高教传热学第四版课件第10章

第10章传热过程分析与换热器热计算本章重点内容重点内容：①常见传热过程的特点及分析；

②换热器热计算的传热方程式及热平衡方程式；

③换热器的对数平均温差；④换热器热计算的根本方法。掌握内容：①应用传热学知识分析实际传热问题；②综合应用三种根本传热方式及其相关公式；③换热器热计算的根本方法。了解内容：了解换热器的结构型式及热计算的步骤。作业10-3，10-13，10-17，10-22，10-27，10-32，10-4310-1传热过程的分析和计算传热方程式：式中：K是传热系数(总传热系数)。对于不同的传热过程，K的计算公式不同。

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。一.通过平壁的传热10-1传热过程的分析和计算K的计算公式？二.通过圆筒壁的传热10-1传热过程的分析和计算内部对流：圆筒壁导热：外部对流：二.通过圆筒壁的传热10-1传热过程的分析和计算三.通过肋片的传热10-1传热过程的分析和计算肋面总效率：三.通过肋片的传热10-1传热过程的分析和计算以肋侧表面积为基准的肋壁传热系数为：以光侧表面积为基准的肋壁传热系数为：肋化系数10-1传热过程的分析和计算四.临界热绝缘直径圆管外加肋片，在增加外表积〔即减小外表换热热阻〕的同时也增加了导热热阻在圆管外敷设保温层也具有减小外表对流换热热阻及增加导热热阻两种作用增强传热

削弱传热

加保温层一定能减小热损失?肋片都用金属做成，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10-1传热过程的分析和计算四.临界热绝缘直径那么通过圆筒壁的总热阻为：设圆管内径为，外径为，管壁导热系数为，加保温层后管的外径为，保温层的导热系数为10-1传热过程的分析和计算四.临界热绝缘直径10-2换热器的型式及对数平均温差一.换热器的定义：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二.换热器的分类：

三种类型换热器三.间壁式换热器的主要型式10-2换热器的型式及对数平均温差1.套管式换热器套管式换热器示意图2.管壳式换热器10-2换热器的型式及对数平均温差简单的壳管式换热器示意图1-2型换热器剖面示意图10-2换热器的型式及对数平均温差2-4型换热器示意图10-2换热器的型式及对数平均温差3.交叉流换热器(c)板翅式交叉流换热器10-2换热器的型式及对数平均温差紧凑式换热器：单位体积内所包含的换热面积大于700m2/m3的换热器4.板式换热器10-2换热器的型式及对数平均温差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板式换热器示意图5.螺旋板式换热器换热外表由两块金属板卷制而成10-2换热器的型式及对数平均温差螺旋板式换热器10-2换热器的型式及对数平均温差四.简单顺流及逆流换热器的对数平均温差逆流顺流传热方程式：10-2换热器的型式及对数平均温差假设：〔1〕冷、热流体的质量流量、及比热容、在整个换热面上都是常量；〔2〕传热系数在整个换热面上不变；〔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。10-2换热器的型式及对数平均温差温差:微元换热量:热流体放热量:冷流体吸热量:10-2换热器的型式及对数平均温差10-2换热器的型式及对数平均温差

10-2换热器的型式及对数平均温差逆流:10-2换热器的型式及对数平均温差假设:算术平均温差:算术平均温差相当于流体温度沿换热外表成线性关系变化，算术平均温差总是大于对数平均温差。顺流逆流10-2换热器的型式及对数平均温差五.其他复杂布置时换热器平均温差的计算本卷须知：〔1〕值取决于无量纲参数P和R〔2〕P表示流体2的实际温升与理论上所能到达的最大温升之比，所以只能小于1；R表示两种流体的热容量之比〔3〕对于管壳式换热器，需要注意流动的“程”数10-2换热器的型式及对数平均温差六.各种流动型式的比较〔1〕顺流和逆流是两种极端情况，在相同的进出口温度下，逆流的平均温差最大，顺流那么最小（2）顺流时，而逆流时，则可能大于顺流逆流(3)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。10-2换热器的型式及对数平均温差10-2换热器的型式及对数平均温差(4)理论分析说明，对工程上常见的流经蛇形管束的传热,只要管束的曲折次数超过4次，就可作为纯逆流和纯顺流来处理。(5)其他流动型式介于顺流与逆流之间，设计时使ψ>0.9。10-3换热器的热计算换热器热计算：设计计算和校核计算传热方程式:设计计算：校核计算：设计一个新的换热器，确定所需的换热面积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热平衡方程式：

