热工基础与应用 (第4版)课件：换热器及其热计算

一、传热过程定义(heattransferprocess)

热量由壁面一侧的流体通过壁面传到另一侧流体中的过程称为传热过程。h1,tf1h2,tf2二、传热方程式k—传热系数(overallheattransfercoefficient)，表示整个传热过程的强弱，单位是§14-1传热过程

换热器及其热计算1.分析：该传热过程包含着的三个串连环节：(1)高温流体侧的对流换热；(2)通过壁面的导热；(3)低温流体侧的对流换热。三、通过平壁传热过程的分析

在稳态情况下，由上面三个式子计算的热流量应是相等的。h1,tf1h2,tf2δtw2tw1

与传热方程式相对应，可以得到在该传热过程中传热系数的计算式。(1)壁面两侧传热面积相等(2)h1,h2可以是包括辐射与对流换热作用在内的复合换热表面传热系数(等效换热系数)2.工程意义①有时候并不关心或不需要获得壁面温度②避免引入难以测量的壁面温度，代之以较易测定的流体温度，使热流量计算容易进行而且可以提高准确度h1,tf1h2,tf2δtf1tw2tw1tf2思考：如果管壁存在污垢热阻，污垢导热系数分别为λw1,λw2

，厚度分别为δw1,δw2，求热阻表达式？3.传热过程热阻4.热阻概念重要性及适用范围①定量分析，仅适用于稳态且热量传递过程中热流量处处相等的情形②在tf1,tf2一定的情况下，通过调节热阻大小，来调节改变tw1,tw2

，哪侧热阻小，壁面温度更接近于该侧流体温度(热流量一定情况下)③强化换热，首先要考虑强化热阻大的传热项，才能取得事半功倍的效果④削弱换热，首先要考虑削弱热阻小的传热项，才能取得事半功倍的效果思考题1.铝壶烧开水2.纸杯烧开水3.锅炉炉膛水冷壁（1600Kvs700k）

正常运行情况下管壁温度的分析内外管壁表面干净4.改变暖气管中的水速或把铸铁管换成铜管可否显著强化换热？5.要及时清除冰箱内的结霜6.家用热得快要及时清除水垢7.冬天，屋顶结霜或积雪有利于房屋保暖8.下列三种情形，要强化传热过程应当从哪个环节入手四、通过圆筒壁的传热管内对流：管壁导热：管外对流：①公式与平壁的最大区别是？三式相加，消去壁面温度管外侧面积工程计算经常以为基准②特点(1)再一次体现串联热阻叠加原则(2)同一传热量不同计算表面积相应k值不同，因此做比较时必须说清楚传热系数的计算面积(3)薄壁，管壁热阻可忽略不计五、通过肋壁的传热过程为什么加肋片？表面传热系数小的一侧采用肋片强化是一种行之有效的方法1)为什么引入肋效率概念？1.肋效率(finefficiency)2)定义对于不同形状的肋片，如何快速计算每一个肋片的热量非常重要，而利用前述公式复杂。为了工程计算，引入肋效率的概念，表示肋片散热的有效程度3)等截面直肋如何作图表？纵截面(longitudinal)：热流密度传递的面建立关于的图表ALx0Acφ横截面(cross)：与热流密度垂直的面4)可以证明对环肋、三角形肋及其它形状的肋片的肋效率均为的函数H0t0t∞xt0Ht0t∞xt5)为了考虑肋端散热对φ的影响，采用等效肋高H′代替H查图HH’δ/2δ2.稳态下传热情况：内侧：平壁：外侧：肋面总效率(overallsurfaceefficiency)定义肋化系数：加肋后，使热阻由六、传热过程分析1.增加传热量的突破口：热阻大的一侧2.一般情况下，导热热阻占总传热热阻5%左右，将钢管换成铜管无作用3.如果两边热阻相当，则要两侧强化在锅炉再热器中高温烟气在管外横向冲刷管束，而被加热的蒸汽在管内流动，蒸汽是冷流体。分析纵向内肋片管的再热器与光管的再热器再蒸汽出口处管壁温度与蒸汽温度之差的比例关系4.工程应用中，有时在热阻小的一侧加肋片以降低换热器壁面温度工况§14-2换热器的种类(HEx)1.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2.分类(accordingtotransferprocess)：①混合式(Direct-contactheatexchangers)(1)冷热流体相互接触(2)热量传递同时伴随质量传递(3)受流体不能混合的限制，要求冷热流体不互溶，容易分离②蓄热式(regenerator)(1)冷热流体依次交替流过同一换热面(2)非稳态换热，周期性(3)固壁除了换热以外，还起到蓄热作用(4)一般适用于气体Rotatingregenerator③间壁式(recuperator)(1)冷热流体被壁面隔开，互不接触，应用最广泛(2)按流体流动可分为顺流，逆流，交叉流(3)按结构可细分为：套管式、壳管式、肋管式、板式等3.间壁式换热器的主要型式顺流逆流①套管式换热器：最简单的一种间壁式换热器，流体有顺流和逆流两种，适用于传热量不大或流体流量不大的情形顺流逆流②壳管式换热器：最主要的一种间壁式换热器，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。一种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。一种流体从外壳上连接管进入换热器，在壳体与管子之间流动。这条路径称为壳程。在同样流速下，流体横向掠过管子的换热效果要比顺着管面纵向流过换热要强，因此外壳内一般增加挡板，以改善壳程的换热弓形折流板

