换热器毕业设计资料

在传热过程当中，热流体通过间壁与冷流体进行热量交换的传热过程分为三步进行：

1.热流体以对流传热方式将热量传给固体壁面； 2.热量以热传导方式由间壁的热侧面传到冷侧面； 3.冷流体以对流传热方式将间壁传来的热量带走。

在上述三个步骤中，第2步通过间壁的传热纯属热传导，第1与3步为流体与间壁固体之间的传热，主要依靠对流传热，但是对于高温的多原子气体或含固体颗粒的气体，流体与壁面之间的辐射传热也不容忽视。由于在化工生产中经常遇到的是温度不太高的流体之间的传热过程，因而在传热过程计算中通常忽略流体与间壁之间的辐射传热。

图3-1中表示出了沿热量传递方向从热流体到冷流体的温度分布情况。热流体以对流方式将热量传给间壁的一侧，如果热流体不发生相变，则热流体的温度逐渐降低；在间壁中沿热流方向温度降低；当热量传给冷流体后，如果冷流体也不发生相变，则其温度将逐渐升高。

[1]

图3-1 流体通过间壁的热量交换

3.1换热器传热计算中的基本参数和方程

在换热器中常用的几个公式：

放热热流量:

qc(t1΄-t1˝)=W1(t1΄-t1˝) （3-1）

m11吸热热流量:

qc(t2˝-t2΄)=W2(t2˝-t2΄) （3-2）

m22 换热器的传热热流量:

AK(t1-t2)dA （3-3）

如果略去换热器向外散失的热量那么上述三者是相等的。

其中：q为流体的质量流量；c为流体的比热容；qc=W为该流体的热容量（速

率），即对应单位温度变化产生的流动流体的能量储存速率单位为W/K,令其中数值较小值为Wmin=（QmC）min，较大者为Wmax=（QmC）max。 对于式（3-3）是用微元传热面传热流量的积分来表示换热器总的传热流量，通过微元传热面的传热流量为:

dΦ=K(t1-t2)dA (3-4)

2

其中K为传热系数，单位是W/（m·k）。

对于这个公式中，dΦ正比于微元面两侧流体的温差（t1-t2）和微元面面积。传热间壁两侧的温差是随着流体流过不同的壁面，并且伴随着流体自身温度的损失是变化的，还有传热系数在换热器的不同部位是不同的，它与该处间壁两侧流体的流动情况和流体的物性有关。

通常为了简便起见，引入了平均传热系数Km及平均温差 △tm，即： Φ=Km△tmA用这样的公式表示比较简单。

3.2换热器的热计算

换热器传热计算常用方法：对数平均温差法、效能－传热单元法。

3.2.1 对数平均温差法

对于各种流动形式，如能求出平均温差，即壁面两侧流体间温差对面积的平均值，就能计算换热器的传热热流量。由于在换热器中沿着任意流体流动长度上的冷、热两流体之间的温差是变化的，因此需要合理计算传热方程中两流体的平均温差。

在传热学上顺流和逆流型的间壁式换热器的对数平均温差可以表示为：

顺流 ：

(t1΄-t2΄)-(t1˝-t2˝)tm=t1΄-t2΄lnt1˝-t2˝ （3-5）

逆流：

(t1΄-t2˝)-(t1˝-t2΄)tm==t1mt1΄-t2˝lnt1˝-t2΄ （3-6）

以上两项称为对数平均温差。通常用逆流型的公式表示对数平均温差常用在温差分析中做基准温差，故用特定符号t1m表示。

上两式也可以统一为

tmax-tmintm=tmaxlntmin 其中：tmax——两侧温差中较大者

（3-7）

tmin——两侧温差中较小者

对于各种流动形式的换热器，在相同的进口、出口温度条件下，逆流的平均温差最大，其他流动形式的平均温差都低于逆流的平均温差。因此其他流动形式换热器的平均温差可用逆流的对数平均温差t1m乘以温差修正系数的形式表示为 ：

tmt1m （3-8）

此时传热热流量可按下式计算：

KAt1m （3-9）

3.2.2效能－传热单元法

换热器传热计算的效能-传热单元法中，涉及到换热器效率、传热单元数、

热容比等基本参数。 1.基本参数

（1）换热器效率

换热器效率是指换热器实际传热热流量与理论上最大传热热流量之比。 即：

W1(t1΄t1˝)W2(t2˝t2΄)maxWmin(t1΄t1˝)Wmin(t2˝t2΄) (3-10)