8个变量:中的3个

设计计算：校核计算：中的3个10-3换热器的热计算热计算的方法：平均温差法

效能-传热单元数(

-NTU)法

平均温差法：直接应用传热和热平衡方程进行热计算设计计算的步骤：〔1〕初步布置换热面，并计算出相应的总传热系数〔2〕根据给定条件，由热平衡式求出待定的温度〔3〕由冷热流体的4个进出口温度确定平均温差〔4〕由传热方程式计算所需的换热面积A，并核算热面流体的流动阻力〔5〕如果流动阻力过大，那么需要改变方案重新设计1.平均温差法：10-3换热器的热计算〔1〕先假设一个流体的出口温度，计算另一个出口温度校核计算的步骤：〔3〕根据换热器的结构，算出相应的总传热系数k〔2〕根据4个进出口温度求得平均温差〔6〕比较两个值，满足精度要求，那么结束，否那么，重新假定出口温度，重复(1)~(6)，直至满足精度要求（4）已知kA和，按传热方程式计算〔5〕根据4个进出口温度，用热平衡式计算另一个值10-3换热器的热计算2．换热器热计算的效能—传热单元数法换热器的效能:换热器的实际换热量与最大可能换热量的比值

10-3换热器的热计算假定10-3换热器的热计算10-3换热器的热计算逆流换热器:冷、热流体之一发生相变，即趋于无穷大时：冷、热流体的值相等:

顺流：

逆流：10-3换热器的热计算10-3换热器的热计算10-3换热器的热计算3.用效能-传热单元数法计算换热器的步骤设计计算：利用条件计算出，而待求的k、A那么包含在NTU内。设计计算是，求NTU校核计算：校核计算是NTU，求。仍需要假设一个出口温度10-3换热器的热计算4.换热器热设计时的综合考虑换热器设计是个综合性的课题，必须考虑初投资、远行费用、平安可靠等因素，而以到达最正确的综合技术经济指标为目标。流动阻力计算、材料强度计算、必要的技术经济分析与比较流速适当考虑污垢热阻10-3换热器的热计算5.换热器的结垢及污垢热阻污垢热阻：设计时对污垢热阻的考虑方法：〔1〕采用污垢热阻热阻值〔2〕采用清洁系数法〔3〕采用富裕面积法10-4传热的强化和隔热保温技术强化传热的目的：一.强化传热的原那么和手段削弱传热的目的：缩小设备尺寸、提高热效率、保证设备平安减小热损失强化传热：削弱传热：集中在对流换热与辐射换热的领域控制导热过程哪个环节的热阻大，就对哪个环节采取强化措施1.强化换热的原那么：无源技术(被动技术)：2.强化换热的技术：①涂层外表需要外加的动力无需附加动力有源技术(主动式技术)：②粗糙外表粗糙表面③扩展外表2.强化换热的技术：④扰流元件⑤涡流发生器⑥螺旋管⑧射流冲击换热2.强化换热的技术：⑦添加物有源技术(主动式技术)：①对换热介质做机械搅拌⑤将异种或同种流体喷入换热介质或将流体从换热外表抽吸走②使换热外表振动③使换热流体振动④将电磁场作用于流体以促使换热外表附近流体的混合单相对流换热：减薄边界层，促使流体各局部混合核态沸腾换热：增加汽化核心凝结换热：减薄液膜，加速液膜的顺利排泄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，代入上式：管壳式换热器总外表传热系数：二.确定传热过程分热阻的威尔逊图解法二.确定传热过程分热阻的威尔逊图解法1.需求背景：三.隔热保温技术高于环境温度：采用无机的绝热材料2.绝热材料的选择：低于环境温度：有三个档次的绝热材料可供选择〔1〕一般性的绝热材料〔2〕抽真空至10Pa的粉末颗粒热材料〔3〕多层真空绝热材料〔1〕多孔型绝热材料：微孔硅酸钙〔2〕纤维型绝热材料：岩棉〔3〕粒状绝热材料：膨胀珍珠岩3.保温效率

