传热学——传热过程与换热器计算

1、第八章第八章 传热过程分析传热过程分析 与换热器热计算与换热器热计算 8-1 传热过程的分析和计算传热过程的分析和计算 l传热过程传热过程 基本计算式基本计算式( (传热方程式传热方程式) ) 传热过程分析求解的基本关系为传热方程式传热过程分析求解的基本关系为传热方程式 21ff ttkA 式中式中 为传热系数（在容易与对流换热表为传热系数（在容易与对流换热表 面传热系数想混淆时，称总传热系数）。面传热系数想混淆时，称总传热系数）。 k 1、通过平壁的传热、通过平壁的传热 21 11 1 hh k 由于平壁的两侧的面积是相等的，由于平壁的两侧的面积是相等的， 因此传热系数的数值不论对哪一侧来说

2、因此传热系数的数值不论对哪一侧来说 都是一样的。都是一样的。 2 通过圆管的传热通过圆管的传热 在稳态条件下，通过各环节的热流量是不变的在稳态条件下，通过各环节的热流量是不变的。 )ln( 2 1 )( i o wowi d d ttl )( 1wifii ttldh 圆柱面导热：圆柱面导热： )( 2fwooo ttldh外部对流：外部对流： 内部对流：内部对流： hi ho 对外侧面积而言得传热系数的定义式由下式表示：对外侧面积而言得传热系数的定义式由下式表示： ooi o ii fofi dhd d dh ttl 1 ln 2 11 oi oo ii o hd dd dh d k 1 l

3、n 2 1 从热阻的角度来看从热阻的角度来看 ooi o iio Ahd d lAhkA 1 ln 2 111 上面三式相加上面三式相加 3、通过肋壁的传热、通过肋壁的传热 在表面传热系数较在表面传热系数较 小的一侧采用肋壁小的一侧采用肋壁 是强化传热的一种是强化传热的一种 行之有效的方法。行之有效的方法。 下面以平壁的一侧下面以平壁的一侧 为肋壁的较简单的为肋壁的较简单的 情况，作为分析肋情况，作为分析肋 壁传热的对象。壁传热的对象。 wifiii ttAh wowii ttA 12owofoofwofo h A tthA tt 式中，式中， 为肋面总效率。为肋面总效率。 o oooiii

4、fofi AhAAh tt 11 o oowofo hA tt o f o A AA)( 21 定义定义肋化系数：肋化系数： 则则传热系数传热系数为为 所以，只要所以，只要 就可以起到强化换热的效果。就可以起到强化换热的效果。 io AA ooi hh k 11 1 1 o 4、临界热绝缘直径、临界热绝缘直径 为了减少管道的散热损失，采用在管道为了减少管道的散热损失，采用在管道 外侧覆盖热绝缘层或称隔热保温层的办法。外侧覆盖热绝缘层或称隔热保温层的办法。 热流体通过管道壁和绝缘层传热给冷流体传热流体通过管道壁和绝缘层传热给冷流体传 热过程的热阻为热过程的热阻为 oo o i l dhd d d

5、 d dh R 1 ln 2 1 ln 2 11 21 2 11 管道的散热量为管道的散热量为 0 2 1112 () 1111 lnln 22 i o ioo l tt dd hdddhd 根据根据 ，可解得，可解得 0 o dd d 0 2 o d h 这个这个 成为成为临界热绝缘直径记为临界热绝缘直径记为 0 d cr d 8-2 换热器的型式及平均温差换热器的型式及平均温差 用来使热量从热流体传递到冷流体，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统称以满足规定的工艺要求的装置统称换热器换热器。 分为分为间壁式、混合式及蓄热式（或称回热间壁式、混合式及蓄热式（或称回热

6、 式）式）三大类。三大类。 1、间壁式换热器的主要型式、间壁式换热器的主要型式 适用于传热量不大或流体流量不大的情形。适用于传热量不大或流体流量不大的情形。 （1）套管式换热器）套管式换热器 （2）壳管式换热器）壳管式换热器 这是间壁式换热器的一种主要形式，又这是间壁式换热器的一种主要形式，又 称管壳式换热器。称管壳式换热器。 1-2型换热器型换热器 2-4型换热器型换热器 （3）交叉流换热器）交叉流换热器 它是它是间壁式换热器的又一种主要型式间壁式换热器的又一种主要型式。 根据换热表面结构的不同又可有根据换热表面结构的不同又可有管束式、管束式、 管翅式及板翅式管翅式及板翅式等的区别等的区别

