上海海事大学传热学第八章 传热过程及换热器

第八章传热过程与换热器

在详细讨论了导热、对流、辐射三种热量传递方式的特点和计算方法以后，本章将综合应用这些知识来分析一些典型工程传热问题。本章将从四个方面展开讨论：1.首先分析与计算通过几种不同几何形状固体壁面的传热过程。2.然后针对一种典型的实现两种流体热量交换的设备——间壁式换热器，详细讨论其热力设计的方法。3.本书以前一些章节中曾陆续介绍过一些强化或削弱热量传递过程的方法，本章将对其进一步归纳与总结。4.本章最后将对几个复杂的热量传递过程的例子进行综合分析。1本章要点：1.着重掌握传热过程的分析和计算2.着重掌握临界热绝缘直径的概念和分析计算3.着重掌握顺流及逆流的对数平均温差的分析计算4.掌握换热器的型式和分类以及换热器的热计算本章难点：临界热绝缘直径、对数平均温差的概念和分析计算本章主要内容：第一节传热过程的分析和计算第二节换热器的型式及平均温差第三节换热器的热计算28-1传热过程的分析与计算

传热过程：热流体通过固体壁面的导热把热能传给冷流体的过程。传热过程分析求解的基本关系为传热方程式，即式中k为传热系数。一.通过平壁的传热

3二.通过圆筒壁的传热每米管长的传热量：hh4对于多层圆管

每米管长的传热量：5总的传热量：6三.通过肋壁的传热加肋侧的面积A2＝肋片表面积Af＋两肋片之间壁的表面积A0A2>A1肋化系数：肋片越高，肋距越小，肋化系数就越大。hh7肋片与流体的换热量f

为肋片效率加肋侧与流体的换热量肋壁总效率A2＝Af＋A08肋壁的导热热量加肋侧流体的换热量不加肋侧与流体的换热量肋壁的传热公式以A1为基准的肋壁的传热系数9

对于蒸汽加热的暖气包，由于蒸汽凝结换热系数h1远远大于暖气包对室内空气自然对流时的h2，使这一传热过程中的总热阻完全决定于h2一侧的换热热阻。因此在h2一侧加导热热阻较小的肋片是最有效的改进措施。

在表面传热系数较小的一侧采用肋壁是强化传热的一种行之有效的方法。

在冷热介质温度一定时，要增强传热可以加大h1、h2、λ、A1、A2以及减小δ。最有效的措施是改变上列某些值后，可减小各项分热阻中最大的那一个热阻值。10例1：

一平壁一侧加肋，加肋后面积为A2，肋化系数=13，肋壁总效率t=0.9。壁的厚度=10mm，材料的导热系数=50W/(m·K)，相对应的换热系数为h1=200W/(m2

·K)和h2=10W/(m2

·K)，流体温度tf1=75C和tf2=15C。求以A1为基准，其单位面积的传热量q1，并与不加肋时的传热量q比较。解：q1/q=4347.6/570.3=7.62311例2：墙厚240mm，室内空气的温度为20C，室外空气的温度为-10C；砖墙的导热系数=0.95W/(m·K)，室内空气对墙面的换热系数为h1=8W/(m2

·K)，室外空气的换热系数为h2=37W/(m2

·K)（考虑了辐射换热的因素）。试求冬季室内、外空气通过砖墙传递的热量和砖墙内侧的温度。（不考虑门、窗的传热影响）121)

增加传热面积2)加大传热温差3)提高传热系数a、减少导热热阻b、改变流体的流动状态c、改变流体的物性d、改变换热面的表面状况四、增强传热的方法和热绝缘的应用1、增强传热的方法132、

