传热学-第九章传热过程分析与换热器热计算

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1、第九章 传热过程分析与换热器热计算本章的学习目的(1)分析实际传热问题的能力(2)综合应用三种基本传热方式及其相关公式的能力(3)了解换热器的基本知识和设计过程 9-1 传热过程的分析和计算传热过程？ 基本计算式(传热方程式)？式中：K是传热系数(总传热系数)。对于不同的传热过 程，K的计算公式也不同。1 通过平壁的传热K的计算 公式？说明： (1) h1和h2的计算；（2）如果计及辐射时对流 换热系数应该采用等效换热系数(总表面传热系数)单相对流：膜态沸腾：(8-24)(6-23)2 通过圆管的传热hiho内部对流：圆柱面导热：外部对流：其中：3 通过肋壁的传热肋壁面积：稳态下换热情况：A1

2、A2Ai肋面总效率定义肋化系数： 则传热系数为所以，只要 就可以起到强化换热的效果。4 带保温层的圆管传热临界热绝缘直径圆管外敷保温层后：可见，保温层使得导热热阻增加，换热削弱；另一方面，降 低了对流换热热阻，使得换热赠强，那么，综合效果到底是 增强还是削弱呢？这要看d/ddo2 和d2/ddo22的值可见，确实是有一个极值存在，那么，到底是极大值，还是 极小值呢？从热量的基本传递规律可知，应该是极大值。也 就是说，do2在do1 dcr之间，是增加的，当do2大于dcr时， 降低。or 9-2 换热器的型式及平均温差1 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

3、 2 换热器的分类：三种类型换热器 简介3 间壁式换热器的主要型式(1)套管式换热器：最简单的一种间壁式换热器，流体有顺流和逆流两种，适用于传热量不大或流体流量不大的情形顺流逆流(2) 管壳式换热器：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。两种流体分管程和壳程。增加管程进一步增加管程和壳程(3) 交叉流换热器：间壁式换热器的又一种主要形式。其 主要特点是冷热流体呈交叉状流动。交叉流换热器又分管 束式、管翅式和板翅式三种。(c) 板翅式交叉流换热器(4) 板式换热器：由一组几何结构相同的平行薄平板叠加所 组成，冷热流体间隔地在每个通道中流动

4、，其特点是拆卸清 洗方便，故适用于含有易结垢物的流体。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衡 量指标，一般将大于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，因此，日益受到重视。(5) 螺旋板式换热器：换热表面由两块金属板卷制而成， 有点：换热效果好；缺点：密封比较困难。4 简单顺流及逆流换热器的对数平均温差传热方程的一般形式：这个过程对于传热过程是通用的，但是当温差 沿整个壁面不是常数时，比如等壁温条件下的管内对流换热，以及我们现在遇到的换热器等。对于前者我们曾经提到过对数平均温差(LMTD)的公式，但是没有给出推导。下面我们就来看看LMTD的推导过程d

5、thdtcthtc以顺流情况为例，并作如下假设：（1）冷热流体的质量流量qm2、qm1以及比热容c2,c1是常数；(2) 传热系数是常数；（3）换热器无散热损失；（4）换热面沿流动方向的导热量可以忽略不计。要想计算沿整个换热面的平均温差，首先需要知道当地温差随换热面积的变化，即 ，然后再沿整个换热面积进行平均在前面假设的基础上，并已知冷热流体的进出口温度，现 在来看图9-13中微元换热面dA一段的传热。温差为：在固体微元面dA内，两种流体的换热量为:对于热流体和冷流体:可见，当地温差随换热面呈指数变化，则沿整个换热面的平 均温差为：(1)(1)(2)(2)(3)(3)(1)+(2)+(3)(1

6、)+(2)+(3)对数平 均温差顺流：逆流时：其他过程和公式与顺流是完全一样，因此，最终仍然可以得到：顺流和逆流的区别在于：顺流：逆流：或者我们也可以将 对数平均温差写成 如下统一形式(顺 流和逆流都适用)5 算术平均温差平均温差的另一种更为简单的形式是算术平均温差，即算术平均温差相当于温度呈直线变化的情况，因此，总是大于相同进出口温度下的对数平均温差，当 时，两者的差别小于4；当 时，两者的差别小于2.3。6 其他复杂布置时换热器平均温差的计算以上所讨论的对数平均温差(LMTD)只是针对纯顺流和纯逆流 情况，而这种情况的出现是比较少的，实际换热器一般都是 处于顺流和逆流之间，或者有时是逆流，

7、有时又是顺流。对 于这种复杂情况，我们当然也可以采用前面的方法进行分析 ，但数学推导将非常复杂，实际上，逆流的平均温差最大， 因此，人们想到对纯逆流的对数平均温差进行修正以获得其 他情况下的平均温差。是给定的冷热流体的进出口温度布置成逆流时的LMTD， 是小于1的修正系数。图9-15 9-18分别给出了管壳式 换热器和交叉流式换热器的 。关于的注意事项（1） 值取决于无量纲参数 P和 R式中：下标1、2分别表示两种流体，上角标 表示进口， 表示出口，图表中均以P为横坐标，R为参量。（3）R的物理意义：两种流体的热容量之比（2）P的物理意义：流体2的实际温升与理论上所能达到的最大温升之比，所以只

8、能小于1（4） 对于管壳式换热器，查图时需要注意流动的“程”数7 各种流动形式的比较(1)顺流和逆流是两种极端情况，在相同的进出口温度下， 逆流的 最大，顺流则最小； 顺流时 ，而逆流时， 则可能大于 ， 可见，逆流布置时的换热最强。InOutInOut(3) 那么是不是所有的换热器都设计成逆流形式的就最好 呢？不是，因为一台换热器的设计要考虑很多因素，而不 仅仅是换热的强弱。比如，逆流时冷热流体的最高温度均 出现在换热器的同一侧，使得该处的壁温特别高，可能对 换热器产生破坏，因此，对于高温换热器，又是需要故意 设计成顺流(4) 对于有相变的换热器，如蒸发器和冷凝器，发生相变 的流体温度不变，

