传热过程和换热器热计算基础.ppt

2019/6/24,河海大学机电工程学院,1,第十一章 传热过程和换热器,2019/6/24,河海大学机电工程学院,2,11-1 传热过程,1.传热过程： 热量由热流体通过固体壁面传给冷流体的过程。,k为传热系数W/(m2)。 在数值上，传热系数等于冷、热流体间温差为1、传热面积为1m2时的热流量值，是表征传热过程强烈程度的物理量。 传热过程越强，传热系数越大，反之则越弱。,2019/6/24,河海大学机电工程学院,3,2. 单层平壁,2019/6/24,河海大学机电工程学院,4,热流密度：,传热系数：,2019/6/24,河海大学机电工程学院,5,导热热阻,2019/6/24,河海大学机电工程学院,6,对流换热热阻,2019/6/24,河海大学机电工程学院,7,4. 多层圆筒壁,3. 多层平壁,2019/6/24,河海大学机电工程学院,8,例题：一房屋的混凝土外墙的厚度为=200mm ，混凝土的热导率为=1.5W/(mK) ，冬季室外空气温度为tf2=-10, 有风天和墙壁之间的表面传热系数为h2=20W/(m2K)，室内空气温度为tf1= 25,和墙壁之间的表面传热系数为h1=5 W/(m2K)。假设墙壁及两侧的空气温度及表面传热系数都不随时间而变化，求单位面积墙壁的散热损失及内外墙壁面的温度。,2019/6/24,河海大学机电工程学院,9,解：由给定条件可知，这是一个稳态传热过程。通过墙壁的热流密度，即单位面积墙壁的散热损失为,2019/6/24,河海大学机电工程学院,10,根据牛顿冷却公式，对于内、外墙面与空气之间的对流换热,2019/6/24,河海大学机电工程学院,11,【例11-1】已知墙厚200 mm；室内空气温度为20，室外的空气温度为10；砖墙导热系数=0.95 W/(m)；室内空气对墙面的对流表面传热系数h1=8 W/(m2)，室外空气的对流表面传热系数h2=22 W/(m2)。试求室内外空气通过单位面积砖墙传递的热量和砖墙内侧的温度。,【解】,通过单位面积砖墙传递的热量： q=(tf1-tf2)/ (1/h1+/+1/h2)=70.91 W/m2,砖墙内表面温度： tw1= tf1-q/h1=284.1 K,2019/6/24,河海大学机电工程学院,12,一双层玻璃，宽1.1m，高1.2m，厚3mm，导热系数为1.05W/(mK)；中间空气层厚5mm，设空气层只有导热作用，导热系数为0.026W/(mK)。室内空气温度为25，表面传热系数为20W/(m2K)；室外空气温度为-10，表面传热系数为15W/(m2K)。 试计算： 传热过程各环节的单位面积热阻； 通过玻璃窗的热流密度和热流量。,2019/6/24,河海大学机电工程学院,13,作业：,11-1,2019/6/24,河海大学机电工程学院,14,11-2 传热的增强和减弱,强化传热的目的：缩小设备尺寸、提高热效率、提高传热能力 削弱传热的目的：减少热量损失,2019/6/24,河海大学机电工程学院,15,举例：两侧分别为蒸汽和空气的金属管壁 空气侧换热系数：h1=30 W/(m2) 蒸汽冷凝侧换热系数： h2=5000 W/(m2),改善空气侧的放热系数是强化传热的关键。,一、强化传热 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,2019/6/24,河海大学机电工程学院,16,2.强化换热的手段： 在表面传热系数较小的一侧采用肋壁。,二、削弱传热,增大传热总热阻 增加一层附加导热热阻（在需要减少散热损失的管道外敷设适当的热绝缘层）,2019/6/24,河海大学机电工程学院,17,强化传热的基本途径有三个方面： 1 、 提高传热系数：应采取有效的提高传热系数的措施，如必须提高两侧表面传热系数中较小的项。另外应注意：在采取增强传热措施的同时，必须注意清除换热设备运行中产生的污垢热阻，以免抵消强化传热带来的效果。 2 、 提高换热面积：采用扩展表面，即使换热设备传热系数及单位体积的传热面积增加，如肋壁、肋片管、波纹管、板翅式换热面等；当然必须扩展传热系数小的一侧的面积，才是使用最广泛的一种增强传热的方法。 3 、 提高传热温差：在冷、热流体温度不变的条件下，通过合理组织流动方式，提高传热温差。