工程热力学与传热学：第十二章 传热过程与换热器

1、1,第十二章 传热过程与换热器,本章讨论通过平壁、圆管壁和肋壁等几种工业上和日常生活中常见的传热过程及强化或者削弱传热过程的方法,介绍一些工业上常见的换热器的基本结构与特点，并重点讨论换热器的传热计算方法,2,12-1 传热过程,1. 通过平壁的传热过程,传热系数,3,通过多层平壁的传热过程,4,2. 通过圆管壁的传热过程,5,在稳态情况下，上面三式中的 是相同的，于是可得,上式可以写成,以圆管外壁面积为基准计算的传热系数,6,通过n层圆管的稳态传热过程,7,4. 通过肋壁的传热过程,对于两侧表面传热系数相差较大的传热过程，在表面传热系数较小的一侧壁面上加肋（扩大换热面积）是强化传热的有效措施

2、。假设,8,9,根据肋片效率的定义,称为肋面总效率,一般情况下 ， ，,10,联立以上各式，可得,k1称为以光壁表面积为基准的传热系数，表达式为,称为肋化系数,11,加肋后，肋侧的对流换热热阻是,而加肋前为,合理选择肋化系数,工程上，通常采用以肋侧表面积A2为基准的传热系数k2来计算,12,5. 复合换热,复合换热通常指对流换热与辐射换热同时存在的换热过程。工程上一般将辐射换热量折合成对流换热量进行计算，为此引进辐射换热表面传热系数,13,12-2 换热器,换热器：用来实现热量从热流体传递到冷流体的装置,1. 换热器的分类,按照换热器的工作原理，可分为,混合式：换热器内冷、热流体直接接触、互相

3、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,14,按照结构间壁式换热器可分为,1） 管壳式换热器,由管子和外壳构成的换热装置,套管式换热器示意图,15,2） 肋片管式换热器,由带肋片的管束构成的换热装置，适用于管内液体和管外气体之间的换热，且两侧表面传热系数相差较大的场合,16,3） 板式换热器,由若干片压制成型的波纹状金属板叠加而成，传热系数高、阻力相对较小、结构紧凑,17,4）

4、 板翅式换热器,由金属板和波纹板形翅片层叠、交错焊接而成，结构紧凑,5）螺旋板式换热器,由两块平行金属板卷制而成，工艺简单、价格低廉，流通阻力小,18,间壁式换热器中冷、热流体的相对流动方向,在冷、热流体进口温度相同、流量相同、换热面面积相同的情况下，流动型式影响冷、热流体的出口温度、换热温差、换热量以及换热器内的温度分布,19,2. 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

5、效能-传热单元数法,平均温差法,1）换热器的传热平均温差,传热过程的计算公式,换热器的传热过程,20,对数平均温差,时,21,对于其它流动型式，平均传热温差可以采用下式计算,为冷、热流体进、出口温度相同情况下逆流时的对数平均温差；为小于1的修正系数，其数值可查阅换热器设计手册的线算图。如,22,2）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,根据生产任务的要求，给定冷、热流体的质量流量 和4个进出口温度中的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,23,设计计算步骤,a) 根据给定的换热条件，

6、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，并求出换热量,c)由4个进、出口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,24,2）校核计算,已知已有换热器的换热面积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用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4个进、出口温度求平均

7、温差,c) 计算换热面两侧的表面传热系数 ，进而求得传热系数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,25,12-3 传热的强化与削弱,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,26,1. 强化传热的主要目的,1）增大传热量,2）减少传热面积、缩小设备尺寸、降低材料消耗,3）降低高温部件的温度，保证设备安全运行,4）降低载热流体的输送功率,27,2. 削弱传热的主

8、要目的,1）减少热损失，节约能源,2）维护人工低温环境，减少外界热量的传入,3）保护人身安全，免遭热或冷的伤害，创造温度适宜的工作和生活环境,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,传热强化有两条途径,1）加大传热温差,2）减小传热热阻,28,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,强化对流换热的方法,1）加大传热温差,2）减小传热热阻,2）降低污垢热阻,3）减小对流换热热阻Rh

9、1、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,1）扩展换热面（加装肋片,29,2）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,30,3）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,31,4）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