传热学第十章传热过程和换热器计算

第十章 传热过程分析与换热器热计算传热过程：热量由壁面一侧的流体通过壁面传到另一侧流体中去的过程。（两个流体通过壁面的换热过程。）【 传热过程是传热学中 特指 的概念 】 传热方程式：式中： K为传热系数 (总传热系数 )。对于不同的传热过程，K的计算公式不同。10.1 传热过程的分析和计算1. 通过平壁的传热说明 ： (1) h1和 h2的计算；（ 2）如果计及辐射，换热系数应该采用等效换热系数 (总表面传热系数 )一、传热方程中的总传热系数2. 通过圆管的传热hiho说明 ： 也可以以内表面为基准。3. 带保温层的金属圆管传热 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；降低对流换热热阻，使得换热增强，那么，综合效果到底是增强还是削弱呢？可见，确实是有一个极值存在。也就是说， do2在 do1 dcr之间， 是增加的，当 do2大于 dcr时， 降低。or4. 通过肋壁的传热（定性分析）A1A2Ai本质上，在圆管外设置肋片和敷设保温层，都使对流换热热阻降低而导热热阻增加。但是，一般情况下，保温层使导热热阻增加较多，而使换热热阻降低较少，从而，使总热阻增加，起到削弱传热的效果；而设置肋片使导热热阻增加较少，而换热热阻降低较多，从而，使总热阻下降，起到强化传热的作用。二、传热方程中的平均传热温差实际传热过程中，通常，两个流体的温度随着传热的流程都在变化，如下图：如何计算平均传热温差？平均传热温差与传热器的形式有关！严格上，仅在 dA时成立10.2 换热器的型式1 换热器的定义： 用于使热量从热流体传递到冷流体，以满足规定工艺要求的装置。2 换热器的分类：混合式： 换热 器内冷、 热 流体 直接接触 、互相混合来 实现热 量交 换 。蓄热式 ：冷、热两种流体依次 交替地流过换热器 的同一换热面（蓄热体）实现非稳态的热量交换。 间壁式： 换热器内冷、热流体 由壁面隔开 ，热量由热流体到冷流体传递过程是由热流体与壁面间的对流换热、壁的导热、壁面与冷流体间的对流换热三个环节组成的传热过程。 （应用最广泛） 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(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。(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。1 简单顺流、逆流换热器的平均传热温差10.3 平均传热温差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 )(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，顺流的 则最小；(2)顺流时 ，而逆流时， 则可能小于 。In OutIn Out2 算术平均温差平均温差的一种最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，当 时，两者的差别小于 4；当 时，两者的差别小于 2.3。通常，对逆流的对数平均温差进行修正以获得其他复杂流动方式下的平均温差。教程中图 10-2310-26分别给出了管壳式换热器和交叉流式换热器的 。式中：下标 h、 c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。 值取决于无量纲参数 P和 R：1壳程， 2、 4、 6、 8 管程的 值 y10.4 换热器的传热计算换热 器的 传热计 算分 为 两种 类 型： 设计计 算： 根据 换热 条件和要求， 设计 一台新 换热 器， 为此需要确定 换热 器的 类 型、 结 构及 换热 面 积 。 校核 计 算： 核算已有 换热 器能否 满 足 换热 要求，一般需要计 算流体的出口温度、 换热 量及流 动 阻力等。换热 器 计 算的两种方法： 平均温差法 和 效能 -传热单 元数法。 换热 器的参数： 换热 面 积 A、两 侧 流体的 质 量流量 、进 口温度 ，出口温度 ，和 换热 量 。 