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HTRI 7-换热器及换热效果影响(3学时)


传热过程

传热过程及传热方程式
? 传热过程:热量从壁面一 侧的流体通过壁面传导另 一侧流体中去的全过程。 ? 1:传热过程至少包含三 个串联的环节,其中两个 环节有流体参与换热; ? 2:传热过程至少包含了 两种以上的换热方式

Q = KA?t Q ?t ?t q = = K?t = = 1 RK A K

/> 通过平壁的传热

通过平壁的传热:

通过圆管的传热:

壳管式换热器示意图

? ?胴(シェル)側:低温流体 管程. ?管程 ?壳程

强迫对流 传热 热传导





热传输
强迫对流 传热 强迫对流

热量依次通过强迫对流、热传导和强迫对流从高温流 体传到低温流体



热t

传热 热传导 强迫对流 传热

热传输

传热过程
Hot Water Wall Cold Water

H.T.Q It’s able to get Q by calculating any one among of Q1,Q2 or Q3.
H.T.Q H.T.Q

Heat Transfer Quantity (H.T.Q)

Fourier Newton Newton Cooling Law Cooling Law Cooling Law

H.T.Q

Impossible to measure both side Temp. of Wall, T2, t2.

《Hot Temp. Side》 《Low Temp. Side》 T1:Standard Temp. t1:Standard Temp. T2:Wall Face Temp. T2:Wall Face temp.

It can be obtained H.T.Q by measuring standard temp. of both fluid (T1,t1) even both temp. of both surfaces of wall (T2, t2).

Thus, it can be eliminated T2, t2 as the following.

传热系数和热阻
? 平板
A (t f 1 ? t f 2 ) Φ= 1 δ 1 + + h1 λ h 2 1 1 δ 1 Rt = = + + K h1 λ h 2

? 圆管壁

A0 ( t fi ? t fo ) Φ= do 1 do do 1 + ln + hi d i 2 λ d i ho do 1 do do 1 ?1 Ki = ( + ln + ) hi d i 2 λ d i ho

分析
? 由于固体壁面两侧的温度常常是未知的, 传热过程的计算公式恰好回避了未知的温 度,从而方便了计算,求出热流量之后, 在利用环节公式自然能够算出未知的壁面 温度。 ? 传热的若干环节中必然有一个环节热阻最 大,强化这个环节的换热,减少其热阻, 将使传热系数的提高最为显著。

传热的强化和削弱
? 传热的强化:
– 提高传热系数(抓主要矛盾) – 增大传热面积 – 增大传热温差

? 传热的削弱
– 附加的热绝缘层 – 厚度不是越大越好

换热器及其类型
? 换热器是实现两种流体热交换的装置 ? 换热器的类型:
– 混合式:两种流体相互混合 – 回热式:储热式,冷热两种流体交替流过换热 面,换热面从热流体吸热,经过短暂的储存后 再释放给与换热面接触的冷流体 – 间壁式:表面式,流体间的热量交换必须穿过 固体壁面;又分为管壳式、管翅式、板式、板 翅式、螺旋板式等类型

热平衡计算
不可使用体积流速 t2 T1
When indicates flow with volume flow??? Temp. Change Volume Velocity Pressure Change When indicates flow with mass flow??? Temp. Change

W1

W1
t1

T2

Mass Velocity Pressure Change

质量流速=体积流速 质量流速 体积流速 × 密度 Heat Transfer Quantity Q=QH=QC
※密度 (kg/m3): 取进出口平均温度..

QH=W1×Cp1×(T1-T2) (kcal/h) ※SI Dimension(kJ/s)
High Temp. Fluid’s Lost heat quantity=(High Temp. Fluid) Mass Flow ×Specific Heat ×Difference Temp.

QC=W2×Cp2×(t1-t2)
Low Temp. Fluid’s Lost heat quantity=(Low Temp. Fluid) Mass Flow ×Specific Heat ×Difference Temp.

Q=KF?tm

No Change

Change

热交换器

High Temp. Low Temp. Fluid Fluid

(T1)
(T2)

(t1)
(t2)

Assuming that this is Proportional Coe. U

H.T.Q is proportional to H.T.A and temp. difference.

传热过程分析

Formula of Fourier

传热 系数

U(W/m2?K)(SI Dimension System)

顺流和逆流
顺流时流体温度沿程变化示意图 顺流

顺流
高温流体
t

高温侧流体

低温侧流体温度不可能超过高温侧 n 流体温度.

低温侧流体

低温流体

出口温差

逆流时流体温度沿程变化示意图

逆流

逆流
冷 高温流体 端 出 口 低温流体 处 温
流体 低温侧

高温侧流体

低温侧流体温度可能超过高温侧流体温 n 度.