用热绝缘层的目的1、节约燃料。2、满足工程技术条件的要求。3、改善劳动条件。

3、对热绝缘材料的要求

凡导热性低的材料都可以被用作热绝缘层。不过，通常将导热系数λ值小于0.12W/（m·K）的材料称为隔热材料。热绝缘材料具有下述性能：（1）导热性。（2）机械性能，如抗压和抗拉强度等。（3）不吸水性和耐高热的能力。14临界热绝缘直径与热绝缘层经济厚度圆管覆盖热绝缘材料时每米管长的总热阻为：r1r2rxh1h2λ1λ2(1)+(2)(4)(3)R总,ldxRd2dcr15即当时，热阻值为最小。单位管长传热量ql为最大值。此时的dx称为“临界热绝缘直径”，用dcr表示。

Od2dcrd3dql16热绝缘层经济厚度:每年的热损失与热绝缘投资最少时对应的热绝缘厚度称为热绝缘层经济厚度。Od2dcrd3dql绝缘层厚度R总,l费用经济厚度17注意：1.当裸管的外径d2>

dcr时，保温层越厚，保温效果越好Q当裸管的外径d2<

dcr时，保温层厚度要超过d3后才起作用。2.要考虑较小的λ2的保温材料，使dcr188-2换热器的型式及平均温差一、定义及分类

1.换热器：把热量从热流体传递给冷流体的热力设备。

2.按换热器操作过程分为：间壁式、混合式及蓄热式(或称回热式)三大类。

1）间壁式：冷、热流体被间壁隔开，通过间壁换热。2）混合式：冷、热流体通过直接接触换热。3）回热式：冷、热流体周期性地流过固体壁面换热。

在三类换热器中以间壁式换热器应用最广，本节将对其结构型式及换热器中冷、热流体间的平均温差的计算方法作比较详细的介绍。19二.间壁式换热器的主要型式

1）套管式换热器。这是最简单的一种间壁式换热器，其结构如下图所示。总的来说，这类间壁式换热器适用于传热量不大或流体流量不大的情形。实际使用时，为增加换热面积可采用c所示结构。图8-3套管式换热器示意图间壁式热交换器管式热交换器板式热交换器壳管式热交换器肋片管式热交换器套管式热交换器板翅式热交换器平行板式热交换器螺旋板式热交换器20

2)壳管式换热器。这是间壁式换热器的一种主要形式．又称管壳式换热器。化工厂中的加热器、冷却器，电厂中的冷凝器、冷油器以及压缩机的中间冷却器等都是壳管式换热器的实例。图8-4是一种最简单的壳管式换热器的示意图。一种流体(图中冷流体)从封头进口流进管子,再经封头流出。这条路径称为管程。另一种流体从外壳上的连接管进入换热器，在壳体与管子之间流动，这条路径称为壳程。图8-4简单的壳管式换热器示意图21l-2型换热器(此处l表示壳程数，2表示管程数)。图8-5所示是一个1-2型换热器的剖面图。图8-5

1-2型换热器剖面示意图223）交叉流换热器。它是间壁式换热器的又一种主要型式。根据换热表面结构的不同又可有管束式、管翅式及板翅式等的区别，如图8-6所示图8-6交叉流换热器示意图23

4）板式换热器。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，两相邻平板之间用特殊设计的密封垫片隔开，形成一个通道，冷、热流体间隔地在每个通道中流动。为强化换热并增加板片的刚度，常在平板上压制出各种波纹。板式换热器中冷、热流体的流动有多种布置方式，图9-7所示为1-1型板式换热器的逆流布置，这里的1-1型表示冷、热流体都只流过一个通道。板式换热器拆卸清洗方便，故适合于含有易污染物的流体(如牛奶等有机流体)的换热。图8-7板式换热器示意图245）螺旋板式换热器。螺旋板式换热器的换热表面是由两块金属板卷制而成，冷、热流体在螺旋状的通道中流动，图8-8所示是其两个方向的截面示意图。这种换热器换热效果较好，缺点是换热器的密封比较困难。图9-8螺旋板式换热器25按流动方向分类：1、顺流式2、逆流式3、叉流式4、混合流式（杂流式）26按流程分类：单流程：双流程：多流程：27三.简单顺流及逆流换热器的对数平均温差

