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1、传热学 第十章 传热过程分析与换热器的热计算 课件制作人：尹华杰 10-1传热过程分析和计算 传热基本关系式 通过平壁的传热过程计算 10-1传热过程分析和计算 通过圆筒壁的传热过程计算 传热过程 对流导热对流 传热关系式 tfi twi hfi tfo two ho t ri ro o 10-1传热过程分析和计算 通过圆筒壁的传热过程计算 传热系数计算式（以管外侧面积为基准） 传热热阻计算式（以管外侧面积为基准） 10-1传热过程分析和计算 通过肋壁的传热过程计算 传热过程 对流导热带肋片的对流 传热关系式 hi ho tfi twi two tf0 A1 A2 Ai 10-1传热过程分析和
2、计算 通过肋壁的传热过程计算 传热系数计算式 以肋侧表面积Ao为基准 以光侧表面积Ai为基准 10-1传热过程分析和计算 临界绝热直径 圆管外加肋片及加保温层的辩证关系 圆管外加肋片 加肋片增加外表面积，增大了 对流换热（减小了表面换热热 阻），但同时增加了导热热阻 。由于肋片选用导热系数很大 的材料制作，换热面积的增加 倍数较高，导热热阻增加较小 。综合结果是使总热阻还是明 显降低 导热系数小 面积增加少 导热系数大 面积增加多 圆管外加肋片及加保温层的辩证关系 10-1传热过程分析和计算 临界绝热直径 圆管外加肋片及加保温层 的辩证关系 圆管外敷设保温层 外敷设保温层，也增加对流 换热面积
3、（减少了表面换热 热阻），但同时也增加了导 热热阻。由于保温层的导热 系数较小，导热热阻增加较 大，而对流换热面积增加有 限，一般地使总热阻增加 导热系数小 面积增加少 导热系数大 面积增加多 圆管外加肋片及加保温层的辩证关系 10-1传热过程分析和计算 临界绝热直径 达到最大散热量时的临界热绝缘直径 定义：对应散热量最大时的保温层外径 临界绝缘直径 10-2换热器的类型 换热器的定义 用来使热量从热流体传递到冷流体，以满足规定的工艺要求 的装置 按操作过程的换热器分类 间壁式 冷热流体分别位于壁面两侧 混合式 冷热流体直接接触，互相混合 蓄热式 冷热两流体依次交替地流过同一换热表面，热流体流
4、过 换热面蓄能，然后冷流体流过换热面吸热被加热。是非 稳态传热 10-2换热器的类型 按表面紧凑程度的换热器分类 紧凑式换热器 紧凑程度用水力直径（dh也称当量直径，即流动截 面积的4倍除以湿周长）来区别，或者用每立方米体 积中的传热面积即传热面积密度来衡量 当700m2/m3或者dh6mm时，称为紧凑式换热器 非紧凑式换热器 当3000m2/m3或者100mdh1mm时，由于水 流直径的减小，导致Re数减小，通道内的流动一般 为层流，称为层流换热器 10-2换热器的类型 按表面紧凑程度的换热器分类 非紧凑式换热器 当15000m2/m3或者100mdh0.22mm时，属 微型换热器 微型换热
5、器管内的流动与换热的研究是当前微尺度 传热研究的主要内容 10-2换热器的类型 间壁式换热器的主要形式 套管式换热器 10-2换热器的类型 间壁式换热器的主要形式 壳管式换热器 管程 流经管内流体所经过的路经 壳程 流经管间流体所经过的路经 多管程 I（壳程数）J（管程数） 多壳程 10-2换热器的类型 间壁式换热器的主要形式 壳管式换热器 10-2换热器的类型 间壁式换热器的主要形式 壳管式 10-2换热器的类 型 间壁式 换热器 的主要 形式 交叉流 10-2换热器的类型 间壁式换热器的主要形式 板式 10-2换热器的类型 间壁式换热器的主要形式 板式 10-2换热器的类型 间壁式换热器的
