热交换器原理与设计总结演示幻灯片

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热交换器原理与设计总结

Ψ=f(P,R) 函数形式因流动方式而异。
热交换器热计算的基本原理

传热有效度
传热有效度、传热单元数的定义
顺流和逆流的传热有效度
定义传热单元数NTU
KF NTU Wmin
它代表热交换器传热能力的大小定义无因次数Rc
Wmin Rc Wmax

顺流条件下
t t e
" '
KF (
对于先逆后顺的 <1-2>型热交换器，必须避免温度交叉现象，避免的方法可以是增加管外程数或者改成两台单壳程换热器串联工作
管壳式热交换器

管壳式热交换器的类型
固定管板式、U形管式、浮头式、填料函式及各自的优缺点比较
管壳式热交换器

管壳式热交换器的结构
壳体、管子、进出口连接管
管子固定、排列等
热交换器的试验与研究

传热特性试验

阻力特性试验
强化传热热交换器性能评价

特例：相变情况下， Wmax无穷大
Rc 0
1 e
NTU
两种流体热容量相等
Rc 1
1 e 2
2 NTU

逆流条件下
t t e
"
1 1 KF ( ) W1 W2 '
KF ( 1 1 ) W1 W2
t t e t t
" 1 ' 1 ' 2 " 2
1 同左； 2 同左； 3 计算出传热单元数NTU 和热容量比RC； 4 求出传热有效度ε； 5 求出传热量Q，并用热平衡方程求出流体出口温度； 6 同左。
热交换器热计算的基本原理

第1章_热交换器基本原理【《热交换器原理与设计》课件】

逆流
1.2 平均温差
对顺、逆流的传热温差分析，作如下假设：
1. 冷热流体的质量流量和比热保持定值； 2. 传热系数是常数； 3. 热交换器没有热损失； 4. 沿流动方向的导热量可以忽略不计； 5. 同一种流体从进口到出口，不能既有相变又
有单相对流换热。
要计算整个换热的平均温差，首先需要知道温差随换热面的变化，即 Δtx= f(Fx)，然后再沿整个换热面积进行平均。
过冷
t1″ t2′
t1′ t2″
放热
过热沸腾
t1′
部分冷凝
t1″
吸热
t2″
吸热
t1″ t2′
t2′
g ：一种流体有相变
h：可凝蒸气和非凝结性气体混合物的冷凝
1.2.2 顺流、逆流下的平均温差
以顺流为例：已知冷热流体的进出口温度，针对微元换热面dF一段的传热，温差为：
Δt=t1 – t2
→
dΔt=dt1 – dt2
Fx dΔt μk dF 0 Δt
dΔt μkdF Δt
Δtx ln μkFx Δt

Δtx
Δt
Δtx Δt e
μkFx
Δtx Δt e
Δt Δt e
"
μkFx
当 Fx = F 时，Δtx =Δt"
μkF
1 1 μ W1 W2
' 2

热容量：
W = M· C
(W/℃)
Q = W1 · Δt1 =W2 · Δt2
W1 Δt2 W2 Δt1
平行流：顺流和逆流
Hot fluid Cold fluid
Hot fluid Cold fluid

第1章_热交换器基本原理【《热交换器原理与设计》课件】

(a)
W1(t′1 – t1) =W2(t2b – t2a)
(b)
微元段dx内，设热流体放热量dQ1，冷流体第一流程吸热量dQ′2，第二流程吸热量dQ″2，则：
dQ1=W1dt1；dQ′2=W2dt2；dQ″2= –W2dt2b
故：
W1dt1 =W2 (dt2a – dt2b)
(c)
若整以S表示每一流程中单位长度上的传热面积，则：
W2dt2a =KS(t1 – t2a)dx W2dt2b = –KS(t1 – t2b)dx
将式(d)、(e)代入式(c)得:
(d) (e)
W1 dt 1 2t 1 t 2a t 2b KS dx
将此式对x微分，则:
(f)
W1 d 2 t 1 dt 1 dt 2a dt 2b 2 2 KS dx dx dx dx
ln
2 P 1 R
1 P 1 PR 2 P 1 R R2 1 ln
2
R 1
(1.22)
先顺后逆<1-2>型适用；并且<1-2n>型也可近似使用
<1－2>型热交换器 ψ 的计算
热平衡：W1(t′1 – t″1) =W2(t″2 – t′2)
x=x到x=L段的热平衡：
1.2.1 流体的温度分布 t1
冷凝
t1
冷凝
t2″
t2
沸腾
t2′
吸热
a：两种流体都有相变
b：一种流体有相变
t 1′
放热
t1′
放热
t1″
t1 ″
t2
沸腾
t2′
吸热 d：顺流，无相变
t2 ″
c：一种流体有相变

