热工与流体力学基础 教学课件 ppt 作者 蒋祖星 第十六章　传热过程与换热器

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1、36441 216-322,主编,第十四章 对 流 换 热 第十五章 辐 射 换 热 第十六章 传热过程与换热器 附 录,第十六章 传热过程与换热器,第一节 传热过程的分析和计算方法 第二节 通过肋壁的传热 第三节 换 热 器 第四节 热 绝 缘 第五节 换热污垢及其处理方法 第六节 传热强化技术,第一节 传热过程的分析和计算方法,一、复合换热 在同一换热环节中，若同时存在两种以上的基本传热方式，则称此换热环节的换热为复合换热。例如，冬季室内采暖壁面与附近室内空气及周围物体间的换热，除对流换热外，还同时存在辐射换热，故为复合换热。,第一节 传热过程的分析和计算方法,第一节 传热过程的分析和计算

2、方法,二、平壁和圆筒壁的稳态传热过程分析与计算 热工领域内经常遇到的是高温流体通过固体壁面将热量传给低温流体，这种过程称为传热过程。例如，冷凝器中的冷却水通过管壁从低压水蒸气吸收热量；暖气设备内水蒸气通过器壁散热到周围空气等都是传热过程。传热过程往往由串联着的三个换热环节组成。这三个串联环节是：热流体到壁面的复合换热；通过壁面内部的导热；壁面到冷流体的复合换热。 1.通过平壁的稳态传热,第一节 传热过程的分析和计算方法,图16-1 通过平壁的传热,第一节 传热过程的分析和计算方法,第一节 传热过程的分析和计算方法,2.通过圆筒壁的稳态传热,第一节 传热过程的分析和计算方法,图16-2 通过圆筒

3、壁的稳态传热,第一节 传热过程的分析和计算方法,第一节 传热过程的分析和计算方法,第一节 传热过程的分析和计算方法,第一节 传热过程的分析和计算方法,解：计算传热系数：,解： 1)由式(16-11)求相对管外表面的传热系数为,第一节 传热过程的分析和计算方法,2)略去导热热阻，当管外表面传热系数增大一倍时，传热系数为,3)当管内表面传热系数增加一倍时，传热系数为,第一节 传热过程的分析和计算方法,第二节 通过肋壁的传热,一、概述 工程上经常采用肋片（又称翅片）来强化传热和调节壁面的温度。例如，暖气散热片、空调散热器壁上的肋片都起强化传热的作用；低温省煤器管外肋片起调节壁面温度的作用。肋片是指在

4、原来与流体接触的表面上加一些特殊形状的金属，有针状（针锥状、针柱状）、片状（矩形片、梯形片和三角形片）、圆环形的大套片等。图163所示为常见肋片的形状。肋片可以由管子直接整体轧制，也可将金属薄片缠绕、嵌套在管子上，然后经焊接、浸镀或胀接等方式制成。在加工制造过程中，在肋片与换热面表面接触处应尽量不留空隙以减少接触热阻。,第二节 通过肋壁的传热,图16-3 常见肋片的形状 a)针肋 b)矩形直肋 c)环肋 d)大套片 e)梯形肋 f)双曲面肋,第二节 通过肋壁的传热,图16-4 肋片基本尺寸和热量传递示意图 a)基本尺寸 b)热流量分布,二、等截面直肋的稳态导热,第二节 通过肋壁的传热,从等截面

5、矩形直肋中取出一小段来分析，如图165所示。设肋片材料导热系数为定值。由于一般肋片很薄，h，肋片横截面内沿厚度方向温度变化很小，可忽略不计，认为肋片中温度只沿肋高h方向有变化，属于一维温度场。其高、宽、厚分别为h、b、，如图165a所示。肋基处的温度为t0，周围流体温度为tf，且t0 tf。肋片周围表面与流体的表面传热系数为，肋端表面与流体的表面传热系数为h。,图16-5 肋片导热过程分析,第二节 通过肋壁的传热,第二节 通过肋壁的传热,第二节 通过肋壁的传热,第二节 通过肋壁的传热,三、肋片效率 前述分析了等截面直肋的稳态导热情况，对变截面肋片其理论分析要复杂得多。下面仅介绍用肋片效率来求肋

