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熱交換器原理與設(shè)計 （第6版） 史美中 王中錚,PPT編制：李新國 天津大學(xué)機(jī)械學(xué)院 熱能系,按熱量傳遞方式分：,換熱器分類與型式,1 換熱器的定義：將某種流體的熱量以一定的傳熱方式傳遞給他種流體的設(shè)備。 2 換熱器的分類：,按兩種流體的相對流動方向分： 順流、逆流、順逆混合流、交叉流,按用途分： 1. 加熱器： 2. 預(yù)熱器：3. 過熱器： 4. 冷卻器： 5. 蒸發(fā)器： 6. 冷凝器：7. 再沸器：,用于把流體加熱到所需的溫度。 用于流體的預(yù)熱，以提高整套工藝 裝置的效率。 用于加熱飽和蒸汽，使其達(dá)到過熱狀態(tài)。 用于冷卻流體，使其達(dá)到所需溫度。 用于加熱液體，使其蒸發(fā)汽化。 用于冷卻凝結(jié)性飽和蒸汽，使其放出 潛熱而凝結(jié)液化。 用于加熱已被冷凝的液體，使其再受熱 汽化。為蒸餾過程專用設(shè)備。,1. 間壁式換熱器（表面式換熱器、間接式換熱器）冷、熱流體被固體壁面隔開， 互不接觸，熱量由熱流體通過 壁面?zhèn)鬟f給冷流體。 形式多樣，應(yīng)用廣泛。 適于冷、熱流體不允許混和的場合。 如各種管殼式、板式結(jié)構(gòu)的換熱器。,按熱量傳遞方式分：,2. 混合式換熱器 (直接接觸式)冷、熱流體直接接觸，相互混合傳遞熱量。 特點：結(jié)構(gòu)簡單，傳熱效率高。 適于冷、熱流體允許混合的場合。 如冷卻塔、噴射式等。,3. 蓄熱式換熱器(回流式換熱器、 蓄熱器)借助于熱容量較大的固體蓄熱體，將熱量由熱流體傳給冷流體。有固體壁面，兩流體并非同時，而是輪流與壁面接觸。當(dāng)與熱流體接觸，蓄熱體接受熱量，溫度升高；與冷流體接觸，將熱量傳給冷流體，蓄熱體溫度下降，達(dá)到換熱目的。特點：結(jié)構(gòu)簡單，可耐高溫，體積龐大，不能完全避免兩種流體的混和。適于高溫氣體熱量的回收或冷卻。如回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器。,1. 金屬材料換熱器常用的材料有碳鋼、合金鋼、銅及銅合金、鋁及鋁合金、鈦及鈦合金等。因金屬材料導(dǎo)熱系數(shù)大，故此類換熱器的傳熱效率高。 2. 非金屬材料換熱器常用的材料有石墨、玻璃、塑料、陶瓷等。因非金屬材料導(dǎo)熱系數(shù)較小，故此類換熱器的傳熱效率較低。常用于具有腐蝕性的物系。,按材料分：,1. 管式換熱器通過管子壁面進(jìn)行傳熱的換熱器。按傳熱管結(jié)構(gòu)形式可分為管殼式換熱器、蛇管式換熱器、套管式換熱器、翅片式換熱器等。 2. 板式換熱器通過板面進(jìn)行傳熱的換熱器。按傳熱板的結(jié)構(gòu)形式可分為平板式、螺旋板式、板翅式等。 3. 特殊形式換熱器根據(jù)工藝特殊要求而設(shè)計的具有特殊結(jié)構(gòu)的換熱器。如回轉(zhuǎn)式、熱管式換熱器等。,按傳熱面形狀和結(jié)構(gòu)分,管殼式換熱器的外形,內(nèi)部構(gòu)造,管殼式換熱器端部流程安排,多流程焊接式換熱器,,1 熱交換器熱計算基本原理,設(shè)計性計算,校核性計算,設(shè)計新?lián)Q熱器，確定其面積。但同樣大小的傳熱面積可采用不同的構(gòu)造尺寸，而不同的構(gòu)造尺寸會影響換熱系數(shù)，故一般與結(jié)構(gòu)計算交叉進(jìn)行。