7、。 （4）板式换热器）板式换热器 板式换热器拆卸清洗方便，故适合于板式换热器拆卸清洗方便，故适合于 含有易污染物的流体的换热。含有易污染物的流体的换热。 （5）螺旋板式换热器）螺旋板式换热器 这种换热器换热效果较好，缺点是换这种换热器换热效果较好，缺点是换 热器的密封比较困难。热器的密封比较困难。 2 2 简单顺流及逆流换热器的对数平均温差简单顺流及逆流换热器的对数平均温差 传热方程的一般形式传热方程的一般形式： m tkA 这个过程这个过程对于传热过程是通用的对于传热过程是通用的，下面，下面 推导简单顺流及逆流换热器的平均温差计算推导简单顺流及逆流换热器的平均温差计算 式。式。 顺流时平均温

8、差的推导顺流时平均温差的推导 以以顺流顺流情况为例，作如下假设情况为例，作如下假设： （1 1）冷热流体的质量流量）冷热流体的质量流量q qm2 m2、 、q qm1 m1以及比 以及比 热容热容C C2 2,C,C1 1是常数；是常数； （2 2）传热系数是常数；）传热系数是常数； （3 3）换热器无散热损失；）换热器无散热损失； （4 4）换热面沿流动方向的导热量可以忽）换热面沿流动方向的导热量可以忽 略不计。略不计。 在前面假设的基础上，并已知冷热流体在前面假设的基础上，并已知冷热流体 的进出口温度，的进出口温度，现在来看图现在来看图9-139-13中微元换热中微元换热 面面dAdA一段

9、的传热。温差为：一段的传热。温差为： ddtAk chch ttttttddd 在固体微元面在固体微元面dAdA内，两种流体的换热量为内，两种流体的换热量为: : 1 111 1 1 1 dddd m m q c tt q c 2222 22 1 dddd m m q ctt q c 对于热流体对于热流体: : 对于冷流体对于冷流体: : 12 1 122 11 ddddd mm ttt q cq c ddtAk tdAddktdA t d k t xx At t k t 0 dA t d x x kA t t ln 可见，当地温差随换热面呈指数变化，则沿整个换热面的平可见，当地温差随换热面呈

10、指数变化，则沿整个换热面的平 均温差为：均温差为： )exp(t xx kAt x 0 xx 0 )dAexp(t 1 dAt 1 x AA m kA AA t 1 122 11 mm q cq c 1-)exp( t )dAexp(t 1 x 0 kA kA kA A t x A m x x kA t t lnkA t t ln AAx )exp( t kA t t t t tt t tm t ln t t ln t 1- t t ln t 对数平均温差对数平均温差 不论顺流还是逆流，不论顺流还是逆流，对数平均温差对数平均温差可统可统 一用以下计算式表示：一用以下计算式表示： min max

11、 minmax ln t t tt t m 平均温差的另一种更为简单的形式是平均温差的另一种更为简单的形式是算算 术平均温差术平均温差，即，即 2 minmax , tt tm 算术 3、复杂布置时换热器平均温差的计算、复杂布置时换热器平均温差的计算 l套管式换热器及螺旋板式换热器的平均温套管式换热器及螺旋板式换热器的平均温 差可以方便的按逆流或顺流布置的公式来差可以方便的按逆流或顺流布置的公式来 计算。但对于壳管式换热器及交叉流式换计算。但对于壳管式换热器及交叉流式换 热器的平均温差一般采用以下公式来计算：热器的平均温差一般采用以下公式来计算： ctf mm tt 4、各种流动型式的比较、各

12、种流动型式的比较 在相同的进、出口温度条件下：在相同的进、出口温度条件下： 逆流的平均温差最大；逆流的平均温差最大； 顺流的平均温差最小；顺流的平均温差最小； 交叉流适中。交叉流适中。 因此，因此，换热器应当尽量布置成逆流，而尽可能避换热器应当尽量布置成逆流，而尽可能避 免作顺流布置。免作顺流布置。 但逆流也有但逆流也有缺点，即热流体和冷流体的最高温度缺点，即热流体和冷流体的最高温度 集中在换热器的同一端。集中在换热器的同一端。 8-3 换热器的热计算换热器的热计算 l分为分为设计计算设计计算和和校核计算校核计算。 l换热器热计算的换热器热计算的基本公式基本公式为为 m kA t 1 1112

