热交换器基本原理热交换器工作原理

育儿频道 2020-06-3053未知admin

  螺旋板式板式 交叉流换热器 管壳式 蓄热式混合式 间壁式 管束式按热量传递方式分: 换热器分类与型式 换热器的定义:将某种流体的热量以一定的传热方式传递给他种流体的设备。 换热器的分类:按两种流体的相对流动方向分: 顺流、逆流、顺逆混合流、交叉流 按用途分: 用于把流体加热到所需的温度。用于流体的预热,以提高整套工艺 装置的效率。 用于加热饱和蒸汽,使其达到过热状态。 用于冷却流体,使其达到所需温度。 用于加热液体,使其蒸发汽化。 用于冷却凝结性饱和蒸汽,使其放出 潜热而凝结液化。 用于加热已被冷凝的液体,使其再受热 汽化。为蒸馏过程专用设备。 间壁式换热器(表面式换热器、间接式换热器) 冷、热流体被固体壁面隔开, 互不接触,热量由热流体通过 壁面传递给冷流体。 形式多样,应用广泛。 适于冷、热流体不允许混和的场合。 如各种管壳式、板式结构的换热器。 按热量传递方式分: 混合式换热器(直接接触式)冷、热流体直接接触,相互 混合传递热量。 特点:结构简单,传热效率高。 适于冷、热流体允许混合的场合。 如冷却塔、喷射式等。 热流体 冷流体 蓄热式换热器(回流式换热器、蓄热器) 借助于热容量较大的固体蓄热 体,将热量由热流体传给冷流体。 有固体壁面,两流体并非同时, 而是轮流与壁面接触。当与热 流体接触,蓄热体接受热量,温 度升高;与冷流体接触,将热量 传给冷流体,蓄热体温度下降, 达到换热目的。 特点:结构简单,可耐高温, 体积庞大,不能完全避免两种流 体的混和。 适于高温气体热量的回收或冷 却。如回转式空气预热器。 冷流体 热流体 热流体 冷流体 蓄热式换热器示意图 金属材料换热器常用的材料有碳钢、合金钢、铜及铜合金、 铝及铝合金、钛及钛合金等。因金属材料导热 系数大,故此类换热器的传热效率高。 非金属材料换热器常用的材料有石墨、玻璃、塑料、陶瓷等。 因非金属材料导热系数较小,故此类换热器的 传热效率较低。常用于具有腐蚀性的物系。 按材料分: 管式换热器通过管子壁面进行传热的换热器。按传热管 结构形式可分为管壳式换热器、蛇管式换热器、 套管式换热器、翅片式换热器等。 板式换热器通过板面进行传热的换热器。按传热板的结 构形式可分为平板式、螺旋板式、板翅式等。 特殊形式换热器根据工艺特殊要求而设计的具有特殊结构的 换热器。如回转式、热管式换热器等。 按传热面形状和结构分 管壳式换热器的外形 内部构造 管壳式换热器端部流程安排 多流程焊接式换热器 热交换器热计算基本原理设计性计算 校核性计算 设计新换热器,确定其。但同样大小的传热 可采用不同的构造尺寸,而不同的构造尺寸 会影响换热系数,故一般与结构计算交叉进行。 针对现有换热器,确定流体的进出口温度。了解 其在非设计工况下的性能变化,判断其是否能满 足新的工艺要求。 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, 形式的换热器计算方法相同。 1.1 热计算基本方程 Coldfluid Hot fluid Cold fluid Hot fluid 平行流:顺流和逆流顺流 逆流 对顺、逆流的传热温差,作如下假设: 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 ),然后再沿整个换热进行平均。 1.2 平均温差 1.2.1 流体的温度分布 a:两种流体都有相变 沸腾d:顺流,无相变 吸热 沸腾b:一种流体有相变 吸热 :一种流体有相变沸腾 过热吸热 :逆流,无相变吸热 :一种流体有相变过冷 过热蒸汽冷却 吸热 h:可凝蒸气和非凝结性气体混合物的冷凝 吸热 1.2.2顺流、热交换器工作原理逆流下的平均温差 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: 通过微元面dF,两流体的换热量为:dQ=kΔtdF 分别对热流体与冷流体: 热流体:冷流体: 热流体:冷流体: +:顺流-:逆流 lnμkF +:顺流-:逆流 顺流与逆流的区别:顺流: 逆流: minx min x 将对数平均温差写成形式 (顺/逆流都适用) minx minx minx 算术平均温差平均温差另一种更为简单的形式是 算术平均温差,即: 一种流体混合,另一种不混合图1.4 错流热交换器 实际换热器一般处于顺流和逆流之间, 更多的是多流程、错流的复杂流动。 1.2.3 其它流动方式下的平均温差 板式 对这种复杂流动,数学推导将非常复杂。可以在纯逆流的对数平均温差基础上进行 修正,以获得其它流动方式的平均温差。 lm,c系数 称为温差修正系数,它表明流动方 式接近逆流的程度。 lm,c是给定冷、热流体的进出口温度布 置成逆流时的平均温差。 关于: (1)定义纲参数P 冷流体温升热流体温降 两流体进口温差 冷流体温升 (2)P的物理意义:冷流体的实际温升与理论所能达到的最大温升之比(

