传热学第八章

第八章传热过程与换热器,第一节传热过程,高温流体通过固体壁把热量传给另一侧低温流体的热量传递过程称为总传热过程，简称传热过程。,在工程技术中存在大量的传热过程，,柴油机气缸内的高温燃气通过气缸套壁把热量传给外侧的冷却介质（如冷却水）;,增压柴油机增压后的空气在中间冷却器中被器壁另一侧的介质所冷却；,制冷系统冷凝器中的制冷剂的热量通过管壁传给冷却水等。,例如：,第八章传热过程与换热器,第一节传热过程,热量通过固体壁纯属导热，,基本公式（传热方程式）,K-总传热系数，简称传热系数，W/(m2K)；,总传热系数是表征传热过程强弱的非物性参数，也是衡量换热器性能优劣的重要指标。,而流体与固体壁面之间则是对流传热（对于液体），,或者是对流与辐射的复合表面传热（对于气体），,因此，传热过程通常包括两种或三种热传递的基本方式。,第八章传热过程与换热器,第一节传热过程,包括串联着的3个环节,包括2种或3种热传递基本方式,一维稳态总传热过程通常包括串联着的三个环节：,（1）热流体把热量传给壁面高温侧:,（2）壁面高温侧把热量传给壁面低温侧:,（3）壁面低温侧把热量传给冷流体:,对流传热或表面传热,纯导热,对流传热或表面传热,第八章传热过程与换热器,第一节传热过程,K/W,m2K/W,因此，总传热过程的总热阻即为三个串联环节分热阻之和：,若流体与壁面之间既要考虑对流传热，又要计及辐射传热，h1、h2为表面传热系数，等于对流传热系数hc与辐射传热系数hr之和，即,若流体与壁面之间以对流传热为主，则h1、h2为对流传热系数；,h=hc+hr,第八章传热过程与换热器,如图8-1所示为通过单层大平壁的一维稳态传热过程，它包括串联着的三个环节。,第一节传热过程,一、通过平壁的传热,图8-1通过单层大平壁的传热,1、热阻RK或rK：,第八章传热过程与换热器,2、热流量或热流密度q：,第一节传热过程,一、通过平壁的传热,第八章传热过程与换热器,第一节传热过程,一、通过平壁的传热,3、传热系数K：,第八章传热过程与换热器,第一节传热过程,一、通过平壁的传热,4、壁面温度tw1或tw2：,一维稳态传热时，在热流方向上任一段的温差大小与相应热阻成正比，比值即为热流量或热流密度，显然有：,则壁面温度tw1和tw2可按下式计算：,第八章传热过程与换热器,同样的，多层平壁传热的热流量和传热系数为,第一节传热过程,一、通过平壁的传热,第八章传热过程与换热器,二、通过圆筒壁的传热,如图8-2所示为通过单层长圆筒壁的一维径向稳态传热过程。,第一节传热过程,图8-2通过圆筒壁的传热,1、热阻Rk：,Alm为对数平均面积，详见后述。,第八章传热过程与换热器,2、热流量：,二、通过圆筒壁的传热,第一节传热过程,第八章传热过程与换热器,上式中，为圆筒壁厚；,二、通过圆筒壁的传热,第一节传热过程,2、热流量：,注意，圆筒壁侧面积A=2rl是个变量，故稳态条件下，热流量是个常量，而热流密度q=/A却是变量，因此，工程计算中一般采用热流量。,称为对数平均面积。,第八章传热过程与换热器,以内表面面积A1为基准的传热系数为,二、通过圆筒壁的传热,第一节传热过程,3、传热系数K：,由于圆筒壁内外侧的表面积不相等，所以对内侧和对外侧而言的传热系数在数值上是不同的：,第八章传热过程与换热器,工程应用上，通常以管外侧面积A2为基准，相应传热系数为：,二、通过圆筒壁的传热,第一节传热过程,3、传热系数K：,第八章传热过程与换热器,显然，在上述圆筒壁计算公式中，若取A1=A2=Alm=A，则完全适用于平壁的传热。,对于一般的薄壁圆筒，即r2/r1=A2/A1较小时，为便于计算，可用算数平均面积（A1+A2)/2代替对数平均面积Alm。,当r2/r12时，计算误差小于4%。