β=10度β=15度管壳式换热器（螺旋折流板）Helicalbaffleshell-and-tubeHexSinglehelixDoublehelixHelicalbaffleHExRod-baffleshell-and-tubeHexRodbaffleHEx2管程：封头里加一块隔板优点：避免因管子受热膨胀引起的热应力1-2型换热器管壳式换热器（1-2型）进一步增加管程和壳程，2-4型换热器管程数：流动总体方向改变的次数加1壳程数：壳体的个数思考：对管壳式换热器，何种流体在管内，何种流体在管外？1.从便于清洗角度出发，容易玷污壁面的流体布置在管内2.从考虑节约耐腐蚀金属角度出发，腐蚀性流体安排在管内3.从防止管子堵塞角度出发，较粘流体布置在管外4.管子承压强度较大，高压流体置于管内冷油器，冷却水与油的布置（较粘油，易结垢水）③肋管式换热器：ParallelchannelSlottedsurfaceOff-setfin④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。PlateHEx(schematic)PlatepatternofplateHExPlateHExbeingassembled螺旋板式换热器：换热表面由两块金属板卷制而成，流体作螺旋运动强化传热。优点：换热效果好；缺点：密封比较困难。SpiralHExSpiralHEx板翅式换热器：换热板表面加翅片强化传热。4.按流动形式分类①顺流式换热器②逆流式换热器③交叉流式换热器§14-3换热器的热计算传热方程的一般形式：热流体沿程释放热量，温度降低，冷流体沿程吸热，温度升高，温差沿程不断变化，必须用整个传热面积上的平均温差与冷流体及热流体进出口温度有关，还与流动方向的布置有关同侧流体温差最大值同侧流体温差最小值对数平均温差(logarithmicmeantempdifferenceLMTD)一、对数平均温差1.对数平均温差2.算术平均温差(平均温差的另一种更为简单的形式)算术平均温差相当于假定冷热流体温度呈直线变化的情况，因此，总是大于或等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％。3.其他复杂布置时换热器平均温差的计算以上所讨论的对数平均温差(LMTD)只是针对纯顺流和纯逆流情况(套管式或螺旋板式换热器)，实际换热器一般都是处于顺流和逆流之间。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。1）

是小于1的修正系数。表示特定流动型式在给定工况下接近逆流的程度，取决于两个无量纲参数P，R2）P，R定义式中：下标1、2分别表示两种流体(1热2冷)，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R可大于，小于或等于14）P的物理意义：冷流体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11壳程，多管程2壳程，多管程一次交叉流，两种流体各自不混合一次交叉流，一种流体混合，另一种流体不混合4.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，逆流的最大，顺流则最小，其它布置介于其间InOutInOut2）顺流时，而逆流时，则可能大于，可见，逆流布置时的换热最强。思考：选择什么布置方式？3）那么是不是所有的换热器都设计成逆流形式的就最好呢？不是，因为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，有是需要故意设计成顺流（混合式布置）4）工程上两种流体交叉布置，但其中一种流体交叉次数大于4时，按总流向作顺流或逆流计算二、换热器的热计算

1.换热器热设计的目的，所依据的基本方程式及方法1）目的②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，核算能否胜任规定的新任务。热量确定(performancecalculation)①设计计算：设计一个新的换热器，以确定所需的换热面积(designcalculation)2）基本方程式传热方程式热平衡式设计计算需要确定A以及k校核计算需要确定Φ式中，不是独立变量，因为它取决于以及换热器的布置。根据热平衡公式可知，一旦和以及4个温度中的3个已知，即可以计算出另外一个温度。因此，上面的两个方程中共有8个变量，即需要给定其中的5个变量，才可以计算另外3个变量对于设计计算而言，给定的是，以及进出口温度中的3个，最终求对于校核计算而言，给定的一般是，以及2个进口温度，待求的是3）两类方法①平均温差法(LMTD’smethod)②效能-传热单元法(NTUapproach)特别适合于设计计算校核计算中，需假设流体出口温度进行试算，而出口温度变化对平均温差的影响较大特别适合于校核计算校核计算中，也需假设流体出口温度进行试算，但不计算平均温差，出口温度变化对随后的k的计算影响通过定性温度体现，影响不大(假定出口温度→定性温度→物性→k)重点掌握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）设计计算进出口温度中的3个具体步骤：1.选择两种流体与表面接触的形状以及两种流体流动布置方式2.利用热平衡关系，求出第4个温度3.计算，注意保持修正系数Ψ具有合适的数值，Ψ不能小于0.8，除非出于必须降低壁温的目的4.根据选择的流量，计算k5.由传热方程式计算所需的换热面积A6.计算两侧流动阻力，校核是否在允许范围内，如果阻力过大，则需改变方案重新设计(压缩机中冷器，为提高压缩效率，中间冷却，所以压损不能太大)2）校核计算已知：换热器结构求：

