1、熱交換器原理與設計第1章 熱交換器基本原理按熱量傳遞方式分：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. 預熱器：3. 過熱器：4. 冷卻器：5. 蒸發器：6. 冷凝器：7. 再沸器：用于把流體加熱到所需溫度，被加熱流 體在加熱過程中不發生相變。用于流體的預熱，以提高整套工藝裝置 的效率。用于加熱飽和蒸汽，使其達到過熱狀態。用于冷卻流體，使其達到所需溫度。用于加熱液體，使其蒸發汽化。 用于冷卻凝結性飽和蒸汽，使其放出潛熱而凝結液化。用于加熱已被

2、冷凝的液體，使其再受熱汽化。為蒸餾過程專用設備。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傳遞給冷流體。形式多樣，應用廣泛。適于冷、熱流體不允許混和的場合。如各種管殼式、板式結構的換熱器。按熱量傳遞方式分：熱流體冷流體t1t2tw1tw2QQ2. 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：結構簡單，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。熱流體冷流體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

3、時，而是輪流與壁面接觸。當與熱流體接觸，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，達到換熱目的。 特點：結構簡單，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。如回轉式空氣預熱器。冷流體熱流體熱流體冷流體 蓄熱式換熱器示意圖 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。因金屬材料導熱系數大，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。因非金屬材料導熱系數較小，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

4、子壁面進行傳熱的換熱器。按傳熱管結構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 通過板面進行傳熱的換熱器。按傳熱板的結構形式可分為平板式、螺旋板式、板翅式等。3. 特殊形式換熱器 根據工藝特殊要求而設計的具有特殊結構的換熱器。如回轉式、熱管式換熱器等。按傳熱面形狀和結構分管殼式換熱器的外形內部構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計性計算校核性計算設計新換熱器，確定其面積。但同樣大小的傳熱面積可采用不同的構造尺寸，而不同的構造尺寸會影響換熱系數，故一般與結構計算交叉進行。針對現有換熱器，確定流體的進出口溫度。了解其在

5、非設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)計算是換熱器設計的基礎以間壁式換熱器為基礎介紹換熱器的熱（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 = kFtm Q = ktdF 2.熱平衡方程熱容量： W = MC (W/) Q = W1 t1 =W2 t2 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：1. 冷熱流體的質量流量和比熱是常數；2. 傳熱系數是常數；3. 熱交換器沒有熱損失；4. 換熱面沿流動方向的導熱量可以忽略不計；5. 同種流體從進口到出口既無相變也無單相 對流換熱。 要計算沿整個換熱面的平均溫差

6、，首先需要知道溫差隨換熱面的變化，即 tx= f(Fx)，然后再沿整個換熱面積進行平均。1.2 平均溫差1.2.1 流體的溫度分布a：兩種流體都有相變 t1 冷凝t2 沸騰d：順流，無相變吸熱t1放熱t1t2t2c：一種流體有相變t1放熱t1t2 沸騰b：一種流體有相變吸熱t2t2 t1 冷凝g ：一種流體有相變沸騰t1放熱t2t1t2過熱吸熱e ：逆流，無相變吸熱t1放熱t2t1t2f ：一種流體有相變過冷過熱蒸汽冷卻吸熱t1冷凝t2t1t2h：可凝蒸氣和非凝結性 氣體混合物的冷凝吸熱t1部分冷凝t2t1t21.2.2 順流、逆流下的平均溫差+：順流 -：逆流當 Fx = F 時，tx =t

7、順流與逆流的區別：順流：逆流：將對數平均溫差寫成統一形式(順/逆流都適用)當 時，兩者的差別小于4；當 時，兩者的差別小于2.3。算術平均溫差平均溫差另一種更為簡單的形式是算術平均溫差，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雜流動，數學推導將非常復雜?？梢栽诩兡媪鞯膶灯骄鶞夭罨A上進行修正，以獲得其它流動方式的平均溫差。 tm = tl m,c 系數 稱為溫差修正系數，它表明流動方式接近逆流的程度。tl m,c 是給定冷

8、、熱流體的進出口溫度布置成逆流時的平均溫差。 關于：（1）定義無量綱參數 P 和 R（2）P的物理意義：冷流體的實際溫升與理論所 能達到的最大溫升之比（ 1）（3）R的物理意義：兩種流體的熱容量之比。 =f (P、R)P = P RR = 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 的計算熱平衡：W1(t1 t1) =W2(t2 t2) (a)x=x到x=L段的熱平衡： W1(t1 t1) =W2(t2b t2a) (b)微元段dx內，設熱流體放熱量dQ1，冷流體第一流程吸熱量dQ2，第二流程

9、吸熱量dQ2，則： dQ1=W1dt1；dQ2=W2dt2；dQ2= 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 = t1 t1 (j)t1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

10、分方程，設其解為： 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Ma、Mb可由邊界條件確定 x=0時t1 =t1或Z=t1 t1 x=L時t1 =t1或Z=0將其代入式(n)中，可求出待定常數： (p)將式(p)代入(n)，則： (q)式(q)表示了殼側流體溫度沿距離x的變化規律。若對式(n) x求導，可得殼側流體溫度的變化率： (r)將式(f)代入式(r)，考慮到邊界條件： x=0時，t1 =t1，t2a =t2，t2b =t2則： (s)將式(1.17)、(p)確定的ma、mb及