,二、通过圆筒壁的传热,第一节传热过程,第八章传热过程与换热器,4、壁面温度tw1或tw2：,二、通过圆筒壁的传热,第一节传热过程,与平壁传热相仿，显然有：,则壁面温度tw1和tw2可按下式计算：,第八章传热过程与换热器,例8-1机舱内有一蒸汽管道，外径为80mm，壁厚3mm，管道外侧包有厚50mm的石棉绳保温层。蒸汽温度tf1=150,舱内环境温度tf2=20。若管内蒸汽的表面传热系数h1=120W/(m2K)，管外保温层与环境间的表面传热系数h2=12W/(m2K)，钢管热导率1=53.6W/(mK)，保温材料热导率2=0.15W/(mK)，试求以管外侧面积为基准的传热系数以及每米长的热损失。,第一节传热过程,解：由题意，tf1=150,tf2=20，d1=0.08-0.0032=0.074md2=0.08+0.052=0.18m，h1=120W/(m2K)，h2=12W/(m2K)1=53.6W/(mK)，2=0.15W/(mK),第八章传热过程与换热器,第一节传热过程,以管外侧面积为基准的传热系数为：,第八章传热过程与换热器,每米管长的热损失为：,第一节传热过程,第八章传热过程与换热器,三、通过肋壁的传热,为简单起见，下面以一侧为肋壁的平壁为例进行分析,第一节传热过程,第三章第二节已经指出，所谓肋壁就是在基础壁面上敷设了肋片。,增大传热面积,减小传热热阻,增强传热或降低壁温等目的,实现,第八章传热过程与换热器,三、通过肋壁的传热,如图8-3所示为大平壁右侧加装肋片后的一部分，无肋一侧表面积为A1，肋侧总面积A2为肋片之间的基础面积A0与肋片面积Af之和，即A2=A0+Af,第一节传热过程,图8-3通过肋壁的传热,相应，肋侧壁面和流体之间的传热量也可分为两部分，即肋基面积A0的传热量和肋片面积Af的传热量。,第八章传热过程与换热器,当肋壁传热处于稳态时，两侧流体之间的传热量可表示为：,三、通过肋壁的传热,第一节传热过程,上式中的，称为肋壁效率。,对于高肋，因为A0h空气，空气侧的热阻比水侧大得多，在空气侧加装肋片能减小主要热阻，增强散热。,3、按结构分,二、间壁式换热器的分类,第八章传热过程与换热器,第二节换热器的类型,肋管式换热器中，管子有圆管和扁管之分，肋片形式则有多种多样，如图8-11所示，制作或安装时要注意保证肋片与管子外壁接触良好，以免增加热阻，降低传热效果。,肋管式换热器在船上大多用于柴油机增压器后的中间冷却器、制冷与空调装置的中冷器等。,图8-11肋管式换热器示意图,3、按结构分,（3）肋管式换热器（P157）,第八章传热过程与换热器,第二节换热器的类型,（4）板式换热器,板式换热器通常以板作为间壁，其单位体积和单位质量的传热面积较大，结构紧凑，换热效率高，具有广阔的发展前景,板式换热器常见形式有三种：板翅式、平行板式和螺旋板式,3、按结构分,二、间壁式换热器的分类,但是，它对制造、维修和清洗等要求较高。,目前，板式换热器已在轮机工程中应用。,第八章传热过程与换热器,第二节换热器的类型,板翅式换热器（P157）,图8-12板翅式换热器结构示意图,3、按结构分,（4）板式换热器,第八章传热过程与换热器,第二节换热器的类型,如图8-12所示为板翅式换热器的结构示意图，它由隔板、翅片和封条等组成的多层基本传热单元叠加而成，常做成逆流式或叉流式。不同的场合可以采用不同的翅片形式。,高效紧凑，轻巧牢固，承压能力可达9.8MPa。,3、按结构分,（4）板式换热器,板翅式换热器（P157）,其缺点是容易堵塞，检修不易，故常用于清洁和腐蚀性低的气气型换热。,第八章传热过程与换热器,第二节换热器的类型,图8-13平行板式换热器示意图,3、按结构分,（4）板式换热器,平行板式换热器（P157-158）,第八章传热过程与换热器,第二节换热器的类型,平行板式换热器（P157-158）,如图8-13所示，平行板式换热器由一组几何形状、结构相同的平行薄平板叠加而成，平板角上开有流体通道孔；,3、按结构分,（4）板式换热器,但密封垫片损坏时容易泄露，流道狭窄，不适合大流量传热；不耐高温，一般只适用于150以下的流体。