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1、Chapter 10传热过程和换热器传热过程和换热器(Heat transfer process and heat exchangers)1 总传热系数总传热系数(Overall heat transfer coefficient)A typical heat transfer process： Fluidsolid wallFluidHeat transfer rate:whereAsurface area, m2ttemperature difference, CKoverall heat transfer coefficient, W/m2C 一、通过平壁的传热一、通过平壁的传热 (he
2、at transfer through a plane wall)For steady heat transfer through a plane wallFor steady heat transfer through a series composite wall二、通过圆筒壁的传热二、通过圆筒壁的传热 (heat transfer through a cylinder)Total heat resistanceHeat transfer rate Overall heat transfer coefficient based on the outer surface areaOveral
3、l heat transfer coefficient based on the inner surface area三、通过肋壁的传热三、通过肋壁的传热 (Heat transfer through a finned surface)1. 肋壁传热计算式肋壁传热计算式 如图9-3所示，设光壁表面积(内侧)为Ai，加肋后的外表面积为Ao(Ao=A1+A2，其中A1为未加肋部分的光壁面积， A2为肋片表面积)；肋壁内表面温度为twi，与温度为tfi的流体接触，表面传热系数为hi；肋侧表面温度为two，与温度为tfo的流体接触，表面传热系数为ho设肋和壁为同一种材料，壁厚，导热系数稳态时，可以列出
4、下列方程式：式中，f肋片效率(实际散热量/假设肋片处于肋根温度下 的理想散热量)；o肋壁效率肋壁效率(Overall surface efficiency of a finned surface)Heat transfer rate热阻热阻Overall heat transfer coefficient based on the outer surface areaOverall heat transfer coefficient based on the inner surface areawhere，肋化系数肋化系数2.加肋的目的加肋的目的1)强化传热强化传热(Enhance heat
5、transfer)由于AoAi1o1Kfi 把肋化系数选得过大而使R3R1是没必要的。因为R3R1后，传热的主要热阻是R1，此时再减小R3，强化传热效果不显著。例如，制冷系统的冷凝器，两侧表面传热系数相差3-5倍，可采用低肋化系数的螺纹管。蒸汽空气加热器，两侧表面传热系数相差10倍以上，可选用高肋化系数的肋片管。无肋时增加流体流速必能使传热量增加，但流体阻力也增加，而流体阻力的增加比传热量增加要快，从而限制了流速的大幅度增加，加肋强化传热一般不会带来流体流动阻力的显著增加。肋片应加在热阻大的一侧。减小肋的间距，肋的数量增多，肋壁的表面积相应增大，能使值增大，有利于减小热阻。适当减小肋间距还可强
6、化肋间流体扰动，使表面传热系数ho提高。肋间距不应小于热边界层厚度的两倍，以免肋间流体的温度升高，降低了传热温差。2)调节壁面温度调节壁面温度四、固体壁有污垢时的传热四、固体壁有污垢时的传热 (Heat transfer through a fouling wall)v 污污垢垢系系数数(Fouling factor)：单位面积的污垢热阻称为面污垢系数，又称污垢系数。式中，K0传热面干净无垢时的传热系数，W/(m2K)；Kf传热面结垢后流体流速不变时的传热系数，W/(m2K)；五、工程传热系数计算式的几种演变方法五、工程传热系数计算式的几种演变方法1.略去次要热阻：略去次要热阻：锅炉水冷壁管传
