第10章-传热过程分析和换热器计算

第十章传热过程分析与换热器的热计算本章要求掌握的内容：定量：传热过程的计算；对数平均温差的计算；间壁式换热器的设计计算及校核计算。定性：掌握传热过程的热阻分析法；传热过程强化与削弱措施。10-1传热过程的分析和计算

传热过程：热量由壁面一侧的流体通过壁面传到另一侧流体中去的过程称传热过程。

传热过程分析求解的基本关系为传热方程式式中K为传热系数（在容易与对流换热表面传热系数想混淆时，称总传热系数）。说明：(1)由于平壁的两侧的面积是相等的，因此传热系数的数值不论对哪一侧来说都是一样的。（2）h1和h2的计算；（3）如果计及辐射时对流换热系数应该采用等效换热系数(总表面传热系数)10.1.1通过平壁的传热单层多层10.1.2通过圆管的传热内部对流：圆柱面导热：外部对流：hiho对外侧面积而言从热阻的角度来看上面三式相加由上两式相除可得传热系数的定义式：10.1.3通过肋壁的传热肋壁面积：稳态下换热情况：肋面总效率以肋侧表面积为基准的肋壁传热系数定义肋化系数：则传热系数工程上一般都以未加肋时的表面积为基准计算肋壁传热系数所以，只要就可以起到强化换热的效果。由于β值常常远大于1，而使η0β的值总是远大于1，这就使肋化侧的热阻显著减小，从而增大传热系数的值。10.1.4临界热绝缘直径圆管外敷保温层后：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的值可见，确实是有一个极值存在，从热量的基本传递规律可知，应该是极大值。也就是说，do2在do1-dcr之间，是增加的，当do2大于dcr时，降低。一般保温动力管道外径均大于临界值，所以很少考虑临界热绝缘直径的问题。or临界热绝缘直径Bi是管道外表面的毕渥数

解：每米电线在不同的绝缘层外径｛do｝=0.0051+2｛δ｝m的散热量为：【例】外径为5.1mm的铝线，外包=0.15W/(m·K)的绝缘层。tfo=40ºC，twi≤70ºC。绝缘层表面与环境间的复合传热系数ho=10W/(m2·K)。求：绝缘层厚度δ不同时每米电线的散热量。(P465)取do＝10~70mm，计算结果用图线表示于图中。散热量先增后减，有最大值。一般的动力保温管道很少有必要考虑临界热绝缘直径。增加电线的绝缘层厚度，可增强电流的通过能力。10.2换热器的型式及平均温差换热器：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。

10.2.1换热器的分类按照操作过程间壁式换热器：是指冷热流体被壁面隔开进行换热的热交换器。如暖风机、燃气加热器、冷凝器、蒸发器；间壁式挨热器种类很多，从构造上主要可分为：管壳式、肋片管式、板式、板翅式、螺旋板式等，其中以前两种用得最为广泛。另外，按流体流动方向可有顺流、逆流、交叉流之分。蓄热式换热器：换热器由蓄热材料构成，并分成两半，冷热流体轮换通过它的一半通道，从而交替式地吸收和放出热量，即热流体流过换热器时，蓄热材料吸收并储蓄热量，温度升高，经过一段时间后切换为冷流体，蓄热材料放出热量加热冷流体。一般用于气体，如锅炉中间转式空气预热器，全热回收式空气调节器等。蓄热式换热器混和式换热器混合式换热器：冷热流体直接接触，彼此混合进行换热，在热交换同时存在质交换，如空调工程中喷淋冷却塔，蒸汽喷射泵等；按表面紧凑程度区分紧凑程度可用水力直径dh来区别，或用每立方米中的传热面积即传热面积密度β来衡量。适用于传热量不大或流体流量不大的情形。

1、套管式换热器10.2.2间壁式换热器主要型式

优点结构简单，可利用标准管件。两种流体都可在较高温度和压力下换热，传热系数大。传热面积可根据需要增减。套管式换热器缺点单位换热面积金属耗量大，价格较高。检修、清洗不便。2、壳管式换热器