,拆装、清洗方便，适用于含有污垢物的流体传热,相邻平板之间用特殊设计的密封垫片隔开，形成一个通道，冷、热流体间隔地在每个通道中流过；,为强化传热并增加板片的刚度，常在平板上压制出各种波纹,第八章传热过程与换热器,第二节换热器的类型,如图8-14所示，螺旋板式换热器由两块金属薄板卷成的等距离螺旋通道、上下盖板和连接管等构成。,一种流体从中心流入，螺旋流动至周边流出，另一种流体则从周边流入，螺旋流动至中心流出，故为逆流式。,图8-14螺旋板式换热器,3、按结构分,（4）板式换热器,螺旋板式换热器（P158）,第八章传热过程与换热器,第二节换热器的类型,螺旋板式换热器流道中污垢的形成速度仅为壳管式的1/10，每立方米体积的传热面积约为壳管式的3倍，且制造方便。,螺旋板式换热器（P158）,3、按结构分,（4）板式换热器,缺点是清洗和检修困难，承压能力低，一般适用于0.98MPa压力以下的流体。,目前，各类换热器都朝着既保证必需的传热面积，又具有最小体积的紧凑式换热器的方向发展。板式换热器、肋管式换热器都属于紧凑式换热器。,第八章传热过程与换热器,第二节换热器的类型,三、对数平均温差,流体流经换热器时，无论流动形式如何，热流体在换热器内沿程放热而温度不断下降，冷流体在换热器内沿程吸热而温度不断上升，并且冷、热流体间的温差沿程是不断变化的。,因此，传热方程式中的温差必须采用整个传热面积上的平均温差tm,其一般形式为：,第八章传热过程与换热器,第二节换热器的类型,1、顺流和逆流时的对数平均温差,下面以套管式换热器为例推导顺流和逆流时的平均温差计算式,简化假定：（P159）,稳态传热，传热系数K在整个传热面上保持不变；,冷热流体的质量流量qm2、qm1和比热容c2、c1都是常量；,三、对数平均温差,换热器无散热损失，即换热器与环境间绝热；,传热面沿流动方向（即管子轴向）的导热可忽略不计；,流体都不能既有相变的对流传热，又有单相介质的对流传热,第八章传热过程与换热器,第二节换热器的类型,如图8-15所示为逆流换热器流体温度的沿程变化曲线。图中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。现在讨论通过图中微元传热面dA一段的传热。,1、顺流和逆流时的对数平均温差,三、对数平均温差,图8-15逆流时平均温差的推导,在dA的两侧，冷热流体的温度分别为t2和t1，其温差为t，即t=t1t2,第八章传热过程与换热器,第二节换热器的类型,传热热流量为：,热流体放出热量为：,冷流体吸收热量为：,（a）,（b）,（c）,由式（b）、（c）可得：,（d）,1、顺流和逆流时的对数平均温差,式（d）中,第八章传热过程与换热器,第二节换热器的类型,（e）,（f）,对式（d）两边积分,将式（a）代入式（d）并分离变量后有,1、顺流和逆流时的对数平均温差,再对式（f）两边积分,（g）,第八章传热过程与换热器,第二节换热器的类型,最后将式（e）除以式（g）可得,（）,1、顺流和逆流时的对数平均温差,由于计算式中出现了对数，故常把tm称为对数平均温差。,式（）也可写成：,式中，tmax代表t和t两者中较大者，而tmin代表两者中较小者。,（）,第八章传热过程与换热器,第二节换热器的类型,对于顺流换热器，如图8-16所示，采用类似的方法同样可以推导得上述对数平均温差表达式。,1、顺流和逆流时的对数平均温差,图8-16顺流时平均温差的推导,第八章传热过程与换热器,第二节换热器的类型,事实上，算术平均温差相当于假定冷、热流体的温度都是按直线变化时的平均温差，其值总是大于相同进、出口温度下的对数平均温差。