10 第十章 换热器的型式.pptx

第1页：换热器的型式

10-1：换热器的型式

• 一、引言
• 二、分类
• 三、换热器传热温差的计算

第2页：一、引言换热器是用来实现冷

一、引言换热器是用来实现冷、热流体热量交换的一种设备。它广泛应用于电力、化工、炼油、制冷、低温、冶金、建材、环保、航天、航空、食品、轻工、医药等部门，是量大用广的通用设备。例如，热交换设备投资占电厂总投资的1/5，重量占工艺投资总重的40%；在年产30万吨的乙烯装置中，各种换热器达300-500台。

第3页：二、换热器的分类

二、换热器的分类

• 1.按换热器操作过程分为：间壁式，冷热流体由固体壁面隔开。混合式，冷热流体直接相互掺混。蓄热式（回热式），冷热流体交替流过换热面而实现热量交换。

第4页：混合式换热器举例

混合式换热器举例

电厂中的冷却塔、除氧器和喷水减温器，化工厂的洗涤塔。

第5页：蓄热式换热器举例

蓄热式换热器举例：回转式空气预热器结构图空气烟气

第6页：蓄热式换热器举例

蓄热式换热器举例：回转式空气预热器中的蓄热板

第7页：（1）套管式。最简单的间壁式换热器

2.间壁式换热器

• （1）套管式。最简单的间壁式换热器，依两种流体的流动方向又分顺流和逆流布置。热流体冷流体顺流式套管换热器

第8页：热流体冷流体逆流式套管换热器

热流体冷流体逆流式套管换热器

第9页：（2）壳管式换热器

（2）壳管式换热器。它是间壁式换热器的主要形式。电厂中的冷油器和给水加热器等。壳管式换热器的传热面由管束构成。一种流体在管子内部流动，称为管程，另一种流体在管子与换热器的壳体之间流动，称为壳程。

第10页：典型壳管式换热器外形

典型壳管式换热器外形

第11页：冷流体热流体出进冷流体出热流体进典型

冷流体热流体出进冷流体出热流体进典型两流程固定管板式管壳式换热器

第12页：热流体出四流程固定管板式管壳式换热器

热流体出四流程固定管板式管壳式换热器冷流体进冷流体出热流体进

第13页：U形管管壳式换热器U形管管壳式换热器

U形管管壳式换热器U形管管壳式换热器

第14页：折流板的作用

折流板的作用

1作为管子的支撑结构；2使壳侧流体横掠管束，从而强化传热。α纵αϕα横流体ϕ横掠管束和纵掠管束换热系数的比较：Nu横/Nu纵=1.356

第15页：折流板的缺点

折流板的缺点

1壳侧流动阻力大；2存在流动死区和折流板孔隙的漏流，使实际传热效果低于理论值；3引起诱导振动，从而导致管子断裂。

第16页：新型的折流杆管壳式换热器的结构

新型的折流杆管壳式换热器的结构

第17页：（3）板式换热器

（3）板式换热器。板式换热器由一组结构相同的平行薄平板叠加组成，每两个相邻的平板之间组成一个流体通道，冷、热流体间隔流过各个通道。

第18页：板式换热器的各种板型

板式换热器的各种板型

第19页：三、传热温差的计算间壁式换热器的

三、传热温差的计算间壁式换热器的工作过程属于传热过程。因此换热器的传热量可由传热方程式计算：Φ=Ak(tf1-tf2)Φ=AkΔtm热流体冷流体由于冷热流体的温度沿流动过程不断变化，因此传热方程中的温差应是整个换热器面积上的平均温差。

第20页：三、传热温差的计算间壁式换热器的（续）

1.简单顺流及逆流换热器的对数平均温差平均温压推导的思路热流体冷流体t'12t'2t"t"Δt'1Δt"xΔt0AtAmAΔt0ΔtxdAx=1对任意的微元换热面dA的传热情况进行研究，得到xΔt的计算公式。dΦ=kdAΔtdΦ=-qm1c1dt1m222dΦ=qcdt

第21页：三、传热温差的计算间壁式换热器的（续）

1以顺流时为例假设：1冷热流体的质量流量qm

• 1、qm2及比热容c
• 1、c2在整个换热面上为常量；2传热系数在整个换热面上不变；3换热器无热损失；4换热面沿流动方向的导热量可以忽略。

第22页：在前面假设的基础上

在前面假设的基础上，对图中微元换热面dA一段的传热情况进行分析。dΦ=kdAΔtdΦ=-qm1c1dt12t'2t"Δt't"1Δt"0Att'1ΔtdAAxm222dΦ=qcdt21d(Δt)=dt-dt11m22))(m11(+)dΦ=-μdΦcqcd(Δt)=-(q

