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1、换热器的设计,魏高升,动力工程系工程热物理教研室 传热传质研究所 办公：教4楼C209房间电话：80798627，51971318Email：,参考书1.换热器原理与设计，余建祖 编著，北京航空航天大学出版社，20052.换热器，秦叔经，叶文邦等编，北京-化学业出版社 2003 3.电站锅炉空气预热器，国家电力公司电力机械局编，中国电力出版社，2002 4.换热器设计，毛希澜主编，上海科学技术出版社 1988 5.发电厂空冷技术，丁尔谋主编，水利电力出版社，19886.传热学第四版，杨世铭、陶文铨 编著，高等教育出版社，2006年,第一章 绪 论,换热器,换热器广泛应用于广泛应用于化工、能源、
2、机械、交通、制冷空调、航空航天以及日常生活等各个领域。,换热器不仅是保证某些工艺流程和条件而广泛采用的设备，也是开发利用工业二次能源，实现余热回收和节能利用的主要设备。,换热器也称热交换器，是把热量从一种介质传给另一种介质的设备,1.换热器的分类,按照换热器的工作原理分类 间壁式 混合式（直接接触式）回热式（蓄热式）,混合式（直接接触式）：换热器内冷、热流体直接接触、互相混合来实现热量交换。典型应用：电厂中的水冷塔 海勒式间接空冷凝汽器,蓄热式：冷、热两种流体依次交替地流过换热器的同一换热面（蓄热体）实现非稳态的热量交换。,优点：结构紧凑，以单位传热面积计算，价格比较便宜。不存在永久性的流动停
3、止区域，因此表面具有自清扫功能；缺点：主要是泄漏和携带，还存在密封困难等问题。,间壁式(表面式换热器)：其中冷热流体被一个固体壁面隔开，热量通过固体壁面传递。这种换热器要发生热流体与壁面间的对流换热、壁的导热、壁面与冷流体间的对流换热三个环节组成的传热过程。,在以上三种类型的换热器中间壁式换热器的用量最大，是占主导地位的换热器型式。,套管式换热器示意图,间壁式换热器的主要型式：,（1）套管式换热器,特点：结构简单、牢固可靠、可串并联使用，传热面积有限，传热量小。,（2）管壳式换热器,由管子和外壳构成。,2壳程、4管程换热器,管壳式换热器结构牢固可靠、耐高温高压。,（3）肋片管式换热器,由带肋片
4、的管束构成的换热装置。,肋片管式换热器适用于管内液体和管外气体之间的换热，且两侧表面传热系数相差较大的场合。,（4）板翅式换热器,由金属板和波纹板形翅片层叠、交错焊接而成。,板翅式换热器结构紧凑、传热系数高。,（5）板式换热器,由若干片压制成型的波纹状金属板叠加而成。,板式换热器传热系数高、阻力相对较小、结构紧凑。,（6）螺旋板式换热器,由两块金属板卷制而成。,螺旋板式换热器传热性能较好、制造工艺简单，但承压、密封性能较差。,（7）热管式换热器,由多根热管构成。,热管式换热器具有较高的传热性能，但热管的制造工艺较复杂，热管的密封性、寿命问题需重点考虑。,间壁式换热器中冷、热流体的相对流动方向,
5、在冷、热流体进口温度相同、流量相同、换热面面积相同的情况下，流动型式影响冷、热流体的出口温度、换热温差、换热量以及换热器内的温度分布。,2 换热器设计概述,2.1换热器的合理设计要求,在给定的工作条件（流体流量，进口温度等）下，达到要求的传热量和流体出口温度。流体压降要小，以减少运行中的能量消耗；满足外形尺寸和重量的要求；安全可靠，满足最高工作压力、工作温度以及防腐、防漏、工作寿命等方面的要求；制造工艺切实可行，选材合理且来源有保证，以减少初投资；安装、运输以及维护方便等,2.2换热器的设计过程,换热器设计指标,第二章 换热器的传热及阻力计算,一、基本参数和方程,2.1 换热器的传热计算的基本
6、参数,流体1的放热热流量,换热器的传热热流量,流体2的吸热热流量,二、换热器的传热热阻,换热器的污垢热阻,k0、k 分别为结垢前后的传热系数,Ko为以管外壁面积为基准计算的传热系数。,间壁式换热器的总传热热阻,热流体侧对流换热热阻,间壁的导热热阻,污垢热阻,冷流体侧对流换热热阻,流体与洁净肋片间的对流换热热阻,典型间壁的传热热阻,平壁,圆管壁,圆管壁外侧带肋片,平壁两侧带肋片,几种常见扩展表面的肋片效率：,对于等截面直肋：,肋片效率的影响因素：,等厚度环肋：（工程上常用的，简化的）,管束外整体肋（制冷装置的蒸发器，空冷凝汽器）,顺排（矩形肋片）：,叉排，三角形（六边形肋）：,三、对数平均温差,
