換熱器選型和計(jì)算課件

1、課程設(shè)計(jì)換熱器選型計(jì)算推薦參考書目：l 第三版/第四版. 王志魁 劉麗英 劉偉.l .任曉光 宋永吉 李翠清.l. 錢頌文3 換熱概述換熱概述 熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo) 對(duì)流傳熱對(duì)流傳熱一、換熱理論一、換熱理論四、管殼式換熱器選型步驟四、管殼式換熱器選型步驟二、管殼式換熱器二、管殼式換熱器三、兩流體間傳熱過程計(jì)算三、兩流體間傳熱過程計(jì)算4生產(chǎn)中的應(yīng)用：生產(chǎn)中的應(yīng)用：熱量的傳遞簡稱傳熱 。物料的加熱或冷卻；熱量與冷量的回收利用；設(shè)備或管路的保溫。傳熱的基本方式：傳熱的基本方式：熱傳導(dǎo)；對(duì)流；熱輻射。1、傳熱概述、傳熱概述5傅里葉定律傅里葉定律2.熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)1)1)溫度場(chǎng)和溫度梯度溫度場(chǎng)和溫度梯度溫度場(chǎng)溫度

2、場(chǎng)：某時(shí)刻，物體內(nèi)部各點(diǎn)的溫度分布。 等溫面等溫面：在同一時(shí)刻，溫度場(chǎng)中所有溫度相同的點(diǎn)組成的面。 t1t2t1t2等溫線Q注意：注意：不同溫度的等溫面不相交。溫度梯度：溫度梯度：溫度場(chǎng)內(nèi)，某一點(diǎn)沿其等溫面法線方向的溫度變化率。（向量，與法線方向一致，以溫度增加的方向?yàn)檎?。）等溫線等溫線：不同等溫面與同一平面相交的交線。6式中 Q 熱流量或傳熱速率，W或J/s； A 導(dǎo)熱面積，m2； t/n 溫度梯度，/m或K/m； 熱傳導(dǎo)系數(shù)，W/(m)或W/(mK)。在質(zhì)地均勻的物體內(nèi)，若等溫面上各點(diǎn)溫度梯度相同，則單位時(shí)間內(nèi)的傳熱量Q與溫度梯度 及垂直于熱流方向上的導(dǎo)熱面積A成正比。2)2)傅里葉定律傅

3、里葉定律t+t t-ttnQdAntntAQ傅立葉定律傅立葉定律數(shù)學(xué)表達(dá)式：7假設(shè)：假設(shè)：(1) A大，b小；(2) 材料均勻，熱導(dǎo)率視為常數(shù)；(3)溫度僅沿x方向變化，且不隨時(shí)間變化，故為一維穩(wěn)態(tài)傳熱。單層平壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)單層平壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)AQ圖中，圖中，Q熱流量或傳熱速率，W或J/s；A 平壁的面積，m2；b 平壁的厚度，m； 平壁的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m)；t1,t2 平壁兩側(cè)的溫度，。t1t2btxdxQxQx+dxA8對(duì)dx薄層， 導(dǎo)熱速率可表示為： xtAQdd邊界條件為： xtt01時(shí)，2ttbx 時(shí)，tR傳熱推動(dòng)力熱阻積分導(dǎo)出，單層平壁導(dǎo)熱速率方程式為：1212()ttQA tt

4、bbA t t1 r1 r2 t2 0 r Qdr假定：圓筒壁材質(zhì)均勻，熱導(dǎo)率為常數(shù)；a) 溫度只沿半徑方向變化，等溫面為同心圓柱面，一維穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)；單層圓筒壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)單層圓筒壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)圖中，Q 熱流量或傳熱速率,W或J/s； 導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m)或W/(mK)；t1,t2 圓筒壁兩側(cè)的溫度,；r1,r2 圓筒壁內(nèi)外半徑,m。rbdt10對(duì)于dr同心薄層圓筒，傳熱速率為rtrlrtAQdd2ddrrtt22時(shí)，rrtt11時(shí)，邊界條件： 12122112121221ln)(ln)()(2AAbAAttrrrrrrttlQ積分導(dǎo)出，圓筒壁導(dǎo)熱速率方程式為：熱阻推動(dòng)力RtAbttm)(21

5、AAAAAm2121ln/對(duì)數(shù)平均面積：11ThmTcmL1ThwL212TCW對(duì)流傳熱的溫度分布ThmTcmL1ThwL212TCWThmTcmL1ThwL212TCW對(duì)流傳熱的溫度分布對(duì)流傳熱過程對(duì)流傳熱過程間壁：間壁：導(dǎo)熱，熱阻大，溫差大。層流底層：層流底層：導(dǎo)熱，熱阻大，溫差大。湍流核心：湍流核心：對(duì)流，熱阻很小，溫差很小。過渡區(qū)域：過渡區(qū)域：介于層流底層和湍流核心之間。熱流體冷流體3、對(duì)流傳熱、對(duì)流傳熱12對(duì)流傳熱速率方程對(duì)流傳熱速率方程牛頓冷卻公式牛頓冷卻公式：式中 Q 對(duì)流傳熱速率，W； 對(duì)流傳熱系數(shù)，W/(m2)； t對(duì)流傳熱溫度差，； A 傳熱面積，m2。tQA t1A 推動(dòng)

