传热分析与热交换器计算实用教案

1、12022-7-71、 通过平壁的传热过程(guchng)计算212111)(AhAAhttff21111hhkW/（m2K）说明： h1和 h2的计算采用对流传热表面传热系数计算公式； 涉及辐射(fsh)时对流换热系数采用复合换热表面传热系数 htrcthhh214241)(TTTThr343434rcthhh大容器膜态沸腾：(9-33)(7-22)辐射表面传热系数：(7-23)(9-34)第1页/共38页第一页，共39页。22022-7-7hiho热阻分析法适用范围：一维、稳态、无内热源(ryun)1hiiiRld hlddRio2)ln( ooholdhR1111ln()2()()()f

2、ifooiiioofifooofifoiififottdh ldldhldkA ttkd l ttkd l tt oiooiioohddddhdk1)ln(2111ln()2iioiiiookdddhdh d以圆管内侧面积(min j)为基准(2-31)热流(rli)密度 qconst？2、 通过圆筒壁的传热过程计算以圆管外侧面积为基准(常用）第2页/共38页第二页，共39页。32022-7-7稳态、无内热源(ryun)情况下：热流量const肋侧总面积AoA1+A2其中(qzhng)A1为肋间平壁面积12311fiwiiitth A wiwoittA 12()()1owofoofwofowo

3、fooooh A tthA tttthA ofoAAA)(2123肋面总效率(xio l)：肋效率肋片实际散热量3、 通过肋壁的传热过程计算第3页/共38页第三页，共39页。42022-7-7123+)()(11fofiiffofiofoooiiifofittAkttAkAhAAhtt工程应用(yngyng)以光侧面积Ai为基准：ooifhhk1111ioAA肋化系数(xsh)：oihhk111未加肋片的平壁：传热面积(min j)增加，肋侧热阻减小肋片强化传热的机理ooohh11第4页/共38页第四页，共39页。52022-7-7通过(tnggu)圆管肋壁的传热ooioiifofiAhddl

4、Ahtt1)ln(211圆管壁(un b)oooioiifofiAhddlAhtt1)ln(211ofoAAA)(21肋面总效率(xio l)：圆管肋壁 圆管加肋后虽然由于do的增加使得导热热阻增加，但是由于肋片导热系数较大，且肋片增加的面积十分大，所以总热阻仍然显著降低。第5页/共38页第五页，共39页。62022-7-7 圆管外加保温层与圆管外加肋壁形式上一致(yzh)，均减小了对流换热热阻，而增加了导热热阻。圆管外加保温层后强化 or 削弱换热取决于减小的对流(duli)换热热阻与增加的导热热阻的平衡。判断依据：临界(ln ji)热绝缘直径 dcr odohidodidihfotiftl

5、1)ln(211)(0odddocrhd2 平壁加保温层总是使热阻增加，散热量减小。球壁加保温层也存在临界热绝缘直径。3、通过圆管外加保温层的传热计算0000dcrdddcrdd200dh又0202dBidBi管外径Bi数为2第6页/共38页第六页，共39页。72022-7-7换热器（热交换器）：用来使热量从热流体(lit)传递到冷流体(lit)，以满足规定 的工艺要求的装置。1、换热器的分类（按工作(gngzu)原理）10.2换热器的类型(lixng) 间壁式混合式蓄热式套管式管壳式交叉流式板式螺旋板式管束式管翅式板翅式第7页/共38页第七页，共39页。82022-7-7混合式换热器：冷、热

6、流体介质直接接触，相互(xingh)混合实现换热。 特点： 直接接触混合；传热传质同时进行；要求冷热流体互不相溶、易分离。 应用： 电站冷却塔、喷淋室、化工洗涤塔等。混合式换热器-冷却塔蓄热式换热器：冷、热流体介质交替流过换热表面而实现换热。特点： 冷热流体交替流过；传热过程非稳态；一般气体介质。应用：空气分离器、高炉(gol)、平炉等用来预热、预冷空气。第8页/共38页第八页，共39页。92022-7-7间壁(jinb)式换热器：冷、热流体介质由壁面隔开，通过间壁(jinb)实现换热。特点：冷热流体互不接触；按照流动方向分为顺流、逆流和交叉流。套管(to un)式换热器（double-pip

