传热分析与热交换器计算市公开课一等奖省赛课获奖课件

第十八讲传热过程分析及计算换热器类型教学过程：

5分钟左右上节复习、提问；本节内容（讲解、提问）；本节总结10.1传热过程分析和计算传热过程：热量由壁面一侧流体经过固体壁面传递到另一侧流体过程。

教学目标及要求

掌握传热过程计算；了解换热器结构。k以及冷热流体温差是计算关键k－总传热系数10/10/1传热分析与热交换器计算第1页1、经过平壁传热过程计算W/（m2·K）说明：h1和h2计算采取对流传热表面传热系数计算公式；

包括辐射时对流换热系数采取复合换热表面传热系数

ht大容器膜态沸腾：(9-33)(7-22)辐射表面传热系数：(7-23)(9-34)10/10/2传热分析与热交换器计算第2页hiho热阻分析法适用范围：一维、稳态、无内热源以圆管内侧面积为基准(2-31)热流密度q＝const？2、经过圆筒壁传热过程计算以圆管外侧面积为基准(惯用）10/10/3传热分析与热交换器计算第3页稳态、无内热源情况下：热流量＝const肋侧总面积Ao＝A1+A2其中A1为肋间平壁面积123123肋面总效率：肋效率肋片实际散热量3、经过肋壁传热过程计算10/10/4传热分析与热交换器计算第4页123++工程应用以光侧面积Ai为基准：肋化系数：未加肋片平壁：传热面积增加，肋侧热阻减小肋片强化传热机理10/10/5传热分析与热交换器计算第5页经过圆管肋壁传热圆管壁肋面总效率：圆管肋壁圆管加肋后即使因为do增加使得导热热阻增加，不过因为肋片导热系数较大，且肋片增加面积十分大，所以总热阻依然显著降低。10/10/6传热分析与热交换器计算第6页圆管外加保温层与圆管外加肋壁形式上一致，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减弱换热取决于减小对流换热热阻与增加导热热阻平衡。判断依据：临界热绝缘直径dcr

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、经过圆管外加保温层传热计算管外径Bi数为210/10/7传热分析与热交换器计算第7页换热器（热交换器）：用来使热量从热流体传递到冷流体，以满足要求工艺要求装置。1、换热器分类（按工作原理）10.2换热器类型

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10/10/8传热分析与热交换器计算第8页混合式换热器：冷、热流体介质直接接触，相互混合实现换热。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；普通气体介质。应用：空气分离器、高炉、平炉等用来预热、预冷空气。10/10/9传热分析与热交换器计算第9页间壁式换热器：冷、热流体介质由壁面隔开，经过间壁实现换热。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。套管式换热器（double-pipeheatexchanger）顺流逆流2、间壁式换热器主要形式最简单一个间壁式换热器，流体有顺流和逆流两种，适合用于传热量不大或流体流量不大情形。10/10/10传热分析与热交换器计算第10页管壳式换热器(shellandtubeheatexchanger)1-2型管壳换热器（壳程数-管程数）壳程数:壳侧流体流经壳体个数；管程数:管内流体流动方向改变次数+1。（图10-9）为何加挡板？最主要一个间壁式换热器。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。扫描图10-810-910/10/11传热分析与热交换器计算第11页新型管壳式换热器：螺旋折流板换热器、折流杆换热器。常规垂直折流板换热器阻力大、轻易结垢。10/10/12传热分析与热交换器计算第12页交叉流换热器：间壁式换热器又一个主要形式。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式、管翅式、管带式、板翅式等。交叉流换热器(crossflowheatexchanger)10/10/13传热分析与热交换器计算第13页板式换热器：由一组几何结构相同平行薄平板叠加所组成，冷热流体间隔地在每个通道中流动，其特点是拆卸清洗方便，故适合用于含有易结垢物流体。板式换热器(plateheatexchanger)10/10/14传热分析与热交换器计算第14页螺旋板式换热器：换热表面由两块金属板卷制而成。优点：换热效果好，缺点：密封比较困难。螺旋板式换热器(spiralplateheatexchanger)10/10/15传热分析与热交换器计算第15页第十九讲换热器设计及热量控制教学过程：

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换热器传热过程平均温度计算教学目标及要求

掌握热量控制方法；了解换热器热设计。平均温差Δtm：回顾P.246恒壁温下管内强制对流换热换热量计算WHY?10/10/16传热分析与热交换器计算第16页HotColdΔt平均温差推导（基本假设）：冷热流体质量流量、比热容以及传热系数都是常数；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。当地温差随局部换热面积改变沿整个换热面积进行积分平均平均温差推导（基本思绪）：10/10/17传热分析与热交换器计算第17页平均温差推导-热平衡法：套管式换热器顺流HotCold逆流HotCold10/10/18传热分析与热交换器计算第18页进、出口流体温差中之小者

算术平均温差进、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改变（红色线）顺流HotCold对数平均温差进、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：顺流平均温差最小，逆流平均温差最大；尽可能采取逆流布置10/10/19传热分析与热交换器计算第19页对数平均温差与算术平均温差对数平均温差，局部温差在面积上积分；算术平均温差，流体温度线性改变时平均值，大于对数平均值。对数平均温差假定。普通成立，不成立则把换热器分割成若干段。

扫描图10-2210/10/20传热分析与热交换器计算第20页间壁式换热器换热量计算中平均温差计算：套管式、板式、螺旋板式换热器：直接用对数平均温差。（注意顺流、逆流）管壳式、交叉流式换热器：逆流布置时对数平均温差小于1修正系数ctf:counter-flow