6、主要形式 板式 10-2换热器的类型 间壁式换热器的主要形式 螺旋板式 10-2换热器的类型 间壁式换热器的主要形式 螺旋板式 10-2换热器的类型 提高换热器紧凑性的途径 减小管径。当管壳式换热器的圆管的直径小于 5mm时，可超过660m2/m3 采用板式结构。由多层薄板形成的流道可使水 力直径降低，并且可以在板上压制出波纹，以 增加对流体的扰动 采用各种肋化表面（即扩展表面）。其中在翅 片上开缝的翅片传热效率更高 采用丝网状材料等。这是实现紧凑性的重要方 法 10-2换热器的类型 管壳式换热器的近期发展 螺旋折流式换热器 10-2换热器的类型 管壳式换热器的近期发展 螺旋折流式换热器 10
7、-2换热器的类型 管壳式换热器的 近期发展 折流杆式换热器 10-2换热器的类型 管壳式换热器的近期发展 热管换热器 10-3换热器中传热过程平均温差的计算 简单顺、逆流换热器平均温差的计算 平均温差表示的传热方程式 计算平均温差时对传热过程的假设 冷、热流体的质量流量qm1、qm2及比热容c1、c2为常 数 传热系数在整个换热面上不变 换热器无散热损失 换热面中沿管子轴向的导热量可以忽略不计 10-3换热器中传热过程平均温差的计算 简单顺、逆流换热器平均温差的计算 顺流时的平均温差 换热器中热冷两流体的流程 t1 t2t2 t1 热流体 冷流体 t1 10-3换热器中传热过程平均温差的计算
8、简单顺、逆流换热器平均温差的计算 顺流时平均温差的推导 t1t1 t2 t2qm2 qm1 t t1 t1 t2 t2 t t t t1dt1 dt2 t2 Ax A A dA 10-3换热器中传热过程平均温差的计算 简单顺、逆流换热器平均温差的计算 顺流时平均温差的推导 10-3换热器中传热过程平均温差的计算 简单顺、逆流换热器平均温差的计算 逆流时平均温差 换热器中热冷两流体的流程 t1 t2t2 t1 热流体 冷流体 10-3换热器中传热过程平均温差的计算 简单顺、逆流换热器平均温差的计算 逆流时平均温差 t1t1 t2 t2 qm2 qm1 t t1 t1 t2 t2 t t t1 d
9、t1 dt2 t2 Ax A A dA t 10-3换热器中传热过程平均温差的计算 简单顺、逆流换热器平均 温差的计算 逆流时平均温差 t1t1 t2 t2 qm2 qm1 t t1 t1 t2 t2 t t t1 dt1 dt2 t2 Ax A A dA t 10-3换热器中传热过程平均温差的计算 简单顺、逆流换热器平均温差的计算 算术平均与对数平均 对数平均温差计算式 10-3换热器中传热过程平均温差的计算 简单顺、逆流换热器平均温差的计算 算术平均与对数平均 算术平均温差 近似程度 10-3换热器中传热过程平均温差的计算 其他复杂布置时平均温差计算 修正式 按逆流对数平均温差为基础,乘以
10、小于1的修正系数 式中： 是将给定的冷、热流体进出口温度布置成 逆流时的对数平均温差；是小于1的修正系数 10-3换热器中传热过程平均温差的计算 其他复杂布置时平均温差计算 修正系数 是无量纲参数P及R的函数 式中下标“1”壳侧，“2”管侧；“”进口，“”出口 10-3换热器中传热过程平均温差的计算 其他复杂布置时平均温差计算 修正系数 参数R和P的物理意义 参数R具有两种流体热容量之比的物理意义 参数P的分母表示换热器中流体2理论上所能达到的最 大温升，因而P的值代表该换热器中流体2的实际温升 与理论上所能达到的最大温升之比。所以，R的值可 以大于或小于1，但P的值必须小于1 每种结构的值的