PPT-2-第1章热交换器热计算的基本原理

Ax dt t t k 0 dA t x t exp( kAx ) t x
t x ln kAx t
可见，当地温差随换热面呈指数变化，则沿整个换热面的平均温差为：
1 A 1 A tm t x dAx texp( kAx )dAx A 0 A 0 13
（b）从修正图表由两个无量纲数查出修正系数
t2 t2 t1 t1 P 、R t1 t2 t2 2
(c) 最后得出叉流方式的对数平均温差
tm tm）（ ctf
28
29
30
31
32
关于的注意事项（1）值取决于无量纲参数 P和 R
Ti
dT1
T
dq
To
dT2
Ti
T
dT1 dTh
dq
dTc2 dT
To
In
Out
In
Out
7
(3) 一台换热器的设计要考虑很多因素，而不仅仅是换热的强弱。比如，逆流时冷热流体的最高温度均出现在换热器的同一侧，使得该处的壁温特别高，可能对换热器产生破坏，因此，对于高温换热器，又是需要故意设计成顺流。 (4) 对于有相变的换热器，如蒸发器和冷凝器，发生相变的流体温度不变，所以不存在顺流还是逆流的问题。
(2) (3)
对数平均温差
t t t t t t tm - 1 t t t t ln ln ln t t t
14
不论顺流逆流，对数平均温差可统一用下式表示：
t max t min t m t max ln t min
t x Ax A ln kAx t t exp( kA) t
(2)、(3)代入(1)中

热交换器绪论和概述幻灯片PPT

混流：（又称杂流式）两种流体在流动过程中既有顺流部分，又有逆流部分。
顺流
总趋势逆流的四次
错流
逆流错流
总趋势顺流的四次错流
先顺后逆的混流
先逆后顺的混流
4.按传送热量的方法分类：P3
分成间壁式、混合式和蓄热式（热交换器最主要的一种分类方法）
（1）间壁式冷、热流体被固体壁面隔开，互不接触，热量由
exchanger)
学时：32（含实验4学时）学分2学：时2.0的实验室进行实验；
热交换课程设计
2学时采用Origin数据处
理软件进行数据处理。总学时：2周（48学时）学分：2
教材：《热交换器原理与设计》史美中王中铮编东南
大学出版社 2003年
参考书目：
1.《热交换器原理与设计》余建祖编著北京航空航天大学出版社 2006年
热交换器绪论和概述幻灯片PPT
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热交换器原理(Principle and Design of heat
热流体热流体
冷流体冷流体
预热空气 (1270 K)
燃料
分散式余热回收方式
交替切换烧嘴A 烧嘴B
(1620 K) 钢坯废气
陶瓷球型蓄热体
切换阀空气
Nox排放燃料
废气
➢中央空调系统中的余热回收（全热回收器）等等
§0.3 各种类型的间壁式热交换器
壳管式热交换器肋片管式热交换器套管式热交换器
(2) 要有与温度和压力条件相适应的不易遭到破坏的工艺结构，制造简单，装修方便，经济合理，运行可靠；