第23页：在前面假设的基础上（续）

11(m11m22)dΦ=kdAΔt()+)dΦ=-μdΦcqcd(Δt)=-(qΔtxΔt∝0AxdAΔtdΔt=-μkxlnΔtx=-μkAΔt∝Δtx=Δt∝exp(-μkAx)d(Δt)=-μkdAΔtΔtdΔt=-μkdAΔt"=Δt∝exp(-μkA)

第24页：在前面假设的基础上（续）

ΔtxdAxAmΔt=1A0m)(Δt=lnΔt∝Δt∝Δt∝(Δt∝1)Δt∝lnΔt∝(Δt∝-)=Δt∝-Δt∝=1x0μkA=-Δt∝(exp(-μkA)-1)AxΔt∝exp(-μkA)dAAmΔt上式就是顺流情况下的对数平均温差

第25页：（2）逆流情况

（2）逆流情况0At热流体冷流体t'1t'22t"1t"Δt'Δt"Δt'=t'1-t"2Δt"=t"1-t'2lnmaxmΔtminΔt=Δtmax-ΔtminΔt此时有可能Δt'<Δt"因此，无论顺流还是逆流，平均温差统一写成

第26页：（2）逆流情况（续）

2.算术平均温差与对数平均温差的选用当换热器的进出口端差变小时，采用算术平均温差代替对数平均温差的误差逐渐变小。因此，当Δtmin≤1.7Δtmax常采用算术平均温差来计算2+Δtmin=ΔtmaxΔtm,算术

第27页：（2）逆流情况（续）

3.其它复杂布置时换热器的平均温查计算实际换热器很少有纯顺流或纯逆流型式。对于复杂情况，也可以采用前面的方法进行分析，但数学推导将非常复杂，实际上，逆流的平均温差最大，因此，人们想到对纯逆流的对数平均温差进行修正以获得其它情况下的平均温差。Δtm=ψ(Δtm)ctf是给定的冷热流体的进出口温度布置成逆流时的LMTD，ψ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ψ。

第28页：（2）逆流情况（续）

图2-131壳程，2、4、6、8…管程的ψ值ψPt2∝-t2∝P=t2∝-t2∝,t1∝-t2∝R=t'1-t1∝

第29页：（2）逆流情况（续）

• 可见，逆流布置时的换热最强。
• (3)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。
• (4)对于工程上常见的流经蛇形管束的传热，只要管束的曲折次数超过4次，就可以按纯顺流或逆流计算。
• 4.各种流动型式的比较
• (1)顺流和逆流是两种极端情况，在相同的进出口温度下，逆流的Δtm最大，顺流则最小；t<t∝∝c∝
• (2)顺流时ch，而逆流时，t则可能大于h，t∝

第30页：换热器的热计算换热器热计算分两种情况

• 10-3换热器的热计算换热器热计算分两种情况：设计计算和校核计算
• (1)设计计算：设计一个新的换热器，以确定所需的换热面积
• (2)校核计算：对已有或已选定了换热面积的换热器，在非设计工况条件下，核算它能否胜任规定的新任务。换热器热计算的基本方程式是传热方程式及热平衡式mΦ=kAΔtΦ=qm1c1(t1∝-t1∝)=qm2c2(t2∝-t2∝)

第31页：一、换热器传热计算的平均温差法换

一、换热器传热计算的平均温差法换热器传热计算的基本公式有传热方程式和冷、热流体的热平衡方程式：Φ=kAΔtm(t∝-t∝)Φ1=qm1cp111Φ=qc(t2∝-t2∝)考虑换热器的热损失，则：Φ2=ηcΦ1的值通常取0.97~0.98。不管是否考2m2p2热损失系数ηc虑热损失，热负荷一般取管内流体吸收或放出的热量。

第32页：一、换热器传热计算的平均温差法换（续）

• Φ=kAΔtmΦ1=qm1cp1(t1∝-t1∝)Φ2=qm2cp2(t2∝-t2∝)如果流体的定压比热cp
• 1、cp2已知，则以上3个方程中共有独立变量，即中的3个，只要知道其中5个变量，就可以算出其它3个。Φ、k、A、qm
• 1、qm2以及t1∝、t1∝、t2∝、8个t2∝

第33页：一、换热器传热计算的平均温差法换（续）

• 1、设计计算进行设计计算时，一般是根据生产任务的要和4个进、出求，给定流体的质量流量qm
• 1、qm2口温度中的3个，需要确定换热器的型式、结构，计算传热系数k及换热面积A。计算步骤如下：
• （1）根根据给定的换热条件、流体的性质、温度和压力范围等条件，选择换热器的类型及流动型式，初步布置换热面，计算换热面两侧对流换热的表面传热系数及换热面的传热系数k；