,当tmax/tmin2时，两者差别4%,当tmax/tmin1.7时，两者差别2.3%,能满足一般精度要求,特别地，当逆流换热器中t=t=t时，传热热流量即为=KAt,1、顺流和逆流时的对数平均温差,有时工程计算也用算术平均温差，即,第八章传热过程与换热器,第二节换热器的类型,2、复杂流的平均温差（P161-162）,（1）由给定冷热流体进出口温度，计算出按逆流布置条件下的对数平均温差（tm）ctf,（2）把求得的假想逆流对数平均温差乘上一个温差修正系数,三、对数平均温差,工程上为应用方便，已将温差修正系数绘制成曲线，参见P161-162图8-158-18。,即可得复杂流的平均温差【（tm）ctf】,第八章传热过程与换热器,第二节换热器的类型,图8-17壳侧1程、管侧2、4、6、8程的值,第八章传热过程与换热器,第二节换热器的类型,值除与流动形式有关以外，还与辅助量P、R有关：,2、复杂流的平均温差（P161-162）,R具有两种流体热容量之比的物理意义；,P则代表流体2的实际温升与理论上所能达到的最大温升之比。,因此，R的值可以大于1也可以小于1，但P值必小于1。,其中：,第八章传热过程与换热器,第二节换热器的类型,例8-2某换热器的热流体进、出口温度分别为80和60，冷流体的进、出口温度分别为25和38。试求该换热器分别为套管式逆流换热器和顺流换热器的对数平均温差。若换热器为壳管式，壳侧为热流体、管侧为冷流体，试求1-2型和2-4型壳管式换热器的平均温差。,解：（1）逆流式换热器的对数平均温差为,第八章传热过程与换热器,第二节换热器的类型,（2）顺流式换热器的对数平均温差为,（3）对于壳管式换热器,第八章传热过程与换热器,第二节换热器的类型,（tm）ctf=tm1=38.40,查P161图8-15得1-2型壳管式换热器的=0.97，故其平均温差为tm（1-2）=（tm）ctf=0.9738.40=37.25,查P161图8-16得2-4型壳管式换热器的=0.996，其平均温差为tm（2-4）=（tm）ctf=0.99638.40=38.25,在冷热流体进、出口温度相同的条件下，以逆流换热器的对数平均温差为最大，顺流换热器的对数平均温差为最小，而其他流动形式换热器的平均温差介于两者之间。由计算可得：,讨论:,（tm1）逆流tm（2-4）tm（1-2）（tm2）顺流,第八章传热过程与换热器,第二节换热器的类型,四、各种流动形式的比较,1、顺流和逆流的比较（P163）,在换热器的各种流动形式中，顺流和逆流是两种极端情况。,与顺流相比，逆流有下述优点：,（1）当流体物性及进、出口温度相同时，逆流的对数平均温差tm比顺流时大，即：,对于同一台换热器，逆流比顺流时的传热能力大；,传热量一定时，逆流可以减少传热面积，使换热器紧凑轻巧,（tm）逆流（tm）顺流,KA一定,一定,逆流顺流,（KA）逆流（KA）顺流,第八章传热过程与换热器,第二节换热器的类型,（2）顺流时冷流体出口温度总是低于热流体出口温度,（3）逆流时传热面两边的温差较均匀,综上所述，换热器应尽量采用逆流布置，避免采用顺流布置。,四、各种流动形式的比较,1、顺流和逆流的比较（P163）,（4）逆流时最高温度t1和t2集中在换热器的同一端,但逆流也有缺点：,即顺流时必定t2t1,而顺流时传热面两边热负荷不均匀,对于高温换热器来说，这是应注意避免的,第八章传热过程与换热器,第二节换热器的类型,2、其他情况的比较（P163-164）,tm=（tm）ctf,四、各种流动形式的比较,（1）复杂流可以看作是介于顺流和逆流之间，其平均温差：,复杂流的平均温差tm必定介于顺、逆流之间。,温差修正系数值的大小反映了具体流动接近逆流的程度，一般要求0.91。,第八章传热过程与换热器,第二节换热器的类型,（2）当一种流体定温时，顺流和逆流换热器传热能力相同。,图8-18示出了冷凝器和蒸发器中冷热流体之一发生相变时的情形，此时相变流体在整个传热面上保持其饱和温度不变。