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1、第九章 传热过程和换热器,9-1 传热过程的分析与计算9-2 换热器的种类和基本结构9-3 管壳式换热器的热计算 1. 对数平均温差法 2. 有效度传热单元数法9-5 传热的强化和削弱,9-1 传热过程的分析与计算,传热过程通常由导热、热对流、热辐射组合形成目的：增强传热 消弱传热,一、通过平壁的传热过程,通过平壁的传热公式,增大其中较小的值(减小较大的换热热阻)才能有效提高K值,三、通过圆筒壁的传热过程,1. 传热公式,工程中用最外侧面积,2.K的另一种表示方法,四临界热绝缘半径r2c,为了减少管道的散热损失，采用在管道外侧覆盖热绝缘层或称隔热保温层的办法。是否绝缘层越厚保温效果越好呢,？,
2、函数 有一个极值存在 得 dc称为临界热绝缘直径热绝缘层直径与dc的关系 对保温效果的影响分析,绝热,作业9-1；9-5；9-9,9-2 换热器的基本型式和基本构造,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统称换热器。分类：间壁式、蓄热式（或称回热式）、混合式及热管式 四大类。,*,*,*,一、间壁式换热器的分类,按流动方向分：顺流、逆流、交叉流、混流,按表面结构形式分类：壳管式、肋片管式、板翅式、螺旋板式及板式等。,壳管式换热器,1-2型壳管式换热器,1-2型换热器,1-2型换热器,套管式换热器,肋片管式换热器,螺旋板式换热器,螺旋板式换热器,板翅式换热器,9-3 管
3、壳式换热器的热计算 (1-1型壳管式换热器）,一、换热器中流体温度分布,二、 换热器热计算,换热器计算的两个基本公式 热平衡方程式 传热方程式热平衡方程式传热方程式计算方法：对数平均温差法、有效度-传热单元数（ -NTU法）法,假设条件,1.换热器管壳无对外散热2.换热管无轴向导热3.流体为常物性4.换热器内传热系数k为常量,换热器进口冷热液体温度差 换热器出口冷热流体温度差,顺逆流不同,1.对数平均温差法,多流程壳管式、交叉流、混流式换热器的,查表P174,逆流平均温差,校正系数：,设计计算：已知：求: A求 Q 求 th2 求 求 A,校核计算：已知 : 求 : 1.假设th2 已知, 求
4、得tc22.求3.由所得Q再算th2与假设比较，若差别大假设后再算。,例题：某1-1型壳管式换热器利用水的余热预热空气。热水以50kg/h的流量流过管内，进口温度为80，出口温度为45 ；空气在管外从相反的方向流过，空气流量727.86kg/h，进口温度为25 。冷热流体的比热为cph=4.18kJ/(kg* )，cpc=1.005 kJ/(kg* )。管内、外表面的对流换热系数各为500W/(m2 )和50W/(m2)，管的内直径和外直径分别为100mm和120mm，管子材料的导热系数为36W/(m* )。试求所需的换热面积。,解:Q=mhcph(th1-th2) =50/36004.181
5、000（80-45）=2032W tc2=tc1+Q/(mccpc) =25+2032/(727.86/3600*1005)=35 =（80-35）-（45-25）/ln(80-35)/(45-25)=30.8 ,=44W/(m2*）A=Q/(ktm）=2032/（4430.8）=1.5m2,作业,9-16 换热器设计或校核计算9-17 换热器设计计算,2.有效度-传热单元数法(-NTU法)(Heat exchanger effectiveness-Number of heat transfer units)对于校核问题，可避免试算，无需假设流体出口温度 ；必须是二流体的热容量mcp和传热系数
6、k在整个换热面上基本不变的情况下才适用。,参数定义,热容比C换热器有效度传热单位数NTU,热容比C: 二流体的热容量mcp之比: C(mcp)min/(mcp)max (9-18) 当mhcphmccpc 时：C(mcp)c/(mcp)h 当mhcphmccpc 时：C(mcp)h/(mcp)c,换热器有效度：换热器的实际传热量与最大可能的传热量之比。或直接定义为热容量小的流体进出口温度差与热、冷流体进口温度差的比值。 1 （9-19） Q=(mcp)min(th1-tc1),传热单位数NTU: 它与热容比C和有效度共同确定换热器的性能，定义为: NTUkA /(mcp)min (9-20a)
7、 如mhcphmccpc，则NTUkA/mccpc (9-20b) 如mhcphmccpc，则NTUkA / mhcph (9-20c) 传热单位数NTU为一无量纲量，其值大则换热器的有效度高。 物理意义：因NTU中包含k和A，而它们分别代表换热器的运行费用和初投资，故NTU是一个反映换热器综合技术经济性能的指标。,建立一个、C和NTU的关系式；根据已知的冷热流体进口温度、m、cp、k、A，定出C和NTU，代入关系式解出后，就可利用消去或解出未知的流体出口温度，而这些温度在采用对数平均温差法计算时是需要假设和试算的。,-NTU法的优点,逆流壳管式换热器中的有效率、热容比C和传热单元数NTU之间