7、顺流与逆流的比较：,（1）顺流时冷流体的终温永远低于热流体的终温，而逆流时冷流体的终温可以超过热流体的终温；,（2）计算证明，当冷、热流体进出口温度相同时，逆流的平均温差大于顺流；,（3）逆流时换热面的温度变化大，容易造成热应力破坏；,对于如图所示的简单多程交叉流，只要折流一方的折流次数多于4次，就可以按纯逆流或纯顺流来计算。,为冷、热流体进、出口温度相同情况下逆流时的对数平均温差；为小于1的修正系数，,其它复杂布置时换热器平均传热温差的计算,对于复杂的多程交叉流,壳侧1程，管侧2，4，6，程时的温差修正系数,壳侧2程，管侧4，8，12，程时的温差修正系数,交叉流，两侧流体都不混合时的温差修正
8、系数,交叉流，一侧混合、一侧不混合时的温差修正系数,几点说明：,（1）图的下半部，尤其R较大时，曲线几乎竖直，查图误差较大，这时可用PR 代替P，1/R代替R查图。对任意一台换热器，都有f(P,R)=f(PR,1/R)，这称为换热器的互易性规则。,（2）若有一侧发生相变，P、R中必有一个等于零，此时=1。,（3）冷、热流体走管侧还是壳側不影响修正系数，即不影响传热温差。,分别指出（a)、(b)两组图中的两个图哪个正确。,2.2 换热器传热计算的基本方法,换热器的热计算分为两种类型：,(1)设计计算：根据换热条件和要求，设计一台新换热器，为此需要确定换热器的类型、结构及换热面积。,换热器计算的两
9、种方法：,1.平均温差法；,2.效能-传热单元数法。,(2)校核计算：核算已有换热器能否满足换热要求，一般需要计算流体的出口温度、换热量及流动阻力等。,1.换热器传热计算的平均温差法：,（1）设计计算：,根据生产任务的要求，给定冷、热流体的质量流量 和4个进、出口温度中的3个，需确定换热器的型式、结构，计算传热系数k、换热面积A、流动阻力及结构强度等。,换热器传热计算的基本公式：,3个方程有8个独立变量，只要知道其中5个变量，可求其它3个。,设计计算步骤：,(a)根据给定的换热条件，如流体性质、流量、温度和压力范围等，选择换热器类型，布置换热面，计算换热面两侧的表面传热系数 及总传热系数k；,
10、(b)根据给定条件，由式,求出未知的进、出口温度，并求出换热量；,(c)由4个进出口温度及流动型式求平均温差；,(d)由式 求出所需的换热面积A，如与初选换热面积不一致，则需重新布置换热面;,(e)计算换热器的流动阻力，如果阻力过大，会加大设备的投资和运行费用，须改变方案，重新设计。,(2)校核计算：,已知已有换热器的换热面积A、两侧流体的质量流量、进口温度 等5个参数，须计算热、冷流体的出口温度 和换热量。,计算步骤：,(a)先假设一个流体的出口温度用热平衡方程式求出换热量 和另一个流体的出口温度；,(b)根据流体的4个进、出口温度求平均温差；,(c)计算换热面两侧的表面传热系数，进而求得传
11、热系数 k；,(d)由式 求出换热量;,(e)比较 与，如果相差较大,再重新假设流体出口温度，重复上述计算，直到满意为止。,一台逆流式换热器刚投入工作时的运行参数如下：热流体的质量流量与比热容的乘积 W/K，热流体的进、出口温度分别为、，冷流体的进、出口温度分别为、，传热系数k=800 W/m2K。运行一年后发现，在、及、保持不变的情况下，由于结垢使得冷流体只能被加热到 oC，试计算：（1）结垢后热流体的出口温度；（2）结垢后换热器的传热系数；（3）换热器单位面积的污垢热阻。,解：（1）如果忽略换热器的散热损失，根据冷、热流体的热平衡，,解得,结垢后的传热量为,解得,（2）结垢前的对数平均温差
12、,结垢后的对数平均温差,结垢前,结垢后,结垢后的传热系数,（3）结垢后换热器单位面积的污垢热阻,结垢后换热器总污垢热阻,2.效能 传热单元数方法,效能传热单元数方法（EffectivenessNumber of Transfer Units method），简写为-NTU方法。,（1）基本定义,换热器效能：,分母为换热器中可能的最大温差，而分子为较小热容流体的温度变化的绝对值。换热器效能表示换热器中的实际传热量与理论上最大可能的传热量之比。,传热单元数：,传热单元数NTU反映换热器传热能力大小。,（2）-NTU 关系式,以顺流为例，假定热流体热容较小，即,根据效能的定义，,根据冷、热流体的热平
