热交换器计算及设计(1)
1 热交换器的热基本计算
Q-热负荷，W; M1,M2- 分别为热流体与冷流体的质量流量，kg/s； h1，h2-分别为冷热流体的焓，J/kg； 1代表热流体，2代表冷流体；
代表流体的进口状态， 代表流体的出口状态。
热计算基本方程式
热平衡方程式
Q M1 h1 h1 M 2 h2 h2
当流体无相变时，热负荷也可用下式表示：
为修正系数
其它流动方式时的平均温差
tm tlm,c
若令
t2 t2 冷流体的加热度 P t2 两流体的进口温差 t1 t1 热流体的冷却度 t1 R t2 冷流体的加热度 t2
P的数值代表了冷流体的实际吸热量与最大可能的 吸热量的比率，称为温度效率，恒小于1。 R是冷流体的热容量与热流体的热容量之比， 可以大于1、等于1或小于1。
t t e
μkA
t x t e
-μ kAx
t ln μ kA t
t t t t tm ( 1) t t t ln ln t t
由于式中出现了对数，故常把tm称为对数平均温差。
d dt1 qm1c1 d dt2 qm 2c2
由于qm1c1和qm2c2 不变，则d↓ ， dt1、dt2↓
故沿着流体流动方向，冷热流体温度变化渐趋平缓，温 度分布曲线形状的凹向不可能反向。
逆流情况下的平均温差
逆流换热器中冷、热流体温度的沿程变化如下图。
d k[t1 ( x) t2 ( x)]dA kt ( x)dA
d[t ( x)] k t ( x)dAx
顺流情况下的平均温差
1 1 d[t ( x)] dt1 ( x) dt2 ( x) qm1c1 qm2c2 d d
热交换器原理与设计
热交换器原理与设计
热交换器是一种用于传热的设备，广泛应用于工业生产、能源
领域以及日常生活中。
其作用是在两种流体之间传递热量，使它们
达到所需的温度。
热交换器的设计和运行原理对于提高能源利用效
率和保障设备安全稳定运行具有重要意义。
热交换器的原理是利用热传导的物理特性，通过将两种流体分
别置于不同的传热面上，使它们之间产生温度差，从而实现热量的
传递。
在热交换器中，传热面的设计和流体流动方式是影响传热效
率的关键因素。
此外，热交换器的设计还需要考虑流体的物性参数、流体流速、传热面积以及传热介质的选择等因素。
在热交换器的设计过程中，首先需要确定传热的需求，包括传
热量、传热温差等参数。
然后根据流体的性质和工艺要求选择合适
的传热面积和传热介质。
接下来是热交换器内部结构的设计，包括
传热面的布置方式、流体流动路径的设计等。
最后是对热交换器的
整体结构进行设计，包括支撑结构、连接方式、绝热措施等。
热交换器的设计需要综合考虑传热效率、成本、占地面积等因素。
为了提高传热效率，可以采用增加传热面积、改善流体流动方
式、优化传热介质等措施。
在降低成本方面，可以通过材料选择、结构设计等途径进行优化。
此外，合理设计热交换器的结构，可以减小占地面积，提高设备的整体性能。
总的来说，热交换器的设计是一个综合考虑传热效率、成本和结构合理性的工程问题。
通过科学合理的设计，可以提高能源利用效率，降低生产成本，保障设备的安全稳定运行。
因此，热交换器的设计对于工业生产和生活中的能源利用具有重要的意义。
第1章 热交换器热计算的基本原理
§1.2 平均温差
dt1dt2 M 1 1c1M 1 2c2 d d
dkdAxt
d tx d k d A x t
dt t
kdAx
tx t
dt t
k0AxdAx
lntx t
kAx
tx te x p ( k A x ) te - k A x 当地温差随换热
tm 1 A 0 A tx d A x 1 A 0 A te x p (k A x )d A x面积呈指数变化
流体温度分布
§1.2 平均温差
定义和分类
QKF tm
定义 指整个热交换器各处温差的平均值。用 tm 表示。
分类
算术平均温差 对数平均温差 积分平均温差
1 tm2(tma xtmi)n
tmln tm tam xax/tm tm inin
流体比热变化时一种分 段计算平均温差的方法
§1.2 平均温差
§1.1 热交换器的热计算基本方程式
热计算的类型： 设计性热计算：设计一个新的换热器 目的：确定换热器传热面积
校核性热计算：校核设计出的换热器是否达标 目的：确定流体出口温度，考察非设计工况下性能
得到传热量、流体进出口 温度、传热系数、传热面 积及其相互之间关联性。
传热方程 热平衡方程
