【文章內(nèi)容簡介】 2 T2 T1 t1 t2 dT dt 逆流 Δ t2 Δ t1 T T t1 t2 （ a）蒸汽冷凝加熱無相變流體 t t T T （ b）無相變流體加熱 液體沸騰 圖 513 一側(cè)流體相變時(shí)的溫度變化 平均溫度差 Δ tm 的計(jì)算 平均溫度差 Δ tm 的計(jì)算 （ 1） 以逆流為例導(dǎo)出計(jì)算平均溫度差 Δ tm 的通式 取一微元傳熱面 dA ① 經(jīng) dA的傳熱速率為 dQ = K（ T t） dA= KΔ t dA ② 對(duì) dA進(jìn)行熱量衡算 （ 冷 、 熱流體均無相變化 ） dQ = ms1cp1dT= ms2cp2dt ③ 對(duì)整個(gè)換熱器進(jìn)行熱量衡算 設(shè) Q損 =0， cp cp2分別取平均溫度下的平均值 ， 可以認(rèn)為是常數(shù) ， 冷 、 熱流體均無相變化 ， Q = ms1cp1（ T1 T2） = ms2cp2（ t2 t1） 平均溫度差 Δ tm 的計(jì)算 ④ 導(dǎo)出計(jì)算 Δ tm 的通式 )11(ddd)d(dd2p2s1p1s2p2s1p1s cmcmQcm Qcm QtTtT ?????????2p2s1p1s11ddcmcmQt ????QttQtTtTQttQTTtAKt 2112211221 )()(dd ???????????????）（ ??????????Att AQttttK 021 dd1 21 AQttttKAQttttK21212112 ln1ln1 ?????????????? 即 平均溫度差 Δ tm 的計(jì)算 AQ ttttK 2121ln1 ???????2121lnttttKAQ??????令 2121mlnttttt???????對(duì)數(shù)平均溫度差， 對(duì)逆流、并流及一側(cè)流體變溫的情況均適用，是計(jì)算 Δ tm的通式 Δt1——熱流體進(jìn)口側(cè)的傳熱溫差， ℃ ； Δt2——熱流體出口側(cè)的傳熱溫差， ℃ 。 mtKAQ ??傳熱基本方程式 平均溫度差 Δ tm 的計(jì)算 （ 2） 討論 ① Δ tm由逆流推導(dǎo)得出 ， 但同樣適用于并流 逆流： Δt1 = T1 t2， Δt2= T2 t1 12211221mlntTtTtTtTt???????）（）（并流： Δt1 = T1 t1， Δt2= T2 – t2 22112211mlntTtTtTtTt???????）（）（② 若 max(Δt1 , Δt2)/min (Δt1 , Δt2) 2， 221mttt ????? 平均溫度差 Δ tm 的計(jì)算 例 在一列管式換熱器中用機(jī)油和原油換熱 。 機(jī)油在管內(nèi)流動(dòng) ， 進(jìn)口溫度為 245 ℃ ， 出口溫度下降到 175 ℃ ；原油在管外流動(dòng) ， 進(jìn)口溫度為 120℃ ， 出口溫度上升到 160 ℃ 。 （ 1） 試分別計(jì)算并流和逆流時(shí)的平均溫度差 。 （ 2） 若已知機(jī)油質(zhì)量流量ms1=， 定壓比熱容 cp1=3kJ/（ kg?K） ， 并流和逆流時(shí)的 K均等于 100W/（ m2?K） ， 求單位時(shí)間內(nèi)傳過相同熱量分別所需要的傳熱面積 。 平均溫度差 Δ tm 的計(jì)算 ③ 逆流與并流比較 a、當(dāng) T T2及 t t2均已確定時(shí)， Δ tm逆 Δ tm并 ，若 Q相同，則 A逆 A并 ，所以工業(yè)換熱器一般是采用逆流； b、并流 t2 總是 T2，逆流 t2 可以 T2， Q一定時(shí) 若熱流體被冷卻 (T1→ T2)，則冷卻劑溫升 (t2 t1)逆 (t2 t1)并 ，冷卻劑用量 ms2逆 ms2并 ； 若冷流體被加熱 (t1→ t2)，則加熱劑溫降 (T1T2)逆 (T1T2)并 ，加熱劑用量 ms1逆 ms1并 ； 結(jié)論： 逆流比并流優(yōu)越 ， 故應(yīng)盡可能采用逆流操作 。 