传热过程分析与换热器热计算

1、传热过程分析与换热器热计算第1页，共60页，2022年，5月20日，15点49分，星期一 10-1 传热过程的分析和计算 传热过程？ 基本计算式(传热方程式)？式中：K是传热系数(总传热系数)。对于不同的传热过 程，K的计算公式也不同。 本节将对通过平壁、圆筒壁的传热系数作进一步分析。肋壁是工程技术中广泛用来增强换热的金属壁面，本节将详细讨论通过肋壁的传热系数计算式，并对与此相关的临界换热绝缘直径作相应的分析。 第2页，共60页，2022年，5月20日，15点49分，星期一1 通过平壁的传热K的计算公式？说明： (1) h1和h2的计算；（2）如果计及辐射时对流换热系数应该采用等效换热系数(总

2、表面传热系数)单相对流：膜态沸腾：(8-24)(6-23) 由于平壁两侧的面积是相等的，因此传热系数的数值无论对哪一侧来说都是相等的。 2 通过圆管的传热 园管内外侧表面积不等，所以对内侧而言和对外侧而言的传热系数在数值上不同的。先分析管长为L的一段园管：见图(9-1)第3页，共60页，2022年，5月20日，15点49分，星期一hiho内部对流：圆柱面导热：外部对流：传热过程包括管内流体到管内侧壁面，管内侧壁面到管外侧壁面，管外侧壁面到管外流体三个环节。 第4页，共60页，2022年，5月20日，15点49分，星期一以外侧面积为基准的传热系数计算式： 工程计算都以管外侧面积为基准。 从热阻角

3、度考虑在分析时由于沿途的面积在变，必须用总面积的热阻。 在管内外侧积起各种污垢时，必须加上相应的污垢热阻。 第5页，共60页，2022年，5月20日，15点49分，星期一3 通过肋壁的传热 在换热系数较小的一侧采用肋壁是强化传热的一种有效的方法。下面以平壁为例分析肋侧总面积：稳态下换热情况：A1A2Ai肋面总效率第6页，共60页，2022年，5月20日，15点49分，星期一于是以肋侧面积A0为基准的肋壁传热系数为： 以光侧面面积Ai为基准的肋壁传热系数为： 第7页，共60页，2022年，5月20日，15点49分，星期一式中： 称为肋化系数，即加肋后的总表面积与该表面未加肋时的表面积之比。 1，

4、使外侧的热阻从 降到 ，从而使换热量Q增大。 应当注意，在工程传热计算中，为了表征一种强化表面相对于光滑表面的优越性，一般都以未加肋时的表面积(或胚管面积)作为计算总传热系数及热流量的面积。在对比各种肋片表面的传热性能时，必须对计算面积有清楚的了解。 第8页，共60页，2022年，5月20日，15点49分，星期一4 临界热绝缘直径(1)园管外加肋片(用于强化换热)与园管外加保热层(主要用于消弱传热)对总换热热阻的影响。 这一问题的回答取决于增加表面积后所引起的对流换热热阻减小的程度及导热热阻增加的程度的相对大小。 园管外加肋片增加了外表面积，在增加表面积(减少对流换热热阻)的同时也增加了导热热

5、阻。由于肋片都是用金属做成，导热系数很大，而且肋片所增加的换热面积的倍数较高，因而，对流换热热阻的减小量大于导热热阻的增加量。使总热阻明显降低(强化了换热)。 园管外加保温层时，由于保温材料的导热系数都很小，敷设保温层后换热面积的增加是由于简单地扩大直径而致，增加的幅度有限。因而一般是导热热阻的增加量大于对流换热热阻的减少量，使总热阻增加(消弱了传热)。 第9页，共60页，2022年，5月20日，15点49分，星期一 所以，表面上看来截然相反的两件事肋片强化换热、保温层消弱换热，其内部却有以上辨证的关系。(见图9-3)，而且在一定条件下肋片与保温层的作用还可能相互转化。见例题9-3(详细讲解讨

6、论：当绝缘层外经小于30mm时，增加绝缘层厚度非但不会消弱传热，反而会增加散热)。 以上例题说明，对于一组给定的 值来说，在某个d0值时散热量会出现最大值。 第10页，共60页，2022年，5月20日，15点49分，星期一(2)临界热绝缘直径的导出圆管外敷保温层后：可见，保温层使得导热热阻增加，换热削弱；另一方面，降低了对流换热热阻，使得换热赠强，那么，综合效果到底是增强还是削弱呢？这要看d/ddo2 和d2/ddo22的值第11页，共60页，2022年，5月20日，15点49分，星期一 可见，确实是有一个极值存在。这个散热量为最大值的临界直径称为临界热绝缘直径。也就是说，do2在do1 dc