在式中max只能在传热面积无限大的逆流式换热器内实现。

换热器的温度效率公式表示：

当

(qmcp)1=W1=Wmin时，

t1΄t1˝热流体的冷却程度t1΄t2΄两流体的进口温度； （3-11）

则有

当(qmcp)2=W2=Wmin时，

则有 （2）传热单元数

t2˝t1΄冷流体的冷却程度t1΄t2΄两流体的进口温度 （3-12）

传热单元数表示的是换热器传热能力的一个重要的无因次量。 它的定义式为：

NTUKAWmin （3-13）

其中：KA表示当换热器的平均温差为1℃时所传递的热量，Wmin是两流体中较小的热容量，之所以采用Wmin是因为热容量小的流体温度变换较大，计算结果的准确性高。 （3）热容比

热容比定义为较小的热容量Wmin与较大的热容量Wmax之比值，用符号C表

示即：

*

C*=WWminmax1 (3-14)

2．U关系式

通常，换热器效率可表示为：

f(NTU，C*，流动形式) （3-15）

*UC 在一定流动形式下，仅为和的函数，即

f(NTU，C*) （3-16）

下面介绍几种常见的流动形式下的U关系式。 (1)逆流流动

逆流流动下换热器的效率关系式为

1-e-NTU(1C*)1Ce*-NTU(1C*) (3-17)

应用上式时可能遇到两种特殊情况：

a．当

C*WminWmax=0时-NTU=1-e，则有 （3-18）

*b． 当C时， 则有

=NTU1NTU (3-19)

如果已知

和 C*的值，可从式(3-12)中解得

11-C*NTUln*1C1- （3-20）

（2）顺流流动

顺流流动下换热器效率关系式为



1-e-NTU(1+C*)1+C* （3-21）

*当C时，式（3-16）简化为

-NTUe （3-22）

其结果与逆流流动情况相同。这说明在换热过程中有一种流体温度不变时，

其效率值与流动方向无关。

*当C时，式（3-16）简化为

2NTUe-2 （3-23）

3.3换热器传热计算的基本步骤

换热器传热计算主要有：设计计算、校核计算。

3.3.1对数平均温差计算步骤

1．对数平均温差法设计计算主要步骤 （1）根据给定条件，由热平衡式

qm,1cp1(t'1t''1)qm,2cp2(t''2t'2) （3-32）

求出进、出口温度中的未知量及传热量∮

（2）选定流动方式，由冷热流体的进、出口温度确定对数平均温差

（3）初步布置传热面，结合流体的质量流量等求出两侧的换热系数并计算出相

应的传热系数

kAtm（4）由传热方程式 ：求出所需的换热面积A与其他参数，与初始布置的面积A

比较，若不相等重新布置换热面；

（5）计算换热器的流动阻力△P, 若流阻过大，则应改变方案重新设计。

2．对数平均温差法校核计算主要步骤

（1）假定一种流体的出口温度t1˝(或t2˝)，据热平衡式 求出另一流体的出

口温度并计算传热量:



（3-33）

m,1p111m,2p222

qc(t't'')qc(t''t')（2）根据热交换器的流动方式及冷、热流体的进、出口温求得对数平均温差△

Tm

（3）根据热校核器的结构，算出相应工作条件下的表面换热系数h和传热系数

k

（4）计算换热量

Q=KAΔtm 与qm1cp1(t1΄-t1˝)=qm2cp2(t2˝-t2΄)计算比较

误差<5%，说明假定正确，否则，重复1～4步骤，直到计算结果在误差范围内。

3.3.2 效能-传热单元法计算主要步骤

1. NTU设计计算主要步骤

（1）根据给定的端点温度计算，同时计算C;

