【HETA】换热器的传热计算公式

admin · 发表于 2022-9-19 11:04:03

                                                                                                      返回 一、基本概念1.换热器的校核计算：已知换热器面积，校核流体出口温度和换热量。
2.换热器的设计计算：已知热负荷Φ和入口温度t1’，t2’，确定换热器的型式，求出换热面积及换热器的结构参数。
3.换热器效能：ε=实际传热量/最大可能传热量，也可表示成热容量小的流体进出口温差与两种流体进口温差之比。
4.传热单元数NTU ：，表示换热器传热量大小的一个无因次量。
5.换热器：实现两种(或两种以上)温度不同的流体相互换热的设备。
6.污垢热阻：换热器运行一段时间之后，壁上常附有污垢层，厚度虽不大，但其导热系数很小，也会产生较大的导热热阻，称为污垢热阻。
7.辐射换热系数：为了使计算公式简化，把复合换热过程中的辐射换热量化成相当的对流换热量的形式处理，该相当的折算对流换热系数即称之为辐射换热系数hR。
8.对数平均温差：换热器冷热流体间沿换热面的积分平均温差为：
，因其中包含对数运算项，故通常将其称之为对数平均温差。
9.顺流、逆流、交叉流：在换热器中，冷热流体作平行且同向流动称顺流，冷热流体作平行且反向流动称逆流，冷热流体作相互垂直方向流动称交叉流。
10.管程与壳程：在管壳式换热器中，流体在管道内从换热器的一端流道另一端称为一管程，壳侧流体从换热器的一端流到另一端称为一壳程。
11.间壁式换热器：换热器冷、热两种流体被一金属壁面隔开进行换热者称为间壁式换热器。
12.回热式换热器：换热器的换热面交替地吸收和放出热量，热流体流过换热面，使它温度升高，换热面吸热并贮蓄了热量，然后冷热流体流过换热面，换热面放出热量，冷流体则被加热;这种工作方式称为回热式换热器。
13.肋化系数：为肋壁表面积A2（=A2’+A2”）与光壁表面积A1之比，即：。
14.肋壁总效率：，式中ηf为肋片效率。是整个肋壁表面的实际散热量Φ，与假定整个肋壁表面都处于肋基温度时理想散热量Φ0之比，是衡量肋壁表面散热有效程度的指标。

二、基本理论1.何处加肋可获得较好的传热效果
一般情况下，肋化系数β>>1，虽然η<1，并且β增大η下降，但是ηβ>>1，故：肋化使传热系数和传热量提高。
加肋后对流换热热阻降低的程度与1/(ηβ)有关——肋片间距、肋高、肋的材料及制造工艺。
（1）减小肋片间距：肋的数量增多，肋壁表面积增大， β 增大；减小肋间距可增强肋间流体扰动——有利于减小热阻。但有限制：肋间距不应小于热边界层厚度的2倍，以免降低传热温差。可采用不连续的断肋：柱形、齿形，破坏边界层。
（2）肋片高度：l↑⇒ηf↓； l↑⇒A2↑⇒ β↑。应综合考虑：当h1与h2 相差3~5倍时（如：制冷系统中的冷凝器），可使用β 较小的螺纹管。当h1与h2相差10倍以上时（如：蒸汽-空气加热器），可选用β 高的肋片。
   请思考：在h较小一侧加肋片可以有效强化传热；若在h较大一侧加肋片能起到什么作用？（提示：控制加肋片侧的温度）
2. 强化传热的基本途径及其内涵。
由传热公式Φ=kAΔt可看出，增加k、A、Δt三项中的任一项均可使Φ增大达到增强传热的目的。
⑴扩展传热面：以此方法来增强传热，并不是单纯依靠增强设备体积和台数来达到增加传热面积和传热量，而是应合理提高换热设备单位体积的传热面积而达到增强传热的目的。
⑵加大传热温差：改变冷热流体温度和采用不同流体流向布置方式均有可能提高温差，而前者常受到许多限制。
⑶提高传热系数：分析传热过程各项热阻，降低其中最大项热阻值，可有效地提高传热系数。

三、基本计算式及方法1. 基本计算式
传热方程式：
热平衡方程式：
对数平均温差：；算术平均温差：
K的确定：
思考：在什么情况下使用对数平均温差？什么情况下可使用算术平均温差？
2. 换热器计算式及方法
(1)计算类型
设计计算：根据指定的换热任务（介质的种类、流量和进出口温度），选择合适的换热器型式和流道布置方案，求出总传热系数，进而确定所需要的换热面积。
校核计算：针对已有的一台换热器，核查它能否完成预定的某项换热任务，即核算两侧流体的出口温度能否达到预期值。
(2)计算方法
l       平均温差法（LMTD法）：该方法常用于换热器的设计计算。
l       效能-传热单元数法（ε-NTU法）：该方法常用于换热器的校核计算

四、举例1.一蒸汽冷凝器，蒸汽压力为0.8bar绝对压强干饱和蒸汽，流量0.015kg/s，凝结水为饱和水。冷却水进口温度10℃，出口温度60℃，冷凝器传热系数为2000 W/m2℃，求换热面积。
解：由p1=0.8bar，查表得，LMTD为：
换热面积：
2.一台套管式换热器，传热系数保持不变，  冷流体流量0.125kg/s，定压比热4200J/kg℃，入口温度40℃，出口温度95℃。热流体流量0.125kg/s，定压比热2100J/kg℃，入口温度210℃，试求：(1)最大可能传热量；(2)效能； (3)为减少面积，换热器应按顺流还是逆流方式运行?这两种方式下传热面积之比为多少？
解：(1)最大可能传热量：
(2)热流体出口温度：
由，得：
效能：
(3)顺流与逆流方式运行传热面积之比：
由顺流，知：
（可查图计算）
由逆流，知：
（可查图计算）
再由知：
因此为减少面积，换热器应按逆流方式运行。
思考：用LMTD法如何计算？

3.一逆流套管换热器，其中油从100℃冷却到60℃，水由20℃加热到50℃，传热量为2.5 104W，传热系数350W/m2.℃，油的比热容2.131kJ/kg.℃，求换热面积?如使用后产生污垢，垢阻为0.004m.℃/W，流体入口温度不变，问此时换热器的传热量和两流体出口温度各为多少?
解：⑴确定换热面积
LMTD法：
℃，℃
℃
由，得
ε-NTU法：
因Δt油>Δt水，则油的热容量小，所以换热器效能
由热平衡方程式得：
由查图10-18得：
由NTU定义知：
⑵确定产生污垢热阻后的参数
需采用ε-NTU法
传热系数
由NTU=0.376及查图10-18得：
而，则热流体出口温度℃
由热平衡方程式得：
换热量
冷流体出口温度℃

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