第十一章传热过程与换热器

1、 1.1.理解传热过程及其特点。理解传热过程及其特点。 2.2.理解热量衡算式及传热基本方程理解热量衡算式及传热基本方程 中各物理量含义。中各物理量含义。 3.3.掌握传热系数的计算。掌握传热系数的计算。 4.4.了解强化传热及削弱传热的原则了解强化传热及削弱传热的原则 和有效方法。和有效方法。 一、传热过程一、传热过程 的特点的特点 传热过程往往是传热过程往往是导热导热、热对流热对流和和热辐射热辐射三种基本热量三种基本热量 传递方式的传递方式的组合组合。 墙体内壁墙体内壁室外空气室外空气 对流换热对流换热 室内空气室内空气 导热导热 墙体外壁墙体外壁 对流与辐射换热对流与辐射换热 高温流体高

2、温流体 对流换热对流换热 低温流体低温流体 固体表面另一侧固体表面另一侧 导热导热 固体表面一侧固体表面一侧 对流换热对流换热 （3）传热过程）传热过程至少由两种热量传递的基本方式组合而成至少由两种热量传递的基本方式组合而成 。 （1）传热过程至少）传热过程至少由三个热量传递的环节串联组合而成由三个热量传递的环节串联组合而成。 一、传热过程特点一、传热过程特点 （2）根据能量守恒的原则，稳态传热过程中）根据能量守恒的原则，稳态传热过程中每一个环节每一个环节 传递的热流量相等传递的热流量相等。 如如导热导热 + 对流换热对流换热 如空气流过如空气流过 暖气散热器暖气散热器 辐射辐射 对流对流 +

3、如锅炉炉膛如锅炉炉膛 里的烟气里的烟气 二、传热基本方程二、传热基本方程 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 为为传热系数传热系数（在容易与对流换热表（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 三、传热系数的计算三、传热系数的计算 K的物理意义：的物理意义：当冷、热两流体间的平均温度差为当冷、热两流体间的平均温度差为1 时，在单位时间内通过单位传热面积所传递的热量时，在单位时间内通过单位传热面积所传递的热量。 传热系数传热系数K是一个是一个表示传热过程强弱程度表示传热

4、过程强弱程度的物理量。的物理量。 W mm m 1 R t KA t tKA K值越大，单位传热面积传递的热量越多。即：在热值越大，单位传热面积传递的热量越多。即：在热 流量和推动力一定的情况下，所需传热面积越小，意味着流量和推动力一定的情况下，所需传热面积越小，意味着 换热器的换热能力越强。换热器的换热能力越强。 传热系数的大小是传热系数的大小是衡量换热器工作效率衡量换热器工作效率的重要参数，的重要参数， 它主要受到它主要受到流体的性质流体的性质、传热过程的操作条件传热过程的操作条件及及换热器的换热器的 类型类型等影响，其影响因素十分复杂。等影响，其影响因素十分复杂。 了解传热系数的影响因素

5、，了解传热系数的影响因素， 合理确定合理确定K值，是传热计值，是传热计 算中的一个重要问题算中的一个重要问题 1.平壁传热系数平壁传热系数K的计算的计算 设设 单单 层层 平平 壁壁 上上 进进 行行 稳稳 态态 传传 热热 平平 壁壁 壁壁 厚厚 面面 积积 A 材材 料料 的的 热热 导导 率率 热热 流流 体体 平平 均均 温温 度度 th 热热 侧侧 表表 面面 传传 热热 系系 数数 h1 冷冷 流流 体体 平平 均均 温温 度度 tc 冷冷 侧侧 表表 面面 传传 热热 系系 数数 h2 与热流体相接触的壁温与热流体相接触的壁温 tw1 与冷流体相接触的壁温与冷流体相接触的壁温 t

