第十章传热与换热器.

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1、第十章 传 热 与 换 热 器,第一节 通过肋壁的传热 第二节 有复合换热时的传热计算 第三节 传热的增强与削弱 第四节 换热器的型式和基本构造 第五节 平均温差 第六节 换热器计算 第七节 换热器性能评价简述 作业,第一节 通过肋壁的传热,已知：稳态，未加肋侧的参数为：A1、tw1、h1、tf1；肋壁厚、导热系数；加肋侧的参数为：肋基温度tw2、h2、tf2、总表面积A2=A2/+A2/，其中：A2/：未肋化部分的面积，A2/：肋片的全表面积。,A2/,A2/,h2 tf,tw2,A1 tw1 h1 tf1, ,加肋侧换热量：=h2A2/（tw2-tf2）+f被肋化面积,=h2A2/（tw2

2、-tf2）+fh2A2/（tw2-tf2）,第一节 通过肋壁的传热,于是有： =h2A2（tw2-tf2） 另肋壁的导热传热量为： =A1（tw1-tw2）/ 未加肋侧的换热量为： =h1A1（tf1-tw1） 联立上式，消去tw1、tw2即有：,进一步整理： =h2（A2/+ fA2/）（tw2-tf2）,若令：,我们称之为肋壁总效率。其物理意义为：,第一节 通过肋壁的传热,K1称为以A1面为基准为传热系数。 =A2/A1，称为肋化系数，显然1，且有1。,上式可写成： =k1A1（tf1-tf2） W 其中：,第一节 通过肋壁的传热,若以A2作为传热基准面，k2为以A2面为基准为传热系数，则

3、有：,第一节 通过肋壁的传热,肋壁总效率以肋化系数的影响因素较多，下面看看肋片间距与肋高的影响，进而对传热系数k的影响： 1.肋片间距s： s单位长度内肋片的数量A2热阻R2k1 s增强肋片间流体的扰动h2k1 s的下降是有限的，s必须大于最厚热边界层厚度的2倍。 2.肋片高度l： lf，但当l肋片面积A2/A2，必存在某一高l，使有极大值，从而使热阻R2有极小值，k1最有利。 另外，肋片应加在对流换热系数较小的一侧，且不必过分追求高等使此侧热阻变得很小，只要使两侧热阻大小相当即可。 工程上有时将肋片加在对流换热系数大的一侧，其主要目的就再不是为了强化传热。若h大的一侧为温度低的流体，其目的可

4、能是为有效地降低壁温，如锅炉中的水冷壁等。,第二节 有复合换热时的传热计算,实际的传热过程多由二种或三种方式组成的复合换热，如室内辐射采暖板的表面与室内既有对流换热，又有辐射换热： 对流换热量：qc=hc（tw-tf） W/m2,式中：Tam为周围环境参与辐射换热的物体温度。,若引入温差（tw-tf），将辐射换热的计算式也用牛顿冷却公式的形式表示，则有：,式中：hr称为辐射换热表面传热系数。,辐射换热量：,第二节 有复合换热时的传热计算,于是总换热量： q=qc+qr=（hc+hr）（tw-tf）=h（tw-tf） 上式在工程计算时被大量采用。它有时使计算大大简化，且h在暖通计算中常可由手册查

5、得。一般对室内表面换热：hr/h5060%，而室外因风速影响：hr/h1015%左右。 另外，当twtf且twtam，或当twtf且twtam时，使用上式时较方便，若对流换热的热流方向与辐射换热的热流方向相反时，注意用热平衡法确定壁面的相关参数和相应的热流密度。 总之，在复合换热计算中，要具体问题具体分析，抓住主要矛盾，同时兼顾次要矛盾的影响。 具体计算可参阅例题。,第三节 传热的增强与削弱,1.扩展传热面积：如采用肋片等。 2.提高传热温差：如用逆流方式等。 3.提高传热系数：主要要设法提高热阻较大侧的对流换热系数。 设h1h2，且有：h1=nh2，通过推导可得：k/h2=n2k/h1 上式