  型热交换器ψ 的计算 热平衡:W ,冷流体第一流程吸热量dQ′ 2b (2a 2b 若整以S表示每一流程中单位长度上的传热,则: 2a =KS(t 2a)dx 2b 2b)dx 2b2a dx KS 将此式对x微分,则:dx dx dx dx 2b2a 此为壳侧流体温度沿流动方向的微分方程。为求解此式,引入新变量: 2a2b KSdx dx KSdx KSdx KSdx dZ KSdx 解此一元二次方程,可得到m的两个解:(1.17) dx dx dZ 整理得:(1.18) 同除以exp(m 对热交换器,结合传热方程和热平衡方程:2KSLΔt 整理,得到平均温差的公式:(1.19) (1.20)使式(1.20)与(1.21)相等,整理得: (1.22)可见,该流动方式的平均温差可直接用式(1.19)、 (1.20)计算,或用式(1.13)计算,其中的ψ值则用 式(1.22)算出。 对先顺流后逆流

  ,式(1.22)也是适用的。 由式(1.13)及(1.16),有: 两种流体中只有一种流体有横向混合的错流式热交换器 (1.24) 无混合流体的温度变化 混合流体的温度变化 两流体进口温差 无混合流体的温度变化 图1.8

  型热交换器的ψ值 图1.9 一个流程顺流,两个流程逆流的热交换器的ψ值 图1.10 一个流程逆流,两个流程顺流的热交换器的ψ值 图1.11 〈2–4〉型热交换器的ψ值 图1.12 混合流型热交换器的ψ值 图1.13 只有一种流体有横向混合的一次错流热交换器的ψ值 图1.14 两种流体均无横向混合的一次错流热交换器的ψ值 1.2.4 流体比热或传热系数变化时的平均温差 图1.15 使式(a)和(b)相等,并假定各段的传热系数相同,可得总的平均温差,即积分平均温差(Δt [例1.1]有一蒸汽加热空气的热交换器,它将质量流量为21600kg/h的 空气从10加热到50 。空气与蒸汽逆流,其比热为1.02kJ/(kg),加热 蒸汽系压力P=0.2MPa,温度为140 的蒸汽,在热交换器中被冷却为该压 力下的饱和水。试求其平均温差。 由水蒸气的热力性质表查的蒸汽有关状态参数为:饱和温度t =120.23;饱和蒸汽焓i″=2707 kJ/kg 过热蒸汽焓i=2749kJ/kg ;汽化潜热r=2202 kJ/kg 于是可算出整个热交换器的传热量: 1050 360021600 22022707 2749 热交换器中存在冷却和冷凝段,分为两段计算,如图1.16所示。过热蒸汽的冷却段放出的热量: 4.58kJ/s 27072749 冷凝段,则为:kJ/s 22 2402202 1091 360021600 22 图1.16冷却段之平均温差: 8049.25 120.2350 401n 49.25) 8949.25 120.2310 120.231n 10 8917 8922 24080.11 4.58 244.8 可见,由于过热度不是很大,过热蒸汽的冷却段在整个热交换器中所起的作用不是很大,因而即使以冷 凝段的参数来计算,其误差也很小。 冷凝段之平均温差: 总平均温差: 冷凝段 过冷段 过热段 42 48 65 55 45 35 43 h1=428.82 kJ/kg h2=416 kJ/kg h3=258.14 kJ/kg h4=251.74 kJ/kg 制冷剂 2040 60 80 100 负荷 作业:按图中所给定参数,其中制冷剂流量1kg/s,分段计算冷凝器的对数平均温差和总的对数平均温差。 1.3.1 传热有效度的定义 传热有效度基于如下思想:当换热器无限长, 对逆流换热器,则会发生如下情况: 于是有:Qx 1.3传热有效度 “传热学”中的效能–传热单元数方法 但实际传热量Q总是小于可能的最大传热量Q x x定义为传热有效度,并用 表示,即: 换热器效能定义: 如已知,则实际传热量为: 1.3.2顺流和逆流时的传热有效度 根据热平衡: kFexp kFexp kFexp μkFexp 顺流代入 xmin x min min 定义传热单元数NTU(Number TransferUnit) 则顺流时: NTUexp xmin minNTU xmin x min min 同理可推导逆流: 逆流: NTUexp NTUexp NTUexp xmin x min x min NTUexp NTUexp 当冷热流体之一发生相变,或相当于Wx x0,效能公式可简化为: =1–exp(-NTU)当两种流体的热容相等,即:R 公式可以简化为:顺流: 逆流: 2NTU)exp( NTUNTU NTUexp NTUexp NTUNTU NTUexp NTUexp NTU xmin 图1.18顺流热交换器的 图1.19 逆流热交换器的 效能-传热单元数关系 —NTU: 效能一般均随NTU的增大而增大, 但有的达到一定NTU后趋于饱和。 过分增大换热器没有意义。 逆流换热优于顺流。设计计算: 初选流道布置方案并计算两侧表面传热系数和总传热系数; —NTU方法的应用校核计算: 根据已知传热、总传热系数和较小侧热容W 可直接求出NTU值; 和NTU值,选取相应的公式或曲线 求得换热器效能 求出小W流体的出口温度,再 由能量守恒得到另一出口温度。 【例1.3 】温度为99的热水进入一个逆流交换器,将4的冷水加 热到32。热水流量为9360kg/h,冷水流量为4680kg/h,传热系数 为830W/(m 热平衡关系10883.6(99 =5441.8/10883.6=0.5,295 expNTU 0.5 1.39 0.295 0.5expNTU 0.5 NTU=0.38 NTU 0.38 5441.8 2.49 83085 9932 73.8 85 ln99 32 故传热此例若以平均温差法计算时 =0.147,Rc1 =2,NTU 的逆流套管换热器中,用油加热冷水。油的流量为2.85kg/s,进口温度为110;水的流量为0.667kg/s,进口温 度为35。油和水的平均比热分别为1.9kJ/(kg)及4.187kJ/(kg)。 换热器的总传热系数为320W/(m x=2788/5415=0.515 NTU=KF/Wmin =32015.8/2788 =1.8 90.535 35) 0.74(110 0.740.74 0.515)] 1.8(1 exp[ 0.515 0.515)]1.8(1 exp[ NTUexp NTUexp