能否满足需要问题：具体步骤：2.按热平衡式计算另一个出口温度，计算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如何验证假设温度是否合理？4.计算5.计算热平衡热量6.如果两热量不相等，或超过工程允许误差，重新假设出口温度1.先假设一个流体的出口温度思考：调整向大，向小？三、污垢热阻

thermalresistanceoffouling换热表面由于水垢、污泥、油污等覆盖而引起的附加热阻

很小水垢约

1W/(m·K)、灰垢

0.1W/(m·K)要传递相同的热量，需要更大的温差相同的温差，传递的热量减小冗余面积(20~25%)1.已知：这是设计计算求：管长

换热器必须逆流布置

2.一壳管式换热器，烟气在内径为的薄壁钢管内流动，流速为，烟气的进口温度为、出口温度为。冷水在管束与外壳之间的空间内与烟气逆向地流动，初温为的冷水被加热到。假定水侧的表面传热系数远大于烟气侧的表面传热系数，忽略烟气的辐射换热以及钢管壁的导热热阻。试计算所需的直管长度。（计算烟气侧表面传热系数时不考虑入口效应、温差修正等）烟气的物性为导热系数运动粘度比定压热容密度

总传热系数k

烟气侧表面传热系数

hi定性温度特征流速特征长度湍流

对数平均温差

tm

换热量

换热器面积

A

换热器中直管长度

l例5-6，例5-7§14-4传热的强化和削弱一、工程传热两大类型1.强化(enhancement)实质：分析影响传热过程的因素，使设备单位体积换热量增加目的：由①Φ一定，Δtm一定，k增加，则A减小，缩小设备体积，减少金属耗量(载人航天，军事，潜艇)②Φ一定，A一定，k增加，则Δtm减小增加寿命(热应力)控制表面温度航空发动机冷却液体火箭发动机燃烧室温度高(3000-4500K)热流密度大（最高达160MW/m2）推力室的冷却是一项重要的设计考虑电子器件冷却：

70年代：10W/cm2;80年代：20～30W/cm2;90年代：100W/cm2③Δtm一定，A一定，k增加，则Φ增加2.削弱，热绝缘目的：①减少热量或冷量损失，节约能源中国2004年11月25日出台首部《节能中长期专项规划书》：节能和科学用能②保障物体内部温度恒定，减少波动制药过程中，要求恒温③提高低温状态下设备表面温度，防止结霜④防止温度不均匀，减小热应力(人造卫星要求温度恒定，利用热管技术)⑤保证正常工作环境(锅炉司炉工加煤，遮热罩)二、传热强化原则1.从传热方程式看:k增加A增加(加翅片，受空间及工艺条件限制)Δtm增加(受冷热流体温度的限制，热流体出口温度不能降低到环境温度以下；温度太高，又要受材料强度限制)2.从改变k角度三、强化传热途径要强化，集中在对流，对于导热，一般来说，δ及λ余度不大要削弱，主要集中在导热、辐射部分1.从影响对流换热因素角度①改变流体流动状况(层流变湍流；自然变强制)②改变表面状况及几何尺寸(短管，小直径管，粗糙管，涂层)③改变流体物性参数(风冷变水冷，流体添加剂，沸腾水中加盐)湍流或层流？2.从对流换热实验规律来分析①无相变对流换热，以管内湍流D-B关联式为例②有相变换热3.从过程物理机制角度①单相对流换热②沸腾减薄边界层增加流体扰动增加换热壁面上的速度梯度③凝结4.方法归类①有源技术，主动(active)：需要采用外加动力以破坏边界层换热表面振动电磁场作用于流体换热流体振动对换热介质作搅拌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②无源技术，被动(passive)：除输送传热介质的功率消耗外，不再需要附加动力涂层粗糙表面扩展表面扰流子涡流发生器添加物5.从减小导热与辐射换热热阻角度①降低δ/λ冬天穿湿袜子②降低污垢热阻四、强化传热的经济性分析

综合考虑传热效果与流动阻力（成本与运行费用；厂家与用户)

提高流速：增强换热，节省初投资成本压损增加，运行费用上升

流速还受到两个因素制约：流速不能过低，保证换热面上不快速结垢流速不能过高，避免