表示了某种流动型式靠近逆流程度，普通设计要求>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。10/10/21传热分析与热交换器计算第21页换热器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间壁式换热器热计算换热器热计算基本方程：传热方程式，热平衡方程式设计计算：校核计算：10/10/22传热分析与热交换器计算第22页换热器热计算方法平均温差法(LMTD)效能-传热单元数法(ε-NTU)10.4间壁式换热器热计算10/10/23传热分析与热交换器计算第23页已知：6个变量中5个求：kA计算步骤：1.选择换热器型式，初步布置换热面，并计算总传热系数k；2.依据给条件，由热平衡方程求出6个变量中未知1个，以及传热量；3.利用对数平均温差计算所选型式换热器对数平均温差（>0.8）；4.利用对流传热方程计算传热面积A；5.校核流动阻力。LMTD－设计计算1、平均温差法LMTD10/10/24传热分析与热交换器计算第24页对数平均温差3已知：，二者之一，二者之一求：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.利用对数平均温差计算所选型式换热器对数平均温差；3.利用对流传热方程计算传热量；4.步骤1得到传热量≠计算步骤4传热量，重新假定温度迭代；5.步骤1，4传热量偏差<2～5％，OK！LMTD－校核计算平均温差法LMTD10/10/25传热分析与热交换器计算第25页换热器效能ε：换热器实际换热效果与最大可能换热效果之比。ε<1实际换热量：理想换热器最大可能换热量：热容量小流体出口温度＝另一个流体入口温度12分母：冷热流体进口温差；分子：冷热流体进出口温差中大者2、平均温差法LMTD—效能-传热单元数法

ε-NTU10/10/26传热分析与热交换器计算第26页基于ε-NTU法实际换热量：只需冷热流体进口温差怎样计算？顺流逆流传热单元数两种特殊情况：有相变；冷热流体qmc相等。10/10/27传热分析与热交换器计算第27页基于ε-NTU法设计计算已知：4个温度中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温度，计算ε；3.查图得到NTU；4.依据NTU定义计算换热面积A；5.校核流动阻力。10/10/28传热分析与热交换器计算第28页基于ε-NTU法校核计算已知：求：计算步骤：1.假定出口温度，计算总传热系数k；2.计算NTU；3.查图得到ε；4.依据计算换热量；5.由计算出口温度；6.迭代计算至传热量偏差<2～5％，OK！10/10/29传热分析与热交换器计算第29页ε-NTU法与LTMD法比较：校核计算中均需要假设温度。-NTU法假设出口温度对传热量影响不是直接，而是经过定性温度，影响总传热系数，从而影响NTU，并最终影响值。而平均温差法假设温度直接用于计算值，显然-NTU法对假设温度没有平均温差法敏感，这是该方法优势。LMTD法能够计算Ψ，从而简便有效评定换热器不一样流动型式优劣。制冷低温行业普通用-NTU法，电站锅炉行业普通用LMTD法。10/10/30传热分析与热交换器计算第30页4、换热器结垢与污垢热阻换热器长久运行后换热面覆盖污垢层使得传热系数减小，效能下降。k-有污垢后换热面传热系数；k0-洁净换热面传热系数m2·K/W污垢热阻管壳式换热器单侧污垢热阻查表10-1～10-4；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）：10/10/31传热分析与热交换器计算第31页10-5热量传递过程控制（强化与减弱）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：A,Δtm一定时增加k来增加Φ；Φ,Δtm一定时增加k来减小A；重点：对流和辐射换热，特别是对流换热。传热强化传热减弱（隔热保温）传热学实质：一定温差下增加热阻，降低传热量。目标：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；提升低温下外表面温度，防止结霜；预防温度不均匀引发热应力；热工作环境下人员隔热保温。重点：导热和辐射换热。采取k很小绝热材料，增加导热热阻；遮热罩增加辐射热阻，减小表面发射率ε。保温效率重点10/10/32传热分析与热交换器计算第32页强化传热：增加传热过程中热量。①增加传热系数②增加传热面积（肋片）③增加温差（逆流布置）强化传热标准：针对传热步骤中热阻最大步骤采取办法，普通均为对流换热热阻；传热过程中两侧流体对流换热系数差异大时，在h小一侧加肋片；传热过程中两侧流体Ah靠近时，能够同时采取强化办法（双侧强化管）；必须综合考虑强化传热效果、流动阻力、经济性成本和运行费用等。强化传热办法（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λ，减小壁厚δ）；减小污垢热阻（水处理、定时清洗）；减小辐射热阻（包含表面辐射热阻和空间辐射热阻，比如增加表面发射率ε）强化传热技术：在一定温差和面积下，增加传热系数或对流传热系数。10/10/33传热分析与热交换器计算第33页强化传热办法（从减小对流热阻角度出发）：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；凝结换热：珠状凝结、减薄液膜、加速液膜排出；沸腾换热：增加汽化关键数。对流换热影响原因对流换热试验关联式对流换热物理机制流动情况：增加流速、强制对流、相变；换热面形状尺寸及表面情况：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；流体物性：将风冷变为水冷、沸腾时水中加盐颗粒等。圆管内强制对流充分发展段：10/10/34传热分析与热交换器计算第34页强化传热详细方法：无源技术(被动技术)：除了输送传热介质功率消耗外，无需附加动力。①涂层表面；②粗糙表面(图10-37)；③扩展表面(图10-38)；④扰流元件(图10-40)；⑤涡流发生器(图10-41)；⑥螺旋管(图10-41)；⑦添加物；⑧射流冲击换热。有源技术(主动式技术)：需要外加动力。①对换热介质做机械搅拌；②使换热表面振动；③使换热流体振动；④将电磁场作用于流体以促使换热表面附近流体混合；⑤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。

总结：无相变对流传热，减薄边界层、增加流体扰动、促进流体中各部分混合以及增加固体壁面上速度梯度。10/10/35传热分析与热交换器计算第35页威尔逊