11、对应图 见下几页 1.0 10-3换热器中传热过程平均温差的计算 其他复杂布置时平均温差计算 修正系数 R4时，P1/R情况下的值 随P变化剧烈，用PR，1/R代表P和R查图 10-3换热器中传热过程平均温差的计算较 不同流动布置形式的比较 相同进出口温度条件 逆流的平均温差最大，顺流最小 逆流时冷、热流体的最高温度在同一端，换热 器两端温差大 冷凝和蒸发 t1t t2 t2 o A 冷凝 t2 t t1 t1 o A 蒸发 10-3换热器中传热过程平均温差的计算 不同流动布置形式的比较 蛇形管束的交叉流 曲折4次以上可按逆流和顺流处理 逆流顺流 复习题、习题 复习题：1、2、4 习题： 总传
12、热系数计算：10-4 平均温压计算：10-6 10-4间壁式换热器的热设计 两种类型的设计和两种设计方法 两种类型的设计 设计计算 设计一个新的换热器，以确定换热器所需的换热面 积 校核计算 换热器一定，核算它能否胜任规定的换热任务 10-4间壁式换热器的热设计 两种类型的设计和两种设计方法 两种类型的设计 计算公式 8个变量 设计计算时 校核计算时 10-4间壁式换热器的热设计 两种类型的设计和两种设计方法 两种计算方法 平均温差法 直接利用传热方程计算传热量（校核计算）或传热 面积（设计计算） 传热单元数法 引入换热器效能和传热单元数，设计计算和校核计 算都利用这两个参数进行 10-4间壁
13、式换热器的热设计 换热器热设计的平均温差法 设计计算步骤（第一步不能计算出k，换热器的 具体尺寸未知） 布置换热面，计算对应的传热系数k 根据给定条件，由热平衡式 求出进、出口温度中的那个待定的温度 由冷、热流体的4个进、出口温度确定平均温差 ， 计算时要注意保持修正系数具有合适的数值 由传热方程式 求出所需的换热面积A，并 核算换热面积两侧流体的流动阻力 如流动阻力过大，改变方案重新设计 10-4间壁式换热器的热设计 换热器热设计的平均温差法 设计计算步骤 布置换热面，假设一个传热系数k； 根据给定条件，由热平衡式 求出进、出口温度中的那个待定的温度 由冷、热流体的4个进、出口温度确定平均温
14、差 ，计算时要注 意保持修正系数具有合适的数值 由传热方程式 求出所需的换热面积A 根据求出的换热面积A，重新布置换热面，计算传热系数k，然后 转向步骤2进行迭代计算，直到前后两次求出的换热面积A或传热 系数k接近，达到精度要求，取最终计算的换热面积A作为设计值 ； 并核算换热面积两侧流体的流动阻力，如流动阻力过大，改变方 案重新设计 10-4间壁式换热器的热设计 换热器热设计的平均温差法 校核计算步骤 先假设一个流体的出口温度，按热平衡方程求出另一 个流体的出口温度 根据4个进、出口温度求得平均温差 根据换热器的结构，算出相应工作条件下传热系数k 已知kA和 ，按传热方程 求出值。因 为流体
15、的出口温度是假设性的，因此求出的值未必 是真实的数值 根据4个进、出口温度，用热平衡式求得另一个值。 同理，这个值也是假设性的 比较上两步求得的两个值。一般认为两者之差应小 于2%5%。当不满足时，重复上述步骤重算，直到 满足为止 10-4间壁式换热器的热设计 换热器计算的效能传热单元数法 换热器的效能的定义 换热器效能 式中，分母为流体在换热器中可能发生的最大温差， 而分子则为冷流体或热流体在换热器中的实际温差的 大者 换热器效能的意义 换热器效能表示换热器的实际换热效果与最大可能的 换热效果之比 10-4间壁式换热器的热设计 换热器计算的效能传热单元数法 换热器的效能的定义 用表示的热流量 10-4间壁式换热器的热设计 换热器计算的效能传热单元数法 顺流和逆流时换热器效能的计算 顺流时的