热交换器原理与设计—热交换器热计算的基本原理PPT精选文档

➢ 关于的注意事项
（1）值取决于无量纲参数 P和 R
Pt2 t2 , t1t2
Rt1t1 t2 t2
式中：下标1、2分别表示冷热两种流体，上角标1撇表示进口，2撇表示出口，图表中均以P为横坐标，R为参量。（2）P的物理意义：
表示冷流体的实际温升与理论上所能达到的最大温升之比，所以只能小于1。
1.1 热计算基本方程式
1.1.1 传热方程式
Q KFtm
工艺计算的目的是求换热面积，即
F Q K tm
需要先求出Q，K，Δtm
1.1 热计算基本方程式
1.1.2 热平衡方程式
如不考虑热损失，则 Q M 1i1 i1 M 2i2 i2
下标1代表热流体。下标2冷流体；上标1撇代表进口，上标2撇代表出口。
1.2.2 顺流和逆流情况下的平均温差 ➢ 简单逆流时的对数平均温差
dtqm 1 1c1qm 1 2c2dd
1 1
qm1c1 qm2c2
其他过程和公式与顺流是完全一样，因此，最终仍然可以
得到：
tm,逆流
t t ln t
t
1.2 平均温差
1.2.2 顺流和逆流情况下的平均温差
➢ 顺流和逆流的区别：
纯逆流的平均温差最大，一般通过对纯逆流的对数平均温差进行修正来获得其他情况下的平均温差。
tmtmctf
tm ctf 是给定的冷热流体的进出口温度布置成逆流时的LMTD。
是小于1的修正系数。图9-15～9-18分别给出了管壳式
换热器和交叉流式换热器的。
1.2 平均温差
1.2.3 其他流动方式时的平均温差
第1章热交换器热计算的基本原理
1.0 概述
热（力）计算是换热器设计的基础。以间壁式换热器为基础介绍换热器的热（力）计算，其他形式的换热器计算方法相同。