间壁式换热器的一种主要形式，又称管壳式换热器。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。2-4型换热器进一步增加管程和壳程管壳式换热器优点结构坚固，对压力和温度的适用范围大。管内清洗方便，清洁流体宜走壳程。处理量大。缺点传热效率、结构紧凑性、单位换热面积的金属耗量等不如新型换热器。间壁式换热器的又一种主要型式。其主要特点是冷热流体呈交叉状流动。根据换热表面结构的不同又可分为管束式、板翅式、管翅式等。管束式3、交叉流换热器

(1)管束式换热器板翅式热交换器基本结构板束导流片封头隔板翅片封条基本单元（通道）(2)板翅式换热器板翅式换热器结构组成由基本换热元件组成，在两块平隔板中夹着一块波纹形导热翅片，两端用侧条密封，形成一层基本换热元件，许多这样的元件交错叠合（使相邻两流道流动方向交错）焊接起来构成板式换热器。逆流板束错流板束错逆流板束板翅式换热器由于两侧都有翅片，做气－气换热，传热系数对空气可达350W/(m2·℃)。板翅换热器结构非常紧凑，轻巧，每立方米体积中容纳的传热面积可高达4300m2，承压可达100bar。缺点：容易堵塞，清洗困难，不易检修。适用于清洁和无腐蚀的流体换热。适用范围广：可以适用于气—气、气—液、液—液间各种不同介质患热，亦可用作蒸发器、冷凝器。适用于逆流、错流、多股流、多程流等不同工况的换热，可在

-273℃—+500℃温度范围内使用结构紧凑，重量轻：重量仅为具有相同换热面积的管壳式的1/10，而单位传热面积的金属消耗比管壳式小几倍传热效率高：可对介质造成扰动，使边界层不断破裂更新，从热强化换热板翅式换热器优缺点同一设备内，可允许2-9种介质间进行换热制造工艺复杂，且要求严格容易堵塞，清洗和检修较困难是一种带翅的管式热交换器，可以有壳也可以没壳在动力、化工、制冷等工业中有广泛应用工业缺水及工业用水的环境污染问题日益突出，空气冷却器引起人们的重视许多化工厂中有90%以上冷却负荷由空冷器负担(3)翅片管式热交换器1、构造和工作原理可以仅由一根或若干根翅片管组成也可再配以外壳、风机等组成空冷器型式的热交换器翅片管是翅片管热交换器中的主要换热原件，翅片管由基管和翅片组合而成基管有圆管、扁平管和椭圆管翅片类型多样，可以各自加在每根单管上，也可以同时与数根管子相连空冷器是一种常见的翅片管热交换器，以空气为冷却介质。组成部分包括管束、风机和构架等。特点：传热面积增加(比光管可增大2-10倍)可以促进流体湍流，传热系数比光管提高1-2倍结构紧凑并使金属消耗量降低翅片材料可与基管不同，材料的选择与利用更为合理维护费用只有水冷系统的20-30%4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，冷热流体间隔地在每个通道中流动，其特点是拆卸清洗方便，故适用于含有易结垢物的流体。为了满足传热和压力降的要求，对于板式热交换器可进行多种方式的流程和通道数的配置。流程：某一种介质在换热器中流动方向的数量，流动方向每改变一次就增加一个流程。通道：每个流程中某一介质按同方向流动的通道数量。流体的流动可以是串联、并联（这时形成纯逆流）和混联（一种流体为并联，而另一种流体为串联）。流程可以是单流程或多流程，两流体的流程数可以相等或不相等。两流体的流程中通道数一定要相等。流程组合板式换热器内流程与通道的配置方式常以下列数学形式表示：式中：M1，M2，…Mi：从固定压紧板开始，甲流体侧流道数相同的流程数；N1，N2，…Ni：对应于M1，M2，…Mi中的流道数；m1，m2，…mi：从固定压紧板开始，乙流体侧流道数相同的流程数；n1，n2，…ni：对应于m1，m2，…mi中的流道数。板

