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1、第十章 传热过程分析与换热器的热计算,Heat Exchangers,主要内容,10-1 传热过程的分析和计算 10-2 换热器的型式及平均温差 10-3 换热器的热计算 10-4 传热的强化和隔热保温技术,学习目的,培养分析实际传热问题的能力； 能综合应用三种基本传热方式及其相关公式； 掌握换热器的基本知识和设计过程。,10.1 传热过程的分析和计算 传热过程：热量由壁面一侧的流体通过壁面传到另一侧流体中去的过程称为传热过程。,传热过程分析求解的基本关系式为传热方程式。,式中k 为传热系数（在容易与对流换热表面传热系数相混淆的场合，称总传热系数）。,h1和h2由前述公式来计算； 考虑辐射作用
2、，复合换热(Combined Heat Transfer)问题； 工程上的处理方法是将辐射换热量折成对流换热量来处理。,由第一章可知，通过平壁的传热系数可由下式计算：,1. 求出辐射换热量r,4.,3. 由上式求出hr,2. 将 r写成牛顿冷却定律形式,10.1.1 通过平壁的传热过程计算,由分析可知：,经整理，可得：,对外侧面积而言（即以管外侧面积为基准）的传热系数的表达式为：,习惯上，工程计算都以管外侧面积为基准。从热阻的角度来看，上式可以改写为：,若以管内侧面积为基准，则传热系数为：,注：由于管子内外表面积不同，分析必须对整个表面积进行。,在传热系数较小的一侧加肋可以强化传热。下图是一侧
3、为肋壁的平壁，在稳态条件下，通过传热过程各环节的热流量相等。,式中，o=(A1+ fA2)/Ao称为肋面总 效率。由以上三式得：,10.1.3 通过肋壁的传热过程计算,相应地，以光侧表面面积Ai为基准的传热系数为：,肋化系数: =Ao/Ai，即加肋后的总表面积与该侧未加肋 时的表面积之比。 一般1，o1，使得肋化后的换热系数由 ho 增大到hoo，肋化使得传热系数和传热量提高。 为表征强化表面相对于光滑表面的优越性，计算以光侧表 面面积作为计算总传热系数及热流量的面积。 （基准）,于是以肋侧面积Ao为基准的肋壁传热系数为：,解：每米电线在不同的绝缘层外径 do=0.0051+2 的散热量为：,
4、在管道、电线的保温中，为减少或增加散热，应加厚保温层还是减薄保温层？ 先看一个例题。,例题：外径为5.1mm的铝线，外包=0.15W/(mK)的绝缘层。tfo=40C，铝线表面的温度限制在twi70C。绝缘层表面与环境间的复合传热系数ho=10W/(m2 K)。 求：绝缘层厚度不同时每米电线的散热量。,计算结果用图线表示于图中。,10.1.4 临界热绝缘直径(Critical Insulation Diameter),讨论： 散热量先增后减， 有最大值 最大值的求法,由此得：,这个do称为临界热绝缘直径，记为dcr。若dodcr ，则随着do的增大，散热量将减小。只有当do=dcr时，散热量取
5、得最大值。 如取=0.1W/(m.K)，h0=10 W/(m2.K)，则dcr=22mm，一般保温动力管道外径大于此值，所以很少有必要考虑临界热绝缘直径的问题。,临界绝热直径公式还可以改写为：,（Bi 数是管道外表面的毕渥数）,Bi 2，增加保温层厚度可进一步减少热损失； Bi 2，增加保温层厚度则反而起到强化传热的作用。,10.2 换热器的类型,换热器：使热量由热流体传递给冷流体，以满足规定工艺要求的装置统称为换热器（实现两种或两种以上流体相互换热的设备）。 一、按操作过程分类：回热式、混合式、间壁式。 回热式换热器：换热面交替地吸收和放出热量，热流体流过换热器时换热面吸收并贮存热量，冷流体
