1、热交换器原理与设计 （第5版） 史美中 王中铮,按热量传递方式分：,换热器分类与型式,1 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。 2 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： 1. 加热器： 2. 预热器： 3. 过热器： 4. 冷却器： 5. 蒸发器： 6. 冷凝器： 7. 再沸器：,用于把流体加热到所需温度，被加热流 体在加热过程中不发生相变。 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

　　2、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。1. 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：,2. 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。3. 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

　　3、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。1. 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。 2. 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：,1. 管式换热器 通过管子壁面进行传热的

　　4、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。 2. 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。 3. 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,1 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，确定其面积。但同样大小的传热面积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。

　　5、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，其他形式的换热器计算方法相同。1.1 热计算基本方程,1. 传热方程： Q = kFtm Q = ktdF,2.热平衡方程,热容量： W = MC (W/) Q = W1 t1 =W2 t2,平行流：顺流和逆流,顺流 逆流,对顺、逆流的传热温差分析，作如下假设： 1. 冷热流体的质量流量和比热是常数； 2. 传热系数是常数； 3. 热交换器没有热损失； 4. 换热面沿流动方向的导热量可以忽略不计； 5. 同种流体从进口到出口既无相变也无单相 对流换热。

　　6、 要计算沿整个换热面的平均温差，首先需要知道温差随换热面的变化，即 tx= f(Fx)，然后再沿整个换热面积进行平均。1.2 平均温差,1.2.1 流体的温度分布,1.2.2 顺流、逆流下的平均温差,+：顺流 -：逆流,当 Fx = F 时，tx =t,顺流与逆流的区别： 顺流： 逆流：,将对数平均温差写成统一形式(顺/逆流都适用),当 时，两者的差别小于4； 当 时，两者的差别小于2.3。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：,(a) 两种流体不混合 (b) 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

　　7、流的复杂流动。1.2.3 其它流动方式下的平均温差,板翅式,管翅式,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。 tm = tl m,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。 tl m,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）定义无量纲参数 P 和 R,（2）P的物理意义：冷流体的实际温升与理论所 能达到的*大温升之比（ 1） （3）R的物理意义：两种流体的热容量之比。 =f (P、R),P = P R R = 1/R, 温度效率,(1-22),1) 热流体在管外为一个流程，

　　8、冷流体在管内先逆后顺两个 流程型热交换器,先顺后逆型适用； 并且型也可近似使用,型热交换器 的计算 热平衡：W1(t1 t1) =W2(t2 t2) (a) x=x到x=L段的热平衡： W1(t1 t1) =W2(t2b t2a) (b) 微元段dx内，设热流体放热量dQ1，冷流体** 流程吸热量dQ2，第二流程吸热量dQ2，则： dQ1=W1dt1；dQ2=W2dt2；dQ2= W2dt2b 故： W1dt1 =W2 (dt2a dt2b) (c),若整以S表示每**程中单位长度上的 传热面积，则： W2dt2a =KS(t1 t2a)dx (d) W2dt2b = KS(t1 t2b)dx

　　9、 (e) 将式(d)、(e)代入式(c)得:,(f),将此式对x微分，则:,(g),将式(d)、(e)代入式(g)： (h) 将式(b)代入式(h)并整理： (i) 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： Z = t1 t1 (j) t1为热流体起始温度，看作常量，(i)式变成： (k),此为二阶齐次线性常微分方程，设其解为： Z=emx (l) 代入式(k)中，则为 (m) 解此一元二次方程，可得到m的两个解： (1.17) 式中：,因此，由式(l)可得式(k)的通解： (n) 待定常数Ma、Mb可由边界条件确定 x=0时t1 =t1或Z=t1 t1 x=L时t1

　　10、=t1或Z=0 将其代入式(n)中，可求出待定常数： (p) 将式(p)代入(n)，则：,(q),式(q)表示了壳侧流体温度沿距离x的变化规律。 若对式(n) x求导，可得壳侧流体温度的变化率： (r) 将式(f)代入式(r)，考虑到边界条件： x=0时，t1 =t1，t2a =t2，t2b =t2 则： (s) 将式(1.17)、(p)确定的ma、mb及Ma、Mb代入式(s)：,(t),整理得: (1.18) 同除以exp(mbL)，得到： (u) 根据式(1.17)，有： (v) 对热交换器，结合传热方程和热平衡方程： 2KSLtm=W1(t1 t1) 其中2SL=F为传热面积，所以： (

　　11、w),由式(u)、(v)，得： (x) 将式(x)代入式(w)，并考虑到: (y) 整理，得到平均温差的公式： (1.19),由辅助函数P、R，将上式(1.19)改写成：,(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：,(1.21),2) 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),图1.8型热交换器的值,图1.9一个流程顺流，两个流程逆

　　12、流的热交换器的值,图1.10一个流程逆流，两个流程顺流的热交换器的值,图1.1124型热交换器的值,图1.12串联混合流型热交换器的值,图1.13只有一种流体有横向混合的一次错流热交换器的值,图1.14两种流体均无横向混合的一次错流热交换器的值,1.2.4 流体比热或传热系数变化时的平均温差,图 1.15 Q t 图,Q =M C dt,各段传热面： Fi =qi / Ki ti，所以总传热面： (a) 又： (b) 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 (tm)int： (tm)int = (1.27),例1.1 有一蒸汽加热空气的热交换器，它