7、r之间，是增加的，当do2大于dcr时， 降低。or 保温管道外表面的Bi数2时，增加保温层厚度可进一步减少热损失；若Bi数0.9，至于不小于0.8。如果达不到要求，则应改为其它的流动形式。第35页，共60页，2022年，5月20日，15点49分，星期一 10-4 换热器的热计算 换热器热计算分两种情况：设计计算和校核计算(1)设计计算：设计一个新的换热器，以确定所需的换热面积校核计算：对已有或已选定了换热面积的换热器，在非设 计工况条件下，核算他能否胜任规定的新任务。换热器热计算的基本方程式是传热方程式及热平衡式第36页，共60页，2022年，5月20日，15点49分，星期一式中， 不是独立

8、变量，因为它取决于 以及换热器的布置。另外，根据公式(9-15)可是，一旦 和 以及 中的三个已知的话，我们就可以计算出另外一个温度。因此，上面的两个方程中共有8个未知数，即需要给定其中的5个变量，才可以计算另外三个变量。对于设计计算而言，给定的是 ，以及进出口温度中的三个，最终求对于校核计算而言，给定的一般是 ， 以及2个进口温度，待求的是第37页，共60页，2022年，5月20日，15点49分，星期一换热器的热计算有两种方法：平均温差法 效能-传热单元数(-NTU)法平均温差法：就是直接应用传热方程和热平衡方程进行热 计算，其具体步骤如下：对于设计计算（已知 ，及进出口温度中的三个，求 ）

9、初步布置换热面，并计算出相应的总传热系数k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由冷热流体的4个进出口温度确定平均温差 计算时要保持修正系数具有合适的数值。 由传热方程式计算所需的换热面积A，并核算换热面两侧流体的流动阻力如果流动阻力过大，则需要改变方案重新设计。第38页，共60页，2022年，5月20日，15点49分，星期一对于校核计算（已知 ，及两个进口温度，求 ）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根据4个进出口温度求得平均温差根据换热器的结构，算出相应工作条件下的总传热系数k已知kA和 ，按传热方程式计算在假设出口温度下的根据4个进出口温度，用热平

10、衡式计算另一个 ，这个值和上面的 ，都是在假设出口温度下得到的，因此，都不是真实的换热量比较两个 值，满足精度要求，则结束，否则，重新假定出口温度，重复(1)(6)，直至满足精度要求。第39页，共60页，2022年，5月20日，15点49分，星期一2 效能-传热单元数法(1) 换热器的效能和传热单元数 换热其效能的定义是基于如下思想：当换热器无限长，对于一个逆流换热器来讲，则会发生如下情况 a 当 时， ，则 b 当 时， ，则于是，我们可以得到然而，实际情况的传热量q总是小于可能的最大传热量qmax，我们将q/qmax定义为换热器的效能，并用 表示，即第40页，共60页，2022年，5月20

11、日，15点49分，星期一对于一个已存在的换热器，如果已知了效能 和冷热流体的进口温差，则实际传热量可很方便地求出那么在未知传热量，之前， 又如何计算？和那些因素有关？以顺流换热器为例，并假设 ，则有根据热平衡式得：于是式， 相加：热容比第41页，共60页，2022年，5月20日，15点49分，星期一式代入下式得：+第42页，共60页，2022年，5月20日，15点49分，星期一当 时，同样的推导过程可得：上面的推导过程得到如下结果，对于顺流：当 时上面两个公式合并，可得：第43页，共60页，2022年，5月20日，15点49分，星期一换热器效能公式中的 依赖于换热器的设计， 则依赖于换热器的运

12、行条件，因此， 在一定程度上表征了换热器综合技术经济性能，习惯上将这个比值（无量纲数）定义为传热单元数NTU，即因此，与顺流类似，逆流时：第44页，共60页，2022年，5月20日，15点49分，星期一当冷热流体之一发生相变时，相当于 ，即 ，于是上面效能公式可简化为当两种流体的热容相等时，即 公式可以简化为顺流：逆流：第45页，共60页，2022年，5月20日，15点49分，星期一（ ，及两个进口温度，求 ）(2) 用效能-传热单元数法计算换热器的步骤a 设计计算 显然，利用已知条件可以计算出 ，而带求的k，A则包含在NTU内，因此，对于设计计算是已知 ，求NTU，求解过程与平均温差法相似，

