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1、第十章 传热过程分析与换热器的热计算,传热学 Heat Transfer,10-1 传热过程的分析与计算,传热过程：热量由壁面的一侧流体通过固体壁面传递到另一侧流体的过程。,仅包含壁面两侧流体的温度,k总传热系数,为什么引入传热过程和传热系数的概念？,对于不同的传热过程，k 的计算公式不同,平壁 圆管 肋壁 带保温层的圆管,传热系数 k 和冷热流体的平均温差t 是传热过程分析的关键,传热学 Heat Transfer,10-1 传热过程的分析与计算 通过平壁的传热,W/（m2K）,说明： h1和 h2的计算采用对流换热表面传热系数计算公式； 计及辐射时对流换热系数采用复合换热表面传热系数 ht
2、,传热学 Heat Transfer,10-1 传热过程的分析与计算 通过圆管的传热,热阻分析法适用范围：一维、稳态、无内热源,以圆管内侧面积为基准,以圆管外侧面积为基准(常用),(2-31),热流密度 qconst？,传热学 Heat Transfer,10-1 传热过程的分析与计算 通过平肋壁的传热,稳态、无内热源情况下：热流量const,1,2,3,肋面总效率：,肋效率,肋片实际散热量,传热学 Heat Transfer,10-1 传热过程的分析与计算 通过平肋壁的传热,稳态、无内热源情况下：热流量const,工程应用以光侧面积Ai为基准：,肋化系数：,未加肋片的平壁：,传热面积增加，肋
3、侧热阻减小,肋片强化传热的机理,传热学 Heat Transfer,10-1 传热过程的分析与计算 通过圆管肋壁的传热,圆管壁,肋面总效率：,圆管肋壁,圆管加肋后虽然由于do的增加使得导热热阻增加，但是由于肋片导热系数较大，且肋片增加的面积十分大，所以总热阻仍然显著降低。,传热学 Heat Transfer,10-1 传热过程的分析与计算 通过圆管外加保温层的传热,圆管外加保温层与圆管外加肋壁形式上一致，均减小了对流换热热阻，而增加了导热热阻。,圆管外加保温层后强化 or 削弱换热取决于减小的对流换热热阻与增加的导热热阻的平衡。,判断依据：临界热绝缘直径 dcr,圆管外加保温层后如果外径do大
4、于dcr，则散热量随do的增加而减小（一般动力管道）；如果小于dcr，则散热量随do的增加而增加（电线-例题10-2）。,平壁加保温层总是使热阻增加，散热量减小。球壁加保温层也存在临界热绝缘直径。,传热学 Heat Transfer,10-2 换热器的类型,换热器（热交换器）：用来使热量从热流体传递到冷流体，以满足规定工艺中对温度要求 的装置。,换热器的分类（按工作原理）,传热学 Heat Transfer,混合式换热器：冷、热流体介质直接接触，相互混合实现换热。 特点： 直接接触混合；传热传质同时进行；要求冷热流体互不相溶、易分离。 应用： 电站冷却塔、喷淋室、化工洗涤塔等。,混合式换热器-
5、冷却塔,蓄热式换热器：冷、热流体介质交替流过换热表面而实现换热。 特点： 冷热流体交替流过；传热过程非稳态；一般气体介质。 应用：空气分离器、高炉、平炉等用来预热、预冷空气。,10-2 换热器的类型,传热学 Heat Transfer,间壁式换热器：冷、热流体介质由壁面隔开，通过间壁实现换热。 特点：冷热流体互不接触；按照流动方向分为顺流、逆流和交叉流。 分类：套管式、管壳式、交叉流式、板式、螺旋板式等,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,10-2 换热器的类型,传热学 Heat Transfer,间壁式换热器：冷、
6、热流体介质由壁面隔开，通过间壁实现换热。 特点：冷热流体互不接触；按照流动方向分为顺流、逆流和交叉流。 分类：套管式、管壳式、交叉流式、板式、螺旋板式等,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。,1-2型管壳换热器 （壳程数-管程数）,壳程数 : 壳侧流体流经壳体的个数； 管程数 : 管内流体流动方向的改变次数+1。（图10-9）,10-2 换热器的类型,为何加挡板？,传热学 Heat Transfer,间壁式换热器：冷、热流体介质由壁面隔开，通过间壁实现换热。 特点：冷热流体互不接触；按照流动方向分为顺流
7、、逆流和交叉流。 分类：套管式、管壳式、交叉流式、板式、螺旋板式等,新型管壳式换热器：螺旋折流板换热器、折流杆换热器。,10-2 换热器的类型,常规的垂直折流板换热器 阻力大、容易结垢。,传热学 Heat Transfer,间壁式换热器：冷、热流体介质由壁面隔开，通过间壁实现换热。 特点：冷热流体互不接触；按照流动方向分为顺流、逆流和交叉流。 分类：套管式、管壳式、交叉流式、板式、螺旋板式等,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、管带式、板翅式等。,10-2 换热器的类型,传热学 Heat Transfer,间壁式换热器：
8、冷、热流体介质由壁面隔开，通过间壁实现换热。 特点：冷热流体互不接触；按照流动方向分为顺流、逆流和交叉流。 分类：套管式、管壳式、交叉流式、板式、螺旋板式等,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，其特点是拆卸清洗方便，故适用于含有易结垢物的流体。,10-2 换热器的类型,传热学 Heat Transfer,间壁式换热器：冷、热流体介质由壁面隔开，通过间壁实现换热。 特点：冷热流体互不接触；按照流动方向分为顺流、逆流和交叉流。 分类：套管式、管壳式、交叉流式、板式、螺旋板式等,螺旋板式换热器：换热表面由两块金属板卷制而成。优点：换热效果好，缺点：密
