换热器设计入门

管子散热面积At
A c = 2 × (0.0078 + 0.065) × 9 × 0.6 = 0.79m 2
总传热面积
A 1 = A c + A t = 3.22 + 0.79 = 4.01m 2
设计和实际传热面积误差
∆N = 2 × ( A 1 − A) × 100 = 0.5% ≤ 5%，合格 A1 + A
先假设 G m1 × Cp 1 (t 1 − t 2 ) < G m2 × Cp 2 (t 4 − t 3 )，按效能式有 G m1 × Cp 1 × (t 1 − t 2 ) = ε × (t 1 − t 3 ) − − − − − − 3 − 2 按热平衡方程式有： G m1 × Cp 1 × (t 1 − t 2 ) = G m2 × Cp 2 × (t 1 − t 3 ) − − − − − a (t 1 − t 3 ) = G m1 × Cp 1 (t 1 − t 2 ) − − − − b G m2 × Cp 2 ab 相加 G m1 × Cp 1 ) × (t 1 − t 3 )即 G m2 × Cp 2
于是将上两式
(t 1 − t 3 ) − (t 2 − t 4 ) = ε × (1 + Cp 1 = ε × (1 + m1 ) − − − − − −c (t 1 − t 3 ) G m2 × Cp 2
经整理可得 (t 2 − t 4 ) = e − µ kA 带入到 c 式，经整理可得 (t 1 − t 3 )
d 式：
ε =
1 − exp ( − µ kA ) − − − − − −d G m1 × Cp 1 1+ G m2 × Cp 2
1 1 式中：µ = − , µ为简化符号，经整理可得下式e G m1 × Cp1 G m2 × Cp 2 kA G m1 × Cp1 1 − exp − (1 + ) G m2 × Cp 2 G m1 × Cp1 ε= − − − − − −e G × Cp1 1 + m1 G m2 × Cp 2 当G m1 × Cp1 > G m2 × Cp 2时，类似可得： kA G m2 × Cp 2 1 − exp − (1 + ) G m1 × Cp1 G m2 × Cp 2 ε= − − − − − −f G × Cp 2 1 + m2 G m1 × Cp1
利用传热单元数表示的效能计算公式与图线表结合起来使用，可大大简化计算 工作量，如将其制成数据表的形式，在编程中应用，更可缩短计算时间和减少 编程时间，减小程序量。上式3-3中的NTU式换热器设计中的一个无量纲参量， 从某种意义上可说成是传热系数和传热面积之积的度量。 值得指出，当一侧流体发生相变时，由于(GmCp)max趋于无穷大，因此上式3-4 可改写成： ε = 1 − exp(− NTU) 3-6 当两侧的水当量相等时，3-4、3-5可简化成：
计算对数平均温差 ∆Tm (按逆流计算)
机算传热面积A(其中传热系数取25W/m2℃)
(Φ h + Φ c ) × 1000 A= = 3.99m 2 2 × ∆Tm × 25
实际选用的传热面积计算A1
扩张面散热面积Ac
A c = 0.00175 2 + 0.007 2 × 0.065 × 10 × 343 = 3.22m 2
顺流：两股流体平行同向流动。 逆流：两股流体平行逆向流动。 叉流：两股流体流动方向垂直。
四、热交换器在制冷空调行业的应用 1、换热器形式与特点 、 在制冷空调领域使用的换热器，有多品种换热器使用，如在制冷制冰行业的换 热器，既可以使用盘管换热器，也可使用套管换热器。而在空调应用领域，对冷水 机组而言，其蒸发器、冷凝器既可以使用壳管式换热器，也可使用板式换热器等。 其系统图如图4.1所示。
5、用热平衡式求得另一个换热量值，同理此值也是不真实的； 6、比较两个换热量值，误差控制在2%~5%以内，重新设定假设温度，重复1~5 过程，直至两个换热量值的误差达到规定的误差范围内为止； 另外，利用通常称之为传热单元数法，即ε-NTU法也可进行校核计算，其带 来的计算误差要比前小得多。 1、换热器效能的定义是犹如所说的冷却效率，其关联式是： (t − t 2 ) (t − t 3 ) ε = 1 × 100 % 或 4 × 100 % t1 - t 3 t1 - t 3 3-1 上式中，T1，T2为热流体进出口温度， T3，T4为冷流体进出口温度，知道了效 能比，就可分方便的得出未知的温度。 2、按顺流或逆流式计算效能：
1 − exp(−2NTU) 3 ，− 7， 2 NTU 逆流：ε = ，− 8 3 1 + NTU 对于其他流动形式，可参阅有关资料，如凯斯伦敦的紧凑式换热器设计手册等。 顺流：ε = 为了工程计算方便，ε的计算式已被绘成图表的形式，供使用者查阅。 如传热学P488 ~ P489中绘制的那样。