,2019/6/24,河海大学机电工程学院,18,2019/6/24,河海大学机电工程学院,19,【思考】为强化一台冷油器的传热，有人用提高冷却水流速的办法，但发现效果并不明显。试分析原因。,【思考】热水在两根相同的管内以相同流速流动，管外分别采用空气和水进行冷却。经过一段时间后，两管内产生相同厚度的水垢。试问水垢的产生对采用空冷还是水冷的管道的传热系数影响较大？,【思考】有一台钢管换热器，热水在管内流动，空气在管束间作多次折流横向冲刷管束以冷却管内热水。有人提出，为提高冷却效果，采用管外加装肋片并将钢管换成铜管。请你评价这一方案的合理性。,2019/6/24,河海大学机电工程学院,20,【分析】冷油器中由于油的粘度较大，对流换热表面传热系数较小，占整个传热过程中热阻的主要部分，而冷却水的对流换热热阻较小，不占主导地位，因而采用提高水速的方法，只能减小不占主导地位的水侧热阻，故效果不明显。,【思考】为强化一台冷油器的传热，有人用提高冷却水流速的办法，但发现效果并不明显。试分析原因。,2019/6/24,河海大学机电工程学院,21,【分析】采用水冷时，管道内外均为换热较强的水，两侧流体的换热热阻较小，因而水垢的产生在总热阻中所占的比例较大，而空气冷却时，气侧热阻较大，这时，水垢的产生对总热阻影响不大。故水垢的产生对采用水冷的管道的传热系数影响较大。,【思考】热水在两根相同的管内以相同流速流动，管外分别采用空气和水进行冷却。经过一段时间后，两管内产生相同厚度的水垢。试问水垢的产生对采用空冷还是水冷的管道的传热系数影响较大？,2019/6/24,河海大学机电工程学院,22,【分析】该换热器管内为水的对流换热，管外为空气的对流换热，主要热阻在管外空气侧，因而在管外加装肋片可强化传热。注意到钢的导热系数虽然小于铜的，但该换热器中管壁导热热阻不是传热过程的主要热阻，因而无需将钢管换成铜管。,【思考】有一台钢管换热器，热水在管内流动，空气在管束间作多次折流横向冲刷管束以冷却管内热水。有人提出，为提高冷却效果，采用管外加装肋片并将钢管换成铜管。请你评价这一方案的合理性。,2019/6/24,河海大学机电工程学院,23,【思考】有人将一碗热稀饭置于一盆凉水中进行冷却。为使稀饭凉得更快一些，你认为他应该搅拌碗中的稀饭还是盆中的凉水？为什么？,【分析】从稀饭到凉水是一个传热过程。显然，稀饭和水的换热在不搅动时属自然对流。而稀饭的换热比水要差。因此，要强化传热增加散热量，应该用搅动的方式强化稀饭侧的传热。,2019/6/24,河海大学机电工程学院,24,11-3 换热器的基本概念,一、概述 1. 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。,加热器 冷却器 蒸发器 冷凝器,工作任务,壳管式 交叉式 板式 螺旋板式等,形状,2. 类型（按作用原理分） (1) 间壁式 (表面式),(2) 混合式 (3) 回热式,2019/6/24,河海大学机电工程学院,25,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。,2019/6/24,河海大学机电工程学院,26,2019/6/24,河海大学机电工程学院,27,(2)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。,2019/6/24,河海大学机电工程学院,28,2019/6/24,河海大学机电工程学院,29,(3) U型管式换热器：,2019/6/24,河海大学机电工程学院,30,(4) 翅片管式换热器：,2019/6/24,河海大学机电工程学院,31,(5) 板式换热器： 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物的流体。,2019/6/24,河海大学机电工程学院,32,(6) 螺旋板式换热器：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。,2019/6/24,河海大学机电工程学院,33,二、平均温差,流动方式 顺流 逆流 交叉流 (复杂流),2019/6/24,河海大学机电工程学院,34,2.简单顺流及逆流换热器的对数平均温差,3.算术平均温差,2019/6/24,河海大学机电工程学院,35,2019/6/24,河海大学机电工程学院