但對(duì)熱敏性物料的加熱并流操作可避免出口溫度 t2過高而影響產(chǎn)品質(zhì)量 。 此外 ， 傳熱的好壞 ， 除 Δtm的大小外 ， 還應(yīng)考慮影響 K的多種因素及換熱器結(jié)構(gòu)方面的問題 。 平均溫度差 Δ tm 的計(jì)算 ④ 對(duì)只有一側(cè)流體變溫的情況，則無逆流和并流之分 飽和蒸汽（熱流體）冷凝，冷流體無相變 T1 T2 t2 t1 并流 T1 T2 t2 t1 逆流 ? ? ? ?211222112211mlnlntTtTtttTtTtTtTtss???????????并? ? ? ?211212211221mlnlntTtTtttTtTtTtTtss???????????逆 平均溫度差 Δ tm 的計(jì)算 熱流體無相變，飽和液體（冷流體）沸騰 T1 T2 t2 t1 并流 ? ? ? ?sstTtTTTtTtTtTtTt??????????212122112211mlnln并?T1 T2 t2 t1 逆流 ? ? ? ?sstTtTTTtTtTtTtTt??????????212112211221mlnln逆? 平均溫度差 Δ tm 的計(jì)算 復(fù)雜流動(dòng) Δ tm的計(jì)算 基本概念： 管程：流體在換熱器管內(nèi)流動(dòng) 殼程：管束與換熱器殼體之間的空隙 流體通過換熱器時(shí)只流過一個(gè)管程 ， 稱為單管程；若依次流過多個(gè)管程 ， 稱為多管程；單殼程 、 多殼程的概念與之類似 ， 多殼程換熱器相當(dāng)于多臺(tái)換熱器串聯(lián) 。 單管程單殼程 平均溫度差 Δ tm 的計(jì)算 雙管程單殼程 四管程 平均溫度差 Δ tm 的計(jì)算 （ 1）簡單折流（單殼程多管程的流動(dòng)，殼程無折流擋板） 換熱器中的管子總數(shù)不變，總傳熱面積不變，在封頭中設(shè)置隔板改造成多管程；每一管程中的管數(shù)減?。蝗缦卤韺喂艹谈臑殡p管程一些參數(shù)的變化情況： 單管程 多管程 總管數(shù) n n 每程管數(shù) n n/2 管內(nèi)流速 總傳熱面積 ndVs24?242 ndVs?dLn? dLn? 平均溫度差 Δ tm 的計(jì)算 簡單折流 ： 12折流 、 14折流 、 16折流 、 13折流都稱為簡單折流 （ 一邊流體反復(fù)作折流 ， 另一邊流體只沿一個(gè)平行方向流動(dòng) ， 使兩邊流體間有并流與逆流交替出現(xiàn) ） 。 對(duì)于有折流的情況 ， 平均溫度差的計(jì)算較復(fù)雜 ， 如 12折流時(shí)的溫度差的計(jì)算式： 21222112212122211221212221m)()()()()()()()(ln)()(ttTTtTtTttTTtTtTttTTt???????????????????思考 ：若圖 518中熱流體為飽和蒸汽冷凝 ， 則 （ T1= T2= T） 21122112121221121212mln)(2)(2lnlntTtTtttTtTtttttTtTtttTtTttt????????????????????? 平均溫度差 Δ tm 的計(jì)算 （ 2） 錯(cuò)流 （ 殼程裝有圓缺形檔板的流動(dòng) ） 兩流體流動(dòng)方向互相垂直 。 若 α2↓， K↓， 為提高 α2↑， 使 K↑， 可設(shè)法使 u2↑， 同時(shí)迫使流體按規(guī)定的路徑多次橫向流過管束 ， 增大湍動(dòng)程度 （ 在較低的 Re， Re100即可達(dá)到湍流 ） 。 （ 3） 復(fù)雜折流 （ 多管程 、 多殼程 ） 實(shí)際上 ， 工業(yè)換熱器并不一定都是逆流或并流 ， 許多情況下采用折流 、 錯(cuò)流等復(fù)雜的流動(dòng) ， 復(fù)雜流動(dòng) 的 Δ tm按下式計(jì)算 逆mmtt ?? ?? ),( PRf??式中 1221ttTTR???1112tTttP??? 