13、222mm q c ttqctt 传热方程式传热方程式: 热平衡方程式：热平衡方程式： 1 1、换热器计算的平均温差法、换热器计算的平均温差法 l平均温差法用作设计计算时步骤如下：平均温差法用作设计计算时步骤如下： （1 1）初步布置换热面，计算出相应的传热系数）初步布置换热面，计算出相应的传热系数 。 （2 2）根据给定条件，由热平衡式求出进、出口温度）根据给定条件，由热平衡式求出进、出口温度 中的那个待定的温度中的那个待定的温度 。 （3 3）由冷、热流体的）由冷、热流体的4 4个进、出口温度确定平均温个进、出口温度确定平均温 差，计算时要注意保持修正系数差，计算时要注意保持修正系数 具有

14、合适具有合适 的数值。的数值。 （4 4）由传热方程求出所需要的换热面积）由传热方程求出所需要的换热面积 ，并核算，并核算 换热面两侧有流体的流动阻力。换热面两侧有流体的流动阻力。 （5 5）如流动阻力过大，改变方案重新设计。）如流动阻力过大，改变方案重新设计。 k m t A 对于校核计算具体计算步骤：对于校核计算具体计算步骤： （1 1）先假设一个流体的出口温度，按热平衡式计）先假设一个流体的出口温度，按热平衡式计 算另一个出口温度算另一个出口温度 （2 2）根据）根据4 4个进出口温度求得平均温差个进出口温度求得平均温差 （3 3）根据换热器的结构，算出相应工作条件下的）根据换热器的结构

15、，算出相应工作条件下的 总传热系数总传热系数k k m t （4 4）已知）已知k k、A A和和 ，按传热方程式计算在假设，按传热方程式计算在假设 出口温度下的出口温度下的 （5 5）根据）根据4 4个进出口温度，用热平衡式计算另一个进出口温度，用热平衡式计算另一 个个 ，这个值和上面的，这个值和上面的 ，都是在假设出，都是在假设出 口温度下得到的，因此，都不是真实的换热量口温度下得到的，因此，都不是真实的换热量 （6 6）比较两个）比较两个 值，满足精度要求，则结束，值，满足精度要求，则结束， 否则，重新假定出口温度，重复否则，重新假定出口温度，重复(1)(6)(1)(6)，直至，直至 满

16、足精度要求。满足精度要求。 m t 2 2 效能效能- -传热单元数法传热单元数法 (1)(1)传热单元数和换热器的效能传热单元数和换热器的效能 换热器的效能按下式定义：换热器的效能按下式定义： max 12 tt tt min ()() m q ctt 换热器交换的热流量：换热器交换的热流量： min12 () m q ctt 1112 ()tttt 1 122mm q cqc 下面揭示换热器的效能与哪些变量有关。下面揭示换热器的效能与哪些变量有关。 以以顺流换热器为例顺流换热器为例，并假设，并假设 则有则有 根据热平衡式得：根据热平衡式得： 1 1112222 ()() mm q c tt

17、q c tt 1 1 2211 2 2 () m m q c tttt q c 于是于是 1 112 122 2 1(1) m m q ctt ttq c 式式， 相加：相加： 1 1 121212 2 2 ()()(1)() m m q c tttttt q c 整理：整理： 由上一节知道由上一节知道 12 12 kA tt e tt 带入带入式得式得 1 1 22 1 exp() 1 m m kA q c q c 把上一节中把上一节中 带入上式得带入上式得 1 1 1 122 1 1 22 1 exp1 1 m mm m m q ckA q cq c q c q c 1 122mm q c

18、qc当当 时，类似推导可得时，类似推导可得 22 221 1 22 1 1 1 exp1 1 m mm m m q ckA q cq c q c q c 将将合并写成合并写成 min minmax min max 1 exp1 1 m mm m m q c kA q cq c q c q c 令令 min m kA NTU q c 可写成可写成 min max min max 1 exp1 1 m m m m q c NTU q c q c q c （） 类似的推导可得逆流换热器的效能为类似的推导可得逆流换热器的效能为 min max minmin maxmax 1 exp1 1exp1 m