传热面积的计算 (H.T.A)
Q=U?A?(T1-t1) ? ? This equation is not adequate for calculating whole H.T.Q of the HX because it’s only calculates it at a certain portion in HX.

传热方程式

A certain portion

Need optimization of Fourier Formula

H.T.A is obtained by means of outer surface of heat pipe.

H.T.A (A)
Outer diameter

《Heat Transfer Area (HTA)》 》 Circumference×Length × outer Surface (Ao)

Ao=Circumference of Pipe (m) ×Length of Pipe ×Numbers of Pipe

Actual H.T.A
Experimental Device Cross Section of Heat Pipe Heat Exchanger (HX) Optimized HTA (A)

Fourier Formula

U

(T1-t1)

对数平均温差( 对数平均温差(LMTD)
Temp. Distribution High Temp. Fluid Standard Temp. (T1)

Q=U?A?(T1-t1) (传热方程式 ? ? 传热方程式) 传热方程式
高温流体和低温流体的温度实际上是不可测的, 高温流体和低温流体的温度实际上是不可测的,那么 怎样出这个温差呢? 怎样出这个温差呢?

Low Temp. Fluid Standard Temp. (t1)

Opposite Flow Temp. Distribution

(?T1)
Hot Side Temp. Difference High Temp. Fluid Temp. Distribution

The logarithm mean for temp. difference between inlet and outlet of both fluids is supposed to temp. difference of both fluids.

(?T2)
Cold Side Temp. Difference Low Temp. Fluid Temp. Distribution

Logarithm Mean temp. Difference(LMTD) ( )

◆热端 (?T1)=T1-t2 ◆冷端 (?T2)=T2-t1 LMTD= ?T1-?T2 ?T1 = ?T1-?T2 ?T1 2.3 ?og ?T2

?n

?T2

LMTD的校正 (1/3) 的校正
Many Tube Type HX t2:Low Side Outlet Temp. T1:High Side Inlet Temp.

Temp. Distribution Hot Fluid

Complicated Temp. Distribution Cold Fluid Compensation of LMTD

t1:Low Side Inlet Temp.

T2:High Side Outlet Temp.

Double Tube Type HX

Many Tube Type HX Hot Fluid

Hot Fluid

× Cold Fluid

修正系数 (Ft)
各种流型

LMTD的校正 (2/3) 的校正 Temp. Compensation Factor (Ft)
Temp. Compensation Factor (Ft) Temp. Distribution Hot Fluid Up

Drop

Cold Fluid

Temp. Efficiency P

?Consider temp. drop at hot fluid
Temp. Drop Ratio: R= T1-T2 t2-t1

《Sample Calculation》 T -T2 (86-48) R= 1 = 2.71 = t2-t1 (44-30) P= t2-t1 (44-30) = 0.25 = T1-t1 (86-30)

?Consider temp. rise at cold fluid
Temp. Efficiency: P= t2-t1 T1-t1

0.87 is obtained as Ft from the figure.

LMTD的校正 (3/3) 的校正
Temp. Compensation Factor (Ft)

实际的温差 Temp. Efficiency P Experimental Device

Fundamental Fourier Formula

Generally, temp. compensation factor Ft is:

0.8<Ft<1.0
Real Temp. Difference<LMTD <

Heat Exchanger

Apply Temp. Compensation Factor (Ft)

U

蒸汽发生器的传热过程分析
? 热平衡方程 ? 传热方程

W1C p (t2 ? t1 ) = W1 ( H gs ? H fd ) Q = UFSG ?θ SG U= 1 δ 1 + + h1 k h1 1

?θ SG = t f ? t st1

蒸汽发生器一、二次侧工质的Q-T图
T Tf1,in

Tf1,out tws Tf2,in

Tf2,out

汽轮机主要辅助设备的传热分析
? 汽轮机主要辅助设备指凝汽器、加热器和 冷油器等,传热特点如下:
– 传热系数大 – 平均温差小 – 辐射换热的作用可忽略

污垢热阻
? 换热器运行一段时间后, 流体工质携带的杂质在换 热面上沉积为污垢,如水 垢、油垢、金属表面的锈 蚀层等,从而增加传热过 程的附加热阻,使传热系 数下降。 ? 实际计算由于确定垢层厚 度较为困难,无法真正计 算垢层导热热阻,而是在 计算传热系数时附加一项 污垢热阻的经验值,即:

1 1 = + Rf K K0
K0:无垢时的传热系数 K:同样工况下结垢后的传热 系数 Rf:污垢造成的附加热阻


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