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口到出口的方向上总是不断升高
10
对数平均温差，记为 Δtm
? tm
?
?t ? ?t'
ln
? ?
t t
'
?
? tlm
?
? tmax ? ? tmin ln ? tmax
? tmin
11
? 对于对数温差，如果流体的温度沿传热面变
化不大Δtmax <2Δtmin 时，可以用算术平均温差 0.5( Δtmax + Δtmin )近似计算，误差在4％以内。 Δtmax <1.7Δtmin 时,误差在2.3％以内.
t1'
放热
t2 沸腾
t1” t2'
t1 冷凝吸热
t1' 过热冷凝
t2” t2”
吸热
过冷
t1” t2'
? 对于上面有相变情况1，2两种情况无顺逆流之分，对于第三种需要分段处理
12ห้องสมุดไป่ตู้
修正系数Ψ的求取
? 按照逆流算出对数平均温差如下：
? tlm.c
?
(t1'
?
t2
)?
(t1
?
t
' 2
)
ln
(t1' (t1
? ?
t2
t
' 2
) )
?
设辅助参数
? tlm.c
?
(R ? 1) ? (t2 ? ln (1? P)
t2' )
(1? PR)
? P代表冷流体的实际升温（吸热量）与最大可能吸热
p?
t2 t1'
? t2' ? t2'
?
冷流体的升温两流体的进口温差
量之比，称为温度效率，恒小于 1。
R ? t1' ? t1 ? 热流体的降温
? ? 1? e? NTU(1?Rc )
1? Rc
特例：相变情况下， Wmax无穷大
? Rc ? 0
? 1? e?NTU
两种流体热容量相等
Rc ? 1
? ? 1 ? e ? 2 NTU
2
17
? 逆流条件下
? KF ( 1 ? 1 )
? t ? ? t 'e W1 W2
? e t1 ? t2'
? KF ( 1 ? 1 ) W1 W2
t2
?
t
' 2
冷流体的升温
? R 是冷流体和热流体的热容量之比
? Ψ=f(P,R) 函数形式因流动方式而异。
13
热交换器热计算的基本原理
? 传热有效度
传热有效度、传热单元数的定义顺流和逆流的传热有效度
14
定义传热单元数 NTU
NTU ? KF Wmin
它代表热交换器传热能力的大小
定义无因次数 Rc
热交换器的原理与设计
1
绪论
? 热交换器的分类
按传送热量的方法：间壁式、混合式、蓄热式管式热交换器的分类：
沉浸式、喷淋式、套管式、管壳式流体流动程数及表示法、图示影响热交换器设计的因素
2
换热器分类
? 按照用途分类：预热器、冷却器、冷凝器、蒸发器
? 按照制造材料分类：金属换热器、陶瓷换热器、石墨换热器等
Rc
?
Wmin Wmax
15
? 顺流条件下 ? 热平衡方程
? KF ( 1 ? 1 )
? t ? ? t 'e W1 W2
t1 ? t2
? KF ( 1 ? 1 )
? e W1 W2
t1' ? t2'
t2
?
t
' 2
t1' ? t1
?
W1 W2
? ? 1? e?NTU(1?Rc )
1? Rc
16
? 顺流条件下
特例：相变情况下， Wmax无穷大
Rc ? 0 ? ? 1? e?NTU
两种流体热容量相等
Rc ? 1
???
19
? 逆流条件下
t1
?
t
' 2
t1' ? t2
?
? KF ( 1 ? 1 )
e
W1 W2
特例
t2
?
t
' 2
t1' ? t1
?
W1 W2
?
Rc
?1
NTU ? KF ? KF W1 W2
W1(t1' ? t1) ? W2(t2 ? t2' ) ? KF?tm
? 按照冷流体和热流体的流动方向分：顺流式、逆流式、错流式、混合流等
? 按照传送热量的方法：间壁式、混合式、蓄热式（回热式）等
3
按照流动方向的分类
a. 顺流 b. 逆流 c. 交叉流（错流） d. 总趋势为逆流的四次
错流 e. 总趋势为顺流的四次
错流 f. 混流式：先顺后逆平
行流 g. 混流式：先逆后顺的
? tm ? t1' ? t2 ? t1 ? t2'
??
t2 ? t2' t1' ? t2?
?
t2 ? t2' t1' ? t2 ? t2 ? t2?
? ? NTU
1? NTU
20
设计性热力计算的比较
平均温差法
传热单元数法
1 由已知条件，利用热平衡方程式求出另一个未知温度及传热量Q；
2 根据热交换器的设计原则，确定流动方式，利用修正；系数ψ求出平均温差Δtm
t1 冷凝
t2
沸腾
t1 冷凝
t2”
t2'
吸热
t1'
放热
t2 沸腾
t1”
相变的发生与否影响平行流动传热温差
7
t1'
放热
t1' t1” t2”
放热 t1”
t2'
吸热
t2”
吸热
t2'
无相变顺流情况
无相变逆流情况
t1' 过热冷凝 t2”
吸热
过冷
t1” t2'
t1' t2”过热
放热沸腾
t1'
t1” t2” 吸热
t1' ? t2
? 热平衡方程
t2
?
t
' 2
t1' ? t1
?
W1 W2
??
1? e? NTU(Rc ?1) R ? e? NTU(Rc ?1)
c
?
1? e? NTU(1?Rc ) 1? Rce? NTU(1?Rc )
18
? 逆流条件下
??
1 ? e? NTU (1? Rc )
1?
R e? NTU (1? Rc ) c
21
校核性热力计算的比较
t2'
吸热
t1” t2'
热流体有相变逆流情况
冷流体有相变逆流情况
部分可凝流体的冷凝
8
顺流条件
? 无论W1、W2的值大小，有 ? >0，温差Δt不断降低
9
逆流条件
? W1<W2时，总有 ?>0，此时温差 Δt沿热流体从进
口到出口的方向上总是不断降低
? W1>W2时，总有 ?<0，此时温差 Δt沿热流体从进
3 取经验传热系数，估算传热面积，并对传热面进行初步布置，计算相应的传热系数K；（试算过程）
4 由传热方程式计算传热面
积F 。
1 同左； 2 根据热交换器的设计原
则，确定流动方式，求出RC和ε，用相应的公式或线图求出传热单元数值 NTU ； 3 同左； 4 由F=W minNTU/K确定传热面积F 。
串联混和流
4
热交换器热计算的基本原理
? 热计算基本方程式
传热方程热平衡方程
Q ? KF? tm
Q ? W1? t1 ? W2?t2
5
热交换器热计算的基本原理
? 平均温差
简单平行流动的温度变化示意图：会读、会画对数平均温差复杂流动方式的平均温差
P 、R定义及应用
会查、能用
6
? 流体的温度分布最简单的平行流动有(纵坐标温度，横坐标表示传热面积 )

热交换器原理与设计总结演示幻灯片

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