传热过程分析与换热器的热计算

1、1第九章第九章 传热过程分析与换热器的热计算传热过程分析与换热器的热计算 9 9.1 .1 传热过程的分析和计算；传热过程的分析和计算； 9.2 9.2 换热器的类型；换热器的类型； 9.3 9.3 换热器中传热过程平均温差的计算；换热器中传热过程平均温差的计算； 9.4 9.4 热量传递过程的控制（强化与削弱）；热量传递过程的控制（强化与削弱）；2 传热过程传热过程：热量从壁面一侧的流体通过壁面传到另：热量从壁面一侧的流体通过壁面传到另一侧流体的过程。一侧流体的过程。k-传热系数传热系数tf1-tf2-冷热流体的平均温差冷热流体的平均温差9.1 9.1 传热过程的分析和计算传热过程的分析和计

2、算312111khh1/ ()tAk （1 1）通过平壁的传热过程计算）通过平壁的传热过程计算 说明说明：如果流过壁面的流体是含有二氧化碳、水蒸气等：如果流过壁面的流体是含有二氧化碳、水蒸气等三原子气体的烟气，一般不仅要考虑对流传热，也要考虑辐三原子气体的烟气，一般不仅要考虑对流传热，也要考虑辐射传热。射传热。4（2 2）通过圆筒壁的传热过程计算）通过圆筒壁的传热过程计算传热过程包括：管内流体到管内侧壁面、传热过程包括：管内流体到管内侧壁面、管内侧壁面到外侧壁面、管外侧壁面到管内侧壁面到外侧壁面、管外侧壁面到外侧流体三个环节。管子内外径外侧流体三个环节。管子内外径ri、ro （内径和外径分别为

3、（内径和外径分别为di、do ）；管子内）；管子内外侧壁温分别为外侧壁温分别为twi、two、管子内外流体、管子内外流体温度温度tfi、tfo 。5将三式相加可得：将三式相加可得：对外侧面积而言的传热系数为：对外侧面积而言的传热系数为：6 对比以上两式得出以管外侧面积为基准的传热系数计算式：对比以上两式得出以管外侧面积为基准的传热系数计算式： 热阻形式热阻形式：传热总热阻传热总热阻管内热阻管内热阻管壁热阻管壁热阻管外热阻管外热阻7 换热器换热器：用来使热量从热流体传递到冷流体，以满足规：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，或称为定的工艺要求的装置，或称为热交换设备热交换

4、设备。9.2 9.2 换热器的类型换热器的类型分类分类：间壁式间壁式：冷、热流体由壁面间隔开来而分：冷、热流体由壁面间隔开来而分别位于壁面的两侧。别位于壁面的两侧。混合式：冷、热流体直接接触、互相混混合式：冷、热流体直接接触、互相混合。合。蓄热式（回热式）：冷、热流体依次交替蓄热式（回热式）：冷、热流体依次交替地流过同一换热表面。地流过同一换热表面。按表面紧凑程度分为：紧凑式和非紧凑式换热器。按表面紧凑程度分为：紧凑式和非紧凑式换热器。8（1 1）间壁式换热器的主要形式）间壁式换热器的主要形式1 1、套管式换热器、套管式换热器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

5、的情形。92 2、管壳式换热器、管壳式换热器 间壁式换热器的一种主要形式。如化工厂中的加热器、间壁式换热器的一种主要形式。如化工厂中的加热器、冷却器及压缩机的中间冷却器等。冷却器及压缩机的中间冷却器等。10113 3、交叉流换热器、交叉流换热器 根据换根据换热面结构的热面结构的不同可分为：不同可分为：管束式、管管束式、管翅式、管带翅式、管带式及板翅式式及板翅式等。等。124 4、板式换热器、板式换热器 由一组几何结构相同的平行薄平板叠加组成，两相邻平板由一组几何结构相同的平行薄平板叠加组成，两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、热流体之间用特殊设计的密封垫片隔开，形成一个通

6、道，冷、热流体间隔地在每个通道中流动。拆卸方便、适宜含有易污染物的流间隔地在每个通道中流动。拆卸方便、适宜含有易污染物的流体换热。体换热。135 5、螺旋板式换热器、螺旋板式换热器 换热表面由两块金属板卷制而成，冷、热流体在螺旋状的换热表面由两块金属板卷制而成，冷、热流体在螺旋状的通道中流动。换热效果好、换热器的密封困难。通道中流动。换热效果好、换热器的密封困难。14（2 2）提高换热器紧凑性的途径）提高换热器紧凑性的途径 提高换热器的紧凑程度，以缩小体积、减轻重量是换热器提高换热器的紧凑程度，以缩小体积、减轻重量是换热器研究的重要目标。研究的重要目标。a a、减小管径减小管径；b b、采用、

