换热器热工计算的基本原理
热交换器原理与设计—第1章_热交换器热计算的基本原理_(1)
两种流体中只有一种横向混合的错流式热交换器，其 值为：
能源与动力工程教研室
对于某种特定的流动形式， 是辅助参数P、R的函 数 f ( P, R) 该函数形式因流动方式而异。
对于只有一种流体有横向混合的错流式热交换器， 可将辅助参数的取法归纳为：
t m ,算术
t max t min 2
使用条件：如果流体的温度沿传热面变化不大， 范围在
t max 2 内可以使用算数平均温差。 t min
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算术平均与对数平均温差
t m ,算术
t max t min 2
t m ,对数
t max t min t max ln t min
R 1 t t 2 2 1 P ln 1 PR
的函数
t1m,c
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为了简化 的计算，引入两辅助参数：
t 2 t2 p t2 t1
t1 t1 R t 2 t2
冷流体的加热度 两种流体的进口温差
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1.2 平均温差
1.2.2 顺流和逆流情况下的平均温差
简单顺流时的对数平均温差 假设：
(1)冷热流体的质量流量qm2、qm1 以及比热容c2, c1是常数； (2)传热系数是常数；
(3)换热器无散热损失； (4)换热面沿流动方向的导热量 可以忽略不计。 下标1、2分别代表热冷流体。 上标1撇和2撇分别代表进出口
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在假设的基础上，并已知冷热流体的 进出口温度，现在来看图中微元换热 面dA一段的传热。温差为：
第一章换热器热计算的基本原理
1.1 热计算基本方程式
设计性热计算
目的在于确定换热器的F，接着要确定换热器 的结构尺寸（结构设计），热设计和结构设 计两者相结合。
校核性热计算
针对现成的换热器，其目的在于确定流体的出 口温度。
两种热计算采用的基本关系式一致
传热方程式和热平衡方程式
1.1.1 传热方程式
Q Δtm＝ψΔtlm,c
[ ] ∴ψ =
R2 +1
ln 1− P 1− PR
(R −1) ln 2 − P (1+ R)−
R2 +1
[ ] 2 − P (1+ R)+ R2 +1
式（1.22）
对于先顺流后逆流的 < 1− 2 > 换热器，式（1.22）同样适用
同时对于<1-2n>型换热器式（1.22）近似适用，因 为它们的修正系数相差很小
Δtm =ψ (Δtlmc )
式1－13
Δtlmc − −按逆流情况下的对数平均温差
ψ − −修正系数
为了求取ψ 值，先代入冷热流体进出口温度，Δtm
写成逆流方式：
Δ t lm .c
=
(t1′ − t 2′′ ) − (t1′′ − t 2′ )
ln
t1′ − t1′′ −
t 2′′ t 2′
1.1.2 热平衡方程式
热流体放出的热量等于冷流体吸收的热量
Q = M 1 (i1′ − i1′′) = M 2 (i2′′ − i2′ ); (流体有无相变皆可 )
M
；
1
M
2
−
−热流体与冷流体的质量
流量 kg / s
换热器的传热计算讲解
换热器的传热计算换热器的传热计算包括两类：一类是设计型计算，即根据工艺提出的条件，确定换热面积；另一类是校核型计算，即对已知换热面积的换热器，核算其传热量、流体的流量或温度。
这两种计算均以热量衡算和总传热速率方程为基础。
换热器热负荷Q 值一般由工艺包提供，也可以由所需工艺要求求得。
Q=W c p Δt ，若流体有相变，Q=c p r 。