§1.1 热交换器的热计算基本方程式
t
h dth t h
tc dtc t c
t c
§1.2 平均温差
简单顺流换热器的对数平均温差
已知冷热流体的进出口温度，在图中换 热器传热面任一位置 x 处，取微元换热 面dAx，考虑其换热量
微元面dAx内，两种流体换热量为：
dkdAxt
对于热流体和冷流体
d M 1 c 1 d t1 d t 1 d /M 1 c 1 d M 2 c 2 d t2 d t2 d /M 2 c 2
化工原理换热器课程设计(1)
重庆理工大学化工原理课程设计说明书题目：柴油预热原油的管壳式换热器学生班级：113150202学生姓名：余毛平学生学号：11315020232指导教师：白薇扬化学化工学院2016 年 7 月 4 日目录1.设计任务书 (1)2.概述 (2)3.设计条件及物性参数表 (2)4.方案设计和拟定 (3)5.设计计算 (7)6.参考文献 (11)1．设计任务书1.1设计题目用柴油预热原油的管壳式换热器1.2设计任务1.查阅文献资料，了解换热设备的相关知识，熟悉换热器设计的方法和步骤；2.根据设计任务书给定的生产任务和操作条件，进行换热器工艺设计及计算；3.根据换热器工艺设计及计算的结果，进行换热器结构设计；4.以换热器工艺设计及计算为基础，结合换热器结构设计的结果，绘制换热器装配图；5.编写设计说明书对整个设计工作的进行书面总结，设计说明书应当用简洁的文字和清晰的图表表达设计思想、计算过程和设计结果。
1.3操作条件2.概述在不同温度的流体间传递热能的装置称为热交换器,简称为换热器。
在换热器中至少要有两种温度不同的流体,一种流体温度较高,放出热量;另一种流体则温度较低,吸收热量在化工、石油、动力、制冷、食品等行业中广泛使用各种换热器,它们也是这些行业的通用设备,并占有十分重要的地位。
随着换热器在工业生产中的地位和作用不同，换热器的类型也多种多样，不同类型的换热器也各有优缺点，性能各异。
列管式换热器是最典型的管壳式换热器，它在工业上的应用有着悠久的历史，而且至今仍在所有换热器中占据主导地位。
3.设计条件及物性参数表3.1操作条件原油：入口温度60℃出口温度105℃质量流量：41416 kg/h加热介质柴油：入口温度170℃ 出口温度T2 质量流量：35320kg/h允许压降：不超过0.3×105Pa3.2物性参数表4.方案设计和拟订根据任务书给定的冷热流体的温度，来选择设计列管式换热器中的浮头式换热器；再依据冷热流体的性质，判断其是否易结垢，来选择管程走什么，壳程走什么。
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)
计算换热器的主要部件的尺寸，如管子的直径、长 度、根数、壳体的直径，折流板的尺寸和数目，分 程隔板的数目和布置，接管尺寸等。
(3) 流动阻力计算
包括管程和壳程的阻力，为选择泵和风机提供依据 或校核其是否超过允许的数值。 (4) 强度计算
能源与动力工程教研室
能源与动力工程教研室
能源与动力工程教研室
➢ 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
能源与动力工程教研室
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：
考虑热损失时，
Q1L Q2
ηL—对外热损失系数，取0.97~0.98
能源与动力工程教研室
1.2 平均温差
1.2.1 流体的温度分布
右图为流体平行流动时温度分布
上节回顾
➢ 什么是热交换器 在工程中，将某种流体的热量以一定的传热方式传 递给其他流体的设备。
能源与动力工程教研室
➢ 分类简介： 按传递热量的方法来分：
量之比，R>1，R=1,或者 R<1。
则: 可t1m以,c 表示为P 和 R及
的函数
t1m,c
R
1
t
2
t
2
ln 1 P
1 PR
能源与动力工程教研室
(t2 t1)
为了简化 的计算，引入两辅助参数：
p t2 t2 t1 t2
冷流体的加热度 两种流体的进口温差
1化工原理课程设计(换热器)解析
一、设计题目：设计一台换热器二、操作条件：1、煤油：入口温度140℃，出口温度40℃。
2、冷却介质：循环水，入口温度35℃。
3、允许压强降：不大于1×105Pa。
4、每年按330天计，每天24小时连续运行。
三、设备型式：管壳式换热器四、处理能力：114000吨/年煤油五、设计要求：1、选定管壳式换热器的种类和工艺流程。