8、的关系式为：顺流壳管式换热器 ：,三个参数：热容比C、有效度和传热单元数NTU之间的数学关系,对于其他形式的换热器，也类似可导出f(C,NTU) 的关系式。为便于应用，各种型式换热器的这类函数关系式已绘成图线，图(9-17)(-2)是几种典型换热器的-NTU图。,其他形式换热器的热计算,图9-17 逆流换热器的有效度,图9-18 顺流换热器的有效度,用-NTU法计算的步骤已知：th1、tc1、 ( cp )h、 ( cp ) c、 A、 k求： tc2（ th2）解：1.比较两种流体热容量大小2.计算C和NTU3.计算4.由Q=(mcp)min(th1-tc1)计算Q5. 计算th2、tc2,
9、问 题,能否用-NTU法计算换热器设计计算的题目？课后思考题910,例题9-4 逆流式油冷器中，油的进口温度th1130，流量mh0.5kg/s，比热容cph2220J/(kg）。冷却水的进口温度tc115，流量mc0.3kg/s，比热容cpc4182(kg）。换热面积A2.4m，传热系数k330W/(m2 ) 。求油冷器的有效度和二流体的出口温度th2和tc2。,解：（1）因油和水的热容量各为: mhcph0.522201110/（s）； mccpc0.341821255/（s）故热容比为mhcph/mccpc1110/12550.884 （2） NTUkA/mhcph3302.4/1110
10、0.714 （3）解上式，得油的出口温度：th280.9,又由Qmccpc (tc2tc1)mhcph（th1th2） 把各已知值代入后，得 1255（tc215）1110(13080.9) 解上式得冷却水的出口温度为tc258.4。*若采用顺流式油冷器，C和NTU不变，而有效度利用式(9-22)为: 可见在相同的C及NTU值下，采用逆流式时的有效度要比采用顺流式时为高。,解上式可得th284.8利用计算逆流式时的相同方法可求出冷却水的出口温度：1255（tc215）1110（13084.8）解得: tc254.98* 本题也可用查图法求解。但是，由图(9-17)及(9-18)查出的两种情况下
11、的有效度的准确度较低。,几种特殊情况 热容比C=(相变) 1e-NTU (9-23), C=1（顺流） C=1,两流体热容量几乎相等，此时两流体温差始终保持定值 (1e2)/ (9-24), C=1（逆流）,0/0,有效度为不定值。此时有效度的公式可推得如下形式： =NTU/(NTU+1),除热容比趋于零的情况外，逆流时的值总是大于顺流时的值。对于其他流动方式的换热器，其值介于顺流和逆流之间。,说 明,例题9-5 试以传热单元数法计算例题9-3中二流体的出口温度th2和tc2。解: (1)因冷、热二流体的热容量为 mccpc10000/36004.1910 mhcph500/36004.191
12、0 热容比为C（mcp）min/（mcp）max (mhcph)/(mccpc)0.5 (2)传热单元数则为 kA/（mcp）min 1400/(5000/3600)4.1910 =1.2,（3）由图(9-19)查得0.575，即 (th1th2）/（th1tc1) （100th2）/（10020) 0.575 由上式得th254。（4）又因 C (tc2tc1）/（th1th2) (tc2）/（10054)0.5 解上式得tc243。,9-5 传热的强化和削弱,增强传热:指分析影响传热的各种因素，采取某些技术措施的提高换热设备单位面积的传热量。 这不仅可使设备紧凑，重量轻、节省金属材料，而且
13、是节约能源的有效措施。削弱传热:是采取隔热保温措施，以达到节能，安全防护及满足工艺要求等目的。,1、扩展传热面积A以增强传热，应合理地提高设备单位体积的传热面积。2、加大传热温差t，可改变热流体或冷流体温度实现。换热器中一般尽可能采用逆流布置的流动方式。3、提高传热系数k是增强传热的积极措施。要改变传热系数就必须分析传热过的每一项热阻。,一、增强或削弱传热的基本途径,QkAt,二、增强传热的方法,1改变流体流动情况增强流速以改变流体流动状态。加插入物。加旋转流动装置。依靠外来能量作用。,2改变流体的物性一般导热系数与比热较大的流体，其换热系数也较大。冷却设备中用水冷比风冷的体积可以减少很多。加入添加剂改变流体物性。,3改变换热表面情况。增加壁面粗糙度；改变换热面形状和大小。,三、削弱传热的方法,1热绝缘技术：工程上采用一般的热绝缘技术，在传热表面上包裹热绝缘材料；此外新型的热绝缘技术主要还有真空热绝缘，多层热绝缘，粉末热绝缘、泡沫热绝缘2改变换热表面状况。在吸热表面上涂上选择性涂料；附加抑流元件。,传热学部分 完,回热式换热器,