热负荷确定后，可由总传热速率方程（Q=K S Δt ）求得换热面积，最后根据《化工设备标准系列》确定换热器的选型。
其中总传热系数K=0011h Rs kd bd d d Rs d h d o m i i i i ++++ （1）在实际计算中，总传热系数通常采用推荐值，这些推荐值是从实践中积累或通过实验测定获得的，可以从有关手册中查得。
在选用这些推荐值时，应注意以下几点：1. 设计中管程和壳程的流体应与所选的管程和壳程的流体相一致。
2. 设计中流体的性质（粘度等）和状态（流速等）应与所选的流体性质和状态相一致。
3. 设计中换热器的类型应与所选的换热器的类型相一致。
4. 总传热系数的推荐值一般范围很大，设计时可根据实际情况选取中间的某一数值。
若需降低设备费可选取较大的K 值；若需降低操作费用可取较小的K 值。
5. 为保证较好的换热效果，设计中一般流体采用逆流换热，若采用错流或折流换热时，可通过安德伍德（Underwood ）和鲍曼（Bowman ）图算法对Δt 进行修正。
虽然这些推荐值给设计带来了很大便利，但是某些情况下，所选K 值与实际值出入很大，为避免盲目烦琐的试差计算，可根据式（1）对K 值估算。
式（1）可分为三部分，对流传热热阻、污垢热阻和管壁导热热阻，其中污垢热阻和管壁导热热阻可查相关手册求得。
由此，K 值估算最关键的部分就是对流传热系数h 的估算。
影响对流传热系数的因素主要有：1.流体的种类和相变化的情况液体、气体和蒸气的对流传热系数都不相同。
牛顿型和非牛顿型流体的也有区别，这里只讨论牛顿型对流传热系数。
换热器的热计算方法
换热器是工业过程中常用的设备，用于在两种流体之间传递热量。
换热器的热计算方法通常涉及到确定热量传递速率、传热表面积和温度变化等参数。
以下是换热器的一般热计算方法：
传热速率计算：
热传导：对于热传导，可以使用导热方程来计算热传导的速率，通常表示为q = k * A * ΔT / L，其中q是传热速率，k是材料的导热系数，A是传热表面积，ΔT是温度差，L是传热距离。
对流传热：对于对流传热，通常使用牛顿冷却定律，q = h * A * ΔT，其中q是传热速率，h 是对流传热系数，A是传热表面积，ΔT是温度差。
温差和温度计算：
确定入口和出口流体的温度，以便计算温差（ΔT）。
温差是热交换的驱动力。
温度分布：在一些情况下，需要考虑温度在换热器内的分布，通常需要使用数学模型和计算方法。
传热表面积计算：
传热表面积（A）是一个关键参数，它可以根据传热速率和温差来计算，通常使用q = U * A * ΔT，其中U是总传热系数。
U值取决于换热器的类型和结构，可通过实验测定或计算得出。
流体性质计算：
确定流体的物性参数，如密度、热导率、比热容等，以便计算传热速率和温度变化。
对于多组分混合物，需要使用混合物物性计算方法。
性能和效率计算：
根据热计算结果，可以计算换热器的性能和效率参数，如效率、热传导系数等。
需要注意的是，换热器的热计算通常需要考虑多种因素，包括传热方式、流体性质、流速、换热器类型和结构等。
根据具体的应用和情况，可能需要使用不同的计算方法和模型。
通常，工程师和热力学专家会根据具体问题的需求来选择合适的计算方法，并使用专业的软件工具来辅助热计算和设计。
热交换器传热计算的基本方法
i1 i2
C1 C2
分别为热流体与冷流体的焓，J/Kg 分别为两种流体的定压质量比热，J/(Kg·℃)
Q M1c1 t1 t1t1 M1c1 t1 t2t1 M1c1t1 W1t1
Q
Q
M 2c2
M
t2
1
t
t21
C1dt1 M 2 C2dt2
M 2c2t2t2 W2t2
热交换器传热计算的基本方法
热交换器热计算的基本原理
1.1 热计算基本方程 1.2平均温差法 1.3 效率—传热单元数法（传热有效度） 1.4热交换器热计算方法的比较 1.5流体流动方式的选择