7、采用板式结构板式结构；c c、采用各种、采用各种肋化表面肋化表面（扩展表面）；（扩展表面）；d d、采用、采用丝网状材料丝网状材料。 还应考虑流动阻力、换热表还应考虑流动阻力、换热表面结垢与污染可能性、制造成本面结垢与污染可能性、制造成本等。等。159.3 9.3 换热器中传热过程平均温差的计算换热器中传热过程平均温差的计算（1 1）简单顺、逆流换热器平均温差的计算）简单顺、逆流换热器平均温差的计算1 1、顺流换热器、顺流换热器 当利用传热方程式当利用传热方程式来计算整个传热面上的来计算整个传热面上的热流量时，必须使用整热流量时，必须使用整个传热面积上的平均温个传热面积上的平均温差（或称平均温

8、压），差（或称平均温压），记为记为mtmkA t 16假设：假设：（1）冷、热流体的质量流量）冷、热流体的质量流量及比热容在整个换热面上都是及比热容在整个换热面上都是常量；常量；（2）传热系数在整个换热面）传热系数在整个换热面上不变；上不变；（3）换热器无散热损失；）换热器无散热损失；（4）换热面中沿管子轴向的）换热面中沿管子轴向的导热量可以忽略不计。导热量可以忽略不计。172 2、逆流换热器、逆流换热器 无论顺流、逆流，平均温差无论顺流、逆流，平均温差统一计算式为：统一计算式为：maxmintttt、分 别 代 表 和 两 者 中 之 大 者 和 小 者 。mt又称为对数平均温差。又称为对数

9、平均温差。18（2 2）不同流动布置形式的比较）不同流动布置形式的比较 在相同的进、出口温度条件下，逆流的平均温差最大，顺在相同的进、出口温度条件下，逆流的平均温差最大，顺流的平均温差最小。然而，逆流布置时，热流体和冷流体的最流的平均温差最小。然而，逆流布置时，热流体和冷流体的最高温度集中在换热器的同一端，使得该处的壁温特别高。高温度集中在换热器的同一端，使得该处的壁温特别高。 对于工程上常见的流经蛇形管束的传热，只要管束的曲折对于工程上常见的流经蛇形管束的传热，只要管束的曲折次数超过次数超过4 4次，就可按总体流动方向作为纯逆流和纯顺流来处次，就可按总体流动方向作为纯逆流和纯顺流来处理。理。

10、19解：根据热平衡关系计算出热流体的出口温度，然后按照顺解：根据热平衡关系计算出热流体的出口温度，然后按照顺流与逆流的方式布置，计算相应的平均温差。流与逆流的方式布置，计算相应的平均温差。例例9-4 9-4 在一台螺旋板式换热器中，热水流量为在一台螺旋板式换热器中，热水流量为2000kg/h2000kg/h，冷水，冷水流量为流量为3000kg/h3000kg/h；热水进口温度；热水进口温度 8080，冷水进口温度，冷水进口温度 1010 。如果要求将冷水加热到。如果要求将冷水加热到 3030 ，试求顺流和逆流时的，试求顺流和逆流时的平均温差。平均温差。1t2t2t1 1112222q()q()

11、mmc ttc tt在本题给定温度范围内，水的比热容在本题给定温度范围内，水的比热容c1=c2=4200J/(kg Kc1=c2=4200J/(kg K）20 逆流布置比顺流时平均温差大逆流布置比顺流时平均温差大12.3%12.3%，说明，在同样的传，说明，在同样的传热量和同样的传热系数下，只要将顺流系统改成逆流系统，就热量和同样的传热系数下，只要将顺流系统改成逆流系统，就可以减少可以减少12.3%12.3%的换热面积。的换热面积。219.4 9.4 热量传递过程的控制（强化与削弱）热量传递过程的控制（强化与削弱） 传热强化的研究主要集中在对流传热与辐射传热；而传递传热强化的研究主要集中在对流

12、传热与辐射传热；而传递过程的削弱主要通过导热环节来进行。过程的削弱主要通过导热环节来进行。强化传热强化传热：是指增加热传递过程的传热量。：是指增加热传递过程的传热量。 增加传热面积增加传热面积、增加传热温差增加传热温差及及增加传热系数增加传热系数或或对流传对流传热系数热系数都可以增加传递的热量。都可以增加传递的热量。12111khh1/ ()tAk 设法减少最设法减少最大热阻大热阻22（1 1）强化传热技术的分类）强化传热技术的分类1 1、从固体侧着手与从流体侧着手的角度来分类从固体侧着手与从流体侧着手的角度来分类 可从改变固体表面的结构可从改变固体表面的结构/ /形状入手，也可以从改变流体的