6、片传热量的方法。,第二节 通过肋壁的传热,第二节 通过肋壁的传热,图16-6 矩形直肋和三角形肋片的肋片效率曲线,第二节 通过肋壁的传热,图16-7 环形肋片的肋片效率曲线,第二节 通过肋壁的传热,四、通过肋壁的传热,图16-8 通过肋壁的传热,第二节 通过肋壁的传热,第二节 通过肋壁的传热,第二节 通过肋壁的传热,五、肋片调节壁面温度的原理,第二节 通过肋壁的传热,图16-9 肋片调节壁温原理分析,第二节 通过肋壁的传热,第二节 通过肋壁的传热,六、使用肋片时的注意事项 加肋片有强化传热和调节壁温的作用，根据使用目的的不同，其使用注意事项也有所区别。 1.用于强化传热时肋片的安装注意事项 1

7、)必须判断所加肋片是否一定有利于强化传热。,第二节 通过肋壁的传热,第二节 通过肋壁的传热,2)肋片应装在表面传热系数较小的流体侧，这样增强传热的效果将最明显。 3)肋片安装方向应使流体沿着其表面流过，不能使流体运动方向与它垂直正交(见)。,第二节 通过肋壁的传热,图16-10 肋片正确安装方向,第二节 通过肋壁的传热,图16-11 等肋基厚度、等高度 各类肋片表面积比较,第二节 通过肋壁的传热,4)肋片形状应当尽量采用变截面肋片。 2.用于调节壁面温度时肋片的安装注意事项 1)根据调节的目的来选择肋片装在哪一侧。 2)肋片安装方向不能与流体流动方向正交。,图16-12 例16-3图,第二节

8、通过肋壁的传热,解：1)测温套管传热分析。由于水蒸气的温度tft t0(管壁温度)，水蒸气与套管对流换热，热量又沿内部环状面积向低温的管壁导热，与前面所述t0ttf的肋片传热过程方向相反，肋片的有关计算式完全适用于套管。,2)误差表达式为tfth=(tft0)/ch(mh),第三节 换 热 器,一、换热器的主要形式 使热量从高温流体传递给低温流体，以满足生产工艺要求的换热设备称为换热器。实际工程应用中,由于应用场合、工艺要求和换热器设计方案的不同，出现了形式多样的换热器。对于这些类型众多的换热器，可以按其工作原理、结构及换热器内流体的流程进行分类。 1.换热器的分类 换热器按工作原理的不同，可

9、分为混合式、回热式和间壁式三大类。 (1)混合式换热器 在这种换热器中，高温流体与低温流体直接混合传热，这种类型的换热器又称为直接接触换热器。,第三节 换 热 器,(2)回热式换热器 在这种换热器中，高温流体与低温流体周期性地交替流过固体壁面而实现热量从高温流体向低温流体的传递。 (3)间壁式换热器 工程上很多情况只要求高温流体将热量传递给低温流体，而不允许两种流体相互混合，间壁式换热器是能严格满足这一要求的换热器。 2.间壁式换热器的主要类型 间壁式换热器按固体壁面形式的不同，可分为管式和板式两大类。常用的管式换热器主要有套管式、壳管式、肋片管式等；常用的板式换热器主要有平行板式、螺旋板式、

10、板翅式等。 (1)套管式换热器 如图16-13所示，这种换热器由直径不同的同心圆管组成，一种流体在管内流动，另一种流体在两管形成的环形通道中流动。,第三节 换 热 器,图16-13 套管式换热器,(2)壳管式换热器 它由管束和外壳两部分组成，其主要结构和部件名称及两种流体的流动情况如图16-14所示。,第三节 换 热 器,图16-14 1-2型壳管式换热器示意图,第三节 换 热 器,图16-16 U形管式换热器剖面图,(3)肋片管式换热器 这是一种常用的强化传热型换热器，,第三节 换 热 器,又称为翅片管式换热器，如图16-17所示。,图16-17 几种肋片管式换热器,第三节 换 热 器,图1

11、6-18 平行板式换热器示意图,(4)平行板式换热器 如图16-18所示，,第三节 换 热 器,平行板式换热器由许多几何结构相同的平行薄板相互叠压而成。 (5)板翅式换热器 如图16-19所示，这种换热器由许多薄平板和板间的二次表面(翅片)组成。,图16-19 板翅式换热器结构图,第三节 换 热 器,图16-20 螺旋板式换热器示意图,(6)螺旋板式换热器 如图16-20所示，,第三节 换 热 器,螺旋板式换热器由两块卷制成螺旋状的金属板相互套接而成，在螺旋形中心用一块矩形金属板将两个流道隔开。 3.间壁式换热器中的流动形式 除了在套管式换热器中介绍的两种流体间的顺流流动和逆流流动方式外，在间