6、流过换热器时换热面放出贮存的热量。（一般只用于气体 小） 限制？ 用于炼焦炉、炼钢炉及锅炉的空气预热器。,10.2.1 换热器的分类,间壁式换热器：冷热流体被壁面隔开，热传递过程包括热流体与壁面间对流换热、壁中的导热、壁面与冷流体间的对流换热，有时还包括辐射换热。,燃气加热器、冷凝器、蒸发器等,二、按表面的紧凑程度分类： 紧凑式、非紧凑式，其紧凑的程度可以用水力直径来区别，或者用每立方米体积中的传热面积-传热面积密度来衡量。,热管换热器：是一种有相变的间壁式换热器。在第七章有介绍 。,紧凑式换热器,只讨论间壁式换热器,10.2.2 间壁式换热器的主要形式,套管式换热器、管壳式换热器、板式换热器
7、、肋片管式换热器、板翅式换热器、螺旋板式换热器等。,层流换热器,微型换热器,微型换热器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。,1. 套管式换热器(Double Tube Heat Exchanger),最简单的一种间壁式换热器，流体有顺流和逆流布 置，为增加换热面积可采用图（c）的结构； 适用于传热量不大或流体流量不大的情形。,2. 壳管式换热器 (Shell and Tube Heat Exchanger),管壳式换热器是最主要的一种间壁式换热器，传热面由管束组成，管子两端固定在管板上，管束与管板再封装在外壳内。两种流体分别在管程和壳程内流动。,优点：结构坚固、易于制造、适应性
8、强、处理能力大、高温高压下也可应用、清洗方便。 缺点：材料消耗大、不紧凑。 应用：工业上用得最多，历史悠久，占主导地位。,3. 交叉流换热器(Cross Flow Heat Exchanger) 间壁式换热器的又一种主要形式。依据表面结构的不同，有管束式、管翅式和板翅式等类型。,管束式交叉流换热器,管翅式交叉流换热器,肋化系数可达25；传热系数可提高12倍； 结构较紧凑、适于两侧流体表面传热系数相差较大的情况； 肋片侧流动阻力大、可能有较大的接触热阻。,板翅式交叉流换热器,优点：结构紧凑、轻巧、传热面紧凑度高； 缺点：易堵塞。,4. 板式换热器：由一组几何结构相同的平行薄平板叠加组成，相邻两板
9、之间用特殊设计的密封垫片隔开，形成一个通道，冷、热流体间隔地在每个通道中流动。 特点：拆卸清洗方便，故适合于含有易结垢物的流体的换热,通常用单位体积内所包含的换热面积作为衡量换热器紧凑程度的指标，一般将指标大于700m2/m3的换热器称为紧凑式换热器。 板翅式换热器多属于紧凑式。,优点：结构紧凑、金属消耗量低、换热系数高达 7000W /(m2 )、阻力相对较小、使用灵活、清洗方便;,缺点：承压低、不耐温高温；,应用：供热采暖、食品、医药、化工等。,5. 螺旋板式换热器：换热表面由两块金属板卷制而成，冷、热流体在螺旋状的通道中流动。 优点：换热效果好，结构紧凑； 缺点：密封比较困难、不易清洗、
10、修理困难、承压低。,10.3 换热器中传热过程平均温差的计算,(Logarithm Mean Temperature Difference),下标：1-热流体； 2-冷流体。 上标：-入口； -出口。,逆流时流体温度的沿程变化,顺流时流体温度的沿程变化,符号规则：,为推导简单顺流和逆流换热器的平均温差计算式，作以下假设：,（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 k 是常数； （3）换热器无散热损失； （4）换热面中沿流动方向的导热量可以忽略不计。,10.3.1 简单顺、逆流换热器平均温差的计算,1. 顺流换热器平均温差的计算,上述假设适用于大多数间壁
11、式换热器。如果一种介质在换热器的一部分表面上发生相变，则在整个换热面上该流体的热容量为常数的假设将不再成立，此时无相变与有相变应分别计算。,参看右图，在微元换热面dA上温差为：,通过微元面dA的热流量为：,热流体放出的热流量:,冷流体吸收的热流量：,由以上几式得：,顺流时平均温差的推导,式中， 是为简化表达引入的，分离变量并积分得：,积分结果为：,即：,Ax=A时， tx = t，,代入上式得：,对数平均温差,逆流换热器中冷、热流体温度的沿程变化如下图。 如果取如下形式，则上述推导过程完全适合于逆流换热器,不论逆流、顺流，对数平均温差可以统一用以下计算式表示：,2.逆流换热器的对数平均温差,式