6、力熱阻的求解是關(guān)鍵，通過對(duì)流傳熱的特征關(guān)系式求解。又稱管殼式換熱器，工業(yè)上廣泛使用。傳熱面為殼內(nèi)所有管束壁內(nèi)外表面積。主要部件：封頭、管板、管束、折流擋板、外殼管殼式換熱器示意圖：管程：流體在同一組管束中的流程。殼程：流體在殼體中沿某一方向的流程。式中，K總傳熱系數(shù)，W/(m2)或W/(m2K)； Q總傳熱速率，W或J/s； A總傳熱面積，m2； tm兩流體的平均溫差，或K。 冷熱兩流體通過間壁傳熱過程，其總傳熱速率冷熱兩流體通過間壁傳熱過程，其總傳熱速率Q與傳熱面積與傳熱面積A和兩流體溫度差和兩流體溫度差 成正比。成正比。mm1/tQKA tKA總傳熱推動(dòng)力總熱阻tm即總傳熱速率方程式：即總

7、傳熱速率方程式：15一、一、熱量衡算熱量衡算1mq2mq圖中， 熱、冷流體的質(zhì)量流量，kg/s； cp1,cp2 熱、冷流體的比熱容， J/(Kg ) ； h1,h2 冷流體的進(jìn)、出口焓，J/kg； H1,H2 熱流體的進(jìn)、出口焓， J/kg 。 1mq2mq熱流體G1, T1,cp1,H1T2 H2冷流體G2, t2,cp2,h1t2 h2列管換熱器16若流體均無相變，且流體比熱容cp不隨溫度變化。此時(shí)，熱量衡算式：12122112ppmmQqqCCttT T假設(shè)，傳熱過程無熱損失：熱量衡算式：122112mmQqqhhHH=Q QQ吸放17一、恒溫傳熱：一、恒溫傳熱：二、變溫傳熱：二、變溫

8、傳熱：二、求傳熱平均溫度差二、求傳熱平均溫度差飽和蒸汽-液體沸騰mtTt兩側(cè)流體溫度沿傳熱面無變化。一側(cè)或兩側(cè)流體沿傳熱面的不同位置溫度不同。三、流體流動(dòng)方式：三、流體流動(dòng)方式：逆流：冷熱流體沿傳熱面兩側(cè)流向相反。順流：冷熱流體沿傳熱面兩側(cè)流向相同。錯(cuò)流：兩流體垂直交叉流動(dòng)。折流：一側(cè)流體只沿一個(gè)方向流動(dòng)，另一側(cè)流體反復(fù)改變流向來回折返流動(dòng)。181、逆流和并流逆流和并流時(shí)的時(shí)的tmt2t1T1T2t1t2T1T2逆流逆流并流并流211tTt122tTt111tTt222tTt2121lntttttm傳熱平均溫差：注意： 較大溫差記為t1，較小溫差記為t2；當(dāng) 2時(shí)，tt212ttt21m19m

9、mtt1221ttTTR冷流體溫升熱流體溫降1112tTttP兩流體初溫差冷流體溫升mt：逆流時(shí)的平均溫度差：逆流時(shí)的平均溫度差2、錯(cuò)流、折流時(shí)的、錯(cuò)流、折流時(shí)的mt溫度校正系數(shù)是輔助量P、R的函數(shù)，即注意：校正系數(shù)應(yīng)至少不小于0.8。( ,f P R）c)固體壁面另一側(cè) 冷流體b)固體壁面一側(cè) 另一側(cè)20 t2dAT1t1 T2對(duì)于微元段dA，三、總傳熱系數(shù)三、總傳熱系數(shù)冷流體twTw對(duì)流對(duì)流導(dǎo)熱熱流體tTQa)熱流體 固體壁面一側(cè)微元段溫度分布：1d Q對(duì) 流3dQ對(duì) 流2dQ熱傳導(dǎo)111111d = ()wwQT T dA T TdA 322221d=()wwQtt dAttdA2d =

10、 ()wmwwwmbQt dAtdAbTT21221122111111dAdAbdAtTdAttdAbtTdATTdQmwmwww2211111dAdAbdAKdAm式中 K總傳熱系數(shù)，W/(m2K)。KdAtTdQ1穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)時(shí)，沿同一熱流方向上，傳熱速率為定值，故123dQdQdQdQ22污垢熱阻污垢熱阻 式中 ， R1、R2傳熱面兩側(cè)的污垢熱阻，m2K/W。以傳熱面dA1為基準(zhǔn)(dA=dA1): 傳熱表面常有污垢積存，其熱阻一般不可忽視。工程上一般根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選用污垢熱阻。以傳熱面A1為基準(zhǔn)：111122111mddbKdd以傳熱面dA2為基準(zhǔn)(dA=dA2): 以傳熱面dAm為基準(zhǔn)(dA=

11、dAm): 222112111mddbKddmmm1122111ddbKdd1111211222111mdddbRRKddd1. 根據(jù)工藝要求，計(jì)算熱負(fù)荷根據(jù)工藝要求，計(jì)算熱負(fù)荷Q；2. 初選流動(dòng)方式，盡可能保證逆流或接近逆流，初選流動(dòng)方式，盡可能保證逆流或接近逆流，計(jì)算平均溫度差計(jì)算平均溫度差 tm。3. 依據(jù)經(jīng)驗(yàn)范圍選取總傳熱系數(shù)依據(jù)經(jīng)驗(yàn)范圍選取總傳熱系數(shù)K估估，估算總，估算總傳熱面積傳熱面積A估估=Q/ K估估 tm。4. 確定流體流經(jīng)管程或殼程，選定管程流速確定流體流經(jīng)管程或殼程，選定管程流速u1； 先按單殼程多管程的計(jì)算，如果0.8，應(yīng)增加殼程數(shù)； 由流速u1和流量qm1估算單管程的管子根數(shù)n，由n和A估估來估算管子長度L，選擇合適管長及管程數(shù)再由系列標(biāo)準(zhǔn)選適當(dāng)型號(hào)的換熱器。5. 核算總傳熱系數(shù)核算總傳熱系數(shù)K； 分別計(jì)算管程和殼程的，確定污垢熱阻Rd，求出K，與選取的K估比