10. 传热过程与换热器的热计算201简化版ppt课件

1、第第1010章章 传热过程分析与传热过程分析与换热器热计算换热器热计算10.1 传热过程分析与计算传热过程分析与计算10.2 换热器的类型换热器的类型10.3 换热器中的传热计算换热器中的传热计算10.4 间壁式换热器的热设计间壁式换热器的热设计10.5 热量传递过程的控制热量传递过程的控制:10.1 10.1 传热过程分析与计算传热过程分析与计算10.1.1 10.1.1 通过平壁传热过程通过平壁传热过程2112111hhttAqNiiiffp传热方程传热方程p传热系数传热系数211111hhkNiii:10.1.2 10.1.2 通过圆筒壁的传热过程通过圆筒壁的传热过程p传热方程传热方程p

2、传热系数传热系数 1ln21111ooNjjjjiifofilhdddhdttlfofioottdk 1ln12111oNjjjjoiiofofiohdddhddttk【引申思考】增加保温层是否一定会起到减少散热的作用？【引申思考】增加保温层是否一定会起到减少散热的作用？:p临界热绝缘直径临界热绝缘直径hohioxoxxioiiRRRlhdddlddllhdRx 1ln21ln211n传热热阻传热热阻dxdxRRxRhoRRhi + Rdodcrdodcr:n临界热绝缘直径临界热绝缘直径0dd0ddxxddR或r2coxxdhd【物理意义】添加保温层后，增加还是降低散热的判据。【物理意义】添加

3、保温层后，增加还是降低散热的判据。n管道外表面管道外表面BiBixoohdBi: dodxdcr dodcrdx dcrdo1:p 加肋换热效果加肋换热效果ooiihhk1111肋化原则肋化原则肋片应加在表面传热系数小侧肋片应加在表面传热系数小侧p 肋化基本原则肋化基本原则:10.2 10.2 换热器的类型换热器的类型10.2.1 10.2.1 换热器的分类工作原理）换热器的分类工作原理）间壁式间壁式混合式混合式蓄热式蓄热式套套管管式式管管壳壳式式交交叉叉流流式式板板式式螺螺旋旋板板式式:10.2.2 10.2.2 间壁式换热器的主要型式间壁式换热器的主要型式p 套管式换热器套管式换热器顺流顺

4、流逆流逆流:outBT,side) (shell ,inBTside) (tube ,inAToutAT,1-1型型1-2型型side) (shell ,inBToutBT,side) (tube,inAToutAT,2-4型型p 管壳式换热器管壳式换热器:p交叉流换热器交叉流换热器管流管流叉流叉流带肋片，内外侧流体均不混合带肋片，内外侧流体均不混合管流管流叉流叉流不带肋片，单侧流体混合不带肋片，单侧流体混合:p板式换热器板式换热器:p螺旋板式换热器螺旋板式换热器:10.3 10.3 换热器中的传热计算换热器中的传热计算ihihhmthq,iciccmthq,ohohth,ococth, An

5、能量守恒方程能量守恒方程ohihhmhhq,icoccmhhq,n传热方程传热方程mtkA10.3.1 10.3.1 换热器计算基本公式换热器计算基本公式 :n能量守恒方程能量守恒方程ohihhphmttcq,icoccpcmttcq,n传热方程传热方程mtkA10.3.2 10.3.2 换热器传热平均温差换热器传热平均温差p 无相变顺流问题无相变顺流问题xAchttAk0dxAchmttAAt0d1ihhhmtcq,icccmthq,oht,oct,dxhhphmtcqdd,chphmtcqdd,AttkchddAxxdA:n对数平均温差理论推导对数平均温差理论推导【1 1】传热方程角度】传

6、热方程角度AtkAttkxxchddd【2 2】能量守恒角度】能量守恒角度hhphmtcqdd,chphmtcqdd,tcqcqcpcmhphmdd11d,Akttdd【3 3】温差分布】温差分布xixkAttexpihhhmtcq,icccmthq,oht,oct,dxAxxdA:【4 4】对数平均温差】对数平均温差xixkAttexpkAttiolnAxmtAAt0d1xixkAttexpioinolmtttttlnihhhmtcq,icccmthq,oht,oct,dxAxxdA:p 无相变逆流问题与顺流问题的无相变逆流问题与顺流问题的异同异同p顺逆流式换热器对数平均温差通式顺逆流式换热