在换热器中，热流体沿程放出热量温度不断下降；冷流体沿程吸收热量而温度不断上升。当利用传热方程式来计算整个传热面上的热流量时，必须使用整个传热面积上的平均温差(又称平均温压)，记为Δtm。据此，传热方程式的一般形式应为:Φ=KAΔtm

换热器中流体的温度分布

tAtAtAtA28设t1′，t1〃，qm1和c1分别表示热流体的进出口温度、流量和比热容；t2′，t2〃，qm2和c2分别表示冷流体的进出口温度、流量和比热容。（四个假设书中：P159）热流体放出的热量冷流体吸收的热量对数平均温差公式推导29″30对微元面积dA，传热方程为31对数平均温差tA△t′△t″32对逆流换热过程tA对数平均温差△t′△t″33tAtmaxtmin34叉流和混合流（壳管式换热器与交叉流式换热器）逆流时的对数平均温差其他复杂布置时流换热器平均温差的计算计算P、R值，查图表定e4。各种流动形式的比较在各种流动形式中，顺流和逆流可以看作是两种极端情况。在相同的进、出口温度条件下，逆流的平均温差最大，顺流的平均温差最小。而其他各种流动形式介与顺流和逆流之间。逆流的缺点是：热流体和冷流体的最高温度集中在换热器的同一端，使得该处的温度特别高，这是应该避免的。35例：已知一换热器，热流体进口温度t1’=300℃,出口温度为t1’’=210℃

；冷流体进口温度t2’=100℃,出口温度为t2’’=200℃

。求换热器在顺流布置和逆流布置时的对数平均温差，试说明哪一种布置换热效果好。300210100200200300210100顺流：逆流：368-3换热器的热计算

基本概念及公式1.设计计算：设计一个新的换热器，以确定换热器所需的换热面积。2.校核计算：对已有的或巳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换热任务。3.基本原理为传热方程式及热平衡方程式：Φ=KAΔtm4.换热器热计算的方法有两类：平均温差法及传热单元数法。37一.换热器热计算的平均温差法

所谓平均温差法，就是直接应用式传热方程式及热平衡方程式进行热计算的方法。1.)平均温差法用作设计计算时步骤如下：(1)初步布置换热面，并计算出相应的传热系数k。(2)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。(3)由冷、热流体的4个进、出口温度确定平均温差Δtm，计算时要注意保持修正系数φ具有合适的数值。(4)由传热方程式求出所需的换热面积A，并核算换热两侧流体的流动阻力。(5)如流动阻力过大，改变方案重新设计。38

2.)平均温差法用作校核计算时步骤如下：(1)先假设一个流体的出口温度,按热平衡方程求出另一个流体的出口温度。(2)根据4个进、出口温度求得平均温差Δtm。(3)根据换热器的结构、算出相应工作条件下传热系数k的值。(4)已知KA和Δtm，按传热方程式求出Q值。因为流体的出口温度是假设性的，因此求出的Q值未必是真实的数值。(5)根据4个进、出口温度，用热平衡式求得另一个Q值，同理，这个Q值也是假设性的。(6)比较步骤(4)和(5)中求得的两个Q值。一般来说，两者总是不同的。这说明步骤(1)中假设的温度值不符合实际。再重新假设一个流体的出口温度，重复以上步骡(1)至(6)，直到由步骤(4)和(5)求得的两个Φ值彼此接近时为止。至于两者接近到何种程度方称满意，则由所要求的计算精确度而定。一般认为两者之差应小于2％～5％。39二.换热器热计算的效能-传热单元数法（ε-NTU法）1、三个重要参数（1）换热器的效能ε按下式定义：（2）传热单元数按下式定义：效能ε表示换热器的实际换热效果与最大可能的换热效果之比；已知ε后，换热器交换的热流量Q即可根据两种流体的进口温度确定：（3）热容比：402、

ε、NTU和C的函数关系几种特殊情况：（1）流体之一有相变，C→0：（2）逆流时两流体的热容量几乎相等，C→1：（3）顺流时两流体的热容量几乎相等，C→1：41

3.用效能-传热单元数（ε-NTU法）计算换热器的步骤根据ε及N