9、所以不存在顺流还是逆流的问题。xTIn OutxTIn Out冷凝蒸发 9-3 换热器的热计算换热器热计算分两种情况：设计计算和校核计算(1)设计计算：设计一个新的换热器，以确定所需的换热面积(2)校核计算：对已有或已选定了换热面积的换热器，在非设计工况条件下，核算他能否胜任规定的新任务。换热器热计算的基本方程式是传热方程式及热平衡式式中， 不是独立变量，因为它取决于 以及换热器的布置。另外，根据公式(9-15)可是，一旦 和 以及 中的三个已知的话，我们就可以计算出另外一个温度。因此，上面的两个方程中共有8个未知数，即需要给定其中的5个变量，才可以计算另外三个变量。对于设计计算而言，给定的是

10、 ，以及进出口温度中的三个，最终求对于校核计算而言，给定的一般是 ，以及2个进口温度，待求的是换热器的热计算有两种方法：平均温差法 效能-传热单元数(-NTU)法 1 平均温差法：就是直接应用传热方程和热平衡方程进行热计算，其具体步骤如下： 对于设计计算（已知 ，及进出口温度中的三个 ，求 ） (1)初步布置换热面，并计算出相应的总传热系数k (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 (4)由传热方程式计算所需的换热面积A，并核算换热面流体 的流动阻力 (5)如果流动阻力过大，则需要改变方案重新设计。对于校核计算（已知 ，

11、及两个进口温度，求 ）(1)先假设一个流体的出口温度，按热平衡式计算另一个出口温 度(2)根据4个进出口温度求得平均温差(3)根据换热器的结构，算出相应工作条件下的总传热系数k(4)已知kA和 ，按传热方程式计算在假设出口温度下的(5)根据4个进出口温度，用热平衡式计算另一个 ，这个值 和上面的 ，都是在假设出口温度下得到的，因此，都不 是真实的换热量(6)比较两个 值，满足精度要求，则结束，否则，重新假定 出口温度，重复(1)(6)，直至满足精度要求。2 效能-传热单元数法 (1) 换热器的效能和传热单元数换热其效能的定义是基于如下思想：当换热器无限长， 对于一个逆流换热器来讲，则会发生如下

12、情况a 当 时， ，则b 当 时， ，则于是，我们可以得到然而，实际情况的船热量q总是小于可能的最大传热量qmax，我 们将q/qmax定义为换热器的效能，并用 表示，即对于一个已存在的换热器，如果已知了效能 和冷热流体的进 口温差，则实际传热量可很方便地求出那么在未知传热量，之前， 又如何计算？和那些因素有关？以顺流换热器为例，并假设 ，则有根据热平衡式得：于是式， 相加：热容比热容比式代入下式得：+当 时，同样的推导过程可得：上面的推导过程得到如下结果，对于顺流：当 时上面两个公式合并，可得：换热器效能公式中的 依赖于换热器的设计， 则依赖于换热器的运行条件，因此， 在一定程度上表征了换热

13、器综合技术经济性能，习惯上将这个比值（无量纲数）定义为传热单元数NTU，即因此，与顺流类似，逆流时：当冷热流体之一发生相变时，相当于 ，即，于是上面效能公式可简化为当两种流体的热容相等时，即 公式可以简化为顺流：逆流：（ ，及两个进口温度，求 ）(2) 用效能-传热单元数法计算换热器的步骤a 设计计算显然，利用已知条件可以计算出 ，而带求的k，A则包 含在NTU内，因此，对于设计计算是已知 ，求NTU，求解过 程与平均温差法相似，不再重复b 校核计算由于k事先不知，所以仍然需要假设一个出口温度，具体 如下： 假设一个出口温度 ，利用热平衡式计算另一个 利用四个进出口温度计算定性温度，确定物性，

14、并结合换 热器结构，计算总传热系数k 利用k, A计算NTU（ ，及进出口温度中的三个，求 ） 利用NTU计算 利用(9-17)计算，利用(9-14)计算另一个 比较两个，是否满足精度，否则重复以上步骤从上面步骤可以看出，假设的出口温度对传热量的影响不是直接的，而是通过定性温度，影响总传热系数，从而影响NTU，并最终影响 值。而平均温差法的假设温度直接用于计算 值，显然-NTU法对假设温度没有平均温差法敏感，这是该方法的优势。3 换热器设计时的综合考虑换热器设计是综合性的课题，必须考虑出投资，运行费 用，安全可靠等诸多因素。4 换热器的结垢及污垢热阻污垢增加了热阻，使传热系数减小，这种热阻成为污垢 热阻，用Rf表示，式中：k为有污垢后的换热面的传热系数，k0为洁净换热面的传热系数。对于两侧均已结构的管壳式换热器，以管子外表面为计算依据的传热系数可以表示成：如果管子外壁没有肋化，则肋面总效率o = 1。管壳式换热器的部分污垢热阻可以在表9-1种查得。 9-4 传热的强化和隔热保温技术 强化传热的目的：缩小设备尺寸、提高热效率、保证设备安全 削弱传热的目的：减少热量损失根据不同的需求，对于实际传热的传热过程，有时需要强化，有时则需要削弱。显然，根据不同的传热方式，强化和削弱传热的手段应该不同，本节主要针对对流换热过程的强化和削弱1 强化传热的原则