单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,9-3 换热器的热计算,换热器热计算分两种情况：,设计计算,和,校核计算,(1),设计计算：,设计一个新的换热器，以确定所需的换热面积,校核计算：,对已有或已选定了换热面积的换热器，在非设,计工况条件下，核算他能否胜任规定的新任务。,换热器热计算的根本方程式是传热方程式及热平衡式,式中，不是独立变量，因为它取决于 以及换热器的布置。另外，根据公式(9-15)可是，一旦,和 以及 中的三个的话，我,们就可以计算出另外一个温度。因此，上面的两个方程,中共有8个未知数，即,需要给定其中的5个变量，才可以计算另外三个变量。,对于设计计算而言，给定的是 ，以及进出口,温度中的三个，最终求,对于校核计算而言，给定的一般是 ，以及2个进口,温度，待求的是,换热器的热计算有两种方法：平均温差法,效能-传热单元数(-NTU)法,平均温差法：就是直接应用传热方程和热平衡方程进行热,计算，其具体步骤如下：,对于设计计算 ，及进出口温度中的三个，求 ,初步布置换热面，并计算出相应的总传热系数k,根据给定条件，由热平衡式求出进、出口温度中的那个待定的温度,由冷热流体的4个进出口温度确定平均温差,由传热方程式计算所需的换热面积A，并核算换热面流体的流动阻力,如果流动阻力过大，那么需要改变方案重新设计。,对于校核计算 ，及两个进口温度，求 ,先假设一个流体的出口温度，按热平衡式计算另一个出口温度,根据4个进出口温度求得平均温差,根据换热器的结构，算出相应工作条件下的总传热系数k,kA和 ，按传热方程式计算在假设出口温度下的,根据4个进出口温度，用热平衡式计算另一个 ，这个值和上面的 ，都是在假设出口温度下得到的，因此，都不是真实的换热量,比较两个 值，满足精度要求，那么结束，否那么，重新假定出口温度，重复(1)(6)，直至满足精度要求。,2 效能-传热单元数法,(1)换热器的效能和传热单元数,换热其效能的定义是基于如下思想：当换热器无限长，对于一个逆流换热器来讲，那么会发生如下情况,a 当 时，那么,b 当 时，那么,于是，我们可以得到,然而，实际情况的船热量q总是小于可能的最大传热量qmax，我们将q/qmax定义为换热器的效能，并用 表示，即,对于一个已存在的换热器，如果了效能 和冷热流体的进口温差，那么实际传热量可很方便地求出,那么在未知传热量，之前，又如何计算？和那些因素有关？,以顺流换热器为例，并假设 ，那么有,根据热平衡式得：,于是,式,，,相加：,热容比,式,代入下式得：,+,+,当 时，同样的推导过程可得：,上面的推导过程得到如下结果，对于,顺流：,当 时,上面两个公式合并，可得：,换热器效能公式中的 依赖于换热器的设计，那么依赖于换热器的运行条件，因此，在一定程度上表征了换热器综合技术经济性能，习惯上将这个比值无量纲数定义为传热单元数NTU，即,因此，,与顺流类似，逆流时：,当冷热流体之一发生相变时,，相当于 ，即,，于是上面效能公式可简化为,当两种流体的热容相等时，即,公式可以简化为,顺流：,逆流：,，及两个进口温度，求 ,(2)用效能-传热单元数法计算换热器的步骤,a 设计计算,显然，利用条件可以计算出 ，而带求的k，A那么包含在NTU内，因此，对于设计计算是，求NTU，求解过程与平均温差法相似，不再重复,b 校核计算,由于k事先不知，所以仍然需要假设一个出口温度，具体如下：,假设一个出口温度 ，利用热平衡式计算另一个,利用四个进出口温度计算定性温度，确定物性，并结合换热器结构，计算总传热系数k,利用k,A计算NTU,（，及进出口温度中的三个，求 ）,利用NTU计算,利用(9-17)计算，利用(9-14)计算另一个,比较两个，是否满足精度，否那么重复以上步骤,从上面步骤可以看出，假设的出口温度对传热量,的影响不是直接的，而是通过定性温度，影响总传热系数，从而影响NTU，并最终影响 值。而平均温差法的假设温度直接用于计算 值，显然-NTU法对假设温度没有平均温差法敏感，这是该方法的优势。,3 换热器设计时的综合考虑,换热器设计是综合性的课题，必须考虑出投资，运行费用，平安可靠等诸多因素。,4 换热器的结垢及污垢热阻,污垢增加了热阻，使传热系数减小，这种热阻成为污垢热阻，用Rf表示，,式中：k为有污垢后的换热面的传热系数，k0为洁净换热面,的传热系数。