6、w2 tw2 tw1 0 x t h1 th h2 tc tw1 tw2 th tc 1 1 h AA 2 1 h A 对于对于稳态传热稳态传热过程，过程，热流体传给壁面的热量和通过热流体传给壁面的热量和通过 平壁的导热量以及壁面传给冷流体的热量均应相等平壁的导热量以及壁面传给冷流体的热量均应相等，即，即 w1h1 ttAh w2w1 ttA cw22 ttAh 21 ch 11 hh ttA 21 11 1 hh K 传热系数传热系数 单位面积上的单位面积上的传热总热阻传热总热阻及及传热系数传热系数 K为叠加热为叠加热 阻的倒数阻的倒数 21 111 hhK R 表明表明: 传热过程的总热阻

7、为各环节的热阻的总和传热过程的总热阻为各环节的热阻的总和。 多层平壁的传热系数为多层平壁的传热系数为 n i i R K 1 1 2 1 1 11 1 hh K n i i i 例例15-2有一面有一面370 mm厚的砖砌外墙，厚的砖砌外墙， 1 0.75W/ （m K）；两边各有）；两边各有15mm厚的粉刷层，内粉刷层的厚的粉刷层，内粉刷层的 2 0.6W/（m K），外粉刷层的），外粉刷层的 3 0.7W/（m K）；墙内）；墙内 侧的表面传热系数侧的表面传热系数h1 7.0W/（m2 K），外侧表面传热系），外侧表面传热系 数数h2 21.2W/（m2 K）；室内外侧空气温度分别为）；室

8、内外侧空气温度分别为18、 -12；墙面积为；墙面积为19.5m2。求墙的散热量。求墙的散热量。 2.圆管壁传热系数圆管壁传热系数K的计算的计算 设设 单单 层层 圆圆 管管 壁壁 上上 进进 行行 稳稳 态态 传传 热热 管管 长长 L 管管 内内 外外 径径 di、do 管内、外侧传热面积管内、外侧传热面积Ai、Ao 管管 壁壁 的的 热热 导导 率率 管内侧热流体平均温度管内侧热流体平均温度 th 热热 侧侧 表表 面面 传传 热热 系系 数数 hi 管外侧冷流体平均温度管外侧冷流体平均温度 tc 冷冷 侧侧 表表 面面 传传 热热 系系 数数 ho 圆管内、外壁温圆管内、外壁温 twi

9、、 two 假定流体温度和壁内温度假定流体温度和壁内温度只沿径向只沿径向发生变化发生变化 t r1ro0 tc h i h o th r 1/hidiL th tw i tw o tc 对于对于稳态传热稳态传热过程，过程，热流体传给管壁的对流换热量、管热流体传给管壁的对流换热量、管 壁的导热量以及管壁传给冷流体的对流换热量三者相等壁的导热量以及管壁传给冷流体的对流换热量三者相等，即，即 wihii ttAh i o wowi ln 2 1 d d L tt cwooo ttAh hc o iiioo 111 ln 2 tt d h ALdh A ohc ooo iiio 1 ln 2 Att

10、AAd h ALdh LdA ii LdA oo 以外表面积以外表面积Ao为为 基准的传热系数基准的传热系数 以圆管壁内表面积以圆管壁内表面积Ai 为基准的传热系数为基准的传热系数 oi oo i o i cho 1 ln 2 1 hd dd d d h ttA 单层圆管壁的传热量单层圆管壁的传热量 oi oo i o i o 1 ln 2 1 1 hd dd d d h K o i oi oi i i 1 ln 2 1 1 d d hd dd h K 工程习惯上常以管的工程习惯上常以管的 外表面积为计算基准外表面积为计算基准 ） Lrhr r Lr r LLrh Ahr r Lr r LAh

11、 R x x x x x x t 221 2 11 221 2 11 2 1 ln 2 1 ln 2 1 2 1 1 ln 2 1 ln 2 11 2 h r x x 工程上遇到的大量传热问题，很多是涉及到如何强化工程上遇到的大量传热问题，很多是涉及到如何强化 和削弱传热过程。和削弱传热过程。 即使设备外表面与外界空气之间的传热量尽量的减小，即使设备外表面与外界空气之间的传热量尽量的减小， 减小其系统的热量或冷量损失，以减少能量消耗。减小其系统的热量或冷量损失，以减少能量消耗。 强化传热强化传热 即提高换热设备的热流量即提高换热设备的热流量 ，使设备趋于紧凑，节省，使设备趋于紧凑，节省 金属材