平均溫度差 Δ tm 的計(jì)算 討論 ： （ 1） 單管程改為多管程 ， 殼程增加折流擋板 ， 雖然能提高傳熱效果 ， 但同時(shí)也增大了流動(dòng)阻力； （ 2） 對(duì)一側(cè)有相變的情況 ， 飽和液體沸騰 P→ 0， R→ ∞；飽和蒸汽冷凝 R→ 0 ；由 ψ~R、 P關(guān)系圖可知 ， ψ=1 ， 其對(duì)數(shù)平均推動(dòng)力均按逆流計(jì)算 ， 無需進(jìn)行溫差校正； （ 3） 一般 ψ1， 當(dāng) ψ ， 由圖可知 P的微小變化 （ t變化引起的 ） 使 ψ急劇變化 （ 特別是下降的情況 ） ， 導(dǎo)致 Δ tm大大降低 ， 造成傳熱操作極不穩(wěn)定 ， 因此設(shè)計(jì)換熱器時(shí)應(yīng)使之ψ ， 否則經(jīng)濟(jì)上不合理 、 操作溫度略有變動(dòng) ， ψ↓↓ ， 操作不穩(wěn)定 ； 思考 ：提高 ψ的方法 ？ 平均溫度差 Δ tm 的計(jì)算 改用多殼程： 單殼程： R=， P= ， ψ = 多殼程： R=， P= ， ψ = 因此 ， 要增大溫差校正因子 ， 可以增加殼程數(shù) 。 （ 4） 若蒸汽冷凝于殼程 ， 由于蒸汽本身的對(duì)流給熱系數(shù)很大 ， 所以殼程安裝擋板的距離比一般的換熱器要大 ，且擋板間應(yīng)有冷凝水的排放口 。 壁溫的計(jì)算 對(duì)于穩(wěn)定傳熱過程 mW11WWmW22 )(tKAttAtTAbTTAQ????????）（）（???熱流體側(cè)傳熱面積 冷流體側(cè)傳熱面積 平均傳熱面積 22W AQTT??? mWW AbQTt??? 11W AQtt??? 對(duì)流給熱與對(duì)流給熱系數(shù) 對(duì)流給熱系數(shù)的影響因素 （ 1） 引起流動(dòng)的原因：自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流 自然對(duì)流：流體內(nèi)溫度不同 ， 導(dǎo)致密度差異 ， 熱流體上升 ， 冷流體下降 ， 由于流體溫度不同而使流體流動(dòng)的傳熱過程 ， 稱為自然對(duì)流給熱 。 強(qiáng)制對(duì)流：由外力作用 （ 輸送機(jī)械 ） 使流體流動(dòng)而傳熱， 稱為強(qiáng)制對(duì)流給熱 。 α強(qiáng)制對(duì)流 α自然對(duì)流 （ 2） 流體流動(dòng)形態(tài) 流體傳熱熱阻主要集中在層流底層中 。 對(duì)層流而言 ， 整個(gè)流體均處于層流狀態(tài)；而湍流流體中只有層流底層處于層流狀態(tài)；所以湍流情況下傳熱效果大于層流狀態(tài) ， 且湍動(dòng)程度越大 ， 層流底層越薄 ， 對(duì)流給熱系數(shù)越大 。 α湍流 α層流 對(duì)流給熱系數(shù)的影響因素 （ 3） 流體的性質(zhì) 影響對(duì)流給熱過程的性質(zhì)主要有：比熱 、 導(dǎo)熱系數(shù) 、 粘度 、 密度等 。 如粘度大 ， 流動(dòng)阻力大 ， 湍動(dòng)程度差 ， 傳熱效果差；導(dǎo)熱系數(shù)大 ， 層流底層中熱阻小 。 一般比熱大 、 導(dǎo)熱系數(shù)大 、密度大 、 粘度小對(duì)傳熱有利 。 （ 4） 傳熱面形狀 、 大小 、 位置及流通截面 ， 是否發(fā)生相變等 流通截面及形狀 （ 圓管 、 套管環(huán)隙 、 翅片管 、 單管 、 管束 、 板 、 彎管 ） 管子排列方式 （ 三角形 、 正方形 ） 位置 （ 水平 、 垂直 ） 大小 （ 短管 、 長管 ） 相變 （ 無相變 、 沸騰 、 冷凝 ） 對(duì)流給熱系數(shù)的影響因素 補(bǔ)充：自然對(duì)流環(huán)流流速 adLbc流動(dòng)的推動(dòng)力為密度不同引起的靜壓差，則 TLTTLggLTgLgppgpgu ????? ??????????????????112ad2TgLu ???液體的密度隨溫度變化的關(guān)系式如： ? ?T???? ??? 1緊靠壁面處密度（