　　13、将质量流量为kg/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。 解 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 ts =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：,从热平衡关系求蒸汽耗量M1：,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：,冷凝段，则为：,求两分段分界处的空

　　14、气温度 ta：,图 1.16,冷却段之平均温差：,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：,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：,a. 当 W1W2时，t1=t2 则：Qmax= W1 (t1- t2) b. 当 W2W1时，t2=t1 则：Qmax= W2 (t1- t2) 于是有：Qmax= Wmin (t1

　　15、t2),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*大传热量Qmax， 将Q /Qmax定义为传热有效度，并用 表示，即：,换热器效能 定义： 换热器的实际传热量与理论上*大可能的传热量之比。 如已知 ，则实际传热量为： Q = Wmin (t1 t2),W1W2,W2W1,式， 相加：,1.3.2 顺流和逆流时的传热有效度,根据热平衡：,即：,假设： W1W2,顺流,代入,两个公式合并，得：,当 W2W1时，同样的推导过程可得：,定义传热单元数NTU (Number of Transfer Unit),则顺流时：,同理可推导逆流：,逆流：,顺流：,

　　16、当冷热流体之一发生相变，或相当于 Wmax ， 即 Rc =Wmin /Wmax 0，效能公式可简化为： =1exp(-NTU),当两种流体的热容相等，即： Rc =Wmin /Wmax =1 公式可以简化为：,顺流：,逆流：,罗必塔法则,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。 过分增大换热器面积没有意义。 效能 随 R 的减小而增加。 R 为零时，所有的曲线相同。 逆流换热优于顺流。设计计算: 根据能量守恒关系求出未知出口温度； 初选流道布置方案并计算两侧表面传热 系数和总

　　17、传热系数； 求换热器效能 及 R； 求出NTU，进而得到换热面积； 若与初选面积不同，修改布局重新计算。 NTU方法的应用,校核计算: 根据已知传热面积、总传热系数和较小 侧热容W 可直接求出NTU值； 由 R 和NTU 值，选取相应的公式或曲线 求得换热器效能 ； 由 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/(m2)，试计算该热交换器的传热面积和传热有效度。 解：按题意可将温度工况示意如下： t1 =99 热水 t1 =?

　　18、t2 =32 冷水 t2 =4 热水热容量 W1=9360/=.6 W/ 冷水热容量 W2=4680/=5441.8 W/ 因而 W1= Wmax， W2=Wmin 热平衡关系 .6(99 t1) =5441.8(32 4) 故： t1 = 85 而 Rc =W2 /W1=5441.8/.6=0.5,所需传热面积仍为： F=5441.828/.8=2.49 m2 若用热流体的温度效率计算 、Rc、NTU三值时，可得： 1=0.147， Rc1=2， NTU1=0.19，而F仍为2.49m2。例 在一传热面积为15.8m2

　　19、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/(m2)。求水的出口温度。 解：W1 =M1C1 =2.=5415 W/ W2 =M2C2 =0.=2788 W/ 故冷流体水为*小值流体，则：Rc =Wmin / Wmax=2788/5415=0.515 NTU=KF/Wmin =.8/2788 =1.8,型热交换器 该型热交换器的传热有效度可直接按式 (1.18) 作进一步分析：

　　20、S为每**程单位长度上的传热面积，故： 假定热流体是小热容量流体，故：,1.3.3 其他流动方式时的传热有效度,(a),(b),将其代入式(1.18)，得：,令 ，则式(a) 之左等于：,(c),(1.42),式(a) 之右，由于：,故：,式(a)简化：,得到：,12n型,图1.2012型热交换器的 图1.2224型热交换器的,24n,(a) 两种流体都不混合 (b) 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 =1expRc(NTU)0.2exp-Rc(NTU)0.781 (1.45),有混合的1次错流,有混合的2次错流,

　　21、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,【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，已知其传热面积 F=1353 m2，传热系数 K=14W/(m2)，烟气热容量 W1=W/，进口温度 t1=465，空气热容量W2=W/，进口温度 t2=135，求烟气及空气的出口温度。 解：传热单元数： NTU=KF/W2=/=1.8， 热容量比：Rc=Wmin /Wmax=/=0.729， 分传热单

　　22、元数（NTU）=1/2NTU=1/21.8=0.9。 查与本题相应的一次错流的线图1.21，得 1=0.485， 于是可利用式（1.47）计算总的传热有效度：,空气出口温度： t2= t2 + (t1 t2) =135+0.68()=359.4 由热平衡可求出烟气出口温度： t1=t1 Rc (t2 t2) =4650.729(359.435)=301.4 ,t1,t2,t2,t1,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： Q = KFtm = KF f(t1，t1，t2，t2) 热平衡方程： Q = W1(t1 t1) = W2(t2 t2) 共七个基本量：(KF)，W1，W2，t1，t1，t2，t2 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，通过大小可判断流 动方式与逆流之间的

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