传热单元数法计算换热器： 传热单元数法计算换热器： 根据ε-NTU的定义及换热器两类热计算的任务可知，设计计算是已知ε求NTU， 而校核计算则是由NTU求取ε，计算方法与前讲的步骤一致。 在实际应用中，如已知了传热系数k，就不必再假设未知温度，那么这个传热 系数k的选取，有两种途径，一是根据推荐的换热流体所能达到的传热系数范围， 进行选取，如图表3.1所示。其次，如有数据库的实测数据，也可取得数据且很快 完成计算。利用数据库进行计算的方法，这就是下面要讲的比拟计算方法。 比拟计算方法 比拟法称为计算的第三种方法，其是利用现有的翅形、管子尺寸和结构布置形 式作为母体，假设新设计的换热器，其设计工况和加工工艺等均和母体相同或类似， 其传热系数与母体等同，然后进行设计的一种方法，这种方法，在企业中比较管用， 它可缩短换热器的设计开发周期，且成功率比较高，但其最大的要求就是要有现成 的换热器试验数据库，目前国内外大的换热器加工企业或公司均有这样的数据库。 这对小企业或没有传热性能试验台的单位来说，由于没有数据库，因此应用难度较 大，即便已委托某些单位进行测试得到的数据来进行类比，也有一个可信度的问题， 相对来说成功率要差些，因此，在应用比拟法时应引起注意。 下面结合一个例题，来推出计算方法。
冷凝器的设计计算 蒸发器的设计计算
三、换热器热计算方法和应用
1、计算方法 、
对于换热器的计算方法，书中介绍有两种计算方法，即平均温差法和传热 单元数法，实际上，除此两种方法外还有一种方法，暂称之为比拟计算方法。 所谓的平均温差法是建立在已知传热温差的情况下选用的，根据此传热温 差，便可设计能满足散热的换热器。其分为为设计计算和校核计算。 设计计算的基本步骤为： 1、首先应用传热方程式和热平衡方程式进行求解的计算方法。 2、初步布置换热面，并计算出相应的传热系数； 3、根据已知条件，有热平衡式求出待定的未知温度； 4、求出对数平均温差，(要考虑流动状况和修正系数)； 5、由传热方程式求出所需传热面积，并核算换热面两侧的流动阻力； 6、如流阻过大，，则改变方案设计，重新进行计算； 校合计算是的步骤为： 1、在已知某些参数的条件下，先假设一个流体的温度，按热平衡方程式算出另 一温度； 2、求出对数平均温差，(要考虑流动状况和修正系数)； 3、计算出相应的传热系数； 4、算得换热量，但由于某些温度是假设的，因此，得到的换热量值也是有误差 的，不真实的；
流体种类 水—气体 水—水 水—煤油 水—有机溶剂 气体—气体 饱和水蒸气—水 饱和水蒸气—气体 饱和水蒸气—油 饱和水蒸气—沸腾油
总传热系数K W/(m2·K) 12~60 800~1800 350左右 280~850 12~35 1400~4700 30~300 60~350 290~870
气气换热器设计 已知条件： 一、已知条件： 增压空气进口温度 增压空气出口温度 增压空气流量 空气进口温度 空气流速 芯子高 芯子宽 芯子厚 拟选用管子尺寸 拟选用波带尺寸 二、计算量 增压空气流量 增压空气侧放热量 设两侧热量相等即 空气侧出口温度计算
按空气平均温度重新选取密度得1.198 kg/m3
再计算空气侧出口温度
t co =
13.69 + 25 = 38.54o C 1.005 × (10 × 0.6 × 0.14 ×1.198(按平均温度60度取得密度))
两者计算出口温度误差为0.1%，计算完成，即两侧的四个温度分别为
t hi = 170 o C, t ho = 55 o C, t ci = 25 o C, t co = 38.54 o C
13.69 + 25 = 40.3o C 1.005 × (10 × 0.6 × 0.14 × 1.06(按平均温度60度取得密度))
按空气平均温度重新选取密度得1.194kg/m3，再计算空气侧出口温度
t co = 13.69 + 25 = 38.58 o C 1.005 × (10 × 0.6 × 0.14 × 1.194(按平均温度60度取得密度))
上两式ef可合并成： (G m × Cp) min kA 1 − exp− 1 + (G × Cp) m max (G m × Cp) min ε= − − − − − −g (G m × Cp) min 1+ (G m × Cp) max kA 令 = NTU - - - - - - - - - - - -3 − 3则上式为： (G m × Cp) min (G m × Cp) min 1 − exp(− NTU) 1 + (G m × Cp) max ε= − − − − − −3 − 4 (G m × Cp) min 1+ (G m × Cp) max 类似，逆流换热器的效能ε为 (G m × Cp) min 1 − exp(− NTU) 1 − (G m × Cp) max ε= − − − − − −3 − 5 (G m × Cp) min (G m × Cp) min 1− × (− NTU) 1 − (G m × Cp) max (G m × Cp) max