6、说明k随h2的变化率要比k随h1的变化率大n2倍，说明设法提高h2比提高h1使k值的增加要好得多。 二、增强传热的方法 1.改变流体的流动状态： 1.增大流速：hu0.8，但u变大，能耗随u3增加。 2.加扰动物：破坏边界层，使流场形成环流或紊流。,一、增强传热的基本途径 =KAt,第三节 传热的增强与削弱,二、增强传热的方法 2.改变流体的物性 1.气流中加少量固体细粒：使气流的、c； 2.蒸汽或气体中喷入液滴：促使换热向珠状凝结转化； 3.液体中加少量挥发性强物质：促使向泡态沸腾换热转化。 3.改变换热表面状况 1.增加粗糙度： 2.改变截面形状和大小： 3.表面涂层：,第三节 传热的增强

7、与削弱,三、削弱传热的方法 1.热绝缘 1.真空热绝缘：如保温瓶胆； 2.多层热绝缘： 3.外包热绝缘材料： 2.改变表面状况 1.表面涂层：如用选择性材料作太阳集热器的涂层； 2.附加抑制对流的元件： 3.在保温材料的表面或内部加憎水剂：,第四节 换热器的型式和基本构造,按工作原理可将换热器分成三类 1.间壁式换热器：冷热流体被一壁面隔开；最常见。 2.混合式换热器：冷热流体直接混合换热； 3.回热式换热器：冷热流体交替流过换热器。 间壁式换热器从构造上又分管壳式、肋片管式、板式、板翅式、螺旋板式等。 管壳式按流体在管程和管壳的流动方式又可分为顺流式、逆流式、横流（交叉流）式、混和流式等。

8、管壳式结构坚固、易制造、适应性强，应用历史已悠久。板式传热效率高、阻力小、结构紧凑、金属耗量低、清洗维护方便，但造价较高。,管壳式换热器,管壳式换热器,管壳式换热器,肋片管式换热器,肋片管式换热器,板式换热器,板式换热器,板式换热器,板翅式换热器,板翅式换热器基本原理图,板翅式换热器的各种翅片,螺旋板式换热器,螺旋板式换热器,螺旋板式换热器,螺旋板式换热器,螺旋板式换热器,螺旋板式换热器,螺旋板式换热器,第五节 平 均 温 差,t1/,t2/,t2/,t1/,t/,t/,t/,t/,t1/,t2/,t1/,t2/,tx,dt1,dt2,t1/,t1/,t1/,t1/,t2/,t2/,t2/,t

9、2/,顺流,逆流,=kAt t即为温差,dx,dA,第五节 平 均 温 差,对数平均温差（简称LMTD）tm的导出： 设t1为热流体温度，t1/为热流体进口温度，t1/为热流体出口温度； t2为冷流体温度，t2/为冷流体进口温度，t2/为冷流体出口温度； t/为热流体进口侧的温差 顺流时：t/=t1/-t2/ 逆流时：t/=t1/-t2/ t/为热流体出口侧的温差 顺流时：t/=t1/-t2/ 逆流时：t/=t1/-t2/ 在x处取微元距离dx，此时对应微元面积dA的传热量d为： d=kx（t1-t2）xdA 即：,第五节 平 均 温 差,假设： 传热系数k在整个换热面不变，即kx=k； 换热

10、器的散热损失忽略不计； 换热器换热时无相变产生； 忽略沿换热面轴向的导热； Mc：流体的热容量。可用大写C表示。其物理意义：质量流量M的流体温度升高1所需热量。此时假定流体的热容也为常数。 令平均温差为tm，则传热方程变为： =kAtm 由式有：,要求tm ，则先要求出tx随x或A的关系。,第五节 平 均 温 差,以逆流为例： 热流体在dA的放热量：d = - M1c1dt1 （此时dt1为负） 冷流体在dA的吸热量：d = M2c2dt2 （此时dt2为正） 上两式可写成：,据：d（t1-t2）x=dtx=dt1-dt2 =-d（1/M1c1+1/M2c2） 又据式：d=ktxdA 代入上式