19、m mm mm q c NTU q c q cq c NTU q cq c （） （） 称为称为传热单元数传热单元数 当冷热流体之一发生相变时当冷热流体之一发生相变时，即，即 趋于无穷大趋于无穷大 时，于是上面效能公式可简化为时，于是上面效能公式可简化为 NTUexp1 当两种流体的热容相等时，当两种流体的热容相等时， 公式可以简化为公式可以简化为 1exp2NTU 2 NTU1 NTU 顺流：顺流： 逆流：逆流： max m q c l根据根据 及及 的定义及换热器两类热计算的定义及换热器两类热计算 的任务可知，设计计算是已知的任务可知，设计计算是已知 求求 ， 而校核计算则是由而校核计算则

20、是由 求取求取 值。它们计值。它们计 算步骤都与平均温差中对应计算大致相似，算步骤都与平均温差中对应计算大致相似， 故不再细述。故不再细述。 NTU NTU NTU 3、用效能、用效能传热单元数法（法）计算换热器的步骤传热单元数法（法）计算换热器的步骤 4 4 换热器设计时的综合考虑换热器设计时的综合考虑 换热器设计是综合性的课题，必须考虑出投换热器设计是综合性的课题，必须考虑出投 资，运行费用，安全可靠等诸多因素。资，运行费用，安全可靠等诸多因素。 5 5 换热器的结垢及污垢热阻换热器的结垢及污垢热阻 污垢增加了热阻，使传热系数减小，这种热污垢增加了热阻，使传热系数减小，这种热 阻成为污垢热

21、阻，用阻成为污垢热阻，用R Rf f表示，表示， 式中：式中：k k为有污垢后的换热面的传热系数，为有污垢后的换热面的传热系数，k0k0为洁为洁 净换热面的传热系数。净换热面的传热系数。 0 11 kk R f 对于两侧均已结构的管壳式换热器，以管子外表对于两侧均已结构的管壳式换热器，以管子外表 面为计算依据的传热系数可以表示成：面为计算依据的传热系数可以表示成： 如果管子外壁没有肋化，则肋面总效率如果管子外壁没有肋化，则肋面总效率 o o = 1 = 1。 管壳式换热器的部分污垢热阻可以在表管壳式换热器的部分污垢热阻可以在表9-19-1种查得种查得。 o of o w i o if i R

22、h R A A R h k 111 1 8-4 传热的强化和隔热保温技术传热的强化和隔热保温技术 强化传热的目的：强化传热的目的： 缩小设备尺寸；缩小设备尺寸； 提高热效率；提高热效率； 保证设备安全。保证设备安全。 削弱传热的目的：削弱传热的目的： 减少热量损失减少热量损失 1、增强传热的方法、增强传热的方法 （1 1）扩展传热面）扩展传热面 扩展传热壁换热系数小的一侧的面积，是增强扩展传热壁换热系数小的一侧的面积，是增强 传热中使用最广泛的一种方法，如肋壁、肋片管、传热中使用最广泛的一种方法，如肋壁、肋片管、 波纹管、板翅式换热面等，它使换热设备传热系数波纹管、板翅式换热面等，它使换热设备

23、传热系数 及单位体积的传热面积增加，能收到高效紧凑的效及单位体积的传热面积增加，能收到高效紧凑的效 益。益。 （2 2）改变流动状况）改变流动状况 增加流速、增强扰动、采用旋流及射流等都能增加流速、增强扰动、采用旋流及射流等都能 起增强传热的效果，但这些措施将引起流动阻力的起增强传热的效果，但这些措施将引起流动阻力的 增加。增加。 a a、增加流速、增加流速 增加流速可改变流态，提高紊流强度。增加流速可改变流态，提高紊流强度。 b b、流道中加插入物增强扰动、流道中加插入物增强扰动 在管内或管外加进插入物，如金属丝、在管内或管外加进插入物，如金属丝、 金属螺旋环、盘片、麻花铁、翼形物，以及金属

24、螺旋环、盘片、麻花铁、翼形物，以及 将传热面做成波纹状等措施都可增强扰动、将传热面做成波纹状等措施都可增强扰动、 破坏流动边界层，增强传热。破坏流动边界层，增强传热。 c c、采用旋转流动装置、采用旋转流动装置 在流道进口装涡流发生器，使流体在一在流道进口装涡流发生器，使流体在一 定压力下从切线方向进入管内作剧烈的旋转定压力下从切线方向进入管内作剧烈的旋转 运动，用涡旋流动以强化传热。运动，用涡旋流动以强化传热。 d d、采用射流方法喷射传热表面、采用射流方法喷射传热表面 由于射流撞击壁面，能直接破坏边界层，由于射流撞击壁面，能直接破坏边界层， 故能强化换热。它特别适用于强化局部点的故能强化换

