热能力的影响。2022/10/29换热器热计算的基本公式为
6、传热方程式：传热方程式：热平衡方程式：热平衡方程式：2022/10/29对于对于设计计算设计计算而言，给定的是而言，给定的是 ，以及进出口，以及进出口温度中的三个，最终求温度中的三个，最终求独立变量：独立变量：需要给定其中的需要给定其中的5 5个变量，才可以计算另外三个变量。个变量，才可以计算另外三个变量。对于对于校核计算校核计算而言，给定的一般是而言，给定的一般是 ，F F，以及，以及2 2个进个进口温度，待求的是口温度，待求的是2022/10/291.1.1 1.1.1 传热方程式传热方程式的普遍形式为（）（）（）（）2022/10/29在工程计算中采用如下简化的传热方程式（）（）（）（）
7、2022/10/291.1.2 1.1.2 热平衡方程式热平衡方程式 如果不考虑散至周围环境的热损失，则冷流体所吸收的热量就应该等于热流体所放出的热量。这时热平衡方程式可写为：（）（）（）（）2022/10/29当流体无相变时，热负荷也可用下式表示（）在工程中一般都采取平均比热（）2022/10/29 式(1.5)中的乘积Mc称为热容量，它的数字代表流体的温度每改变1时所需的热量，用W表示。因而式(1.5)可写成 （）（）两种流体在热交换器内的温度变化(温降或温升)与它们的热容量成反比。或2022/10/29 以上讨论的是没有散热损失的情况，实际上任何热交换器都有散向周围环境的热损失（QL)，
8、这时热平衡方程式就可写成（）（）2022/10/291.2 平均温差2022/10/29流体的温度分布 流体在热交换器内流动，其温度变化过程以平行流动最为简单。图中所示的为流体平行流动时温度变化的示意图。图中的纵坐标表示温度，横坐标表示传热面积。2022/10/29图（a）是一侧蒸汽冷凝而另一侧为液体沸腾，两种流体都有相变的传热。因为冷凝和沸腾都在等温下进行，故其传热温差为，且在各处保持相同的数值。2022/10/29图（b)表示的是热流体在等温下冷凝而将其热量传给温度沿着传热面不断提高的冷流体，其传热温差从进口端的 变化到出口端。2022/10/29图(c)是冷流体在等温下沸腾，而热流体的温
9、度沿传热面不断降低，其传热温差从进口端的变化到出口端的2022/10/29若两种流体都没有发生相变，这里又有两种不同情形：顺流和逆流。图（d)顺流，两种流体向着同一方向平行流动，热流体的温度沿传热面不断降低，冷流体的温度沿传热面不断提高。两者的温差从进口端的 变化到出口端的.2022/10/29图（e)逆流，两种流体以相反的方向平行流动，传热温差从一端的变化到另一端的2022/10/29图(f)所示的冷凝器内的温度变化过程要比图(b)所示的更加普遍一些。在这里，蒸汽在高于饱和温度的状态下进在等温冷凝，在凝结液离开热交换器之前还产生液体的过冷。冷流体可以是顺流方向或逆流方向通过。传热温差的变化要
10、比前面各种情形复杂。2022/10/29图（g)所表示的是冷流体在液态情况下进入设备吸热，沸腾，然后过热。2022/10/291.2.2 顺流和逆流情况下的平均温差平均温差平均温差：整个热交换器各处温差的平均值。但是应用不同的平均方法，就有不同的名称，例如算术平均温差、对数平均温差、积分平均温差等等。2022/10/29恒温差传热：变温差传热：传热温度差不随位置而变的传热 传热温度差随位置而改变的传热 传热流动形式 顺流：逆流：错流：折流：两流体平行而同向的流动 两流体平行而反向的流动 两流体垂直交叉的流动 一流体只沿一个方向流动，而另一流体反复折流 2022/10/29在对顺、逆流热交换器的
11、传热温差作过分析前假定:（1）两种流体的质量流量和比热在整个传热面上保持定值;（2）传热系数在整个传热面上不变;（3）热交换器没有热损失;（4）沿管子的轴向导热可以忽略;（4）同一种流体从进口到出口的流动过程中，不能既有相变又有单相对流换热。2022/10/29经分析，传热温差沿传热面是按下面所示的指数规律变化的此处“十”号用于顺流，“一”号用于逆流。（）2022/10/29在顺流时，不论W1、W2值的大小如何，总有0，因而在热流体从进口到出口的方向上，两流体间的温差t总是不断降低 2022/10/29 逆流，沿着热流体进口到出口的方向上，当W1 W2时，0，t不断升高。2022/10/29
12、按照式(1.9)所示的温差变化关系，在传热学中已推导出对于顺流、逆流热交换器均可适用的平均温差计算公式为:（）由于其中包含了对数项，常称这种平均温差为对数平均温差，以或LMTD表示。2022/10/29顺流和逆流的区别在于：顺流和逆流的区别在于：顺流：顺流：逆流：逆流：2022/10/29如不分传热面的始端和终端，而用代表中之大者，以代表两者中之小者，则对数平均温差可统一写成（）2022/10/29如果流体的温度沿传热面变化不太大（）可用算术平均的方法计算平均温差，称算术平均温差，即（）（）例：在一单壳单管程无折流挡板的列管式换热器中，用冷却水将热流体由100冷却至40，冷却水进口温度15，出口温度30，试求在这种温度条件下，逆流和并流的平均温度差。2022/10/29解解：逆流时：热流体：冷流体：70 25顺流时：热流体：冷流体：85 102022/10/29可见：在冷、热流体初、终温度相同的条件下，逆流的平均温度差大。2022/10/29