12、中，tmax代表t和t两者中之大者，而tmin 代表两者中之小者。该式为确定平均温差tm的基本算式。,逆流时平均温差的推导,其值总是大于相同进、出口温度下的对数平均温差：,3. 算术平均与对数平均,由公式：,知：,令：,算术平均温差总大于对数平均温差； tmax/ tmin越趋近于1时，两者差别就越小； 当tmax/ tmin2时，两者差别小于4%； 当tmax/ tmin 1.7时，两者差别小于2.3%； 锅炉热力计算标准规定，当tmax/ tmin 1.7时， 可用算术平均温差代替对数平均温差计算。,交叉流及其它形式（简单顺流、逆流除外）换热器的平均温差算法比较麻烦，前人已经作出了图表，可
13、以直接查用。计算及查取方法如下： (1). 先按逆流方式算出对数平均温差(tm)ctf； (2). 将(tm)ctf乘以一个修正系数，于是问题就归结为求不 同情况下的。 =f (P,R) P，R的定义：,10.3.2 其它复杂布置时平均温差的计算,=f (P,R)的具体形式随换热器的型式而异，Bowman将其绘成曲线，由图即可查得。,一次交叉流，一种流体混合、另一种流体不混合时的修正系数,一次交叉流，两种流体各自都不混合时的修正系数,当R接近于4时，P的值接近于1/R。此时的值随P的变动发生剧烈的变化，难以准确地查取的值。在这种情况下，可以用PR和1/R分别代表P及R查图。,12、14等多流程
14、管壳式换热器的修正系数,注意：例10-3 曲线的凹凸性；例10-5后的讨论,修正系数值表示特定流动型式在给定工况下接近逆流的程度，工程上要求0.90，至少不小于0.8。,在相同的进、出口温度条件下： (tm)c (tm)其它 (tm)p；且顺流时冷流体出口温度总是低于热流体出口温度，逆流则有可能大于，因此，从换热的角度，换热器应当尽量布置成逆流，而尽可能避免作顺流布置； 逆流冷、热流体的最高温度集中在换热器同一 端；对于高温换热器应注意此问题。 在蒸发器或冷凝器中，冷、热流体之一发生相变， 这类换热器无所谓顺流和逆流。,10.3.3 不同流动布置形式的比较,一种介质发生相变时的温度变化,若忽略
15、相变介质压力的沿程变化时，流体在整个换热面上保持为饱和温度。,冷凝器,蒸发器,理论分析表明，对工程上常见的流经蛇形管束的传热，只要管束的曲折次数超过 4 次，就可作为纯逆流和纯顺流来处理。,可作为纯逆流、顺流处理的情况,流体温度沿受热面变化曲线形状 如图顺流换热的温度分布图。 换个形状行不行？凹向相反？,热流体温度变化曲线为凹曲线,顺流,由：,得：,冷流体温度变化曲线为凸曲线,逆流,冷、热流体温度沿面积方向变化曲线凹、凸方向一致，凹、凸取决于的正负。, 10.4 间壁式换热器的热设计,10.4.1两种类型的设计和两种设计方法,换热器热计算的基本公式：,1. 传热方程：,2. 热流体放热：,3.
16、 冷流体吸热：,上述三个方程中共有8个变量，必须给定其中的5个变量才能进行计算。,设计计算时，给定qm1c1、qm2c2 和 4 个进出口温度中的 3 个温度，最终求 k及A；在校核计算时，给定A、qm1c1、qm2c2和两个进口温度，求解冷热流体出口温度及传热量。,锅炉校核热力计算是本专业常用的热计算之一。,对数平均温差法（LMTD法）： Logarithmic Mean Temperature Difference 利用传热方程和热平衡方程进行热计算的方法,换热器的传热计算方法：,有效度传热单元数法（ - NTU法）： Heat Transfer Effectiveness Number of Heat Transfer Units,平均温差法用作设计计算时步骤如下： （1）初步布置换热面，计算出相应的传热系数； （2）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； （3）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； （4）由传热