,对于两侧均已结构的管壳式换热器，以管子外外表为计算依据的传热系数可以表示成：,如果管子外壁没有肋化，那么肋面总效率o=1。,管壳式换热器的局部污垢热阻可以在表9-1种查得。,9-4 传热的强化和隔热保温技术,强化传热的目的：缩小设备尺寸、提高热效率、保证设备平安,削弱传热的目的：减少热量损失,根据不同的需求，对于实际传热的传热过程，有时需要强化，有时那么需要削弱。显然，根据不同的传热方式，强化和削弱传热的手段应该不同，本节主要针对对流换热过程的强化和削弱,1 强化传热的原那么和手段,(1)强化换热的原那么：哪个环节的热阻大，就对哪个环节采取强化措施。,举例：以圆管内充分开展湍流换热为例，其实验关联式为：,(2)强化手段:a 无源技术(被动技术)；b 有源技术(主动式技术),a 无源技术(被动技术)：除了输送传热介质的功率消耗外，无需附加动力,其主要手段有：涂层外表；粗糙外表(图9-28)；扩展外表(图9-29)；扰流元件(图9-30a)；涡流发生器(图9-30b)；螺旋管(图9-30c)；添加物；射流冲击换热,b 有源技术(主动式技术)：需要外加的动力,其主要手段有：对换热介质做机械搅拌；使换热外表振动；使换热瘤体振动；将电磁场作用于流体以促使换热外表附近流体的混合；将异种或同种流体喷入换热介质或将流体从换热外表抽吸走。,对换热器而言，随着强化措施的完善，污垢热阻有时会成为传热过程的主要热阻，因此，需要给换热器的设计提供哈里的污垢热阻的数据，这就需要实验测定，可是实验测出来的是总外表传热系数，那么如何将总的传热系数分成各个环节的热阻呢？下面的威尔逊图解法提供了一种有效途径,2 确定传热过程分热阻的威尔逊图解法,利用数据采集系统可以测定壁面和流体的温度，从而获得平均温差，利用热平衡方程式获得热流量，换热面积可以根据设计情况获得，这样就可以通过传热方程式计算出总外表传热系数。这是威尔逊图解法的根底。,我们已管壳式换热器为例，说明如何应用威尔逊图解法获得各个分热阻。总外表传热系数可以表示成：,工业换热器中的管内流体的流动一般都是处于旺盛湍流状态，h,i,与流速u0.8成正比，因此，可以写成 的形式，带入上式：,如果能保持ho不变，Rw壁面的导热热阻不会变化，Rf在短时间内不会有大的改变，因此，上式右边的前三项可认为是常数，用 b 表示，物性不变的情况下，可以认为是,常数，用m表示，于是上式可变为,改变管内流速u，那么可以测得一系列的总外表传热系数，然后绘制成图，那么是一条直线，如图(9-31)所示,从这个图中可以获得b，m，和ci，从而，管子内侧的对流换热系数,这样就将内部热阻从总传热系数中别离出来，然后，当换热器运行一段时间后，再进行同样过程的测量，可以获得另外一条曲线，那么两条曲线截距之差就是污垢热阻，这样又把污垢热阻别离出来了。,威尔逊图解法的前提是有一侧的换热热阻根本保持不变，有时候这格条件很难被满足，因此，后来人们提出了一种修正威尔逊图解法。,3 隔热保温技术,(1)需求背景,(2)高于环境温度的热力设备的保温多采用无机的绝热材料,(3)低于环境温度时，有三个档次的绝热材料可供选择，,a 一般性的绝热材料；b 抽真空至10Pa的粉末颗粒热,材料；c 多层真空绝热材料。,(4)保温效率,0,单位长度裸管的散热量，W/m；,x,单位长度包有厚x(单位：mm)保温材料的,管子的散热量，W/m,本章小结：,换热器的定义、类型，及其各自的优缺点；,不同外表的总外表传热系数，污垢热阻的概念；,对数平均温差(LMTD)；,LMTD在换热器分析中的应用,强化传热的原那么和手段,临界热绝缘直径,用于不同的传热方式分析、计算换热器内的传热量,思考题：,1.通过平板与园管的传热系数的计算方法.,2.肋化系数和肋面总效率的定义.肋效率,肋化系数和肋,面总效率之间的区别.,3.肋化系数后,通过肋面的传热系数的计算方法.,4.临界热绝缘直径的物理意义及计算方法.,5.换热器有那些主要形式?,6.换热器的对数平均温差计算方法,7.换热器热计算的根本方法.,8.什么是换热器的效能和传热单元数.,9.在换热器热计算中,平均温差法和传热单元法各有什么,特点?,10.什么是污垢热阻?工程实际中,怎样减小管路中的污垢,热阻?举几个例子.,11.强化传热系数的原那么是什么?,12.什么是有源强化换热(主动式强化换热)和无源强化换热,(被动式强化换热)?,13.怎样使用试验数据,用威尔逊图解法求解传热过程分热,阻?,14.有那些隔热保温技术.什么是保温效率?,作业：,9-2，9-13,