2、管壳式换热器的工艺计算和主要的工艺尺寸设计。
3、设计结果概要或设计结果一览表。
4、设备简图（要求按比例画出主要结构及尺寸）。
5、对本设计的评述及有关问题的讨论。
第1章设计概述1、1热量传递的概念与意义[1](205)1、1、1 传热的概念所谓的传热（又称热传递）就是间壁两侧两种流体之间的热量传递问题。
由热力学第二定律可知，凡是有温差存在时，就必然发生热量从高温处传递到低温处，因此传热是自然界和工程技领域中极普遍的一种传递现象。
1、1、2 传热的意义化工生产中的很多过程和单元操作，都需要进行加热和冷却，如：化学反应通常要在一定的温度进行，为了达到并保持一定温度，就需要向反应器输入或输出热量，又如在蒸发、蒸馏、干燥等单元操作中，都要向这些设备输入或输出热量。
所以传热是最常见的重要单元操作之一。
无论是在能源，宇航，化工，动力，冶金，机械，建筑等工业部门，还是在农业，环境等部门中都涉及到许多有关传热的问题。
此外，化工设备的保温，生产过程中热能的合理利用以及废热的回收利用等都涉及到传热的问题，由此可见；传热过程普遍的存在于化工生产中，且具有极其重要的作用。
归纳起来化工生产中对传热过程的要求经常有以下两种情况：①强化传热过程，如各种换热设备中的传热。
②削弱传热过程，如设备和管道的保温，以减少热损失。
1、2 换热器的概念与意义[2]1、2、1 换热器的概念在不同温度的流体间传递热能的装置称为热交设备，简称为换热器。
在换热器中至少要有两种不同的流体，一种流体温度较高，放出热量：另一种流体则温度较低，吸收热量。
热交换的计算
热效率
01
表示热交换设备的有效能量转换比例，即设备输出的有用能量
与输入的总能量之比。
热效率的数值范围
02
通常在0到1之间，表示设备能量转换效率的高低。
影响因素
03
设备的设计、制造质量、运行工况以及操作条件等都会影响热
效率。
热效率的计算公式
公式
热效率 = （有效能量/总能量）× 100%
应用场景
用于评估热交换设备的性能，指导设备选型、优化和节能改造。
热交换器的设计原则
高效换热
选择合适的换热器类型和材料，优化换热面 积和流道设计，提高换热效率。
经济合理
在满足换热要求的前提下，尽量降低制造成 本和维护成本。
稳定可靠
保证换热器的稳定性和可靠性，确保长期运 行无故障。
环保节能
采用环保材料和节能技术，减少能源消耗和 排放。
热交换器的优化设计
数值模拟
利用数值模拟软件对换热器进行模拟 分析，优化流道和换热元件的设计。
实验研究
通过实验研究验证换热器的性能，并 根据实验结果对设计进行优化。
强化传热
采用强化传热技术，如振动、超声波 、电场等，提高换热效率。
多目标优化
综合考虑多个目标函数，如换热效率 、成本、体积等，进行多目标优化设 计。
05
CATALOGUE
热交换的实验研究
实验目的
01
02
03
验证热交换理论
通过实验研究，验证热交 换理论的正确性和实用性 。
02
03
04
空调系统
通过冷热交换实现室内温度的 调节。
工业制程
在化工、制药、食品加工等领 域，利用热交换进行物料加热
板翅式换热器(1)
0 F 1 F F 0 2f F 1 F 2 F F 0 2 F 2f 1 F F 0 2( 1 f)
又因： F2F0F1F0x xyF0
因此： F2 1 x y
F0
xy xy
所以： 0 1xyy(1f )
由于F 2 / F 0总是小于1，所以表面效率 0 总是大于
2）液体沸腾侧的给热系数
有关板翅式换热器的两相流给热系数的计算过 去所做的工作较少，只能使用单管的计算公式来近 似地计算冷凝、沸腾和多组分系统的给热系数。
所以液体在核态沸腾时，其给热系数可以按下 式计算：
b0.26Cs2D L e(CLLL)0.69 ( q HD eL)0.69 (pD e)0.31 (
板翅式换热器中常用斯坦顿准数，其计算公式 如下：
StC pG Stj/Pr2/3
CpG
式中：
j Pr2/3
CpG
-流体的给热系数，W/m2•K St-斯塔顿准数（无因次）
C p -流体的定压比热，J/kg•K Pr-普兰特准数（无因次）
G-流体的质量流速，kg/m2•s j -传热因子（无因次）
板翅式换热器设计
Plate-fin Heat Exchanger
二零零五年七月
本章主要内容
一、绪论 二、板翅式换热器的结构 三、板翅式换热器的设计计算 四、板翅式换热器的流动阻力计算 五、板翅式换热器的强度计算 六、板翅式换热器的制造工艺