1.1 热计算基本方程式
进口温度t1
热流体1
流量 M1 比热容 c1
冷流体2
热交换器的换热面积F
进口温度 t 2 流量 M 2
（2）传热系数是常数；
t1
（3）换热器无散热损失；
（4）换热面沿流动方向的导热量可
以忽略不计。
要想计算沿整个换热面的平均温差，
t2
首先需要知道当地温差随换热面积的
变化,然后再沿整个换热面积进行平均。
t1 dt1 t1 t2 dt2 t2
在假设的基础上，并已知冷热流体的 进出口温度，现在来看图中微元换热 面dA一段的传热。温差为：
讨论：
1 考虑热损失的情况下：Q1 Q2 QL 或 Q1L Q2
L 以放热热量为准的对外热损失系数，通常为0.97-0.98
2
由式③可以知道 W1 W2
t 2 t1
冷流体的加热度 热流体的冷却度
可见 ：两种流体在热交换器内的温度变化与他们的热容量成反比
3 由 W1t1= W2t2 =Q，还可以知道，在热交换器内，热容量
非常全面的换热器计算
非常全面的换热器计算换热器是一种常见的热交换设备，用于在两个流体之间传递热量。
它通常由一系列平板或管道组成，其中一个流体在板或管道的表面流动，而另一个流体在板或管道的另一侧流动。
通过换热表面的热传导，热量从一个流体传递到另一个流体。
为了正确设计和选择换热器，需要进行全面的换热器计算。
换热器计算主要包括以下几个方面：1.热负荷计算：首先需要确定流体之间的热负荷，即需要传递的热量。
这可以通过指定流体的流量、温度差和换热器的效率来计算。
2.传热面积计算：根据热负荷和换热器的传热系数，可以计算所需的传热面积。
传热系数取决于流体的性质、流速和流动方式。
3.流体速度计算：在换热器的设计中，流体速度是一个重要参数。
通过确定流体速度，可以选择合适的管道直径或板间距，以提供足够的传热面积和压降。
4.压降计算：换热器需要在流体之间施加足够的压力差，以保证足够的流动和传热效果。
在设计中需要计算流体在换热器中的压降，并合理选择换热器结构和流体通道。
5.材料选择：根据换热器所处的环境条件和工作介质的性质，需要选择合适的材料来制造换热器。
材料的选择应考虑到其热导率、强度、耐腐蚀性和经济性等因素。
6.温度场分析：换热器中的流体温度分布对传热效果有重要影响。
通过数值模拟或实验分析，可以确定流体在换热器中的温度场，并对该温度场进行优化改进。
7.稳态和瞬态分析：换热器的工作过程可以是稳态的，也可以是瞬态的。
在计算中需要考虑流体的稳态和瞬态特性，并确定换热器在不同工况下的传热性能。
以上是换热器计算的一些基本方面，实际的计算过程可能更加复杂，需要根据具体的应用要求和换热器的结构特点进行调整。
换热器的设计和选择还需要考虑工艺条件、安全性和经济性等综合因素。
在进行换热器计算时，需要细致地分析和估算各项参数，以确保换热器的性能和可靠性。
换热器工作原理
换热器工作原理换热器是一种用于传递热量的设备，它在许多工业和家庭应用中起着重要的作用。
换热器的工作原理基于热量传递的基本原理，通过将热量从一个物质传递到另一个物质，实现热能的转移和利用。
换热器的工作原理可以通过以下几个关键步骤来描述：1. 热传导：换热器中的热量传递是通过热传导来实现的。
热传导是指热量从高温区域传递到低温区域的过程，其速率取决于温度差异、传导材料的热导率以及传导路径的长度和面积。
2. 流体流动：换热器中的流体流动是实现热量传递的关键。
通常，换热器中会有两个流体，一个是被加热的流体（热源），另一个是被冷却的流体（冷源）。
这两个流体通过换热器中的管道或板片进行流动，以实现热量的传递。
3. 热交换表面：换热器中的热量传递是通过热交换表面来实现的。
热交换表面可以是管道、管束、板片等形式，其设计和结构取决于具体的应用需求。
热交换表面的作用是增加热量传递的面积，从而提高换热效率。