12、壁式换热器中还会出现许多两种流体间的不同流动方式。比如对于12型或U形管式换热器，壳侧流体和管侧流体间既有顺流也有逆流，甚至出现包括流向相互垂直的交叉流；在板翅式换热器中，两种流体的流向一般采用相互垂直的交叉流动。所有这些流动都可统称为复杂流。顺流、逆流及各种复杂流如图1621所示。,第三节 换 热 器,图16-21 间壁式换热器中的流动形式 a)顺流 b)逆流 c)平行混合流 d)一次交叉流 e)顺流式交叉流 f)逆流式交叉流 g)混合式交叉流,二、换热器的平均传热温差,第三节 换 热 器,换热器中高温流体向低温流体的传热量仍用传热方程式Q=kAt进行计算。其中，k为高温流体向低温流体传热的

13、总传热系数。对于壳管式换热器，A即为管束总的外表面积。由于在换热器中两种流体的温度都是沿流程不断变化的，因此传热温差t采用平均传热温差。 1.换热器内流体的温度分布特点 换热器中的流体温度分布不仅与两种流体的进、出口温度有关，而且还与两种流体的流动形式有关，两种流体间不同的流动形式形成两种流体的温度沿流程的不同变化曲线。,第三节 换 热 器,图16-22 流体无相变时温度沿流程的变化曲线式,第三节 换 热 器,图16-23 流体有相变时温度沿流程的变化曲线,2.简单顺流和逆流换热器的平均传热温差,第三节 换 热 器,图16-24 顺流时平均温差的推导,第三节 换 热 器,第三节 换 热 器,第

14、三节 换 热 器,第三节 换 热 器,第三节 换 热 器,第三节 换 热 器,图16-25 壳侧1程，管侧4、8、12、程时的逆流修正系数,第三节 换 热 器,图16-26 壳侧2程，管侧4、8、12、程时的逆流修正系数,第三节 换 热 器,图16-27 一次交叉流、两种流体都不混合时的的逆流修正系数,第三节 换 热 器,图16-28 两次交叉流，管侧流体不混合，壳侧流体混合，顺流布置时的逆流修正系数,1)对于多流程的壳管式换热器(见图16-25、图16-26)，各流程的传热面积应相等。,第三节 换 热 器,2)对于交叉流换热器(见图16-27、图16-28)，所谓一种流体混合是指该种流体在与

15、流动垂直的方向上无流道限制，可以发生横向混合，如图16-28中的壳侧流体。 3)在图的下半部，尤其是当R值比较大时，曲线几乎呈垂直状态，给的准确查取造成困难，这时可用PR代替P，1/R代替R来查图，这称为换热器的互易性规则。 4)当有一侧流体发生相变时，由P、R的定义可知其中必有一个为零；再根据图16-25图16-28的特点，此时=1。 三、换热器的热力计算 1.设计计算和校核计算,第三节 换 热 器,换热器的热力计算分为两种情况，一种情况是设计一个新的换热器，以确定换热器所需换热面积，这类计算称为设计计算；另一种情况是对已有的或选定了换热面积的换热器，在非设计工况条件下核算它能否胜任规定的换

16、热任务。例如,在锅炉设计中，一个过热器已按额定负荷选定了换热器面积，需要核算部分负荷时的换热性能；一台现成的换热器移作他用时，要核算能否胜任新的换热任务，这些计算都属于校核计算。,第三节 换 热 器,2.用平均温差法进行换热器热力计算 平均温差法常用于设计计算，其具体步骤如下： 1)根据给定条件，由热平衡方程式求出进、出口温度中的待定温度。 2)由高、低温流体的4个进、出口温度确定对数平均温差tm。 3)初步布置换热面，并计算出相应的传热系数k。 4)由传热方程求出所需传热面积A，并核算换热面两侧流体的流动阻力。 5)如流动阻力过大，则应改变方案重新设计。 1)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。 2)根据4个进、出口温度求得平均温差tm。,第三节 换 热 器,3)根据换热器的结构，算出相应工作条件下的传热系数k值。 4)已知kA和tm，按传热方程式求出Q值。 5)根据4个进、出口温度，用热平衡方程式求得另一个Q值。 6)比较步骤4)和5)所求得的两个Q值。 解：本题属于设计计算，可利用平均传热温差法计算。先假定