7、器对数平均温差通式minmaxminmaxlntttttlmxT【1】12xT【2】21n tc,o tc,o可以超过可以超过th,oth,on tlm,CF tlm,CF tlm,PFtlm,PF:【例题】要求某套管式换热器热流体从【例题】要求某套管式换热器热流体从120冷却到冷却到60，而冷流体由而冷流体由40 加热到加热到80 ，试分析其对数平均温差。，试分析其对数平均温差。【分析】关键是判断换热器的流动方向【分析】关键是判断换热器的流动方向:p特殊运行情况特殊运行情况【1】qm,hcp,hqm,c,cp,c或者或者qm,hcp,h【2】qm,ccp,cqm,h,cp,h或者或者qm,c

8、cp,c【3】逆流，】逆流，qm,ccp,c=qm,h,cp,h t1= t2 = tlmxT【1】12xT【2】21xT【3】12p复杂布置复杂布置ctfmmtt)( 22112122,ttttRttttPRPf流动型式:p 污垢热阻污垢热阻011kkRfp 考虑污垢和肋片的总传热系数考虑污垢和肋片的总传热系数oofowioifiRhRAARhk111110.3.3 10.3.3 换热器总传热系数换热器总传热系数p 威尔逊图解法威尔逊图解法:【步骤解析】管壳式换热器，常物性，管内为旺盛湍流。【步骤解析】管壳式换热器，常物性，管内为旺盛湍流。fowioifRhRddhRkk11110bumbd

9、duckiioii8 .08 .00111【1 1】hihi的确的确定定【2 2】hoho的确的确定定woRbh11【3 3】Rf Rf 的确定的确定2b1bmarctan211k8 . 0uOfRbRf:10.4 10.4 间壁式换热器的热设计间壁式换热器的热设计10.4.1 10.4.1 设计类型与设计方法设计类型与设计方法n 设计计算设计计算n 校核计算校核计算k、A、qm1 c1 、qm2 c2 、t1、t1”、t2、t2”p 热计算参量热计算参量p 设计类型设计类型 p 设计方法设计方法n平均温差法平均温差法n-NTU-NTU法法:10.4.2 10.4.2 平均温差法平均温差法p

10、设计计算步骤设计计算步骤n 确定未知温度；确定未知温度；n 初步布置换热面，确定初步布置换热面，确定tlm;n 确定确定k；n 确定确定A；n 核算流动阻力。核算流动阻力。 直接应用传热方程和热平衡方程进行热计算方法。直接应用传热方程和热平衡方程进行热计算方法。:p 校核计算步骤校核计算步骤n 假设一侧流体出口温度，根据热平衡方程确定另一假设一侧流体出口温度，根据热平衡方程确定另一个出口温度；个出口温度；n 计算计算tlm；n 确定相应工况下的确定相应工况下的k；n 根据传热方程计算根据传热方程计算ht ；n 根据热平衡方程计算根据热平衡方程计算hb；n 计算计算hb与与 ht 相对偏差，并重

11、复上述步骤，直至相对偏差，并重复上述步骤，直至满足精度要求。满足精度要求。:10.4.3 10.4.3 效能效能- -传热单元法传热单元法p 相关定义相关定义n 理论最大换热量理论最大换热量 maxmaxn 效能效能)()(21minmaxttcqm21max)(tttt 21minmaxttcqm, ,21ttf 根据根据与与NTU间的关系来进行热计算的方法。间的关系来进行热计算的方法。max21minmaxmin)()()()( ttcqttcqmm:n 热容量比热容量比C Cn 传热单元数传热单元数NTUNTUmaxmin)()(Ccqcqmmmin)(NTUcqkAmn 与与C、NTU

12、之间的关系之间的关系CNTUf,参见参见P486-490CfNTU,设计计算设计计算校核计算校核计算:n 由热平衡式确定待定由热平衡式确定待定 的温度；的温度；n 初步布置换热面并计算初步布置换热面并计算k；n 由由4个进出口温度确定个进出口温度确定；n 根据根据 计算计算NTU，进而获得，进而获得kA，确定，确定A；n 核算换热面流体的流动阻力核算换热面流体的流动阻力,修正与优化换热器布置与型式。修正与优化换热器布置与型式。p 设计计算步骤设计计算步骤:n 假定一出口温度并根据热平衡式确定另一温度；假定一出口温度并根据热平衡式确定另一温度；n 根据进出口温度确定流体物性参数；根据进出口温度确

13、定流体物性参数；n 结合换热器结构，计算结合换热器结构，计算k；n 根据根据kA，计算，计算NTU ；n 根据根据NTU 确定确定；n 根据根据=(qmc)min(t1-t2)计算计算；n 根据传热方程式计算出传热量根据传热方程式计算出传热量”；n 计算计算hb与与 ht 相对偏差，并重复上述步骤，直至满足精相对偏差，并重复上述步骤，直至满足精度要求。度要求。p 校核计算步骤校核计算步骤:10.5 10.5 传热强化与隔热保温技术传热强化与隔热保温技术10.5.1 10.5.1 传热的强化传热的强化tkA专注于主要矛盾即热阻大的环节进行强化。专注于主要矛盾即热阻大的环节进行强化。n强化传热主要