,針對現(xiàn)有換熱器，確定流體的進(jìn)出口溫度。了解其在非設(shè)計工況下的性能變化，判斷其是否能滿足新的工藝要求。,,熱(力)計算是換熱器設(shè)計的基礎(chǔ) 以間壁式換熱器為基礎(chǔ)介紹換熱器的熱（力）計算，其他形式的換熱器計算方法相同。,,1.1 熱計算基本方程,1. 傳熱方程： Q = k·F·ΔtmQ = k·Δt·dF,2.熱平衡方程,,熱容量： W = M·CQ = W1 · Δt1 =W2 · Δt2,(W/℃),平行流：順流和逆流,順流 逆流,對順、逆流的傳熱溫差分析，作如下假設(shè)： 1. 冷熱流體的質(zhì)量流量和比熱保持定值； 2. 傳熱系數(shù)是常數(shù)； 3. 熱交換器沒有熱損失； 4. 沿流動方向的導(dǎo)熱量可以忽略不計； 5. 同一種流體從進(jìn)口到出口，不能既有相變又有單相對流換熱。要計算整個換熱的平均溫差，首先需要知道溫差隨換熱面的變化，即 Δtx= f(Fx)，然后再沿整個換熱面積進(jìn)行平均。,1.2 平均溫差,1.2.1 流體的溫度分布,1.2.2 順流、逆流下的平均溫差,以順流為例：已知冷熱流體的進(jìn)出口溫度，針對微元換熱面dF一段的傳熱，溫差為：Δt=t1 – t2 → dΔt=dt1 – dt2通過微元面dF，兩流體的換熱量為:dQ=k·Δt·dF 分別對熱流體與冷流體:,熱流體：,冷流體：,對逆流： Δt = t1 – t2 → dΔt = dt1 – dt2 dQ = k·Δt·dF,熱流體：,冷流體：,+：順流 -：逆流,,,,,,+：順流 -：逆流,當(dāng) Fx = F 時，Δtx =Δt“,順流與逆流的區(qū)別： 順流： 逆流：,將對數(shù)平均溫差寫成統(tǒng)一形式(順/逆流都適用),當(dāng) 時，兩者的差別小于4％； 當(dāng) 時，兩者的差別小于2.3％。,算術(shù)平均溫差 平均溫差另一種更為簡單的形式是 算術(shù)平均溫差，即：,(a) 兩種流體不混合 (b) 一種流體混合，另一種不混合 圖1.4 錯流熱交換器,實際換熱器一般處于順流和逆流之間，更多的是多流程、錯流的復(fù)雜流動。,1.2.3 其它流動方式下的平均溫差,板式,板翅式,管翅式,對這種復(fù)雜流動，數(shù)學(xué)推導(dǎo)將非常復(fù)雜?？梢栽诩兡媪鞯膶?shù)平均溫差基礎(chǔ)上進(jìn)行修正，以獲得其它流動方式的平均溫差。Δtm = ? Δtlm,c 系數(shù) ? 稱為溫差修正系數(shù)，它表明流動方式接近逆流的程度。 Δtlm,c 是給定冷、熱流體的進(jìn)出口溫度布置成逆流時的平均溫差。,關(guān)于?： （1）定義無量綱參數(shù) P 和 R,（2）P的物理意義：冷流體的實際溫升與理論所能達(dá)到的最大溫升之比（ 1） （3）R的物理意義：兩種流體的熱容量之比。