9、封比较困难。,10-2 换热器的类型,传热学 Heat Transfer,10-3 换热器中传热过程的平均温差,平均温差tm： 回顾 P.245 恒壁温下管内强制对流换热换热量的计算,WHY?,换热器中，冷热流体温度沿换热面是不断变化的，其局部的换热温差也是沿程变化，而利用牛顿冷却公式计算换热量时用总面积的平均温差tm，其与换热器的型式和冷热流体的流动方向均有关。,Hot,Cold,t,传热学 Heat Transfer,10-3 换热器中传热过程的平均温差,平均温差的推导（基本假设）： 冷热流体的质量流量、比热容以及传热系数都是常数； 换热器无散热损失（热流体放热冷流体吸热）； 忽略换热面流
10、动方向导热；,当地温差随局部换热面积的变化,沿整个换热面积进行积分平均,平均温差的推导（基本思路）：,传热学 Heat Transfer,平均温差的推导： 套管式换热器,10-3 换热器中传热过程的平均温差,传热学 Heat Transfer,对数平均温差,算术平均温差,进、出口流体 温差中之大者,进、出口流体 温差中之小者,算术平均温差相当于冷热流体沿程温度线性变化,对数平均温差： 冷热流体温度曲线间面积。,10-3 换热器中传热过程的平均温差,传热学 Heat Transfer,间壁式换热器换热量计算中平均温差的计算： 套管式、板式、螺旋板式换热器：直接用对数平均温差。（注意顺流、逆流）
11、顺流： 逆流： 管壳式、交叉流式换热器：,逆流布置时的对数平均温差,小于1 的修正系数,ctf : counter-flow, 表示了某种流动型式接近逆流的程度，一般设计要求 0.9 图10-23 10-26分别给出了管壳式换热器和交叉流式换热器的 。,相同进出口温度下：顺流的平均温差最小， 逆流的平均温差最大；尽量采用逆流布置,10-3 换热器中传热过程的平均温差,传热学 Heat Transfer,10-4 间壁式换热器的热计算,换热器的热计算类型,设计计算 (计算换热面积),校核计算 (计算流量、进出口温度),传热学 Heat Transfer,传热方程式,热平衡方程式,对数平均温差,1
12、,2,3,已知： 6个变量中的5个 求：kA 计算步骤： 1. 选择换热器型式，初步布置换热面，并计算总传热系数 k； 2. 根据给的条件，由方程2求出6个变量中未知的1个，以及传热量； 3. 利用方程3计算所选型式换热器的对数平均温差（ 0.8 ）； 4. 利用方程1计算传热面积A； 5. 校核流动阻力。,LMTD 设计计算,10-4 间壁式换热器的热计算 平均温差法LMTD,传热学 Heat Transfer,传热方程式,热平衡方程式,对数平均温差,1,2,3,已知： ， 两者之一， 两者之一 求：另外两个温度 计算步骤： 1. 假设其中一个未知温度，由方程2计算另外一个未知温度及传热量；
13、 2. 利用方程3计算所选型式换热器的对数平均温差； 3. 利用方程1计算传热量； 4. 步骤1得到的传热量计算步骤4的传热量，重新假定温度迭代； 5. 步骤1，4传热量偏差 25，OK！,LMTD 校核计算,10-4 间壁式换热器的热计算 平均温差法LMTD,传热学 Heat Transfer,传热方程式,热平衡方程式,对数平均温差,1,2,3,已知：kA， 两者之一， 四者之三 求：另外一个温度和一个qmc 计算步骤（课后思考）,LMTD 校核计算,利用LMTD法进行换热器的校核计算一般需要迭代,-NTU法,10-4 间壁式换热器的热计算 平均温差法LMTD,传热学 Heat Transf
14、er,10-4 间壁式换热器的热计算 效能-传热单元数法 -NTU,换热器的效能：换热器的实际换热效果与最大可能的换热效果之比。1,实际换热量：,理想换热器最大可能的换热量：热容量小的流体出口温度另一种流体的入口温度,分母：冷热流体的进口温差； 分子：冷热流体进出口温差中的大者,传热学 Heat Transfer,换热器的效能：换热器的实际换热效果与最大可能的换热效果之比。1,基于-NTU法的实际换热量：,只需冷热流体的进口温差,如何计算？,顺流,逆流,传热单元数,两种特殊情况：,有相变； 冷热流体qmc相等。,10-4 间壁式换热器的热计算 效能-传热单元数法 -NTU,传热学 Heat T
15、ransfer,基于-NTU法的设计计算,已知： 4个温度中的3个 求：kA 计算步骤： 1. 选择换热器型式，初步布置换热面，并计算总传热系数 k； 2. 由热平衡方程计算未知的温度，计算； 3. 查图得到NTU； 4. 根据NTU定义计算换热面积A； 5. 校核流动阻力。,10-4 间壁式换热器的热计算 效能-传热单元数法 -NTU,传热学 Heat Transfer,基于-NTU法的校核计算,已知： 求： 计算步骤： 1. 假定出口温度，计算总传热系数 k； 2. 计算NTU； 3. 查图得到； 4. 根据 计算换热量； 5. 由 ，计算出口温度； 6. 迭代计算至传热量偏差25，OK！,10-4 间壁式换热器的热计算 效能-传热单元数法 -NTU,传热学 Heat Transfer,-NTU法与LTMD法的比较：,校核计算中均需要假设温度。-NTU法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。 LMTD法可以计算，从而简便有效的评估换热器不同流动型式的