25、热。它特别适用于强化局部点的 传热。传热。 （3 3）使用添加剂改变流体物性）使用添加剂改变流体物性 流体热物性中的导热系数和容积比热对流体热物性中的导热系数和容积比热对 换热系数的影响较大。在流体内加入一些添换热系数的影响较大。在流体内加入一些添 加剂可以改变流体的某些热物理性能，达到加剂可以改变流体的某些热物理性能，达到 强化传热的效果。添加剂可以是固体或液体，强化传热的效果。添加剂可以是固体或液体， 它与换热的主流体组成气它与换热的主流体组成气- -固、液固、液- -固、汽固、汽- -液液 以及液以及液- -液混合流动系统。液混合流动系统。 a a、气流中添加少量固体颗粒、气流中添加少量

26、固体颗粒 固体颗粒提高了流体的容积比热和它的固体颗粒提高了流体的容积比热和它的 热容量，增强气流的扰动程度，固体颗粒与热容量，增强气流的扰动程度，固体颗粒与 壁面撞击起到破坏边界层和携带热能的作用，壁面撞击起到破坏边界层和携带热能的作用， 增强了热辐射。增强了热辐射。 b b、在蒸汽或气体中喷入液滴、在蒸汽或气体中喷入液滴 在蒸汽中加入珠状凝结促进剂；在蒸汽中加入珠状凝结促进剂； 在空气冷却器入口喷入水雾，使气相换在空气冷却器入口喷入水雾，使气相换 热变为液膜换热。热变为液膜换热。 （4）改变表面状况）改变表面状况 a a、增加粗糙度、增加粗糙度 b b、改变表面结构、改变表面结构 c c、表

27、面涂层、表面涂层 （5）改变换热面形状和大小）改变换热面形状和大小 如用小直径管子代替大直径管子，用椭圆管如用小直径管子代替大直径管子，用椭圆管 代替圆管的措施而收到提高换热系数的好处。此代替圆管的措施而收到提高换热系数的好处。此 外，在凝结换热中尽量采用水平管亦是一例。外，在凝结换热中尽量采用水平管亦是一例。 （6）改变能量传递方式）改变能量传递方式 由于辐射换热与热力学温度由于辐射换热与热力学温度4 4次方成比例，一次方成比例，一 种在流道中放置种在流道中放置“对流对流- -辐射板辐射板”的增强传热方法的增强传热方法 正逐步得到重视。正逐步得到重视。 （7）靠外力产生振荡，强化换热）靠外力

28、产生振荡，强化换热 用机械或电的方法使传热面或流体产生振用机械或电的方法使传热面或流体产生振 动；动； 对流体施加声波或超声波，使流体交替地对流体施加声波或超声波，使流体交替地 受到压缩和膨胀，以增加脉动；受到压缩和膨胀，以增加脉动； 外加静电场，对流体加以高电压而形成一外加静电场，对流体加以高电压而形成一 个非均匀的电场，静电场使传热面附近电个非均匀的电场，静电场使传热面附近电 介质流体的混合作用加强，强化了对流换介质流体的混合作用加强，强化了对流换 热。热。 2 确定传热过程分热阻的威尔逊图解法确定传热过程分热阻的威尔逊图解法 利用数据采集系统可以测定壁面和流体的利用数据采集系统可以测定壁

29、面和流体的 温度，从而获得平均温差，利用热平衡方程温度，从而获得平均温差，利用热平衡方程 式获得热流量，换热面积可以根据设计情况式获得热流量，换热面积可以根据设计情况 获得，这样就可以通过传热方程式计算出总获得，这样就可以通过传热方程式计算出总 表面传热系数。这是表面传热系数。这是威尔逊图解法威尔逊图解法的基础。的基础。 我们已管壳式换热器为例，说明如何应我们已管壳式换热器为例，说明如何应 用威尔逊图解法获得各个分热阻。总表面传用威尔逊图解法获得各个分热阻。总表面传 热系数可以表示成：热系数可以表示成： i o i fw oo d d h RR hk 111 工业换热器中的管内流体的流动一般都是处于旺工业换热器中的管内流体的流动一般都是处于旺 盛湍流状态，盛湍流状态，hi hi 与流速与流速u0.8u0.8成正比，因此，可以成正比，因此，可以 写成写成 的形式，带入上式：的形式，带入上式： i