13、不再重复b 校核计算 由于k事先不知，所以仍然需要假设一个出口温度，具体如下： 假设一个出口温度 ，利用热平衡式计算另一个 利用四个进出口温度计算定性温度，确定物性，并结合换热器结构，计算总传热系数k 利用k, A计算NTU（ ，及进出口温度中的三个，求 ）第46页，共60页，2022年，5月20日，15点49分，星期一 利用NTU计算 利用(9-17)计算，利用(9-14)计算另一个 比较两个，是否满足精度，否则重复以上步骤从上面步骤可以看出，假设的出口温度对传热量的影响不是直接的，而是通过定性温度，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用于计算 值，显然

14、-NTU法对假设温度没有平均温差法敏感，这是该方法的优势。第47页，共60页，2022年，5月20日，15点49分，星期一3 换热器设计时的综合考虑 换热器设计是综合性的课题，必须考虑出投资，运行费用，安全可靠等诸多因素。4 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，这种热阻成为污垢热阻，用Rf表示，式中：k为有污垢后的换热面的传热系数，k0为洁净换热面 的传热系数。第48页，共60页，2022年，5月20日，15点49分，星期一对于两侧均已结垢的管壳式换热器，以管子外表面为计算依据的传热系数可以表示成：如果管子外壁没有肋化，则肋面总效率o = 1。管壳式换热器的部分污垢热阻可以

15、在表9-1种查得。第49页，共60页，2022年，5月20日，15点49分，星期一 10-5 传热的强化和隔热保温技术强化传热的目的：缩小设备尺寸、提高热效率、保证设备安全削弱传热的目的：减少热量损失根据不同的需求，对于实际传热的传热过程，有时需要强化，有时则需要削弱。显然，根据不同的传热方式，强化和削弱传热的手段应该不同，本节主要针对对流换热过程的强化和削弱1 强化传热的原则和手段(1) 强化换热的原则：哪个环节的热阻大，就对哪个环节采取强化措施。举例：以圆管内充分发展湍流换热为例，其实验关联式为：第50页，共60页，2022年，5月20日，15点49分，星期一(2) 强化手段: a 无源技

16、术(被动技术) ；b 有源技术(主动式技术)a 无源技术(被动技术)：除了输送传热介质的功率消耗外，无需附加动力其主要手段有：涂层表面；粗糙表面(图9-28)；扩展表面(图9-29)；扰流元件(图9-30a)；涡流发生器(图9-30b) ；螺旋管(图9-30c) ；添加物； 射流冲击换热b 有源技术(主动式技术)：需要外加的动力其主要手段有：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走。第51页，共60页，2022年，5月20日，15点49分，星期一对换热器而言，随着强化措施的完善，污

17、垢热阻有时会成为传热过程的主要热阻，因此，需要给换热器的设计提供合理的污垢热阻的数据，这就需要实验测定，可是实验测出来的是总表面传热系数，那么如何将总的传热系数分成各个环节的热阻呢？下面的威尔逊图解法提供了一种有效途径2 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。这是威尔逊图解法的基础。 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。总表面传热系数可以表示成：第52页，共60页，2022年，5月20日，15点49分，星期一

18、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，hi 与流速u0.8成正比，因此，可以写成 的形式，带入上式：第53页，共60页，2022年，5月20日，15点49分，星期一如果能保持ho不变，Rw壁面的导热热阻不会变化，Rf在短时间内不会有大的改变，因此，上式右边的前三项可认为是常数，用 b 表示，物性不变的情况下， 可以认为是常数，用m表示，于是上式可变为改变管内流速u，则可以测得一系列的总表面传热系数，然后绘制成图，则是一条直线，如图(9-31)所示第54页，共60页，2022年，5月20日，15点49分，星期一从这个图中可以获得b，m，和ci，从而，管子内侧的对流换热系数这样就将

19、内部热阻从总传热系数中分离出来，然后，当换热器运行一段时间后，再进行同样过程的测量，可以获得另外一条曲线，则两条曲线截距之差就是污垢热阻，这样又把污垢热阻分离出来了。威尔逊图解法的前提是有一侧的换热热阻基本保持不变，有时候这格条件很难被满足，因此，后来人们提出了一种修正威尔逊图解法。第55页，共60页，2022年，5月20日，15点49分，星期一3 隔热保温技术(1) 需求背景(2) 高于环境温度的热力设备的保温多采用无机的绝热材料(3) 低于环境温度时，有三个档次的绝热材料可供选择， a 一般性的绝热材料；b 抽真空至10Pa的粉末颗粒热 材料；c 多层真空绝热材料。(4) 保温效率 0 单位长度裸管的散热量，W/m； x 单位长度包有厚x(单位：mm)保温材料的 管子的散热量，W/m第56页，共60页，2022年，5月20日，15点49分，星期一本章小结：换热器的定义、类型，及其各自的优缺点；不同表面的