7、e heat exchanger）顺流(shn li) 逆流 2、间壁式换热器的主要形式 最简单的一种间壁式换热器，流体有顺流和逆流两种，适用于传热量不大或流体流量不大的情形。第9页/共38页第九页，共39页。102022-7-7管壳式换热器(shell and tube heat exchanger)1-2型管壳换热器（壳程数-管程数） 壳程数 : 壳侧流体流经壳体的个数；管程数 : 管内流体流动方向的改变(gibin)次数+1。（图10-9）为何(wih)加挡板？ 最主要的一种(y zhn)间壁式换热器。传热面由管束组成，管子两端固定在管板上，管束与管板再封装在外壳内。两种流体分管程和壳程

8、。扫描图10-8 10-9第10页/共38页第十页，共39页。112022-7-7新型(xnxng)管壳式换热器：螺旋折流板换热器、折流杆换热器。常规的垂直折流板换热器阻力(zl)大、容易结垢。第11页/共38页第十一页，共39页。122022-7-7交叉流换热器：间壁式换热器的又一种主要形式。其主要特点是冷热流体呈交叉状流动。交叉流换热器又分管束(gunsh)式、管翅式、管带式、板翅式等。交叉(jioch)流换热器(cross flow heat exchanger)第12页/共38页第十二页，共39页。132022-7-7板式换热器：由一组几何结构相同的平行薄平板叠加所组成，冷热流体间隔地

9、在每个通道中流动，其特点是拆卸(chixi)清洗方便，故适用于含有易结垢物的流体。板式(bnsh)换热器(plate heat exchanger)第13页/共38页第十三页，共39页。142022-7-7螺旋板式换热器：换热表面由两块金属板卷制而成。优点：换热效果好，缺点：密封比较(bjio)困难。螺旋(luxun)板式换热器(spiral plate heat exchanger)第14页/共38页第十四页，共39页。152022-7-7第十九讲 换热器设计及热量(rling)控制教学过程(guchng)： 5分钟左右上节复习、提问；本节内容（讲解、提问） ；本节总结10.3 换热器传热过

10、程(guchng)平均温度的计算教学目的及要求 掌握热量控制的方法； 了解换热器的热设计。平均温差tm： 回顾 P.246 恒壁温下管内强制对流换热换热量的计算mtkAWHY?第15页/共38页第十五页，共39页。162022-7-7HotColdt平均温差的推导（基本假设）：冷热流体的质量流量、比热容以及(yj)传热系数都是常数；换热器无散热损失（热流体放热冷流体吸热）；忽略换热面流动方向导热。当地(dngd)温差随局部换热面积的变化)(xxAft 沿整个换热面积进行(jnxng)积分平均平均温差的推导（基本思路）：xx01t dAAmtA第16页/共38页第十六页，共39页。172022-

11、7-7平均温差的推导(tudo)-热平衡法： 套管式换热器顺流 HotCold逆流 HotCold2121tttttt 2121tttttt 第17页/共38页第十七页，共39页。182022-7-7进、出口流体温差中之小者 算术平均温差2tminmaxttm进、出口流体温差中之大者 算术平均温差相当于冷热流体沿程温度线性变化(binhu)（红色线）顺流 HotCold对数平均温差minmaxminmaxtlnttttm进、出口流体温差中之大者 进、出口流体温差中之小者 对数平均温差：冷热流体温度曲线间面积。相同进出口温度下：顺流的平均温差最小，逆流的平均温差最大；尽量采用(ciyng)逆流布

12、置第18页/共38页第十八页，共39页。192022-7-7对数(du sh)平均温差与算术平均温差 对数平均温差，局部温差在面积(min j)上的积分；算术平均温差，流体温度线性变化时的平均值，大于对数平均值。 对数平均温差假定。一般成立，不成立则把换热器分割成若干段。 扫描图10-22第19页/共38页第十九页，共39页。202022-7-7间壁式换热器换热量计算中平均(pngjn)温差的计算：套管式、板式、螺旋板式换热器：直接用对数平均(pngjn)温差。（注意顺流、逆流）管壳式、交叉流式换热器：ctfmmtt)(逆流布置时的对数(du sh)平均温差小于1 的修正(xizhng)系数c

13、tf : counter-flow 表示了某种流动型式接近逆流的程度，一般设计要求 0.9。其取决于两个无量纲参数扫描图10-23 10-26分别给出了管壳式换热器和交叉流式换热器的 。12122ttttP2211ttttR第20页/共38页第二十页，共39页。212022-7-7换热器的热计算类型设计计算(计算换热面积)校核计算(计算流量、进出口温度)10.4 间壁式换热器的热计算(j sun)mtkA)()(22221111ttcqttcqmm 换热器热计算(j sun)基本方程：传热方程式，热平衡方程式设计(shj)计算：Akttttcmqcmq,32,2,1,14 ,22,11求个中的