7、热2. 高温烟气(1/ho)管外灰污(1/1)金属管(2/2) 水垢(3/3) (1/hi)水式中，ho管外表面传热系数，W/(m2K)工程上称为灰污系数，即表9-1中的污垢系数，W/(m2K)；2.非理想情况系数修正法非理想情况系数修正法 锅炉烟道中管式空气预热器 烟 气 (1/h1)管 内 灰 污 系 数 (rf1)金 属 管(0)管外灰污系数(rf2) (1/ h2)空气理想情况：无灰污修正式中，热利用系数(=0.75-0.85)3.非典型工况系数修正法非典型工况系数修正法 火电厂冷凝器K典型冷凝器的传热系数，即水的流程为2的黄铜管冷凝器在无污垢且冷却水进口温度为35C时的传热系数。cf
8、有污垢时的修正系数，cf=0.65-0.85；ct冷却水进口温度低于35C时的水温修正系数；cz水的流程大于2时的冷却水流程修正系数；cD蒸汽负荷(凝结量)与特定工况不同时的修正系数；cw管材修正系数，采用铝黄铜管时cw=0.96 ；4.线图法线图法5.选用经验数据选用经验数据 汽轮机冷凝器的抽气冷却器，传热系数280-400 W/(m2K)6.非稳态传热的系数修正法非稳态传热的系数修正法7.内燃机气缸壁传热是周期性非稳态传热8.周期性传热的蓄热器式中，1 和2分别为烟气加热和空气冷却面积占总传热 面积的份额；传热不稳定性影响修正系数。2 传热的增强和减弱传热的增强和减弱式中：2.1 增强传热
9、的方法增强传热的方法一、增强传热的两个途径：一、增强传热的两个途径：加大传热温差和减小传热面的总热阻。1.加大传热温差加大传热温差 温差是传热的驱动力，增大t可使热流量增加。提高热流体温度降低冷流体的温度改变流体流程：同样流体进出口温度，逆流时的平均传热温差t最大，所以从传热角度出发应尽量采用逆流式换热器。2.减小传热面总热阻减小传热面总热阻 减小传热面的总热阻可分别从减小导热热阻，对流热阻和辐射热阻着手。减小导热热阻减小对流传热热阻减小辐射传热热阻二、增强传热的可行方法二、增强传热的可行方法1.扩展传热面扩展传热面2.改变流动状况改变流动状况增加流速：管内紊流 hu0.8；外掠管束hu0.6
10、0.84流道中加入扰流子增强扰动采用旋流装置射流冲击传热：直接破坏边界层3.改变流体物性改变流体物性气流中添加少量固体颗粒：a.固体颗粒具有较高的体积比热容，从而提高了流体的体积比热容；b.增强气流的扰动程度；c.增强热辐射在蒸汽或气体中喷入液滴液体中加入表面活性剂4.改变表面状况改变表面状况增加粗糙度改变表面结构表面涂层5.改变换热面形状、大小和位置改变换热面形状、大小和位置 以小直径管代替大直径管；以椭圆管代替园管；凝结换热尽量采用水平管布置等等。6.外力产生振荡，强化传热外力产生振荡，强化传热用机械或电的方法使传热面或流体产生振荡；对流体施加声波或超声波，使流体交替地受到压缩或膨胀，以增
11、加脉动；外加静电场7.改变能量传递方式改变能量传递方式 在流道中加入“对流辐射板”，使壁面除原有的对流换热量外，又额外增加了与对流辐射板之间的辐射换热量。三、增强传热时注意以下两点三、增强传热时注意以下两点 1、减小最大的热阻效果最好； 2、考虑问题要全面。2.2 削弱传热削弱传热一、保温隔热的目的一、保温隔热的目的1、减少热损失；2、保证流体温度，满足工业要求；3、保证设备正常运行；4、减少环境热污染，保证可靠的工作环境；5、保证工作人员安全二、对保温隔热材料的要求二、对保温隔热材料的要求1.有最佳密度：使用时，应尽量使其使用密度接近最佳密度；2.热导率小：选用热导率小的材料；3.温度稳定性
12、好：在一定温度范围内，物性值稳定4.有一定的机械强度；5.吸水、吸湿性小：水分会使材料导热系数大大增加。6.三、最佳保温隔热厚度三、最佳保温隔热厚度四、保温结构四、保温结构为防止水或湿气进入，外加保护层。为减少对环境的辐射散热，外加铝箔或聚酯镀铝薄膜。五、保温隔热效率五、保温隔热效率设备和管道保温隔热前后的散热量(或冷损失量)之差与保温隔热前散热量0(或冷损失量)之比，即：注意：对于低温、超低温管道和设备的保冷，一般的保温隔热材料不能满足要求，须采用多层镀铝薄膜和网状玻璃纤维布并抽真空。3 换热器换热器(Heat exchangers)一、换热器的种类一、换热器的种类(Heat exchang