式

换

热

器优点结构紧凑、体积小、重量轻。流体湍动程度大，强化传热效果好。便于清洗和维修。板式换热器缺点密封周边长，易泄漏。承压能力低（P<2MPa）。流动阻力大，处理量小。5、螺旋板式换热器：换热表面由两块金属板卷制而成，优点结构紧凑，单位体积传热面积大。两种流体都能以高速流动，传热效率高。螺旋流动，有自冲刷作用，适于处理粘性和易结垢流体。缺点承压能力差（P<1MPa，t<500ºC）损坏后检修困难。螺旋板式换热器10.3.1简单顺流及逆流换热器的对数平均温差传热方程的一般形式：流动形式不同，冷热流体温差沿换热面的变化规律也不同.换热器中冷流体温度沿换热面是不断变化的，因此，冷却流体的局部换热温差也是沿程变化的。10.3换热器中传热过程对数平均温差的计算以顺流情况为例，作如下假设：（1）冷热流体的质量流量qm2、qm1以及比热容C2,C1是常数；（2）传热系数是常数；（3）换热器无散热损失；（4）换热面沿流动方向的导热量可以忽略不计。要想计算沿整个换热面的平均温差，首先需要知道当地温差随换热面积的变化,然后再沿整个换热面积进行平均。dt1dt2t1t2在假设的基础上，并已知冷热流体的进出口温度，现在来看图中微元换热面dA一段的传热。温差为：在固体微元面dA内，两种流体的换热量为:dt1dt2t1t2对于热流体:对于冷流体:可见，当地温差随换热面呈指数变化，则沿整个换热面的平均温差为：(1)(2)(3)(2)、(3)代入(1)中对数平均温差不论顺流逆流，对数平均温差可统一用下式表示：

平均温差的另一种更为简单的形式是算术平均温差，即3算术平均与对数平均平均温差的另一种更为简单的形式是算术平均温差，即算术平均温差相当于温度呈直线变化的情况，因此，总是大于相同进出口温度下的对数平均温差，当时，两者的差别小于4％；当时，两者的差别小于2.3％。

实际换热器一般都是处于顺流和逆流之间，或者有时是逆流，有时又是顺流。对于这种复杂情况，我们当然也可以采用前面的方法进行分析，但数学推导将非常复杂，实际上，逆流的平均温差最大，因此，人们想到对纯逆流的对数平均温差进行修正以获得其他情况下的平均温差。_____小于1的修正系数。

—

按逆流布置的对数平均温差；

图10-23～10-24给出了管壳式换热器和交叉流式换热器的。10.3.2复杂布置时换热器平均温差的计算对于其它的叉流式换热器，其传热公式中的平均温度的计算关系式较为复杂，工程上常常采用修正图表来完成其对数平均温差的计算。具体的做法是：（a）由换热器冷热流体的进出口温度，按照逆流方式计算出相应的对数平均温差；（b）从修正图表由两个无量纲数查出修正系数(c)最后得出叉流方式的对数平均温差图10-231－2、1－4等多流程管壳式换热器的修正系数

图10-242－4、2－8等多流程管壳式换热器的修正系数

图10-25交叉流，两种流体各自都不混合时的修正系数

图10-26一次交叉流，一种流体混合、一种流体不混合时的修正系数关于的注意事项（1）值取决于无量纲参数P和R式中：下标1、2分别表示两种流体，上角标`表示进口，``表示出口，图表中均以P为横坐标，R为参量。（3）R的物理意义：两种流体的热容量之比（2）P的物理意义：流体2的实际温升与理论上所能达到的最大温升之比，所以只能小于1（4）对于管壳式换热器，查图时需要注意流动的“程”数10.3.3各种流动形式的比较顺流和逆流是两种极端情况，在相同的进出口温度下，逆流的最大，顺流则最小；顺流时，而逆流时，则可能大于，可见，逆流布置时的换热最强。(3)一台换热器的设计要考虑很多因素，而不仅仅是换热的强弱。比如，逆流时冷热流体的最高温度均出现在换热器的同一侧，使得该处的壁温特别高，可能对换热器产生破坏，因此，对于高温换热器，又是需要故意设计成顺流。xTInOutxTInOut冷凝蒸发(4)对于有相变的换热器，如蒸发器和冷凝器，发生相变的流体温度不变，所以不存在顺流还是逆流的问题。(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，核算它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10-3换热器的热计算10.3.1两种类型的设计和两种设计方法1.两种类型的设计和两种设计方法对于设计计算而言，给定的是，以及进出口温度中的三个，最终求独立变量：需要给定其中的5个变量，才可以计算另外三个变量。2、两种设计方法平均温差法、效能-传热单元数(-NTU)法对于校核计算而言，给定的一般是，A，以及2个进口温度，待求的是初步布置换热面，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由传热方程式计算所需的换热面积A，并核算换热面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。1、设计计算10.3.2平均温差法：直接应用传热方程和热平衡方程进行热计算。（1）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；（2）根据4个进出口温度求得平均温差；（3）根据换热器的结构，算出相应工作条件下的总传热系数k；（4）已知kA和，按传热方程计算在假设出口温度下的传热量；（5）根据4个进出口温度，用热平衡式计算另一个，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；（6）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。2、校核计算1、换热器效能的定义换热器的效能按下式定义：换热器交换的热流量：10.3.3换热器热设计效能-传热单元数法2、顺流和逆流时换热器效能的计算①根据热平衡式得：②并假设则有冷流体或热流体在换热器中的实际温度差值的大者流体在换热器中可能发生的最大温差值式①，②相加：整理：由上一节知道①②当时，类似推导可得合并写成

