工程热力学与传热学第13章传热与换热器

Chapter 13Heat Transfer and Heat Exchangers1第 13章 传热和换热器主要内容：13-1 传热过程的分析和计算13-2 换热器的种类及平均温差13-3 换热器的热计算原理13-4 传热的强化和保温技术21、通过平壁的传热K的计算公式？13-1 传热过程的分析和计算tw1 tw2tf2tf1213例题：已知墙厚 240mm，室内空气温度为 20 ，室外气温为 -10 ，砖墙的导热系数为 =0.95W/ （m ），室内空气对墙面的对流换热系数 1=8 W/（ m2 ），室外空气对墙面的对流换热系数 2=22 W/ （ m2 ），试求此时室内、外空气的传热量和砖墙内侧的温度。42、通过圆筒壁的传热K的计算公式？13-1 传热过程的分析和计算5例题：内、外直径分别为 180mm和 220mm的矿井冷媒输送管道，管外包一层厚 120mm的保温层。冷媒管道的导热系数1=40W/ （ m ），保温层的导热系数 2=0.1W/ （ m ），管内冷媒 tf1= -15 ，周围空气的温度 tf2=25 ，两侧的对流换热系数 1=100 W/ （ m2 ）， 2=8.5 W/ （ m2 ）。试求单位管长的传热量和保温层外表面的温度。613-2 换热器的种类及平均温差1、换热器的定义： 能将热流体的热量传给冷流体的设备。2、换热器的分类：三种类型换热器7换热器的应用广泛，日常生活中取暖用的暖气散热片、汽轮机装置中的凝汽器和航天火箭上的油冷却器等，都是换热器。它还广泛应用于化工、石油、动力和原子能等工业部门。它的主要功能是保证工艺过程对介质所要求的特定温度，同时也是提高能源利用率的主要设备之一。 换热器既可是一种单独的设备，如加热器、冷却器和凝汽器等；也可是某一工艺设备的组成部分，如氨合成塔内的热交换器。 83、间壁式换热器的主要型式 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13-2 换热器的种类及平均温差93、间壁式换热器的主要型式 壳管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13-2 换热器的种类及平均温差10增加管程进一步增加管程和壳程3、间壁式换热器的主要型式 壳管式换热器13-2 换热器的种类及平均温差11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。(b) 板翅式交叉流换热器 紧凑式换热器(a) 管束式交叉流换热器3、间壁式换热器的主要型式 交叉流换热器13-2 换热器的种类及平均温差12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的流体。3、间壁式换热器的主要型式 板式换热器13-2 换热器的种类及平均温差13换热表面由两块金属板卷制而成，优点：换热效果好；缺点：密封比较困难。3、间壁式换热器的主要型式 螺旋板式换热器13-2 换热器的种类及平均温差14混合式（接触式）换热器火力发电厂，化工场的洗涤塔等13-2 换热器的种类及平均温差回热式换热器1516174、简单顺流及逆流换热器的对数平均温差为什么需要对数平均温差以下面的 顺流套管式换热器 为例给出推导过程主要假设：（ 1）冷热流体的质量流量 、 比热容 ch,cc以及传热系数都是常数；（ 2）换热器无散热损失；（ 3）换热面沿流动方向的导热量忽略不计。要想计算沿整个换热面的平均温差，首先需要知道当地温差随换热面积的变化，即 ，然后再沿整个换热面积进行平均13-2 换热器的种类及平均温差18在前面假设的基础上，并已知冷热流体的进出口温度，现在来看下图中微元换热面 dA一段的传热。A AAx dAO热流体：冷流体：传热量：当地温差：13-2 换热器的种类及平均温差19可见，当地温差随换热面呈指数变化，则沿整个换热面的平均温差为：13-2 换热器的种类及平均温差20(1)(2)(3)(2),(3) 代入代入 (1)对数平对数平均温差均温差13-2 换热器的种类及平均温差21顺流：逆流：二者完全一样A AAx dAO13-2 换热器的种类及平均温差22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统一形式 (顺流和逆流都适用 )13-2 换热器的种类及平均温差235 算术平均温差平均温差的另一种更为简单的形式是算术平均温差，即算术平均温差总是大于相同进出口温度下的对数平均温差，当 时，两者的差别小于 4；当 时，两者的差别小于 2.3。13-2 换热器的种类及平均温差2413-3 换热器的热计算 : 设计计算和校核计算(1) 设计计算：设计一个新的换热器，以确定所需的换热面积(2) 校核计算：对已有或已选定了换热面积的换热器，在非设计工况条件下，核算他能否胜任规定的新任务。换热器热计算的基本方程式是传热方程式及热平衡式13-3 换热器的热计算原理25强化传热 ，是指从分析影响传热的各种因素出发，采取某些技术措施提高换热设备单位传热面积的传热量，使设备趋于紧凑、重量轻、节省金属材料以及降低动力消耗等。削弱传热 ，是指采取隔热保温措施降低换热设备热损失，以达节能、安全防护及满足工艺要求等目的。13-4 传热的强化和保温技术26强化传热的目的： 缩小设备尺寸、提高热效率、保证设备安全削弱传热的目的： 减少热量损失不同的传热方式，强化和削弱传热的手段不同，本节主要针对 对流换热过程的强化和削弱1 强化传热的原则和手段(1) 强化换热的原则： 哪个环节的热阻大，就对哪个环节采取 强化措施。13-4 传热的强化和保温技术(2) 强化手段 : 减小层流底层的热阻27其主要手段有： 提高流体速度，以减薄层流底层； 增加流体的扰动或使流体旋转以破坏层流底层； 采用机械振动、声波或超声波产生气流脉动及施加电磁场。13-4 传热的强化和保温技术282 隔热保温技术原则：增大传热热阻手段：敷设保温层内容：最优保温材料的选择，最佳保温层厚度，先进的保温结构及工艺，检测技术等。13-4 传热的强化和保温技术29保温材料高于环境温度的热力设备与管道的保温多采用无机的绝热材料，常用的有： (1)多孔型绝热材料，如微孔硅酸钙（使用温度小于 650 ， 0.04-0.1W/(mK) ）；(2)纤维型绝热材料，如岩棉， 0.035-0.047W/(mK) ； (3)粒状绝热材料，如膨胀珍珠岩， 0.046-0.1