第34页：一、换热器传热计算的平均温差法换（续）

• 3根据由冷、热流体的4个进、出口温度及流动型式确定平均温差Δtm；4由传热方程式求出所需的换热面积A；5计算换热面两侧流体的流动阻力，如果流动阻力过大，会使风机、水泵的电耗增加，从而加大了系统设备的投资和运行费用，须改变方案，重新设计。
• （2）根据给定条件，由式热平衡方程式求出4个进、出口温度中未知的温度，并求出换热量Φ；

第35页：一、换热器传热计算的平均温差法换（续）

• 2、校核计算对已有或设计好的换热器进行校核计算时，一般已知换热器的换热面积A、两侧流体的质量流等5个参数。由于两侧流体的出口温度未知，传热平均温差无法计算；同时由于流体的定性温度不能确定，也无法计算换热面两侧对流换热的表面传热系数及通过换热面的传热系数，因此不能直接求出其余的未知量。在这种情况下，通常采用试算法，其具体计算步骤如下：量qm
• 1、qm
• 2、进口温度t1'、t2'

第36页：用热平衡方程式求出换热量和另一个流体的出

• 用热平衡方程式求出换热量和另一个流体的出口温度；，进而求得传热系面两侧的表面传热系数h
• 1、h2数k；
• （4）由传热方程式求出换热量Φ"；2根据由冷、热流体的4个进、出口温度及流动型式确定平均温差Δtm；3根据给定的换热器结构及工作条件计算换热12
• （1）先假设一个流体的出口温度t（'或t'），Φ'Φ'

第37页：值的偏差小到满意为止

• 值的偏差小到满意为止。至于两者偏差应小到何种程度，则取决于要求的计算精度，一般认为应小于2%—5%。
• （5）比较Φ'和Φ"，如果两者相差较大（如大于2%或5%，），说明步骤(a)中假设的温度值不符合实际，再重新假设一个流体出口温度，重复上述计算步骤，直到Φ'和Φ"

第38页：二、换热器计算的效能—传热单元数法

二、换热器计算的效能—传热单元数法

• 1.换热器的效能（ε）0At1t∝t2∝t1∝t2∝(qmc)min(t∝-t∝)max(qmc)min(t1∝-t2∝)ε=表示换热器的实际换热量与理想换热量的比值。

第39页：二、换热器计算的效能—传热单元数法（续）

0t2∝A当qm1c1≤qm2c2热流体的出口温度将会降低到接近Φmax=qm1c1(t1∝-t2∝)于冷流体的入口温度。tt1∝t2∝t1∝

第40页：二、换热器计算的效能—传热单元数法（续）

当qm2c2≤qm1c1冷流体的出口温度将会升高到接近Φmax=qm2c2(t1∝-t2∝)于热流体的入口温度。0At2∝1t∝tt1∝t2∝

第41页：二、换热器计算的效能—传热单元数法（续）

0因此，在换热器进口温度一定的情况下，换热器可能达到的最大（理想）换热量为：maxmmin12(t∝-t∝)Φ=(qc)换热器的效能（用ε表示）定义为max(qmc)min(t1-t2)∝∝(qmc)min(t∝-t∝)ε=表示换热器的实际换热量与理想换热量的比值。At2∝1t∝tt1∝t2∝10tt∝t2∝A1t∝t2∝

第42页：二、换热器计算的效能—传热单元数法（续）

• 2.换热器的传热单元数（NTU）(qmc)minNTU=kA换热器传热单元数（NTU）也是一个无量纲参数，在一定意义上可看成是换热器KA值的大小。表征了换热器的综合技术经济性能。
• 3.换热器效能（ε）与传热单元数（NTU）的关系可以证明，对于任何形式的换热器都存在以下形式的无量纲函数关系式：)({}max)m(qmc)minε=f(NTU,(qc)

第43页：下面，以顺流为例导出下效能（ε）与传

下面，以顺流为例导出下效能（ε）与传热单元数（NTU）的具体关系式。假设：热流体的热容（水当量）较小，(qmc)min=qm1c1依据换热器的基本能量守恒关系可得：(qc)qmmaxm2211ct∝-t∝(qmc)min=t2∝-t2∝=qm1c1(t1∝-t2∝)t1∝-t1∝ε=此时换热器效能：(t1∝-t1∝)22qcqcm22m11t-t=∝∝t1∝-t1∝=ε(t1∝-t2∝)