,? =f (P、R),P’ = P · R R’ = 1/R,→ 溫度效率,(1.22),1) 熱流體在管外為一個流程，冷流體在管內(nèi)先逆后順兩個流程型熱交換器,先順后逆型適用； 并且型也可近似使用,型熱交換器 ψ 的計算 熱平衡：W1(t′1 – t″1) =W2(t″2 – t′2) (a) x=x到x=L段的熱平衡：W1(t′1 – t1) =W2(t2b – t2a) (b) 微元段dx內(nèi)，設(shè)熱流體放熱量dQ1，冷流體第一 流程吸熱量dQ′2，第二流程吸熱量dQ″2，則：dQ1=W1dt1；dQ′2=W2dt2；dQ″2= –W2dt2b 故： W1dt1 =W2 (dt2a – dt2b) (c),若整以S表示每一流程中單位長度上的 傳熱面積，則：W2dt2a =KS(t1 – t2a)dx (d)W2dt2b = –KS(t1 – t2b)dx (e) 將式(d)、(e)代入式(c)得:,,(f),將此式對x微分，則:,,(g),將式(d)、(e)代入式(g)：(h) 將式(b)代入式(h)并整理：(i) 此為殼側(cè)流體溫度沿流動方向的微分方程。 為求解此式，引入新變量：Z = t′1 – t1 (j) t′1為熱流體起始溫度，看作常量，(i)式變成：(k),,,,此為二階齊次線性常微分方程，設(shè)其解為：Z=emx (l) 代入式(k)中，則為(m) 解此一元二次方程，可得到m的兩個解：(1.17)式中：,,,,因此，由式(l)可得式(k)的通解：(n) 待定常數(shù)Ma、Mb可由邊界條件確定x=0時 t1 =t″1 或 Z=t′1 – t″1x=L時 t1 =t′1 或 Z=0 將其代入式(n)中，可求出待定常數(shù)：(p) 將式(p)代入(n)，則：,,,,(q),式(q)表示了殼側(cè)流體溫度沿距離x的變化規(guī)律。 若對式(n) x求導(dǎo)，可得殼側(cè)流體溫度的變化率：(r) 將式(f)代入式(r)，考慮到邊界條件：x=0時，t1 =t″1，t2a =t′2，t2b =t″2 則：(s) 將式(1.17)、(p)確定的ma、mb及Ma、Mb代入式(s)：,,,,(t),整理得:(1.18) 同除以exp(mbL)，得到：(u) 根據(jù)式(1.17)，有：(v) 對熱交換器，結(jié)合傳熱方程和熱平衡方程：2KSLΔtm=W1(t′1 – t″1) 其中2SL=F為傳熱面積，所以：(w),,,,由式(u)、(v)，得：(x) 將式(x)代入式(w)，并考慮到:(y) 整理，得到平均溫差的公式：(1.19),,,,由輔助函數(shù)P、R，將上式(1.19)改寫成：,(1.20),使式(1.20)與(1.21)相等，整理得：,,(1.22),可見，該流動方式的平均溫差可直接用式(1.19)、 (1.20)計算，或用式(1.13)計算，其中的ψ值則用 式(1.22)算出。 對先順流后逆流，式(1.22)也是適用的。,由式(1.13)及(1.16)，有：,(1.21),2) 兩種流體中只有一種流體有橫向混合的錯流式熱交換器,(1.24),圖1.8 型熱交換器的ψ值,圖1.9 一個流程順流，兩個流程逆流的熱交換器的ψ值,圖1.10 一個流程逆流，兩個流程順流的熱交換器的ψ值,圖1.11 〈2–4〉型熱交換器的ψ值,圖1.12 串聯(lián)混合流型熱交換器的ψ值,圖1.13 只有一種流體有橫向混合的一次錯流熱交換器的ψ值,圖1.14 兩種流體均無橫向混合的一次錯流熱交換器的ψ值,1.2.4 流體比熱或傳熱系數(shù)變化時的平均溫差,圖 1.15 Q – t 圖,Q =M C dt,各段傳熱面： ΔFi =Δqi / Ki Δti，所以總傳熱面：(a)又： (b) 使式(a)和(b)相等，并假定各段的傳熱系數(shù)相同， 可得總的平均溫差，即積分平均溫差 (Δtm)int ：(Δtm)int = (1.27),[例1.1] 有一蒸汽加熱空氣的熱交換器，它將質(zhì)量流量為21600kg/h的空氣從10℃加熱到50 ℃。