,四、各种流动形式的比较,图8-18相变时的温度变化,2、其他情况的比较（P163-164）,第八章传热过程与换热器,第二节换热器的类型,（3）对于工程上常见的蛇形管束，经验表明，只要管束的曲折次数超过4次，就可作为纯逆流或纯顺流来处理，见图8-19,四、各种流动形式的比较,图8-19可作为逆流、顺流处理的情况,2、其他情况的比较（P163-164）,第八章传热过程与换热器,第三节间壁式换热器的热计算,间壁式换热器的热计算通常有两种情况：（P164）,设计计算：,校核计算：,基本公式：,传热方程式,热平衡方程式,上述方程式中共有8个变量：,KA、qm1c1、qm2c2、t1、t1、t2、t2、,只有在给定5个变量时才能进行计算，qmc称为热容量或水当量,根据需要，确定换热器型式与尺寸；,校核现有换热器的工作情况。,第八章传热过程与换热器,具体而言：,设计计算：,已知KA、qm1c1、qm2c2、t1、t2,第三节间壁式换热器的热计算,目前，间壁式换热器常用的热计算方法有两种：,已知qm1c1、qm2c2、t1、t1、t2、t2、中的5个,KA或A,校核计算：,t2、t1和,效能传热单元数法（NTU法）,对数平均温差法（LMTD法）,设计计算,校核计算,第八章传热过程与换热器,对数平均温差法常用于换热器的设计计算，简要步骤如下：,一、对数平均温差法（LMTD法）（P164-165）,（1）由热平衡方程式,求出除A以外的2个未知量,第三节间壁式换热器的热计算,（2）计算对数平均温差,或（tm）ctf,注意：至少保持0.8，否则应改选其他流动形式。,（3）由传热方程式,求出A（或KA）,第八章传热过程与换热器,说明1：具体步骤中还应包括布置传热面、传热系数K的计算、两侧流体流动阻力的核算等内容，详见P164-165。,第三节间壁式换热器的热计算,说明2：对数平均温差法也可用来进行校核计算，只是对数平均温差法在校核计算时需假定流体的出口温度t1、t2并进行多次试算才能获得可行的结果，而效能传热单元数法不需要试算，因此，效能传热单元数法用于校核计算似乎更方便。,一、对数平均温差法（LMTD法）（P164-165）,第八章传热过程与换热器,二、效能传热单元数法（NTU法）,（1）换热器效能,1、三个重要参数（P167）,换热器效能（又称传热有效度）是指实际传热量与最大可能传热量max之比。,所谓最大可能传热量max是指换热器中可能发生的最大温度降（即热流体和冷流体的进口温度之差）下的传热量。因为只有水当量qmc较小的流体才可能有最大温差，所以,第三节间壁式换热器的热计算,max=（qmc）min（t1-t2）,第八章传热过程与换热器,若实际传热量按水当量较小的流体来计算，则可表示为：,（1）换热器效能,第三节间壁式换热器的热计算,1、三个重要参数（P167）,若已知，实际传热量就可以根据两种流体的进口温度计算：,第八章传热过程与换热器,若qm1c1qm2c2，则t-tmax=t2-t2；,第三节间壁式换热器的热计算,1、三个重要参数（P167）,式中，t-tmax代表冷热流体的实际温度差值中的较大者,（1）换热器效能,若qm1c1qm2c2，则t-tmax=t1-t1。,第八章传热过程与换热器,（2）传热单元数NTU,传热单元数NTU是KA与两种流体中较小的水当量（qmc）min的比值,第三节间壁式换热器的热计算,NTU是个无量纲参数，A和K分别反映了换热器的初投资和运行费用，所以NTU是一个反映换热器综合经济技术性能的指标。,NTU表征了换热器换热能力的大小。,1、三个重要参数（P167）,第八章传热过程与换热器,（3）热容比C,热容比C是指两种流体中较小热容量（qmc）min与较大热容量（qmc）max的比值（qmc又称为水当量），即,第三节间壁式换热器的热计算,1、三个重要参数（P167）,第八章传热过程与换热器,2、NTU和C的函数关系式及其图线（P167-168）,换热器效能、传热单元数NTU和热容比C等将共同确定具体换热器的性能。