本章学习重点 （1）了解板翅式换热器的基本型式及结构 （2）能应用基本传热公式对板翅式换热器进行设计计算
§ 3-1 绪论
1 发展概述
二十世纪三十年代，英国的马尔斯顿·艾克歇尔 瑟（Marston Excelsior）公司首次开发出铜及铜合金 制板翅式换热器，并将其用作航空发动机散热器。
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教师：王勤辉/余春江
2012年2月
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课程信息
学分: 1.5 教材：《电站锅炉原理》容銮恩，袁镇福等，
中国电力出版社 主要参考书：
《管壳式换热器的分析与计算》潘纪红，田茂诚 编著，科学出版社，1996
《锅炉原理及计算》（第二版）冯俊凯，沈幼庭 主编，科学出版社，1992
《锅炉例题习题集》贾鸿祥编，水利电力出版社， 1990
《换热器设计、运行及CAD系统》刘燕春编著， 冶金工业出版社，1998
教师联系方式：
王勤辉 Tel：87952802 qhwang@ 余春江 Tel：87952801
chunjiang@zju.e可d整u理p.pct n
蓄热室原理
按照热量传输方式划分
流体耦合间接式 由两台间壁式换热
器组成，他们之间通过 某种传热介质（水或者 液态金属）的循环耦合 在一起。
冷热流体换热面不直接耦 合使换热器形体设计比较 方便；
有利于紧凑的机械布置
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热管换热
间壁式换热器
换热过程物理概念清晰，纯粹的传热。其 生产经验、分析研究和计算方法比较完整 和丰富，其他两种换热器的计算往往要部 分或大部分引用间壁式换热器的计算设计 方法
热交换器的重要性
在工程中，将某种流体（介质）的热量以一定的 传热方式传递给他种流体（介质）的设备，称为 热交换器
至少有两种温度不同的流体参与传热 传热为主要过程（目的）
热交换器在工业生产中极为普遍
锅炉设备中。。。 电厂热力系统中。。。 轧钢工艺中的空气煤气预热器、制冷机中的冷凝器、
制糖造纸工业中的蒸发器等等 化工、航天、机械制造、食品、医药行业中。。
该类型热交换器的管子常用直管（蛇管）或螺旋弯管（盘 管）组成传热面，将管子沉浸在液体的容器或池内
多用于液体预热器、蒸发器或气体冷却、冷凝 管外液体中的传热以自然对流方式进行，传热系数低，体
积大，但是结构简单、制造、修理、清洗方便。
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沉浸蛇管换热
管式热交换器类型 －喷淋式热交换器
该类型热交换器将冷却水 直接喷淋到管子外表面使 管内的热流体冷却或冷凝
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换热器相关深入研究的领域
强化传热机理和新型换热器的研制 流体热物性的研究 制造材料和防腐技术研究 结垢机理和防垢技术研究 振动和防振措施的研究 测试技术研究 热交换器CAD设计、自动设计、模拟和系
统与设备的优化等
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本课程关注的内容
常规热交换器类型、原理，基本设计思路 作为一门能源与环境工程专业的专业课，着重以
按照传送热量的方法：间壁式、混合 式、蓄热式（回热式）、流体耦合间 接式等
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按照流动方向的分类
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a. 顺流 b. 逆流 c. 交叉流（错流） d. 总趋势为逆流的四次
错流 e. 总趋势为顺流的四次
错流 f. 混流式：先顺后逆平
行流 g. 混流式：先逆后顺的
串联混和流
按照热量传输方式划分
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凝汽式燃煤电厂生产过程
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凝汽部分换热过程