空氣與蒸汽逆流，其比熱為1.02kJ/(kg℃)，加熱蒸汽系壓力P=0.2MPa，溫度為140 ℃的蒸汽，在熱交換器中被冷卻為該壓力下的飽和水。試求其平均溫差。 [解] 由水蒸氣的熱力性質(zhì)表查的蒸汽有關(guān)狀態(tài)參數(shù)為：飽和溫度 ts =120.23 ℃；飽和蒸汽焓 i″=2707 kJ/kg過熱蒸汽焓 i=2749kJ/kg ；汽化潛熱 r=2202 kJ/kg于是可算出整個熱交換器的傳熱量：,從熱平衡關(guān)系求蒸汽耗量M1：,熱交換器中存在冷卻和冷凝段，分為兩段計算，如圖1.16所示。 過熱蒸汽的冷卻段放出的熱量：,冷凝段，則為：,求兩分段分界處的空氣溫度 ta：,圖 1.16,冷卻段之平均溫差：,可見，由于過熱度不是很大，過熱蒸汽的冷卻段在整個熱交換器中所起的作用不是很大，因而即使以冷凝段的參數(shù)來計算，其誤差也很小。,冷凝段之平均溫差：,總平均溫差：,作業(yè)：按圖中所給定參數(shù)，其中制冷劑流量1kg/s，分段計算冷凝器的對數(shù)平均溫差和總的對數(shù)平均溫差。,1.3.1 傳熱有效度的定義 傳熱有效度基于如下思想：當(dāng)換熱器無限長， 對逆流換熱器，則會發(fā)生如下情況：,a. 當(dāng) W1≤W2時，t1″→=t2′ 則：Qmax= W1 (t1′–t2′) b. 當(dāng) W2≤W1時，t2″→=t1′ 則：Qmax= W2 (t1′–t2′)于是有：Qmax= Wmin (t1′–t2′),1.3 傳熱有效度 “傳熱學(xué)”中的效能–傳熱單元數(shù)方法,但實際傳熱量 Q 總是小于可能的最大傳熱量Qmax， 將Q /Qmax定義為傳熱有效度，并用 ? 表示，即：,換熱器效能 ? 定義：換熱器的實際傳熱量與理論上最大可能的傳熱量之比。 如已知? ，則實際傳熱量為：Q = ? Wmin (t1′ – t2′),W1≤W2,W2≤W1,式①， ②相加：,①,②,1.3.2 順流和逆流時的傳熱有效度,根據(jù)熱平衡：,即：,假設(shè)： W1≤W2,,,順流,,代入,兩個公式合并，得：,當(dāng) W2≤W1時，同樣的推導(dǎo)過程可得：,定義傳熱單元數(shù)NTU (Number of Transfer Unit),則順流時：,同理可推導(dǎo)逆流：,逆流：,順流：,◆當(dāng)冷熱流體之一發(fā)生相變，或相當(dāng)于 Wmax→ ∞ ，即 Rc =Wmin /Wmax→ 0，效能公式可簡化為：? =1–exp(-NTU),◆當(dāng)兩種流體的熱容相等，即： Rc =Wmin /Wmax =1? 公式可以簡化為：,順流：,逆流：,羅必塔法則,圖1.18 順流熱交換器的? 圖1.19 逆流熱交換器的?,效能-傳熱單元數(shù)關(guān)系 ? —NTU： 效能? 一般均隨NTU的增大而增大，但有的達(dá)到一定NTU后趨于飽和。過分增大換熱器面積沒有意義。 效能 ? 隨 R 的減小而增加。 R 為零時，所有的曲線相同。 逆流換熱優(yōu)于順流。,設(shè)計計算:根據(jù)能量守恒關(guān)系求出未知出口溫度；初選流道布置方案并計算兩側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)和總傳熱系數(shù)；求換熱器效能 ? 及 R；求出NTU，進(jìn)而得到換熱面積；若與初選面積不同，修改布局重新計算。