换热 器 传热计 算的平均温差法：换热 器 传热计 算的基本公式： 3个方程有 8个独立 变 量，只要知道其中 5个 变 量，可求其它 3个。 1） 设计计 算（了解）：根据生 产 任 务 的要求， 给 定冷、 热 流体的 质 量流量 和 进 出口 4个温度中的 3个，需确定 换热 器的型式、 结 构， 计算 传热 系数 k及 换热 面 积 A。 1) 设计计算步骤 ：(a) 根据 给 定的 换热 条件，如流体性 质 、温度和 压 力范 围等， 选择换热 器 类 型，布置 换热 面， 计 算 换热 面两 侧对流 换热 的表面 传热 系数 及 传热 系数 k；(b) 根据 给 定条件，由式求出未知的 进 、出口温度及 换热 量 ； (c) 由 进 、出口 4个温度及流 动 型式求平均温差 ；(d) 由式 求出所需的 换热 面 积 A ;(e) 计 算 换热 器的流 动 阻力，如果阻力 过 大，会加大 设备的投 资 和运行 费 用， 须 改 变 方案，重新 设计 。 2）校核 计 算：已知 换热 器的 换热 面 积 A、两 侧 流体的 质 量流量 、 进口温度 等 5个参数，需 计 算 热 、冷流体的出口温度 和 换热 量 。 计 算步 骤 ：(a) 先假 设 一个流体的出口温度， 热 平衡方程式求出 换热 量 和另一个流体的出口温度； (b) 根据流体的 进 、出口 4个温度求平均温差 ； (c) 计 算 换热 面两 侧 的表面 传热 系数 ， 进 而求得 总传热 系数 k；(d)由式 求出 换热 量 ; (e)比 较 与 ，如果相差 较 大，再重新假 设 流体出口温度，重复上述 计 算，直到 满 意 为 止 。 10.5 传热的强化与削弱（自学）传热 工程技 术 的两个方向： 强 化 传热 技 术 与削弱 传热 技 术（又称隔 热 保温技 术 ）。传热 工程技 术 是根据 现 代工 业 生 产 和科学 实 践的需要而 发展起来的科学与工程技 术 ，其主要任 务 是按照工 业 生 产 和科学 实 践的要求来控制和 优 化 热 量 传递过 程。无 论 是 强 化 传热还 是削弱 传热 ， 一般都是从改 变传热 温差和改 变传热热 阻两方面入手。 以 换热 器内的 传热过 程 为 例：传热 强 化途径 ：（ 1）加大 传热 温差 ；（ 2）减小 传热热 阻 。在冷、 热 流体 进 、出口温度相同的情况下，逆流的平均温差最大， 顺 流的平均温差最小，因此从 强 化 传热 的角度出发 ， 换热 器 应 当尽量布置成逆流。 1） 多布置 换热 面，增加 总传热 面 积 A，可降低 总传热热 阻，加大 传热 量 。 2）降低污垢热阻。3）减小对流换热热阻 Rh1、 Rh2。如果两个热阻相差较大，应抓住主要矛盾，设法减小其中最大的热阻。强化对流换热的方法 ： （ 1） 加大 传热 温差（ 2） 减小 传热热 阻1） 扩 展 换热 面（加装肋片）2） 改 变换热 面的形状、大小和位置如管内 强 迫 对 流湍流 换热用直径小的管子或者用 椭圆 管代替 圆 管（减小当量直径）都可以取得 强 化 对 流 换热 的效果。 再如管外自然 对 流 换热 和凝 结换热 ，管子水平放置 时 的表面 传热 系数一般要高于和 竖 直放置。3） 改 变换热 面表面状况如表面粗糙度，可以 强 化 单 相流体的湍流 换热 ；在 换热 表面形成一 层 多孔层 可以 强 化沸 腾换热 ； 在 换热 面上加工成沟槽或螺 纹 ，或 对换热 表面 进 行 处 理造成珠状凝 结 ，是 强 化凝 结换热 的 实 用技 术 ；增加表面黑度 强 化 辐 射 换热 。 4） 改 变 流体的流 动 状况 湍流 换热 强 度要大于 层 流； 对 流 换热热 阻主要集中在 边 界层 ；湍流 换热 的主要 热 阻在 层 流底 层 。加大流速 实现 湍流换热 、增 强 流体 扰动 、破坏 边 界 层 及 层 流底 层 ，是 强 化 对流 换热 的主要方法。 例题 1某逆流套管式换热器，用流量为 0.9kg/s的油将流量为 0.6kg/s的水从 35 加热到 90 。油的比热容为 2.1kJ/(kg )，进入换热器的温度为 175 。假设水的比热容为 4.2kJ/(kg )，该换热器的总传热系数为 425 W/(m2 )。（