14、个已知 校核计算：可由已知条件计算出来求已知kttttcmqcmqA,2,1,2,1,2,2,11, 第21页/共38页第二十一页，共39页。222022-7-7换热器的热计算方法平均温差法(LMTD)效能-传热单元数法(-NTU)10.4 间壁式换热器的热计算(j sun)第22页/共38页第二十二页，共39页。232022-7-7已知： 6个变量中的5个求：kA计算步骤：1. 选择换热器型式，初步布置换热面，并计算总传热(chun r)系数 k；2. 根据给的条件，由热平衡方程求出6个变量中未知的1个，以及传热(chun r)量；3. 利用对数平均温差计算所选型式换热器的对数平均温差（ 0

15、.8 ）；4. 利用对流传热(chun r)方程计算传热(chun r)面积A；5. 校核流动阻力。22112211,ttttcqcqmm LMTD 设计(shj)计算1、 平均(pngjn)温差法LMTDminmaxminmaxtlnttttm第23页/共38页第二十三页，共39页。242022-7-7对数(du sh)平均温差3已知： ， 两者之一， 两者之一求：另外两个温度计算步骤：1. 假设其中一个未知温度，由热平衡方程计算另外一个未知温度及传热量；2. 利用对数平均温差(wnch)计算所选型式换热器的对数平均温差(wnch)；3. 利用对流传热方程计算传热量；4. 步骤1得到的传热量

16、计算步骤4的传热量，重新假定温度迭代；5. 步骤1，4传热量偏差 25，OK！2211,cqcqkAmmLMTD 校核(xio h)计算),(21tt),(21tt 平均温差法LMTDminmaxminmaxtlnttttm第24页/共38页第二十四页，共39页。252022-7-7换热器的效能(xionng)：换热器的实际换热效果与最大可能的换热效果之比。1)()(22221111ttcqttcqmm 实际(shj)换热量：理想换热器最大可能的换热量：热容量小的流体出口温度另一种(y zhn)流体的入口温度2211cqcqmm21tt )(2111maxttcqm1122cqcqmm12tt

17、 )(2122maxttcqm)()(21minmaxttcqm1221max21min222221min1111)()()(ttttttcqttcqttcqttcqmmmm 分母：冷热流体的进口温差； 分子：冷热流体进出口温差中的大者2、 平均温差法LMTD效能-传热单元数法 -NTU第25页/共38页第二十五页，共39页。262022-7-7基于-NTU法的实际(shj)换热量：)()(21minttcqm只需冷热流体(lit)的进口温差maxminmaxmin)()(1)()(1NTUexp1cqcqcqcqmmmmmaxminmaxminmaxmin)()(1NTUexp)()(1)(

18、)(1NTUexp1cqcqcqcqcqcqmmmmmm如何(rh)计算？顺流逆流min)(NTUcqkAm传热单元数两种特殊情况：有相变；冷热流体qmc相等。第26页/共38页第二十六页，共39页。272022-7-7基于-NTU法的设计(shj)计算已知： 4个温度(wnd)中的3个求：kA计算步骤：1. 选择换热器型式，初步布置换热面，并计算总传热系数 k；2. 由热平衡方程计算未知的温度(wnd)，计算；3. 查图得到NTU；4. 根据NTU定义计算换热面积A；5. 校核流动阻力。),( ,22112211ttttcqcqmm min)(NTUcqkAm第27页/共38页第二十七页，共

19、39页。282022-7-7基于(jy)-NTU法的校核计算已知：求：计算步骤(bzhu)：1. 假定出口温度，计算总传热系数 k；2. 计算NTU；3. 查图得到；4. 根据 计算换热量；5. 由 计算出口温度；6. 迭代计算至传热量偏差25，OK！212211,ttcqcqkAmm21,tt min)(NTUcqkAm)()(21minttcqm)()(22221111ttcqttcqmm 第28页/共38页第二十八页，共39页。292022-7-7-NTU法与LTMD法的比较(bjio)：校核计算中均需要假设温度。-NTU法假设的出口温度对传热量的影响不是直接(zhji)的，而是通过定性