,? —NTU方法的應(yīng)用,校核計算:根據(jù)已知傳熱面積、總傳熱系數(shù)和較小側(cè)熱容W 可直接求出NTU值；由 R 和NTU 值，選取相應(yīng)的公式或曲線求得換熱器效能 ?；由? 求出小W 流體的出口溫度，再由能量守恒得到另一出口溫度。,【例1.3 】溫度為99℃的熱水進(jìn)入一個逆流交換器，將4℃的冷水加熱到32℃。熱水流量為9360kg/h，冷水流量為4680kg/h，傳熱系數(shù)為830W/(m2·℃)，試計算該熱交換器的傳熱面積和傳熱有效度。 解：按題意可將溫度工況示意如下：t1′ =99 ℃ 熱水 t1″ =?t2″ =32 ℃ 冷水 t2′ =4℃ 熱水熱容量 W1=9360/3600×4186=10883.6 W/℃ 冷水熱容量 W2=4680/3600×4186=5441.8 W/℃ 因而 W1= Wmax， W2=Wmin 熱平衡關(guān)系 10883.6×(99 – t1″) =5441.8×(32 – 4) 故： t1″ = 85℃而 Rc =W2 /W1=5441.8/10883.6=0.5,,所需傳熱面積仍為： F=5441.8×28/830×73.8=2.49 m2 若用熱流體的溫度效率計算 ε、Rc、NTU三值時，可得：ε1=0.147， Rc1=2， NTU1=0.19，而F仍為2.49m2。,例 在一傳熱面積為15.8m2的逆流套管換熱器中，用油加熱冷水。油的流量為2.85kg/s，進(jìn)口溫度為110℃；水的流量為0.667kg/s，進(jìn)口溫度為35℃。油和水的平均比熱分別為1.9kJ/(kg·℃)及4.187kJ/(kg·℃)。換熱器的總傳熱系數(shù)為320W/(m2·℃)。求水的出口溫度。 解：W1 =M1C1 =2.85×1900=5415 W/℃W2 =M2C2 =0.667×4180=2788 W/℃ 故冷流體水為最小值流體，則：Rc =Wmin / Wmax=2788/5415=0.515 NTU=KF/Wmin =320×15.8/2788 =1.8,型熱交換器 該型熱交換器的傳熱有效度可直接按式 (1.18) 作進(jìn)一步分析：S為每一流程單位長度上的傳熱面積，故：假定熱流體是小熱容量流體，故：,,,,1.3.3 其他流動方式時的傳熱有效度,,(a),,,(b),將其代入式(1.18)，得：,令 ，則式(a) 之左等于：,,,(c),,,(1.42),式(a) 之右，由于：,故：,式(a)簡化：,得到：,〈1－2n〉型,圖1.20 型熱交換器的ε 圖1.22 型熱交換器的ε,〈2－4n〉,(a) 兩種流體都不混合 (b) 一種流體混合，另一種流體不混合 圖1.4 錯流熱交換器,圖1.24 二次錯流 圖1.25 三次錯流,無混合的錯流 ε =1–exp[Rc(NTU)0.2{exp[-Rc(NTU)0.78]–1}] (1.45),有混合的1次錯流,有混合的2次錯流,有混合的3次錯流,(1.43),(1.46),(1.47),圖1.23兩種流體都不混合的錯流熱交換器? 圖1.21兩種流體中僅有一種混合的錯流熱交換器?,【例1.4】有一管式空氣換熱器，煙氣流過管內(nèi)，在管程間有橫向混合，如圖1.26所示，已知其傳熱面積 F=1353 m2，傳熱系數(shù) K=14W/(m2·℃)，煙氣熱容量 W1=14460W/℃，進(jìn)口溫度 t1′=465℃，空氣熱容量W2=10540W/℃，進(jìn)口溫度 t2′=135℃，求煙氣及空氣的出口溫度。 