14、集中在对流及辐射区域，尤其是对流区域。强化传热主要集中在对流及辐射区域，尤其是对流区域。n本节重点探讨减小对流换热热阻，强化对流区域换热的途径本节重点探讨减小对流换热热阻，强化对流区域换热的途径:p从影响对流换热的因素来考虑从影响对流换热的因素来考虑p改变流体流动状况，破坏边界层或增加扰动；改变流体流动状况，破坏边界层或增加扰动；p改变换热面的几何形状、尺寸及表面状况；改变换热面的几何形状、尺寸及表面状况；p改变流体物性。改变流体物性。p从对流换热实验规律来考虑以管内湍流换热为例）从对流换热实验规律来考虑以管内湍流换热为例）nffNuPrRe023. 08 . 02 . 08 . 08 . 0

15、8 . 01023. 0duchnnnpp从影响对流换热过程的物理机制来考虑从影响对流换热过程的物理机制来考虑n 无相变的对流换热无相变的对流换热n 沸腾换热沸腾换热n 凝结换热凝结换热:p 从是否有附加驱动力来考虑从是否有附加驱动力来考虑p无源技术无源技术( (被动技术被动技术) )p 涂层表面；粗糙表面涂层表面；粗糙表面( (图图10-37)10-37)；扩展表面；扩展表面( (图图10-3810-38，10-39)10-39)；扰流元件；涡流发生器；扰流元件；涡流发生器( (图图10-41) 10-41) ；螺旋管螺旋管( (图图10-40) 10-40) ；添加物；添加物； 射流冲击换

16、热射流冲击换热p有源技术有源技术( (主动式技术主动式技术) )p 对换热介质做机械搅拌；使换热表面振动；使对换热介质做机械搅拌；使换热表面振动；使换热流体振动；将电磁场作用于流体以促使换热表面附近流换热流体振动；将电磁场作用于流体以促使换热表面附近流体的混合；将异种或同种流体喷入换热介质或将流体从换热体的混合；将异种或同种流体喷入换热介质或将流体从换热表面抽吸走。表面抽吸走。:10.5.2 10.5.2 隔热保温技术隔热保温技术p 隔热保温措施隔热保温措施p 采用导热系数很小的绝热材料；采用导热系数很小的绝热材料； p 采用抽真空减小对流换热的同时，采用遮热罩等措施增采用抽真空减小对流换热的

17、同时，采用遮热罩等措施增加辐射热阻。加辐射热阻。 传热的削弱主要集中在降低导热热阻和辐射热阻方面。传热的削弱主要集中在降低导热热阻和辐射热阻方面。p 保温效率保温效率（热力管道）（热力管道）%10000 xp 传热削弱原则传热削弱原则通过增加传热过程的分热阻以减小传热量。通过增加传热过程的分热阻以减小传热量。:【例题【例题1 1】 在采用热电偶测高温烟气时，如何减少测试误差？在采用热电偶测高温烟气时，如何减少测试误差？p 普通型热电偶工作原理普通型热电偶工作原理441111wfTTTTh414111TThTTwfwT1,hTfn 物理模型物理模型1Tn 数学表述数学表述n 测试误差测试误差【引

18、申思考【引申思考1】如何减少测试误差】如何减少测试误差？:p 加遮热罩式热电偶工作原理加遮热罩式热电偶工作原理4433312wfTTTThwT1,hTfn 物理模型物理模型n 数学表述数学表述11,T33,T遮热罩遮热罩热电偶热电偶4341111TTTThf:【例题【例题2 2】 中温辐射时物体黑度的测试中温辐射时物体黑度的测试A1,1=1,T1A2,2,T2tfn 能量守恒方程能量守恒方程fbbTThAAXAAEE222221 , 22111121111fbbTThEE2212:【例题【例题2 2】 中温辐射时物体黑度的测试中温辐射时物体黑度的测试A1,1=1,T1A2,2,T2tffaababaTThEE, 2, 2, 1, 2fbbbbbbTThEE, 2, 2, 1, 2 4, 24, 14, 24, 1, 2, 2, 2aabbfbfaaTTTTTTTTn 比较法比较法【1】待测试样2,a【2】参考试样2,b=1:【例题【例题3 3】 薄壁套管式相变水薄壁套管式相变水水蒸气换热器，通水蒸气换热器，通过改变空气流量，获得一系列流体与壁面进出口测量值，过改变空气流量，获得一系列流体与壁面进出口测量值，获得换热器的热负荷、传热系数，流体的对流传热系数获得换热器的热负荷、传热系数，流体