传热过程和换热器

传热过程和换热器第一页，共六十七页，编辑于2023年，星期日§9-1传热过程的分析与计算§9-2换热器的种类和基本结构§9-3管壳式换热器的热计算

1.对数平均温差法

2.有效度－传热单元数法§9-5传热的强化和削弱第二页，共六十七页，编辑于2023年，星期日

§9-1传热过程的分析与计算传热过程通常由导热、热对流、热辐射组合形成目的：增强传热消弱传热第三页，共六十七页，编辑于2023年，星期日一、通过平壁的传热过程通过平壁的传热公式增大其中较小的值(减小较大的换热热阻)才能有效提高K值第四页，共六十七页，编辑于2023年，星期日三、通过圆筒壁的传热过程1.传热公式hiho工程中用最外侧面积第五页，共六十七页，编辑于2023年，星期日2.K的另一种表示方法第六页，共六十七页，编辑于2023年，星期日四．临界热绝缘半径r2c为了减少管道的散热损失，采用在管道外侧覆盖热绝缘层或称隔热保温层的办法。是否绝缘层越厚保温效果越好呢？第七页，共六十七页，编辑于2023年，星期日函数有一个极值存在

得dc称为临界热绝缘直径热绝缘层直径与dc的关系对保温效果的影响分析绝热第八页，共六十七页，编辑于2023年，星期日作业9-1；9-5；9-9第九页，共六十七页，编辑于2023年，星期日§9-2换热器的基本型式和基本构造定义：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统称换热器。分类：间壁式、蓄热式（或称回热式）、混合式及热管式四大类。***第十页，共六十七页，编辑于2023年，星期日第十一页，共六十七页，编辑于2023年，星期日第十二页，共六十七页，编辑于2023年，星期日第十三页，共六十七页，编辑于2023年，星期日一、间壁式换热器的分类按流动方向分：顺流、逆流、交叉流、混流第十四页，共六十七页，编辑于2023年，星期日按表面结构形式分类：壳管式、肋片管式、板翅式、螺旋板式及板式等。壳管式换热器第十五页，共六十七页，编辑于2023年，星期日第十六页，共六十七页，编辑于2023年，星期日1-2型壳管式换热器第十七页，共六十七页，编辑于2023年，星期日1-2型换热器第十八页，共六十七页，编辑于2023年，星期日1-2型换热器第十九页，共六十七页，编辑于2023年，星期日套管式换热器第二十页，共六十七页，编辑于2023年，星期日肋片管式换热器第二十一页，共六十七页，编辑于2023年，星期日螺旋板式换热器第二十二页，共六十七页，编辑于2023年，星期日螺旋板式换热器第二十三页，共六十七页，编辑于2023年，星期日板翅式换热器第二十四页，共六十七页，编辑于2023年，星期日§9-3管壳式换热器的热计算

(1-1型壳管式换热器）

一、换热器中流体温度分布第二十五页，共六十七页，编辑于2023年，星期日二、换热器热计算换热器计算的两个基本公式

热平衡方程式传热方程式热平衡方程式传热方程式计算方法：对数平均温差法、有效度-传热单元数（ε-NTU法）法第二十六页，共六十七页，编辑于2023年，星期日假设条件1.换热器管壳无对外散热2.换热管无轴向导热3.流体为常物性4.换热器内传热系数k为常量第二十七页，共六十七页，编辑于2023年，星期日

——换热器进口冷热液体温度差

——换热器出口冷热流体温度差顺逆流不同1.对数平均温差法第二十八页，共六十七页，编辑于2023年，星期日多流程壳管式、交叉流、混流式换热器的查表P174逆流平均温差校正系数：第二十九页，共六十七页，编辑于2023年，星期日设计计算：已知：求:A①求Q