12、质，降低动力消耗。金属材质，降低动力消耗。 削弱传热削弱传热 一、传热过程的强化一、传热过程的强化 1、增大传热系数增大传热系数K 一般需从热阻大（表面传热系数小）的一侧入手，一般需从热阻大（表面传热系数小）的一侧入手，增增 加流体流速加流体流速或或在流体侧加装绕流体元件在流体侧加装绕流体元件（如：罗纹管、波（如：罗纹管、波 纹管等）以增加流体侧的表面传热系数；尽量纹管等）以增加流体侧的表面传热系数；尽量采用软化水采用软化水， 定期采用机械或化学的方法定期采用机械或化学的方法清除污垢清除污垢。 m tKA 2、增大换热器单位体积的传热面积增大换热器单位体积的传热面积A 应合理提高单位体积的传热

13、面积，如各种应合理提高单位体积的传热面积，如各种高效传热面高效传热面。 常见的高效传热面有：常见的高效传热面有： 不同结构翅片不同结构翅片 各种异形管各种异形管 板型传热面板型传热面 如光滑波纹翅片、多孔波纹翅片等；如光滑波纹翅片、多孔波纹翅片等； 如扁管、椭圆管、波纹管和螺旋槽纹管等；如扁管、椭圆管、波纹管和螺旋槽纹管等； 如螺旋板式和板翅式等。如螺旋板式和板翅式等。 3、增大冷、热两流体的平均温度差增大冷、热两流体的平均温度差 即即增大传热过程的推动力增大传热过程的推动力。 可以可以通过选择不同的介质和流量加以改变通过选择不同的介质和流量加以改变，来达到增，来达到增 大传热推动力的目的。如

14、：大传热推动力的目的。如： 用饱和水蒸气作加热剂时，加大蒸汽压力提高其温度用饱和水蒸气作加热剂时，加大蒸汽压力提高其温度 ； 用冷却水作冷却剂时，增大冷却水流量或以冷冻盐水用冷却水作冷却剂时，增大冷却水流量或以冷冻盐水 代替普通冷却水，可以使冷却剂的温度降低代替普通冷却水，可以使冷却剂的温度降低 ； 当换热器中两流体均无相变时，应尽可能地采用逆流或当换热器中两流体均无相变时，应尽可能地采用逆流或 接近于逆流的相对流向以获得较大的平均温度差。接近于逆流的相对流向以获得较大的平均温度差。 二、传热过程的削弱二、传热过程的削弱 1、覆盖保温材料覆盖保温材料以增大导热热阻以增大导热热阻 削弱设备与空气

15、之间的传热通常只有用削弱设备与空气之间的传热通常只有用减小传热系数减小传热系数 K的方法来达到目的。的方法来达到目的。 在平壁上敷设保温材料，热流量与绝热层的厚度成反比。在平壁上敷设保温材料，热流量与绝热层的厚度成反比。 在圆筒壁上敷设保温绝热材料，只有当在圆筒壁上敷设保温绝热材料，只有当管道敷设保温层管道敷设保温层 后的直径大于临界热绝缘直径后的直径大于临界热绝缘直径时，敷设保温层才能有效时，敷设保温层才能有效 地起到减小散热损失的作用。地起到减小散热损失的作用。 通常热能与制冷通常热能与制冷 工程中均满足工程中均满足 2、改变表面状况改变表面状况 min d临界热绝缘直径临界热绝缘直径 :即管道散热量最大的保温层的直径。即管道散热量最大的保温层的直径。 min 0 2 d h :材料的热导率，材料的热导率，W/（m K）；）； ho :保温层外壁与流体间表面传热系数，保温层外壁与流体间表面传热系数，W/（m2 K）。）。 改变表面的辐射特性改变表面的辐射特性。 采用选择性涂层采