13、形状入手，也可以从改变流体的运动状态或所受到外力场入手，前者如各种表面换热的表面，运动状态或所受到外力场入手，前者如各种表面换热的表面，后者如流体中的插入物以及给流体施加电场、磁场等方法。后者如流体中的插入物以及给流体施加电场、磁场等方法。2 2、从有否使用外部动力源的角度来分类从有否使用外部动力源的角度来分类强化技术分为强化技术分为有源技术有源技术和和无源技术无源技术。 无源技术又称无源技术又称被动技术被动技术，是指除了输送传热介质的功率外，是指除了输送传热介质的功率外不再需要附加动力的技术；有源技术又称不再需要附加动力的技术；有源技术又称主动技术主动技术，指需要额，指需要额外的动力（如机械

14、力、电磁力等）的技术。外的动力（如机械力、电磁力等）的技术。23 无源技术无源技术包括：包括：（1 1）表面涂层表面涂层，在沸腾换热表面上增加细小多孔层，以强化沸，在沸腾换热表面上增加细小多孔层，以强化沸腾换热，在冷凝面上涂以非湿润物质以形成部分珠状凝结等；腾换热，在冷凝面上涂以非湿润物质以形成部分珠状凝结等；（2 2）粗糙表面粗糙表面，对于单相介质，粗糙表面可以增强流体中的扰，对于单相介质，粗糙表面可以增强流体中的扰动与混合，对于沸腾，可增加汽化核心；动与混合，对于沸腾，可增加汽化核心；（3 3）扩展表面扩展表面，如设置各种肋片；，如设置各种肋片；（4 4）各种内外螺纹管各种内外螺纹管，增加

15、面积与流体的扰动来强化换热；，增加面积与流体的扰动来强化换热；（5 5）扰流原件扰流原件，插入管内加强流体的扰动与混合的附件；，插入管内加强流体的扰动与混合的附件；（6 6）添加物添加物，在流体中掺入少量异种物质小颗粒来强化换热；，在流体中掺入少量异种物质小颗粒来强化换热；（7 7）冲击传热冲击传热，将一股冷气流对着被冷却表面冲击。，将一股冷气流对着被冷却表面冲击。24252627 有源技术有源技术包括：包括：（1 1）对换热介质进行机械搅拌对换热介质进行机械搅拌；（2 2）使换热面发生振动使换热面发生振动；（3 3）使换热流体作振荡流动使换热流体作振荡流动；（4 4）将电磁场作用于流体将电磁

16、场作用于流体；（5 5）将异种或同种流体喷入换热借介质或从换热表面抽走将异种或同种流体喷入换热借介质或从换热表面抽走；28按发展的历史分类：按发展的历史分类： 对于无相变的对流传热，凡是能减薄边界层、增加流体的对于无相变的对流传热，凡是能减薄边界层、增加流体的扰动、促使流体中各部分混合以及增加固体壁面上的速度梯度扰动、促使流体中各部分混合以及增加固体壁面上的速度梯度的措施都能强化传热。的措施都能强化传热。强化沸腾传热强化沸腾传热的有效措施是的有效措施是增加固体壁增加固体壁面上的汽化核心面上的汽化核心，膜状凝结膜状凝结则要则要减薄形成的液膜厚度减薄形成的液膜厚度。29（2 2）隔热保温技术）隔热保温技术使用导热系数小的各种绝热材料来削弱导热过程。使用导热系数小的各种绝热材料来削弱导热过程。 高于环境温度的热力设备与管道的保温多采用无机的绝热高于环境温度的热力设备与管道的保温多采用无机的绝热材料材料（1 1）多孔型绝热材料，如微孔硅酸钙；（）多孔型绝热材料，如微孔硅酸钙；（2 2）纤维型绝热）纤维型绝热材料，如岩棉；（材料，如岩棉；（3 3）粒状绝热材料，如膨胀珍珠岩。）粒状绝热材料，如膨胀珍珠岩。 低于环境温度的工质和容器，关键在于防止外界热量的传低于环境温度的工质和容器，关键在于防止外界热量的传入入，材料为聚苯乙烯泡沫塑料、硬质聚氨酯泡沫塑料、多层真，材料为聚