令类似的推导可得逆流换热器的效能为称为传热单元数顺流逆流当冷热流体之一发生相变时，即趋于无穷大时，于是上面效能公式可简化为当两种流体的热容相等时，公式可以简化为顺流逆流3、用传热单元数表示的效能计算公式与图线NTU：传热单元数，换热器热设计中的一个无量纲参数，在一点意义上可看成是换热器kA大小的一种度量。对于比较复杂的流动形式，可以参照教材P488-489的线算图来计算效能。顺流逆流图10-32单壳程换热器图10-33双壳程换热器根据及的定义及换热器两类热计算的任务可知，设计计算是已知求，而校核计算则是由求取值。它们计算步骤都与平均温差中对应计算大致相似，故不再细述。4、用效能—传热单元数法（法）计算换热器的步骤5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。4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。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在表10-1种查得。【例】流量Vl=39m3/h的30号透平油，在冷油器中从t1’＝56.9℃冷却到t1＝45℃。冷油器采用1—2型壳管式结构，管子为铜管，外径为15mm，壁厚1mm。47.7t/h的河水作为冷却水在管侧流过，进口温度为t2’＝33℃。油安排在壳侧。油侧的换热系数ho＝450W/(m2·K)，水侧的换热系数i＝5850W/(m2.K)。已知30号透平油在运行温度下的物性为l＝879kg/m3,c1＝1.95kJ/(kg·K)。求所需换热面积。【解】

油侧的热流量：

＝qmlcl(t1’-t1)＝lVlcl(t1’-t1)

＝879×39×1.95×(56.9-45)/3600

＝798000kJ/h＝221000W冷却水的温升

t2-t2’=/(qm2c2)=798000/(47700×4.19)=4℃于是，冷却水的出口温度为t2’＝33十4＝37℃计算参量P和R：查图10—23得＝0.97,平均温压为℃按表10—1取管内、外侧污垢系数为0.0005m2K/W和0.0002m2K/W，于是总的污垢系数为注：污垢系数有内外之分管壁导热热阻可以忽赂不计实际设计面积可留10％的裕度，取为46.8×1.10=51.5m2。【例】上例如冷油器的进口油温升高到58.7℃，水的流量、进口温度以及油的流量均不变，求出口油温和出口水温。【解】：油和水的温度如升高很多，则需考虑物性变化对k的影响。现在升高甚少，可认为传热系数仍为311W/(m2.K)。此题应采用

—NTU法计算。计算如下：查图10-32得

＝0.54。热流量℃℃

六、平均温差法与

-NTU法的比较设计计算时，两者的工作量差不多，只是平均温差法要求，可以知道流动布置与逆流的差距，有利于改进型式的选择。校核计算时，-NTU法工作量小一些，迭代时对物性参数k的影响也较小；10.4.1强化传热问题概说

增加k，主流增加温差，常常使不可逆损失增大增大传热面积10-5传热的强化和隔热保温技术强化传热的目的：①缩小设备尺寸；②提高热效率；③保证设备安全。在一定的传热面积与温差下，增加传热系数或对流传热系数的技术，称为强化传热技术。【例】压缩空气在中间冷却器的管外横掠流过，ho=90W/(m2.K)。冷却水在管内流过，hi=6000W/(m2.K)。冷却管是外径为16mm厚1.5mm的黄铜管。求：