*（2）运用对应特定流动布置的NTU曲线和C计算NTU

*（3）

计算A=NTUWminK。

2. NTU校核计算的主要步骤 （1）根据已知条件计算NTU和C

*NTUC（2）运用对应特定流动布置的曲线和计算

*W1(t2˝-t2΄)=W1(t˝-t΄)=

（3）计算Wmin(t1΄-t2˝)，根据下列公式计算端点温度：

3.4 传热速率方程

对于间壁式传热，通过固体的热传导方程和对流传热速率方程，然而在应用这些方程进行传热计算时，都需涉及壁面的温度，而壁面温度通常是未知的。为了避免在传热速率方程中出现未知的壁面温度，在实际的传热过程计算中，通常采用以间壁两侧流体的温度差为推动力的总传热速率方程，简称传热速率方程。，在换热器中，任取一微元段dl，对应于间壁的微元传热面积dAo，热流体对冷流体传递热量的传热速率可表示为

tk-tcdQ=K(tk-tc)dAo=1K΄dAo΄΄

（3-34）

2上式称为微分传热速率方程。式中K表示局部传热系数，W/（m·℃）；

th、tc分别为热流体和冷流体的局部平均温度，℃。因为上式仅针对换热器的d

l段列出，故式中各量均具有局部的性质。

由于换热器内的冷、热流体的温度和物性是变化的，因而在传热过程中的局部传热温差和局部传热系数都是变化的，但在工程计算中，在沿程温度和物性变化不是很大的情况下，通常传热系数K和传热温差Dt均可采用整个换热器上的积分平均值，因此，对于整个换热器，传热速率方程可写为

Q=KtmA （3-35）

式中：K表示总平均传热系数，简称总传热系数或传热系数，W/（m·℃）；A

为换热器的总传热面积；tm表示冷热流体的平均传热温差，℃。 由传热热阻的概念，传热速率方程还可以写为

2tmtmQ==1RKA式中：R=1/KA为换热器的总传热热阻，℃/W。

（3-36）

3.5换热器传热壁面的换热特性

3.5.1换热特性的关系式及线图

流体流过各种形式的避免时，传热系数与很多参数有关,即： f(cpu,l)

的变化规律一般可整理成无量纲传热因子j 通常是用试验方法测定的，

13或努塞尔数Nu与雷诺数Re之间的关系式，即j=f(Re)或NuPr=f(Re)

j或Nu与Re之间的关系，通常称为传热壁面的换热特性，可以根据实验数

据，整理成经验式或线图。

在Re变化范围不大的区域，j~Re或NuPr~Re关系，在双对数纸上可以用一

13近似直线来表示。这样，传热面的换热特性可用下列形式表示：

j=CRenmNuPr=CRe

13式中：C,M,N均为常数，由实验数据整理而得。

当Re变化范围较大，或Re在流动过渡区附近时，则在双对数纸上j~Re或

NuPr~Re呈曲线关系，可用线图来表示传热面的换热特性。作为示例，图3-2中下面一条曲线表示出了平直矩形翅片传热壁面的换热特性j~Re关系，图3-3则是上面一条曲线表示了机油-水换热器油侧壁面的传热特性NuPr~Re关系。

1313

图3-2 平直矩形翅片的换热和流阻特性

图3-3 机油冷却器油测的换热和流阻特性

3.5.2计算表面换热系数的特性

计算对流换热表面传热系数的步骤是：根据传热面结构的布置和工作条件计

算流体流过壁面的质量流速求的表面传热系数为：

gm，然后求相应的雷诺数Re;由Re值，根据所用壁

面的传热特性确定对应的传热因子j或努塞尔数Nu，然后可用j或Nu的定义式

gmcpj Nupr23l或

使用传热壁面特性的资料时，必须注意该资料确定物性时用的定性温度

tm，

Re及Nu中使用的特征尺寸l，计算流速所用的通道截面，以及表面传热系数都是相对于什么面积而言的。此外，这些试验关系只能用于一定的雷诺数范围，否则会有较大的偏差。原则上，这些试验可用于几何相似的壁面，但由于加工粗糙度不同等因素的影响，可能使换热器特性产生明显的差别。因此，必要时要通过

试验来测定所采用传热壁面的换热特性。