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低压加热器
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除氧器换热过程
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高压加热器
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省煤器
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过热器
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空预器
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对换热器的基本要求
满足工艺要求，热交换强度高，热损失小 工艺结构在工作温度压力下不易遭到破坏，
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气体冷却塔 热水加热
按照热量传输方式划分
蓄热式换热器（回热式）
换热器中也有固体壁
面，但是两种流体并非同 时，而是轮流地与壁面接 触，当热流体流过时，把 热量蓄于壁内，其温度逐 渐升高，而当冷流体流过 时，壁面放出热量，其温 度逐渐降低，如此反复进 行，以达到热交换的目的。
蓄热换热器
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优点是结构简单、制造、 修理、清洗方便，换热系 数通常大于沉浸式，加上 管外的蒸发气化及空气也 能吸收部分热量，传热效 果好
间壁式换热器 冷流体和热流体之
间有一固体壁面，一 种流体恒在壁面的一 侧流动，而另一种流 体在他侧流动，两种 流体不直接接触，热 量通过壁面进行传递
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按照热量传输方式划分
混合换热器（直接接 触式换热器） 这种换热器内依靠 热流体和冷流体的直 接接触而进行换热， 理论上混合流体均匀 地处于同温同压下离 开换热器，换热效率 最高，但是冷热流体 的混合使应用受限制。
制造简单，维修方便，运行可靠 设备紧凑（对于航天、余热利用、大型设
备尤为重要） 流动阻力低，热交换器的动力消耗小 其他工艺要求的特殊能力
ห้องสมุดไป่ตู้可整理ppt
热交换器研究的背景科学
和传热学的密切联系和互动
热交换器发展为传热学提供日益深广的课题 传热学为热交换器发展提供理论基础和设计方法
换热器的研究不局限于传热学研究，从换热 器的原理、设计到测试构成了自己独特的内 容体系，除了传热学，还包括流体力学、工 程力学、化学、材料力学以及设计方法、设 备结构、测试技术、计算和优化技术等方面 的内容
电站锅炉为主要对象介绍锅炉设备工作过程中所 涉及热交换器相关内容
掌握锅炉设备工作过程中所涉及的相关知识如燃料特 性及其燃烧产物的计算等
掌握有关锅炉热平衡计算以及整体设计的基本知识 掌握锅炉的热力计算的基本方法，包括炉膛和对流受
热面等热交换部件的计算方法 在掌握锅炉的设计与计算方法的基础上，理解各类热
交换器的设计与计算方法。
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热交换器设计与计算的基本原理
热交换器原理、形式 热交换器设计及计算的重要性 各类热交换器传热计算分析
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换热器分类
按照用途分类：预热器、冷却器、冷凝器、 蒸发器
按照制造材料分类：金属换热器、陶瓷换 热器、石墨换热器等
按照冷流体和热流体的流动方向分：顺流 式、逆流式、错流式、混合流等
冷热流体相互之间不掺混，满足绝大多数 工业过程的要求，是应用最为广泛的换热 器类型
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间壁式换热器类型
按照传热壁面的形状 间壁式换热器可分
管式热交换器 板式热交换器
夹套式热交换器
其他异形传热面组成的 特殊类型换热器
板式
板式换热器流向示意图
夹套换热器
可整理ppt
螺旋板
管式热交换器类型 －沉浸式热交换器