13、衡，,该式为顺流时换热器效能、传热单元数和热容比三者之间的函数关系式。可以证明，若qm2c2最小时也可得出同样的结果。,对于逆流换热器，同样可以导出效能、传热单元数和热容比三者之间的函数关系式：,若一侧发生相变，热容比等于零，不管流动方式如何，均有,若qm2c2 qm2c2，顺流：,逆流：,以上两式也可以化成NTU表达式：,顺流：,逆流：,无论是顺流换热器还是逆流换热器，效能、传热单元数和热容比三者之间存在函数关系式：,不同流动形式换热器的效能-传热单元数关系具有以下特征：,（1）效能一般随传热单元数的增大而增大，且趋于平缓；,（2）效能随热容比的减小而增加；,（3）逆流换热器的效能始终随传热
14、单元数的增大而增大，而顺流换热器的效能当NTU达到2.5以后曲线就几乎不再向上升，这说明顺流换热器的面积（即NTU值）过分增大没有意义。说明逆流优于顺流。,（3）换热器热计算的-NTU 方法,A.设计计算：,计算步骤：,根据生产任务的要求，给定冷、热流体的质量流量 和4个进、出口温度中的3个，需确定换热器的型式、结构，计算传热系数k、换热面积A、流动阻力及结构强度等。,(a)根据给定的换热条件，如流体性质、流量、温度和压力范围等，选择换热器类型，布置换热面，计算换热面两侧的表面传热系数 及总传热系数k；,(b)根据给定条件，由式,求出未知的进、出口温度，并求出换热量；,(c)根据进出口温度求出
15、换热器的效能以及两侧流体的热容比:,(d)根据换热器的结构和流动方式选择相应的函数关系式或图线，,求出NTU值，进而根据,求出换热面积A；,(e)与初选面积比较，若不一致，修改设计方案并重新计算，直到两者基本一致为止;,(f)计算换热器的流动阻力和强度，如果不合适，须改变方案，重新设计。,B.校核计算：,已知已有换热器的换热面积A、两侧流体的质量流量、进口温度 等5个参数，须计算热、冷流体的出口温度 和换热量。,计算步骤：,(a)先假设热容量较小流体的出口温度，用热平衡方程式求出另一个流体的出口温度；,(c)根据已知传热面积、总传热系数和较小侧热容可直接求出换热器的传热单元数NTU：,(e)由
16、效能直接求出小热容侧流体的出口温度，再由能量守恒关系式得到另一个出口温度；,(b)计算换热面两侧的表面传热系数，进而求得传热系数 k；,(d)根据换热器的结构和流动方式选择相应的函数关系式或图线，求出换热器效能,(e)与假设的出口温度比较，如果相差较大,再重新假设，重复上述计算，直到满意为止。,(f)流体的出口温度确定后，就可以用热平衡方程式求出换热量：,对比换热器校核计算的平均温差法和效能传热单元数法，只要总传系数未给定，迭代计算过程就不可避免。但是-NTU方法所需迭代次数很少，这正是-NTU方法的优越性。,利用线算图计算虽然方便，但精度较低，因此应尽量应用公式计算。,用温度为60、流量为3
17、2 t/h 的地热水采暖供热。使用一台115/115的逆流锯齿型板式换热器。若冷水流量为27 t/h，入口温度为15，试求换热量和热、冷水的出口温度。,已知换热器的单板片换热面积等于0.193 m2，单通道流通截面积为0.00134 m2，当量直径为0.0096 m，不锈钢板片的厚度为0.8 mm。两侧允许压降均为50 kPa。对流换热关联式为,摩擦系数关联式：f=16.8/Re 0.294 5,Nuf=0.31 Ref0.61 Prf0.3(0.4)，Ref 1000,60,解：1.平均温差法 假设：（1）常物性；（2）沿程的总传热系数是常量；（3）不计散热损失。,假设冷水侧的出口温度为45
18、，由热平衡关系式可以得热水的出口温度为,热水的平均温度为51.6，查物性表得,1=987.3 kg/m3，1=0.65 W/(mK)，1=0.544 m2/s，Pr1=3.452,热水的流速为,热水的雷诺数,热水側对流换热的表面传热系数,冷水的平均温度为35，查物性表得,2=994 kg/m3，2=0.626 5 W/(mK)，2=0.732 106 m2/s，Pr2=4.865,冷水的速度,冷水的雷诺数,冷水側对流换热的表面传热系数,不锈钢板片在50 附近的导热系数为16.3 W/(mK)，其导热热阻为Rp=/p=0.8103 m/16.3 W/(m2K)=0.491 m2K/W,查表，取两
