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[工学]换热器热计算基础
2 效能-传热单元数法 (1)传热单元数和换热器的效能 换热器的效能按下式定义: 换热器交换的热流量: ① 下面揭示换热器的效能与哪些变量有关。 以顺流换热器为例,并假设 则有 根据热平衡式得: ② 于是 式①, ②相加: 整理: 由上一节知道 ③ 带入③式得 把上一节中 带入上式得 ④ ⑤ 当 时,类似推导可得 ⑥ 将⑤⑥合并写成 ⑦ 令 ⑦可写成 类似的推导可得逆流换热器的效能为 称为传热单元数 当冷热流体之一发生相变时,即 趋于无穷大时,于是上面效能公式可简化为 当两种流体的热容相等时, ? 公式可以简化为 顺流: 逆流: 根据 及 的定义及换热器两类热计算的任务可知,设计计算是已知 求 ,而校核计算则是由 求取 值。它们计算步骤都与平均温差中对应计算大致相似,故不再细述。 3、用效能—传热单元数法(法)计算换热器的步骤 换热器的无因次量 换热器的无因次量包括:换热器效率(效能)E、传热单元数NTU、热容量比R 换热器效率(效能)E 传热单元数NTU 热容量比R 传热单元数法NTU 当给定两流体流量、进口温度以及传热面积、传热系数时,要计算两流体出口温度时往往需要试差法。对这类操作型计算,若采用传热效率及传热单元数法则可方便地计算而避免试差。 1.换热器效率ε 定义: 若换热器中流体无相变,热损失忽略,则实际传热量: Q=WhCph(T1-T2)=WcCpc(t2-t1) 换热器中可能达到的最大温度差为(T1-t1)。据能量衡算,冷流体吸收的热量等于热流体放出的热量,故两流体中(WCp)值较小的流体具有较大的温度差,则最大可能的传热量: Qmax= (WCp)min (T1-t1) 其中称为流体的热容量流率C; 下标min表示两流体中热容量流率较小者,将此流体称为最小值流体。 2.传热单元数NTU 对换热器微元段进行热量衡算和传热速率计算: dQ=-WhCphdT=WcCpcdt=K(T-t)dS ε与NTU的关系 以并流为例。 〖说明〗 1.传热单元数NTU是温度的无量纲函数,反映传热推动力和传热所要求的温度变化。 2.前式同样适用于热流体为最小值流体,此时Cmin=WhCph,Cmax=WcCpc,(NTU)min=KS/Cmin 3.逆流时: 4.若两流体之一有相变,即Δt或ΔT=0,Cmax=∞,则: ε=1-exp[-(NTU)min] 5.若Cmin=Cmax,则: 6.已知冷热流体进口温度,求解出口温度。步骤: 判别最小值流体。Cmin=min(WhCph,WcCpc) 计算(NTU)min, (NTU)min=KS/ Cmin 据并流或逆流选择公式计算传热效率ε 据热量衡算方程计算另一出口温度t2或T2 传热单元数法示例 例 在一传热面积为15.8m2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4.187 9kJ/(kg·℃) 。换热器的总传热系数为320W/(m2·℃)。求水的出口温度。 解:WhCph=2.85×1900=5415W/℃ WcCpc=0.667×4180=2788W/℃ 故冷流体水为最小值流体,则:Cmin/Cmax=2788/5415=0.515 (NTU)min=KS/Cmin=320×15.8/2788=1.8 传热系数随温度变化的处理 传热系数K在一般情况下被视为常数,如α1、α2(对流换热系数),λ(导热系数)等被视为常数。当K随温度变化很大时,需考虑温度的影响。 若传热系数K随温压呈线性变化 一、若传热系数K随温压呈线性变化时(含冷热两种流体任一种流体温度为线性变化),不论是逆流还是顺流,都可应用下式: 其它流型,可采用温度修正系数 K随温度无简单变化规律时,可分段计算 例 题 某蒸发器的管壁厚3mm,材料是钢。长久使用后其表面覆盖一层厚为0.5mm的水垢。试求传热系数的变化,并就计算结果讨论水垢对传热系数的影响。已知:α沸=2791 W/(m2·K),α冷凝=11630 W/(m2·K),λ钢=46.5 W/(m·K),λ水垢=1.745 W/(m·K)。 解: 解:假定各传热面面积相等, 则: ((1)?????? 结垢前: ( (2)?????? 结垢后: 所以,结垢前后变化:
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