,第三节间壁式换热器的热计算,二、效能传热单元数法（NTU法）,只要我们找到了=f（C,NTU,换热器型式）的函数关系式,就可以根据K、A、qm、C,进而利用基本公式,完成校核计算,解出,、t1、t2,解出,第八章传热过程与换热器,第三节间壁式换热器的热计算,二、效能传热单元数法（NTU法）,2、NTU和C的函数关系式及其图线（P167-168）,当流体之一发生相变（如蒸汽凝结或液体汽化），或者冷、热流体热容量相差悬殊时，热容比C0，顺流和逆流的计算式相同：,（1）=f（C,NTU）函数关系式：P168表8-1在应用表8-1时，有几种特殊情况需加以讨论。,第八章传热过程与换热器,逆流时，两流体热容量几乎相等，则C1，此时计算式为：,第三节间壁式换热器的热计算,二、效能传热单元数法（NTU法）,2、NTU和C的函数关系式及其图线（P167-168）,顺流时，两流体热容量几乎相等，则C1，此时计算式为：,（1）=f（C,NTU）函数关系式：P168表8-1,第八章传热过程与换热器,第三节间壁式换热器的热计算,二、效能传热单元数法（NTU法）,（2）=f（C,NTU）图线：P168-169,2、NTU和C的函数关系式及其图线（P167-168）,为便于应用，工程中已将表8-1的函数关系式绘制成图线。,P168-169图8-218-26给出了几种典型型式换热器的-NTU图，这些图以为纵坐标，NTU为横坐标，C为参变量，如图8-20所示,第八章传热过程与换热器,第三节间壁式换热器的热计算,图8-20顺流换热器的-NTU关系图,第八章传热过程与换热器,3、-NTU法（P169-170）,-NTU法常用于换热器的校核计算，简要步骤如下：,（1）由KA、qm1c1和qm2c2,第三节间壁式换热器的热计算,NTU和C,（2）由=f（C,NTU）计算或查图-NTU,（3）由=max=（qmc）min（t1-t2）,（4）由热平衡方程式,求出口温度t2和t1,第八章传热过程与换热器,说明2：-NTU法也可用作设计计算，它由已知的求出NTU，但一般不采用。新换热器的设计计算通常都采用对数平均温差法，这是因为该方法可以求得温差修正系数，从而可间接知道换热器结构设计的优劣。,第三节间壁式换热器的热计算,二、效能传热单元数法（NTU法）,说明1：具体步骤中还应包括传热系数K的计算等内容，详见P169-170。,3、-NTU法（P169-170）,第八章传热过程与换热器,例8-31-2型壳管式换热器中，热水从管内流过，冷水在管外流过，传热系数K=1200W/（m2K），传热面积A=5m2，冷热水的质量流量和进口温度分别为qm2=8000kg/h，qm1=4000kg/h，t2=20，t1=90。试求冷热水出口温度t2、t1及传热量。设冷热水的比热容为c1=c2=4.186kJ/（kgK）。,第三节间壁式换热器的热计算,解：冷热流体的热容量分别为,热容比、传热单元数分别为,第八章传热过程与换热器,第三节间壁式换热器的热计算,由表8-1查得1-2型壳管式换热器的=f（C，NTU）的表达式为,将已求得的C和NTU值代入上式算得,=0.603,根据换热器有效度的定义式有,故得热流体的出口温度为,由热容比的定义式得,第八章传热过程与换热器,第三节间壁式换热器的热计算,所以有冷流体的出口温度,（1）本题的换热器有效度是根据=f（C，NTU）解析式计算出来的，虽然麻烦些，但较为准确。也可以查P169图8-23得到，此法简单方便，但准确度稍差,（2）本题如用平均温差法计算，要先假定一出口温度进行试算逐步修正，显然计算过程要复杂多了。,讨论：,第八章传热过程与换热器,三、换热器的污垢系数,换热器运行一段时间后，传热面上常会积起水垢、油垢、烟灰、锈垢等等的覆盖物垢层，由此引起的附加热阻称为污垢热阻，单位面积的污垢热阻，通常又称为污垢系数。,覆盖物垢层的存在，使得传热过程总热阻增大，传热量减小，传热系数降低，换热器性能变差。,由于覆盖物垢层的厚度和热导率难以测定，故污垢热阻很难用计算的方法确定，一般用实验的方法求得。,第三节间壁式换热器的热