13、er types)1.按原理分按原理分间壁式换热器：冷热流体被固体壁隔开，如蒸发器、冷凝器等。混合式换热器：在这种换热器中，两种流体相互混合，依靠直接接触交换热量。如水和空气直接接触的冷却水塔。回热式(或蓄热式、再生式)换热器：在这种换热器中，冷热流体交替地与固体壁接触，使固体壁周期地吸热和放热，从而将热流体的热量传给冷流体。如锅炉的再生式空气预热器和燃气轮机的空气预热器。2.按结构分按结构分(According to type of construction) 间壁式换热器在工程上应用最广泛，按结构可分为：（1）壳管式换热器(Shell-and-tube heat exchanger)（2）
14、套管式换热器(Concentric tube heat exchanger)（3）肋片管式换热器(Finned tubular heat exchanger)（4）板式换热器(Plate heat exchanger)（5）板翅式换热器(Plate-fin heat exchanger)（6）螺旋板式换热器(Spiral-plate heat exchanger)（7）紧凑式换热器(Compact heat exchanger)1(壳程)-1(管程)型壳管式换热器Concentric tube heat exchanger (a) and finned tubular tube heat ex
15、changer (b)高压流体热交换器汽车内燃机冷却水箱Plate heat exchangerPlate-fin heat exchanger紧凑式换热器：单位体积内的传热面积大于紧凑式换热器：单位体积内的传热面积大于700m2/m3的换热器的换热器3.按流动形式分按流动形式分(According to flow arrangement)v顺流：两种流体平行流动且方向相同。v逆流：两种流体平行流动且方向相反。v复杂流：除顺流和逆流以外的所有流动形式。顺流式换热器(Parallel flow heat exchanger)逆流式换热器(Counter flow heat exchanger)复
16、杂流换热器(Multi-pass and cross flow heat exchanger)二、平均温度差二、平均温度差(Mean temperature difference)热流体平均温度和冷流体平均温度之差。1.顺流和逆流时流体温度沿程变化顺流和逆流时流体温度沿程变化因为因为所以，温度变化特点：所以，温度变化特点：qmcp小的流体沿程温度变化大，曲线较陡； qmcp大的流体沿程温度变化小，曲线较平。换热器端部两种流体的温度之差大的一端，两流体的沿程温度变化快，温度曲线较陡，反之温度曲线较平。流体有相变时相当于qmcp无穷大，其温度曲线为一水平线。 （1）在传热面Ax处取微元面dAx，则
17、传热量为积分得式中tm称为换热器的平均温差 （2）2.对数平均温度差对数平均温度差(Log mean temperature difference)vThe heat transfer is steady.vThe heat exchanger is insulated from its surrounding, in which case the only heat exchange is between the hot and cold fluids.vAxial conduction along the tubes is negligible. vThe potential and ki
18、netic energy changes are negligible. vThe fluid specific heats are constant. vThe overall heat transfer coefficient is constant.Assumptionsv换热器的传热是稳态传热；v流体的质量流量qm、温度t和热流量均不随时间变化；v流体的质量流量qm和比热容cp在整个传热面上都是常量；v传热系数K在整个传热面上不变；v换热器的散热量、沿换热器轴向的导热可以忽略不计；v任一流体在换热器中不能既有相变的对流换热又有单相介质对流换热，以保证曲线连续光滑。假设假设1)顺流式换热
19、器顺流式换热器(The parallel-flow heat exchanger)热流体进出口温度分别为t1和t1”，冷流体进出口温度分别为t2和t2” 。在Ax处的微元面积上，热流体温度变化为dt1，则换热量为同理冷流体换热量：将上面两个式子改写为 （3） （4）（5）将式(1)代入(5)，得（6）从0Ax积分上式，且Ax0时，txt （7）令 （7）0A积分式(6)，且Ax0，txt；AxA，txt可得即因而热流体进出口温度分别为t1和t1”，冷流体进出口温度分别为t2和t2” 。2)逆流换热器逆流换热器(The counter-flow heat exchanger)式中积分得沿0A积分