  型热交换器该型热交换器的传热有效度可直接按式(1.18) 作进一步: S为每一流程单位长度上的传热,故: 假定热流体是小热容量流体,故: NTU1.3.3 流动方式时的传热有效度 式(a)简化:得到: 〈1-2n〉型 图1.20 型热交换器的ε图1.22 型热交换器的ε〈2-4n〉 一种流体混合,另一种流体不混合图1.4 错流热交换器 图1.24 二次错流 图1.25 三次错流 无混合的错流 (NTU)0.2 {exp[-R (NTU)0.78 (1.45)有混合的1次错流 NTUexp 有混合的2次错流有混合的3次错流 (1.43)(1.46) (1.47) 图1.23两种流体都不混合的错流热交换器 图1.21两种流体中仅有一种混合的错流热交换器 0.4850.485 0.4850.729 【例1.4】有一管式空气换热器,烟气流过管内,在管程间有横向混合,如图1.26所示,已知其传热F=1353 解:传热单元数:NTU=KF/Wmin =141353/10540=1.8 x=10540/14460=0.729 分传热单元数(NTU) =1/2NTU=1/21.8=0.9 =0.485于是可利用式(1.46)计算总的传热有效度: 图1.26例1.4附图 1.4 热交换器热计算方法的比较 传热方程: 必须事先给出五个才能进行计算。采用平均温差法或传热单元数法都可得到相同的结果,但具体步骤有所不同。 设计性热计算,平均温差法和传热单元数法在繁简程度 上没有多大差别。但平均温差法,通过ψ大小可判断流 动方式与逆流之间的差距,有利于流动型式的比较。 校核性热计算,两种方法都要试算。某些情况下, K已知时,热交换器工作原理采用传热单元数法更加方便。 设计性热计算,最好采用平均温差法; 校核性热计算,传热单元数法能显出更大的优越性。 1.5 流体流动方式的选择 在给定的温度工况下,获得较大的平均温差,以减小传热。 尽可能大,使流体的热量得到合理利用,并可节省泵或 风机的投资与能量消耗。 尽可能使传热面的温度比较均匀,并使其在较低的温度下工作。 应有最好的传热工况,以便得到较高的传热系数,起到减小传热的作用。 1.5.1 顺流和逆流 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Δt 可以比较大。顺流 吸热 逆流吸热 不能片面追求高的Δt,高的Δt使热交换器两端温差Δt′和Δt″有所降低,使平均温差Δt 是不是所有的换热器都设计成逆流形式最好?NO!如逆流时冷、热流体的最高温度均出现在 换热器的同一侧,热交换器工作原理使得该处的壁温特别高。 对有相变的换热,如蒸发器和冷凝器,发生相变的流体温度不变,所以不存在顺流与逆流的问题。 冷凝蒸发 1.5.2混流和错流 混流或错流的选择也不是完全从热工角度出发,更多的是由结构所决定。 图1.28

  型热交换器中的温度分布 项目 第一种情况 第二种情况 第三种情况 流体温度() =100趋近温度(t″ 0.40.5 0.56 0.920.8 0. 表1.2 不同情况下的ψ

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