解：傳熱單元數(shù)： NTU=KF/Wmin=14×1353/10540=1.8 熱容量比：Rc=Wmin /Wmax=10540/14460=0.729 分傳熱單元數(shù) (NTU) =1/2×NTU=1/2×1.8=0.9 查與本題相應(yīng)的一次錯流的線圖1.21，得 ε 1=0.485于是可利用式（1.46）計算總的傳熱有效度：,空氣出口溫度： t2″= t2′ + ε (t1′ – t2′) =135+0.68?(465–135)=359.4 ℃ 由熱平衡可求出煙氣出口溫度： t1″=t1′ – Rc (t2″– t2′) =465–0.729?(359.4–135)=301.4 ℃,,t1′,t2′,t2″,t1″,圖1.26 例1.4附圖,1.4 熱交換器熱計算方法的比較★傳熱方程：Q = KFΔtm = K·F· f(t1′，t1″，t2′，t2″)★熱平衡方程：Q = W1(t1′ – t1″) = W2(t2″ – t2′)共七個基本量：(KF)，W1，W2，t1′，t1″，t2′，t2″必須事先給出五個才能進(jìn)行計算。采用平均溫差法或傳熱單元數(shù)法都可得到相同的結(jié)果，但具體步驟有所不同。 ◇設(shè)計性熱計算，平均溫差法和傳熱單元數(shù)法在繁簡程度上沒有多大差別。但平均溫差法，通過ψ大小可判斷流動方式與逆流之間的差距，有利于流動型式的比較。 ◇校核性熱計算，兩種方法都要試算。某些情況下，K已知時，采用傳熱單元數(shù)法更加方便。 ◇設(shè)計性熱計算，最好采用平均溫差法；校核性熱計算，傳熱單元數(shù)法能顯出更大的優(yōu)越性。,1.5 流體流動方式的選擇1) 在給定的溫度工況下，保證獲得較大的平均溫差，以減小傳熱面積。 2) 使流體本身的溫度變化 (Δt1 或Δt2 ) 盡可能大，使流體的熱量得到合理利用，并可節(jié)省泵或風(fēng)機(jī)的投資與能量消耗。 3) 盡可能使傳熱面的溫度比較均勻，并使其在較低的溫度下工作。 4) 應(yīng)有最好的傳熱工況，以便得到較高的傳熱系數(shù)，起到減小傳熱面積的作用。,1.5.1 順流和逆流順流和逆流是兩種極端情況，在相同的進(jìn)出口溫度下， 逆流的Δtm 最大，順流則最?。黄渌橛陧?、逆流之間。逆流時，冷流體 t2″ 則可能 大于 熱流體 t1″ ；順流時 t2″ t1″ ，因此逆流時冷、熱流體的溫度變化Δt 可以比較大。,不能片面追求高的Δt，高的Δt使熱交換器兩端溫差 Δt′ 和Δt″有所降低，使平均溫差 Δtm有相當(dāng)程度的降低。 (3) 是不是所有的換熱器都設(shè)計成逆流形式最好？NO！如逆流時冷、熱流體的最高溫度均出現(xiàn)在換熱器的同一側(cè)，使得該處的壁溫特別高。 (4) 對有相變的換熱，如蒸發(fā)器和冷凝器，發(fā)生相變的流體溫度不變，所以不存在順流與逆流的問題。,1.5.2 混流和錯流 ? 混流和錯流的平均溫差介于順流和逆流之間。 ? 混流或錯流的選擇也不是完全從熱工角度出發(fā)，更多的是由結(jié)構(gòu)所決定。 ? 為了獲取最大的熱回收量，冷流體終溫 t2″ 必須盡可能的高。 ? 趨近溫度：t1″ – t2″ ? 溫度交叉：t2″ t1″,圖1.28 型與型熱交換器中的溫度分布,表1.2 不同情況下的 ψ 值,型 Ψ=0.928,增加管程和殼程,t1′,t1″,t2′,t2″,