11、Ma、Mb代入式(s)： (t)整理得: (1.18)同除以exp(mbL)，得到： (u)根據式(1.17)，有： (v)對熱交換器，結合傳熱方程和熱平衡方程： 2KSLtm=W1(t1 t1)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，其中的值則用式(1.22)算出。對先順流后

12、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型熱交換器的值圖1.9一個流程順流，兩個流程逆流的熱交換器的值圖1.10一個流程逆流，兩個流程順流的熱交換器的值圖1.1124型熱交換器的值圖1.12串聯混合流型熱交換器的值圖1.13只有一種流體有橫向混合的一次錯流熱交換器的值圖1.14兩種流體均無橫向混合的一次錯流熱交換器的值1.2.4 流體比熱或傳熱系數變化時的平均溫差圖 1.15 Q t 圖Q =M C dt各段傳熱面： Fi =qi / Ki ti，所以總傳熱面： (a) 又：

13、(b)使式(a)和(b)相等，并假定各段的傳熱系數相同，可得總的平均溫差，即積分平均溫差 (tm)int： (tm)int = (1.27) 例1.1 有一蒸汽加熱空氣的熱交換器，它將質量流量為21600kg/h的空氣從10加熱到50 ?？諝馀c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表查的蒸汽有關狀態參數為： 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

14、整個熱交換器的傳熱量：從熱平衡關系求蒸汽耗量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：t1tst2t2冷卻段冷凝段Fta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來計算，其誤差也很小。冷凝段之平均溫差：總平均溫差：作業：按圖中所給定參數，其中制冷劑流量1kg/s，分段計算冷凝器的對數平均溫差和總的對數平均溫差。 1.3.1 傳熱有效度的定義傳熱有效度基于如下思想：當換熱器無限長，對逆流換熱器，則會發生如下情

15、況：a. 當 W1W2時，t1=t2 則：Qmax= W1 (t1- t2)b. 當 W2W1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”中的效能傳熱單元數方法但實際傳熱量 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)W1W2W2W1式， 相加：1.3.2 順流和逆流時的傳熱有效度根據熱平衡：即：假設： W1W2順流代入兩個公式合并，得：當

16、W2W1時，同樣的推導過程可得：定義傳熱單元數NTU (Number of Transfer Unit)則順流時：同理可推導逆流：逆流：順流：當冷熱流體之一發生相變，或相當于 Wmax ， 即 Rc =Wmin /Wmax 0，效能公式可簡化為： =1exp(-NTU)當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-傳熱單元數關系 NTU：效能 一般均隨NTU的增大而增大， 但有的達到一定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

17、的曲線相同。逆流換熱優于順流。設計計算: 根據能量守恒關系求出未知出口溫度； 初選流道布置方案并計算兩側表面傳熱 系數和總傳熱系數； 求換熱器效能 及 R； 求出NTU，進而得到換熱面積； 若與初選面積不同，修改布局重新計算。 NTU方法的應用校核計算: 根據已知傳熱面積、總傳熱系數和較小 側熱容W 可直接求出NTU值； 由 R 和NTU 值，選取相應的公式或曲線 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?！纠?.3 】溫度為99的熱水進入一個逆流交換器，將4的冷水加熱到32。熱水流量為9360kg/h，冷水流量為4680kg/h，傳熱系數為830W/(

18、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=9360/36004186=10883.6 W/冷水熱容量 W2=4680/36004186=5441.8 W/因而 W1= Wmax， W2=Wmin熱平衡關系 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=5441.828/83073.8=2.49 m2若用熱流體的溫度效率計算 、Rc、NTU三值時，可得： 1

19、=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，進口溫度為110；水的流量為0.667kg/s，進口溫度為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為320W/(m2)。求水的出口溫度。解：W1 =M1C1 =2.851900=5415 W/ W2 =M2C2 =0.6674180=2788 W/故冷流體水為最小值流體，則：Rc =Wmin / Wmax=2788/5415=0.515NTU=KF/Wmin =32015.8/2

20、788 =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：12n型圖1.2012型熱交換器的 圖1.2224型熱交換器的24n(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 =1expRc(NTU)0.2exp-Rc(NTU)0

21、.781 (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，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 K=14W/(m2)，煙氣熱容量 W1=14460W/，進口溫度 t1=465，空氣熱容量W2=10540W/，進口溫度 t2=135，求煙氣及空氣的出口溫度。解：傳熱單元數： NTU=KF/W2=141353/10540=1.8，熱容量比：Rc=Wmin /Wmax=10540/14460=0.729，分傳熱單元數（NTU）=1/2NTU=1/21.8=0.9。查與本題相應的一次錯流的線圖1.21，得 1=0.485， 于是可利用式（1.47）計算總的傳熱有效度：空氣出口溫度：t2= t2 + (t1 t2) =135+0.68(465135)=359.4 由熱平衡可求出煙氣出口溫度：t1