4. 热量传递：当热源和冷源的流体经过热交换表面时，热量会从热源中传递到冷源中。
这个过程中，热源的温度会降低，而冷源的温度会升高。
热量传递的速率取决于流体的流速、温度差异以及热交换表面的热传导性能。
5. 流体分离：在换热器中，热源和冷源的流体是分开的，它们不会直接混合在一起。
这是通过换热器的结构设计来实现的，以避免两种流体之间的污染或反应。
换热器的工作原理可以根据具体的应用需求和设计要求进行调整和优化。
例如，某些换热器可能采用多级传热，以进一步提高换热效率。
此外，换热器的材料选择、结构设计和流体流动方式等因素也会对其性能产生影响。
总之，换热器是一种重要的热能转移设备，其工作原理基于热传导和流体流动。
通过热交换表面，热量可以从热源传递到冷源，实现热能的转移和利用。
换热器的工作原理可以根据具体的应用需求进行调整和优化，以提高换热效率。
换热器热量及面积计算公式
换热器热量及面积计算公式换热器是工业生产中常用的设备之一，用于将热量从一个介质传递到另一个介质。
其核心功能是通过增大热交换面积，使热量能够更加有效地传递。
在换热器的设计中，热量及面积的计算是至关重要的。
换热器的热量计算是根据热传导的基本原理来进行的。
热传导是指热量从高温区域传递到低温区域的过程。
热传导的速率与温度差、介质的导热系数和热传导距离有关。
换热器的热量传递公式可以表示为：Q=U×A×ΔT其中，Q表示热量传递量，U表示换热系数，A表示换热面积，ΔT表示温度差。
换热系数U是一个关键的参数，它表示单位面积上，单位时间内热量的传递量。
换热系数的大小受多种因素影响，包括换热器的结构、介质的性质和流体运动方式等。
为了计算得到准确的热量传递量，我们需要确定换热系数U的数值。
换热系数U的计算可以根据实际情况采取不同的方法，常见的有经验法、理论法和试验法等。
换热器面积计算公式：换热器的设计中，换热面积的计算是为了满足所需的热量传递量。
基本原则是通过增大换热面积，提高热量的传递效率。
换热器的面积计算公式可以表示为：A=Q/U/ΔT其中，Q表示所需的热量传递量，U表示换热系数，ΔT表示温度差。
根据这个公式，我们可以根据所需的热量传递量来计算换热器的面积。
需要注意的是，在实际应用中，热量及面积的计算往往需要考虑许多复杂的因素，比如介质的流动性质、传热表面的布局和形式、管路的阻力损失等。
因此，在设计换热器时，需要综合考虑这些因素，以确保换热器能够满足所需的热量传递要求。
此外，还有一些常见的换热器类型，如壳管式换热器、板式换热器、螺旋板换热器等，它们的热量及面积的计算公式可能会有所不同。
因此，在实际应用中，需要根据具体的换热器类型和设计要求来选择相应的计算公式。
总结起来，换热器的热量及面积计算是一个复杂的过程，需要综合考虑多种因素。
上述的热量及面积计算公式只是基本的参考，实际设计中还需要根据具体情况进行调整和优化。
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eห้องสมุดไป่ตู้
1 exp NTU (1 Rc ) 1 Rc
Rc=Wmin/Wmax 相变时，Wmax
逆流
Rc 0
NTU 1+NTU
e
1 Rc exp NTU (1 Rc )
1 exp NTU (1 Rc )
W1 W2， e=
工程上，通常以线图的形式表示e与NTU之间的关系
例题
2.2 温度为99 °C 的热水进入一个逆流热交换器，将4 °C的冷水加热到32 °C。热水的流量为9360kg/h，冷水流量为4680kg/h，平均传热系数为 830W/(m2 •°C )，试计算热交换器的面积和传热有效度。 解：首先分别画出顺流、逆流布置的温度分布图
W1=Wmax，W2=Wmin
t 50 C
'' 1
（a）顺流 tmax 80 10 70 C
tmin 50 30 20 C