11、有： dtx=-ktx（1/M1c1+1/M2c2）dA 整理得：,当x=0时，Ax=0，tx=t/，故上式dA由0Ax，dtx由t/tx积分得：,将代入得：,第五节 平 均 温 差,据式，当Ax=A时，tx=t/，则有：,第五节 平 均 温 差,工程中，只要误差在允许的范围内，常用算术平均温差来确定实际平均温差： 当tmax/tmin2时，tm/ =（tmax+tmin）/2 =（t/+ t/）/2 此时误差不超过4%。 当tmax/tmin1.7时，用算术平均温差取代取代对数平均温差，所引起的误差将不超过2.3%。 一般通过计算，算术平均温差tm/总比对数平均温差tm要大，当tmax/tm

12、in5时，若用算术平均温差来取代对数平均温差时，常作如下修正： tm/=tm/ =（t/+ t/）/2 0.1|t/-t/| 注意：前列对数平均温差tm的计算式只适用于顺流和逆流状态，其它较复杂的流动形式不能简单套用。,第五节 平 均 温 差,工程中计算复杂流的平均温差时，一般采用下列步骤： 1.先按逆向流方式算出对数平均温差tm*； 2.按辅助变量P、R查图得修正系数t，则：tm=ttm*。 其中：,t=f(P,R)据不同的流动方式已绘成图。,注意： 在其它条件相同情况下，采用逆流方式换热比采用顺流方式换热的平均温差大，交叉流等处于两者之间。,第六节 换 热 器 计 算,计算常分为两大类：

13、1.设计计算：据给定的换热条件和换热任务，设计换热器； 2.校核计算：据已有的换热器，验算它能否完成结定的新换热任务。 换热器热工计算的基本公式 传热方程： =kAt 热平衡方程式： =M1c1（t1/-t1/）=M2c2（t2/-t2/） 令热容 C=Mc，则上式可写成： =C1（t1/-t1/）=C2（t2/-t2/） 平均温差： t=ttm*,第六节 换 热 器 计 算,上列式中，若设有八个变量：、kA、C1、C2、t1/、t2/、t1/、t2/，平均温差描述的是t与四个进出口温度的关系，故传热方程与平均温差可看作是一个方程，而热平衡方程实际上是两个方程。故上述方程相对八变量而言实际上是

14、三个方程。 三个方程，八个变量，故必须已知五个变量。根据已知变量条件不同，即有： 1.设计计算：一般已知C1、C2以及四个温度中的三个，求、另一温度、kA，以便据kA进行换热器设计； 2.校核计算：一般已知kA、C1、C2、t1/、t2/，求出口温度t1/、t2/以及，校核现有的换热器能否完成新的换热任务。 上述两类计算均可采用平均温差法（LMTD法）和效能-传热单元数（-NTU法）进行。,第六节 换 热 器 计 算,一、平均温差法（LMTD法） 1.平均温差法多用于设计计算，其具体步骤： 1.据C1、C2及三个温度，由热平衡方程式求另一温度（此温度多为冷热流体的出口温度t1/或t2/）； 2

15、.由四温度求t，注意混流时t的求法。同时可由热平衡方程式求出； 3.初步构思换热器型式，拟订初步设计方案，并初步确定管程数、布置换热面，然后据所学前面的知识，计算出h1、h2， 从而求出传热系数k； 4.由=kAt ，求出所需的换热面积，校核两侧流体的流动阻力，即压损P1、P2（一般只有A确定后，管长、管径等几何参数才能确定，再才能确定P1 、P2）； 5.若流动阻力（阻损）较大，则改变设计方案，自3.开始重新进行设计及计算。,第六节 换 热 器 计 算,一、平均温差法（LMTD法） 2.平均温差法用于校核计算，其步骤： 1.先假设一个出口温度，据热平衡求另一出口温度； 2.求出平均温差t； 3.据已有换热器的技术资料查出或计算出k、A值； 4.据=kAt ，计算，因t是在假设出口温度下给出的，故t并不是真实的平均温差，此时也不一定是真实的传热量； 5.据热平衡方程=C1（t1/-t1/）=C2（t2/-t2/），求出值，同样此值也带有假设性； 6.比较4、5中求得的值，一般来说两者总是不相等的，说明1中的假设与实际情况不符。 7.再假定一出口温度，重复上述步骤，直至4、5中相等。 从上知，用平均温差法进行校核