20、，且Ax0txt；AxA txt热流体冷流体说明：说明： 无论顺流还是逆流式换热器，其平均温差均为对数平均温差，但要注意：顺流逆流 当t/t2时，可用算术平均温差代替对数平均温差，误差小于4，3)复杂流的平均传热温差复杂流的平均传热温差4)The log mean temperature difference of complicated flow式中，tlc逆流时的对数平均传热温差；复杂流接近逆流的程度的系数，称为温差修正系数。除与流动方式有关外，还与辅助量P和R有关。工程上，将各种复杂流的平均传热温差除以逆流对数平均温差，所得的商表示复杂流接近逆流的程度，即4 换热器计算换热器计算 (Me
21、thodology of heat exchanger calculation)设计计算设计计算(The design calculation)：在没有换热器的情况下，根据生产任务给定的设计要求参数，确定换热器的类型、传热面积和热流量。校核计算校核计算(The performance calculation)：对已有换热器进行校核，确定它是否满足预定热力工况的要求。一般是给定热力工况的某些参数，校核流体出口温度t1”和t2”以及热流量。也有时已知两个流体的进口温度和一个流体的出口温度，求其质量流量。方法：方法：平均温差法平均温差法(LMTD)和效能效能传热单元数法传热单元数法6.1 平均温差法
22、平均温差法(The log mean temperature difference)2.求平均传热温差（1）求逆流时的对数平均温差(tlc)（2）求参量P、R（3）确定流动方式（4）查出修正系数（5）求平均传热温差t=tlc一、设计计算一、设计计算(The heat exchanger design calculation)平均温差法设计计算的具体步骤如下：平均温差法设计计算的具体步骤如下：已知三个温度 1.由热平衡式求另一未知温度3.求传热热流量4.布置传热面、计算传热系数：选定传热面的形状和尺寸，结合质量流量，求两侧表面传热系数和总传热系数。6.计算换热器流动阻力p5.求传热面积v如流动阻
23、力太大，重复步骤如流动阻力太大，重复步骤(4)-(6)直至设计合理。直至设计合理。二、校核计算二、校核计算(The heat exchanger performance calculation)1.假设一个流体出口温度t1(或t2)，用热平衡式求出另一流体的出口温度t2(或t1 )由于两种流体出口温度未知，所以必须采用试算法。由于两种流体出口温度未知，所以必须采用试算法。2.由4个进出口温度，用热平衡式求传热量3.根据流动方式，由流体进出口温度求出P、R，并计算出平均温差ttlc4.根据换热器结构和其它已知量求表面传热系数h和总传热系数K5.求传热量KAt6、比较 、，直至偏差qm1cp1时，
24、当qm2cp2 qm1cp1时，5.的的实实质质：小热容(流)量流体的“进出口温度差”与“热-冷流体进-出口温度差”之比。反映了换热器里“热-冷流体进-出口温度差”的利用率。6.传传热热单单元元数数NTU(The number of transfer units)：传热单元数的分子表示传热温差为1K时的热流量，分母为Cmin的流体温度变化1K时所吸收或放出的热流量。它反映了换热器的初投资和运行费用，是一个换热器的综合经济技术指标。物理意义：表示换热器传热量大小的一个无量纲量。 NTU大，传热量大。7.Effectiveness-NTU relations顺流逆流8. NTU法的设计计算法的设计计算 （1）由已知的进出口温度计算 （2）由 +cmin/cmax查曲线图得NTU （3）由NTU计算换热面积9. NTU法的校核计算法的校核计算 （1）由已知的面积和传热系数算出NTU （2）由NTU+cmin/cmax,查曲线图得 （3）由计算所需流体出口温度10.一流体相变一流体相变11. cmin/cmax0时， 1-exp(-NTU)* 图图9-18 复杂流换热器的效能曲线复杂流换热器的效能曲线图图9-18 复杂流换热器的效能曲线复杂流换热器的效能曲线