t tmin 70 20 tm max 33.9 C tmax 70 ln ln 20 tmin
tm
tmax tmin 50 40 44.8 C tmax 50 ln ln 40 tmin
t " t ' tm t " ln ' t
tmax tmin tm tmax ln tmin
对数平均温差
注意：1.换热器中某种流体既有相变又有对流换热时，应分段计算平均温差 2.其它流动形式的平均温差 tm tm,c， 温度修正系数
例题
2.1 在一台螺旋板式换热器中，热水的流量为2000kg/h，冷水流量为3000kg/h， ' t2 10 °C ，如果要求将冷水加 热水进口温度 t1' 80 °C， 冷水进口温度 '' t2 30 °C，试求顺流和逆流时的平均温差。 热到 解：首先分别画出顺流、逆流布置的温度分布图 在题述温度范围内，水的比热为C1=C2=4.2kJ/(kg• °C)，先求出热水出口温度
2.3 传热单元数法(e——NTU法)
在校核性热工计算过程中，往往两种换热流体的出口温度均未知，采 用平均温差法需进行多次试算，而且查取的温度修正系数偏差较大。 为此，采用传热单元数法。
1. 传热有效度（ e ）
' 假设热流体可以从进口温度 t1' 冷却到冷流体的进口温度 t 2
定义
' Qmax Wmin t1' t2
k——局部传热系数，一般 是F的函数，与换热器的类 型有关 3种平均温差：算术平均温差 对数平均温差 积分平均温差
2、热平衡方程式
不考虑换热器对周围环境的热损失，热流体放出的热量全部被冷流体吸 收。
1——热流体
2——冷流体 ‘——进口温度 “——出口温度
'' ' Q M1 i1' i1'' M 2 i2 i2
Rc=Wmin/Wmax=4680/9360=0.5
t t e
' "
max
' t1' t2
" ' t2 t2 32 4 ' ' 0.295 t1 t2 99 4
e
1 Rc exp NTU (1 Rc )
1 exp NTU (1 Rc )
换热器热工计算的基本原理
2.1 热工计算的基本方程式
两类热工计算：设计性热工计算，确定换热器的传热面积。 校核性热工计算，确定换热流体的出口温度。
1、传热基本方程
Q KF tm
K——平均传热系数，W/ （m•°C） F——传热面积，m2 tm——平均温差， °C
1 F K FkdF F 0
流体不发生相变时，流体间的换热量也可表示为
Q M1 ' c1dt1 M 2 ' c2 dt2
t1 t2
'' t1
'' t2
c为定压质量比热，一般是温度的函数，工程上一般取 平均值，用C1，C2表示。
'' ' Q M1C1 t1' t1'' M 2C2 t2 t2
W=MC，热容量
2.2 平均温差法
平均温差：整个换热器各处温度差的平均值
温度分布图：一般情况下，二股流体之间的温差在换热器内各截面上 处处不等，各截面上的温差沿传热面按指数规律变化
tx t e
' KFx
1 1 W1 W2
+ 顺流，- 逆流
顺流
逆流
凝结相变
沸腾相变
平均温差的计算公式
'' ' M1C1 t1' t1'' M 2C2 t2 t2
2000 80 t 3000 30 10
'' 1
Q KF tm Q p Qc
（b）逆流
tmax 80 30 50 C tmin 50 10 40 C
NTU 0.38
NTU KF / Wmin
4680 0.38 0.5 4186 3600 F NTUWmin / K 2.49 830
Qmax为理想传热量
Q e Qmax
t t
' "
max
' t1' t2
t ' t " 为实际温升或温降
' Q e Qmax eWmin t1' t2
2. 传热单元数（NTU ）
定义NTU=KF/Wmin，NTU表示换热器换热能力的大小
由传热学知识，我们知道，对于流体顺流或逆流布置时，e与 NTU之间存在确定的函数关系