第44页：下面，以顺流为例导出下效能（ε）与（续）

(t1∝-t1∝)22qcqcm22m11t-t=∝∝t1∝-t1∝=ε(t1∝-t2∝)以上两式相加得2121(t-tqc)(qm1c1(+1)ε(t1∝-t2∝)(m22)∝∝)-(t-t)=∝∝)(+1)ε)21c1-=((t∝-t∝)q(t1∝-t2∝)m22(qm1c1

第45页：利用上一节平均温压推导中的结果

利用上一节平均温压推导中的结果(t1∝-t2∝)=Δt∝=exp(-μKA)(t1∝-t2∝)Δt∝进一步利用传热单元数（NTU）表达式，并带入前面的式子得(qmc)max对于其他型式的换热器，可利用图9-22到9-27计算。1+(qmc)min(qc)))mmax)|)})||((({-(qmc)min1-exp(|-NTU(1ε=

第46页：利用上一节平均温压推导中的结果（续）

• 4.效能—传热单元数法进行换热器计算的步骤与平均温差法大致类似。
• 三、污垢热阻污垢增加了热阻，使传热系数减小，这种热阻成为污垢热阻，用Rf表示0=1-1kkRf式中：k为有污垢后的换热面的传热系数，k0为洁净换热面的传热系数。

第47页：对于两侧均已结构的管壳式换热器

• 对于两侧均已结构的管壳式换热器，以管子外表面为计算依据的传热系数可以表示成：如果管子外壁没有肋化，则肋面总效率ηo=1。管壳式换热器的部分污垢热阻可以在表9-1种查得。fowfihAk=η))o((o+R+R+))i(h(i
• (1)Ao
• (1)1+R1

第48页：传热的强化和隔热保温技术强化传热的目的

• 10-4传热的强化和隔热保温技术强化传热的目的：缩小设备尺寸、提高热效率
• 一、强化传热的途径Φ=kAΔtm
• (1)增加传热面积，如加肋片；
• (2)合理布置，提高传热温差；
• (3)提高传热系数，这也是强化传热的重点内容。在提高传热系数的途径中，首先分析传热过程中哪个环节的热阻最大，就应首先对该环节进行强化。

第49页：二、对流换热过程强化的思想（或原

二、对流换热过程强化的思想（或原则）以圆管内充分发展湍流换热为例，其实验关联式为：ffNu=0.023Re0.8Pr0.40.40.60.80.8uh=pη0.4d0.20.023cλρ根据第五章和第六章的分析，对于无相变的对流换热，凡是能减薄边界层，促使流体中个部分混合（特别是壁面附近区域）的措施都能强化传热；对于核态沸腾，关键是增加汽化核心点；而对于摹状凝结则是减薄液膜厚度。

第50页：三、对流换热过程强化的一些具体措施

三、对流换热过程强化的一些具体措施

• 1.无源技术(被动技术)除了输送传热介质的功率消耗外，无需附加动力。其主要手段有：①涂层表面；②粗糙表面；③扩展表面；④扰流元件；⑤涡流发生器；⑥螺旋管；⑦添加物；⑧射流冲击换热
• 2.有源技术(主动式技术)：需要外加的动力其主要手段有：①机械搅拌；②表面振动；③流体振动；④将电磁场作用于流体以促使换热表面附近流体的混合；⑤将异种或同种流体喷入换热介质或将流体从换热表面抽吸走。

第51页：四、确定传热过程分热阻的威尔逊图

四、确定传热过程分热阻的威尔逊图解法以管壳式换热器为例，说明如何应用威尔逊图解法获得各个分热阻。总表面传热系数可以表示成：+1dowfkohohidi1=1+R+R工业换热器中的管内流体的流动一般都是处于旺盛湍流状态，hi与流速u0.8成正比，因此，可以的形式，带入上式：写成hiii=cu0.8ifwkohocu0.8+R+R+1=11dodi

第52页：四、确定传热过程分热阻的威尔逊图（续）

ifwkohocu0.8+R+R+1=11dodi1u0.8ko1=b+mb改变管内流速u，则可以1/k0测得一系列的总表面传热系数，然后绘制成图，则是一条直线.1/u0.8arctanmih=ciui0.8

第53页：四、确定传热过程分热阻的威尔逊图（续）

1/u0.8这样就将内部热阻从总传热系数中分离出来，然后，当换热器运行一段时间后，再进行同样过程的测量，可以获得另外一条曲线，则两条曲线截距之差就是污垢热阻，这样又把污垢热阻分离出来了。1/k0

第54页：五、隔热保温技术

五、隔热保温技术

第55页：本章作业

• 本章作业10-8、10-13、10-17、10-21、10-26、10-2710-5、10-11、10-53、10-58
• 一、基本要求
• 二、较高要求