三.隔热保温技术——每单位长度裸管的散热量，W/m——每单位长度包有厚保温材料的管子的散热量，W/m

值应大于90％

例题1对于、及的情形，画出顺流及逆流时冷、热流体温度沿流动方向的变化曲线，注意曲线的凹向与相对大小的关系，并说明理由。解：顺流例题1逆流例题2初始温度为的流体流入壁温为常数的平行板通道，通道长为，流体质量流量为，比热容为。设流体与平板间对流换热的表面传热系数为常数，试证流经该通道后流体与平板间的换热量为：解：0通过微元流体与固体壁面间的换热量为：流体温度上升所需要的热量为：例题20由热平衡，得：别离变量并积分：得：例题3某工厂为了利用废气来加热生活用水，自制了—台简易的壳管式换热器，烟气在内径为30mm的管束的钢管内流动，流速为30m/s，入口温度为200℃，出口温度取为100℃。冷水在管束与外壳之间的空间内与烟气逆向地流动，要求把它从入口处的20℃加热到50℃，试估算所需的直管长度。烟气物性可按附录中标准烟气的物性值查取。水侧的外表传热系数远大于烟气侧的外表传热系数，烟气的辐射换热可略而不计。解：水侧的表面传热系数远大于烟气侧的表面传热系数，管壁的平均温度可取为水的平均温度，即：℃例题3对于烟气：℃，则其相应的物性参数为：kg/m3kJ/(kg.K)W/(m.K)m2/s那么气体被冷却：假设计算得：根据热平衡有：解得：m那么:W/(m2.K)m有一台液－液换热器，甲、乙两种介质分别在管内、外作强制对流换热。实验测得的传热系数与两种流体流速的变化情况如附图所示。试分析该换热器的主要热阻在哪一侧？例题4答：主要热阻在介质乙这一侧，因为增加介质甲的流速对传热系数的影响并不大，而增加介质乙的流速那么使传热系数明显上升，这说明介质乙的热阻是影响对流换热的主要热阻。例题5附图所示为温室房顶玻璃所受的各种热交换作用的示意图，图中：—太阳投入辐射；—大气投入辐射，在红外辐射范围内（μm）；—温室内物体的投入辐射，在红外辐射范围内；—外部流体对流换热的表面传热系数；—外部空气温度；—内部流体对流换热的表面传热系数；—温室内空气温度。该玻璃较薄，沿厚度方向的导热热阻可以不计。对于μm的辐射可认为该玻璃是透明的；但对于μm的辐射可认为全部吸收。假设辐射热流密度均匀地分布在玻璃表面上，玻璃温度也是均匀的。太阳辐射按5800K黑体辐射处理。（1）试写出稳态条件下单位玻璃表面积上的能量平衡式；例题5（2）设℃，℃，W/(m2.K)，W/(m2.K)，W/m2，W/m2，W/m2，试估算温室内的温度。解：以玻璃外表为研究对象，建立热平衡方程式：代入数据，解得℃例题6在一次外层空间试验里，一个很小的仪器被投放到宇宙空间中。假设此仪器可近似地看作直径为4cm的经过外表处理的铝球，初始温度为30℃。球的温度降低到40K时该仪器就会失效。设宇宙空间可视为0K的黑体，试估算该仪器能工作多长时间而不致失效。球的外表发射率取为0.96，铝的物性可近似地取常温下纯铝的值。解：采用集总参数法：别离变量积分，得：解得将K代入，解得h例题7直径为的导线内（芯线）内有电流流过，其外绝缘层半径为，由于电阻而引起的单位长度上的发热率是均匀的。试证：（1）芯线表面温度比环境温度高：（2）当的大小使得芯线表面温度最低时，其中心温度比环境温度高：其中，为绝缘层的导热系数，为外表面复合换热的表面传热系数，为芯线的导热系数。解：芯线中心温度记为，芯线表面温度记为，绝缘层外表面温度记为，环境温度记为〔1〕按串联电路原理，有那么：（2）当的大小使得芯线表面温度最低时，应有：也即:例题7对于芯线，其完整数学描述为：

例题7当时，用初温为35℃的冷却水来冷却流量为1.82kg/s、初温为150℃的热油，要求把油冷