②求th2

③求④求A

第三十页，共六十七页，编辑于2023年，星期日校核计算：已知:求:1.假设th2已知,求得tc22.求3.由所得Q再算th2与假设比较，若差别大假设后再算。第三十一页，共六十七页，编辑于2023年，星期日例题：某1-1型壳管式换热器利用水的余热预热空气。热水以50kg/h的流量流过管内，进口温度为80℃，出口温度为45℃；空气在管外从相反的方向流过，空气流量727.86kg/h，进口温度为25℃。冷热流体的比热为cph=4.18kJ/(kg*℃)，cpc=1.005kJ/(kg*℃)。管内、外表面的对流换热系数各为500W/(m2·℃)和50W/(m2·℃)，管的内直径和外直径分别为100mm和120mm，管子材料的导热系数为36W/(m*℃)。试求所需的换热面积。第三十二页，共六十七页，编辑于2023年，星期日解:Q=mhcph(th1-th2)=50/3600×4.18×1000×（80-45）=2032W

tc2=tc1+Q/(mccpc)=25+2032/(727.86/3600*1005)=35℃

=[（80-35）-（45-25）]/ln[(80-35)/(45-25)]=30.8℃第三十三页，共六十七页，编辑于2023年，星期日

=44W/(m2*℃）A=Q/(k△tm）=2032/（44×30.8）=1.5m2第三十四页，共六十七页，编辑于2023年，星期日作业9-16换热器设计或校核计算9-17换热器设计计算第三十五页，共六十七页，编辑于2023年，星期日2.有效度-传热单元数法(ε-NTU法)(Heatexchangereffectiveness-Numberofheattransferunits)对于校核问题，可避免试算，无需假设流体出口温度；必须是二流体的热容量mcp和传热系数k在整个换热面上基本不变的情况下才适用。

第三十六页，共六十七页，编辑于2023年，星期日参数定义热容比C换热器有效度ε传热单位数NTU第三十七页，共六十七页，编辑于2023年，星期日①热容比C:

二流体的热容量mcp之比:

C＝(mcp)min/(mcp)max

(9-18)

当mhcph>mccpc

时：C＝(mcp)c/(mcp)h

当mhcph<mccpc

时：C＝(mcp)h/(mcp)c第三十八页，共六十七页，编辑于2023年，星期日②换热器有效度ε：换热器的实际传热量与最大可能的传热量之比。或直接定义为热容量小的流体进出口温度差与热、冷流体进口温度差的比值。

<1

（9-19）

Q=ε(mcp)min(th1-tc1)第三十九页，共六十七页，编辑于2023年，星期日③传热单位数NTU:

它与热容比C和有效度ε共同确定换热器的性能，定义为:NTU＝kA/(mcp)min(9-20a)

如mhcph＞mccpc，则NTU＝kA/mccpc(9-20b)

如mhcph＜mccpc，则NTU＝kA/mhcph(9-20c)

传热单位数NTU为一无量纲量，其值大则换热器的有效度ε高。物理意义：因NTU中包含k和A，而它们分别代表换热器的运行费用和初投资，故NTU是一个反映换热器综合技术经济性能的指标。

第四十页，共六十七页，编辑于2023年，星期日建立一个ε、C和NTU的关系式；根据已知的冷热流体进口温度、m、cp、k、A，定出C和NTU，代入关系式解出ε后，就可利用ε消去或解出未知的流体出口温度，而这些温度在采用对数平均温差法计算时是需要假设和试算的。

ε-NTU法的优点第四十一页，共六十七页，编辑于2023年，星期日逆流壳管式换热器中的有效率ε、热容比C和传热单元数NTU之间的关系式为：顺流壳管式换热器：三个参数：热容比C、有效度ε和传热单元数NTU之间的数学关系第四十二页，共六十七页，编辑于2023年，星期日对于其他形式的换热器，也类似可导出ε＝f(C,NTU)

的关系式。为便于应用，各种型式换热器的这类函数关系式已绘成图线，图(9-17)～(９-２2)是几种典型换热器的ε-NTU图。

其他形式换热器的热计算第四十三页，共六十七页，编辑于2023年，星期日图9-17

逆流换热器的有效度ε

第四十四页，共六十七页，编辑于2023年，星期日图9-18

顺流换热器的有效度ε

第四十五页，共六十七页，编辑于2023年，星期日用ε-NTU法计算的步骤已知：th1、tc1、

(cp)h、

(

cp)c、A、

k求：tc2（

th2）解：1.比较两种流体热容量大小2.计算C和NTU3.计算ε4.由Q=ε(mcp)min(th1-tc1)计算Q5.