19、侧水的总污垢热阻为,Rf=0.7104 m2K/W,换热器的总传热系数,换热器的对数平均温差,由以下两式分别求出两个换热量,1=qm2c2(t2 t2)=27103 kg/3 600 s 4.174 kJ/(kg K)(4525)626.1 kW,2=kA tm=2 475 W/(m2K)5.597 m2 16.51 228.7 kW,二者相差太大，显然该假设t245 不正确，必须修改t2的假设值并重复上述计算过程：,假设t231，重复上述计算过程，结果如下：,u2=0.373 4 m/s,t2m28，2=996.2 kg/m3，2=0.614 2 W/(mK)，2=0.845 106 m2/
20、s，Pr 2=5.74,冷水：,热水：,t1m57.5，1=986.8 kg/m3，1=0.651 W/(mK)，1=0.497 5106 m2/s，Pr1=3.13,u1=0.446 8 m/s，,总传热系数：,又一次得到两个不同的换热量值：,1=qm2c2(t2t2)=187.92 kW,2=kA tm=405.3 kW,根据两次得到的两个不同换热量值作图：,两条直线的交点可查到比较接近于实际的t236。,用此t2值重复上述计算过程，可得,1=344.4 kW,2=343.0 kW,这两个换热量非常接近，说明36 是正确的t2值。最终换热量可取1、2的算术平均值，即343.7 kW。,最后
21、作换热器流动阻力校核计算：,热水侧：,f1=16.8/Re 0.2945=16.8/7448 0.2945 1.216,冷水侧：,f2=16.8/Re 0.2945 16.8/4 242 0.2945 1.435,两侧流体的压降均远低于允许值，可以采用提高流速或其它方式强化传热。,2.-NTU 方法,仍假设冷流体的出口温度 t2=45，用与平均温差法完全相同的计算步骤求出总传热系数k值，,求出相应的传热单元数,两侧流体的热容比,把以上两个数据代入逆流时的-NTU关系式,按照效能的定义,得到 t2=35.99,该值与假设的45 差距较大，以此值作为新的假设值再迭代一次，结果 t236，为冷水出口
22、温度。然后再根据热平衡关系式求出热水出口温度t150.7 及换热量334 kW。,对比上述两种计算方法可以看出，无论采用平均温差法还是采用-NTU方法，作校核计算时都需要进行迭代。然而采用-NTU方法时，虽然假设的出口温度距离正确值比较远，但只通过一次迭代计算就得到了基本正确的出口温度数值，其计算量明显小于平均温差法。这正是-NTU方法的优点。,前面换热器阻力计算结果表明，两侧流体的流动阻力均远低于允许值，可以采用提高流速方法强化传热。一般对流换热的表面传热系数与流速间存在低于1（湍流时多为0.6 0.8）的幂指数关系，但是流动阻力随流速的变化将近2次方的幂指数关系，这说明利用提高流速改善传热
23、的同时，阻力将以高得多的速率增长。这一矛盾是强化传热设计需要解决的主要问题之一。,2.3 换热器的流动阻力计算,一、流阻计算的作用：,（1）判断流体流过所设计的换热器的总阻力是否在允许范围内，或据此确定泵送流体流过换热器所需的压头，以便对输送流体的机械作出选择。（2）对于有相变的情况，流阻造成的流体压力的改变，将明显影响其工作的饱和温度，从而改变冷热流体之间的温差。传热计算中要考虑这一变化对传热的影响。,二、泵送流体流过换热器所需的泵功P：,流体流经换热器所克服的两类阻力：沿程摩擦阻力 进口、转弯、截面突变等局部阻力,三、换热器的沿程摩擦阻力,摩擦因子:,根据换热面的流阻特性,由雷诺数可确定其摩擦因子,然后可计算沿程摩擦阻力,四、换热器的局部阻力,局部阻力系数,五、换热器总流阻及泵送功耗,总流阻,泵送功耗,密度越大功耗越小（气体的泵送功耗比液体大得多）正比于质量流速和雷诺数的3次方各部分流阻的相对大小对换热面芯体流速分布的均匀性产生很大影响。,第二章 小结,重点掌握以下内容：,（1）熟悉换热器的类型及特点；,（3）灵活运用换热器的基本计算公式：,（4）会利用换热器热计算的平均温差法和效能传热单元数法进行换热器的设计计算与校核计算。,（2）掌握换热器热计算的基本概念：对数平均温差、换热器效能、换热器传热单元数及污垢热阻等；,