20、温度，影响总传热系数，从而影响NTU，并最终影响 值。而平均温差法的假设温度直接(zhji)用于计算 值，显然-NTU法对假设温度没有平均温差法敏感，这是该方法的优势。LMTD法可以计算，从而简便有效的评估换热器不同流动型式的优劣。制冷低温行业一般用-NTU法，电站锅炉行业一般用LMTD法。第29页/共38页第二十九页，共39页。302022-7-74、换热器的结垢(ji u)与污垢热阻换热器长期运行(ynxng)后换热面覆盖污垢层使得传热系数减小，效能下降。011kkRfk - 有污垢(wgu)后的换热面的传热系数；k0 -洁净换热面的传热系数m2K/W污垢热阻oofowioifiRhRAA

21、Rhk1111管壳式换热器单侧污垢热阻查表10-110-4；管壳式换热器双侧污垢后总传热系数（以外表面积Ao为基准）：第30页/共38页第三十页，共39页。312022-7-710-5 热量传递过程(guchng)的控制（强化与削弱）实质：一定温差下增加传热量，并减少金属消耗和阻力损失。目的：A,tm一定时增加 k来增加； ,tm一定时增加 k来减小A；重点：对流(duli)和辐射换热，特别是对流(duli)换热。传热(chun r)的强化传热的削弱（隔热保温）传热学mtkA实质：一定温差下增加热阻，减少传热量。目的：减小热量（冷量）损耗，节能（冰箱、空调）保持温度恒定，减小温度波动；提高低温

22、下外表面温度，避免结霜；防止温度不均匀引起的热应力；热工作环境下的人员隔热保温。重点：导热和辐射换热。采用k 很小的绝热材料，增加导热热阻；遮热罩增加辐射热阻，减小表面发射率。保温效率%9000 x重点第31页/共38页第三十一页，共39页。322022-7-7强化传热：增加(zngji)传热过程中的热量。 增加(zngji)传热系数 增加(zngji)传热面积 （肋片） 增加(zngji)温差 （逆流布置）强化(qinghu)传热的原则：针对传热环节中热阻最大的环节采取措施，一般均为对流换热热阻；传热过程中两侧流体对流换热系数差别大时，在h 小的一侧加肋片；传热过程中两侧流体的Ah 接近时，

23、可以同时采取强化(qinghu)措施（双侧强化(qinghu)管）；必须综合考虑强化(qinghu)传热的效果、流动阻力、经济性成本和运行费用等。强化传热的措施（从减小导热热阻和辐射热阻角度出发）：减小导热热阻（增加壁面导热系数(xsh)，减小壁厚）；减小污垢热阻（水处理、定期清洗）；减小辐射热阻（包括表面辐射热阻和空间辐射热阻，例如增加表面发射率）强化传热技术：在一定的温差和面积下，增加传热系数或对流传热系数。第32页/共38页第三十二页，共39页。332022-7-7强化传热的措施（从减小对流热阻的角度(jiod)出发）：单相对流换热：破坏和减薄边界层厚度，增加流动扰动和湍流度；凝结(nn

24、gji)换热：珠状凝结(nngji)、减薄液膜、加速液膜排出；沸腾换热：增加汽化核心数。对流(duli)换热的影响因素对流换热的实验关联式对流换热的物理机制流动状况：增加流速、强制对流、相变；换热面形状尺寸及表面状况：短管、小直径管、弯管、肋片管、增加表面粗糙度、改变表面涂层实现珠状凝结等；流体的物性：将风冷变为水冷、沸腾时水中加盐颗粒等。nfffNuPrRe023. 08 . 0),(4 . 08 . 04 . 06 . 02 . 08 . 0pcdufh圆管内强制对流充分发展段：第33页/共38页第三十三页，共39页。342022-7-7强化(qinghu)传热的具体方法：无源技术(被动技

25、术)：除了输送传热介质的功率消耗外，无需附加动力。涂层表面；粗糙表面(图10-37)；扩展表面(图10-38)；扰流元件(图10-40)；涡流发生器(图10-41) ；螺旋管(图10-41) ；添加物； 射流冲击换热。有源技术(主动式技术)：需要外加的动力。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(chu x)走。 总结：无相变的对流传热，减薄边界层、增加流体的扰动、促进流体中各部分混合以及增加固体壁面上的速度梯度。第34页/共38页第三十四页，共39页。352022-7-7威尔逊图解法确定传热过程(guchng)分热阻及污垢热阻：管壳式换热器（管内(un ni)流动为充分发展的旺盛湍流）：8 . 0iiiuch 8 . 01111uddcRRhkioifwoo总传热系数的倒数YbmX威尔逊图解法步骤：1. 保持(boch)b不变，改变内侧流体速度，测量得到ko，整理成曲线1；2. 由曲线1确定m，根据1式计算管内侧对流换热系数和内侧热阻；3. 保持(boch)mX