计算th2、tc2第四十六页，共六十七页，编辑于2023年，星期日问题能否用ε-NTU法计算换热器设计计算的题目？课后思考题9－10第四十七页，共六十七页，编辑于2023年，星期日例题9-4

逆流式油冷器中，油的进口温度th1＝130℃，流量mh＝0.5kg/s，比热容cph＝2220J/(kg·℃）。冷却水的进口温度tc1＝15℃，流量mc＝0.3kg/s，比热容cpc＝4182Ｊ／(kg·℃）。换热面积A＝2.4m２，传热系数k＝330W/(m2·℃)。求油冷器的有效度ε和二流体的出口温度th2和tc2。

第四十八页，共六十七页，编辑于2023年，星期日解：（1）因油和水的热容量各为:mhcph＝0.5×2220＝1110Ｊ/（s·℃）；

mccpc＝0.3×4182＝1255Ｊ/（s·℃）故热容比为Ｃ＝mhcph/mccpc＝1110/1255＝0.884

（2）

NTU＝kA/mhcph＝330×2.4/1110＝0.714

（3）解上式，得油的出口温度：th2＝80.9℃第四十九页，共六十七页，编辑于2023年，星期日又由Q＝mccpc(tc2－tc1)＝mhcph（th1－th2）把各已知值代入后，得

1255（tc2－15）＝1110×(130－80.9)

解上式得冷却水的出口温度为tc2＝58.4℃。*若采用顺流式油冷器，C和NTU不变，而有效度ε利用式(9-22)为:

可见在相同的C及NTU值下，采用逆流式时的有效度要比采用顺流式时为高。第五十页，共六十七页，编辑于2023年，星期日解上式可得th2＝84.8℃利用计算逆流式时的相同方法可求出冷却水的出口温度：1255×（tc2－15）＝1110×（130－84.8）解得:tc2＝54.98℃*

本题也可用查图法求解。但是，由图(9-17)及(9-18)查出的两种情况下的有效度ε的准确度较低。第五十一页，共六十七页，编辑于2023年，星期日几种特殊情况

①热容比C=０(相变)

ε＝1－e-NTU(9-23)

第五十二页，共六十七页，编辑于2023年，星期日②C=1（顺流）

C=1,两流体热容量几乎相等，此时两流体温差始终保持定值

ε＝(1－e－2ＮＴＵ)/２(9-24)第五十三页，共六十七页，编辑于2023年，星期日③C=1（逆流）

ε＝0/0有效度ε为不定值。此时有效度的公式可推得如下形式：

ε=NTU/(NTU+1)第五十四页，共六十七页，编辑于2023年，星期日除热容比趋于零的情况外，逆流时的ε值总是大于顺流时的值。对于其他流动方式的换热器，其ε值介于顺流和逆流之间。

说明第五十五页，共六十七页，编辑于2023年，星期日例题9-5

试以传热单元数法计算例题9-3中二流体的出口温度th2和tc2。解:(1)因冷、热二流体的热容量为

mccpc＝10000/3600×4.19×10３

mhcph＝500/3600×4.19×10３热容比为C＝（mcp）min/（mcp）max

＝(mhcph)/(mccpc)＝0.5

(2)传热单元数则为ＮＴＵ＝kA/（mcp）min

＝1400×５/[(5000/3600)×4.19×10３]=1.2

第五十六页，共六十七页，编辑于2023年，星期日

（3）由图(9-19)查得ε＝0.575，即

ε＝(th1－th2）/（th1－tc1)

＝（100－th2）/（100－20)

＝0.575

由上式得th2＝54℃。（4）又因C＝(tc2－tc1）/（th1－th2)

＝(tc2－２０）/（100－54)＝0.5

解上式得tc2＝43℃。第五十七页，共六十七页，编辑于2023年，星期日§9-5

传热的强化和削弱增强传热:指分析影响传热的各种因素，采取某些技术措施的提高换热设备单位面积的传热量。这不仅可使设备紧凑，重量轻、节省金属材料，而且是节约能源的有效措施。削弱传热:是采取隔热保温措施，以达到节能，安全防护