传热学教学课件第九章 第一、二节

1、第九章 传热过程分析和换热器热计算,本章主要内容,在详细讨论了导热、对流、辐射三种基本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的工程传热问题。 本章内容是本课程的一个重要组成部分，因为在实际传热问题中不同的传热方式常常同时起作用。 在分析任何一个实际问题时，分析有那些热量传递方式在起作用，以及选用什么方法或公式进行计算是解决问题的基本功。 本章将从四个方面展开讨论。 （1）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）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方法。 （3）强化和削弱传热的措施和方法； （4）对几个复杂的热

2、量传递过程的例子进行综合分析。,第一节 传热过程的分析和计算,传热过程,传热过程的定义：热量由壁面一侧流体通过壁面传给另一侧流体的热量传递过程称为传热过程。 举例：教室墙壁内外侧空气的传热过程；管内流体与管外流体的传热过程； 计算： 式中 传热面积 传热系数 热冷两种流体的平均温度,传热系数,传热系数的定义： 传热系数的物理意义：冷热两种流体温度相差1度时，单位时间、单位面积冷热流体间传递的热量。 影响因素：传热系数的大小不仅取决于参与传热过程中两种流体的种类，而且还与过程本身（如流速的大小、有无相变等）、固体表面的形状等有关。 计算：通过分析具体的传热过程，计算传热系数。,典型传热过程分析,

3、通过平壁的传热,通过单层平壁的传热,物理模型,无限大平板 已知流体温度和壁面温度 已知换热条件和导热条件 已知几何条件,过程分析计算, 一般来说，传热过程包含着串连着的三个环节： (1) 从热流体到壁面高温侧的热量传递； (2) 从壁面高温侧到壁面低温侧的热量传递； (3) 从壁面低温侧到冷流体的热量传递。 只要分别计算各环节传递的热量，再根据传热过程的特点，就可以得到整个传热过程的计算表达式，从而确定该过程的传热系数。,过程分析计算,从热流体到壁面高温侧的热量传递： 从壁面高温侧到壁面低温侧的热量传递： 从壁面低温侧到冷流体的热量传递： 对于稳态过程，通过串连着的每个环节的热流量应该是相同的

4、，即 三式相加，得到,（1）,（2）,（3）,单层平壁的传热系数,传热系数的计算表达式 单位 物理意义：表示当冷热两种流体温度相差1度时，单位时间、单位面积冷热流体交换的热量。,结论,由上面的计算公式可见，传热系数的大小与传热过程中各环节的热阻有关，且在数值上就等于总热阻的倒数。因此在分析传热过程时，只要搞清组成该传热过程的各个环节，分别计算出各环节的热阻，然后求出总热阻，则其倒数就是该传热过程的传热系数。,通过多层平壁的传热,物理模型,以三层平壁传热为例 已知两种流体的温度 已知各平板的壁面温度 已知表面换热情况 已知各平板的导热情况 已知几何情况 不计接触热阻,过程分析计算,从热流体到壁面

5、高温侧的热量传递 通过第一层平壁的导热 通过第二层平壁的导热 通过第三层平壁的导热 从壁面低温侧到冷流体的热量传递,多层平壁的传热系数,稳态传热时 将上五个式子相加，并整理得 多层平壁的传热系数为,结论,传热系数的大小与传热过程中各环节的热阻有关，且在数值上就等于总热阻的倒数。 对于n层平壁的传热，其传热系数的计算式为,通过单层圆筒壁的传热,物理模型,已知圆筒壁的内外直径； 已知两种流体的温度； 已知壁面的换热状况； 已知圆筒壁的导热情况；,过程分析计算,该传热过程包括 管内侧流体到管内壁的换热； (2) 管内侧壁面到管外测壁面的导热； (3) 管外测壁面到外测流体间的换热。 在稳态条件下，通

6、过各环节的热流量是不变的。,过程分析计算,管内侧流体到管内壁的换热 管内侧壁面到管外侧壁面的导热 管外侧壁面到外侧流体间的换热 将上面三个式子改写成温差的形式，然后相加，整理后得到,单层圆筒壁传热系数,对外侧面积而言传热系数的定义式为 以外侧面为基准的传热系数计算式为 对内侧面积而言传热系数的定义式为 以内侧面为基准的传热系数计算式为 工程计算都是以管外侧面作为计算基准，为书写方便以k表示，即,结论,分析通过圆筒壁传热量计算公式，可以得到 等式的左边是对管外壁而言的总传热热阻，右边三项分别是管内、管壁和管外三个环节的热阻。说明串连热阻的叠加原。 该式也再一次说明，传热系数的大小与传热过程中各环

7、节的热阻有关，且在数值上就等于总热阻的倒数。因此在分析传热过程时，只要搞清组成该传热过程的各个环节，分别计算出各环节的热阻，然后求出总热阻，则其倒数就是该传热过程的传热系数。,通过多层圆筒壁的传热,物理模型,以三层圆筒壁传热为例； 已知内外侧流体的温度； 已知几何条件； 已知各接触壁面的温度； 已知换热情况； 已知导热情况。,过程分析计算,分别计算各环节的传热量，然后将传热量计算式改写成温差表达式，相加并整理，即可得到 由上式便可得到多层圆筒壁传热系数的计算公式,结论,计算通过圆筒壁传热的传热系数时，要特别注意 计算基准。当选取不同表面作为计算基准时，其 传热系数的计算表达式是不同的。工程中一

8、般采 用以外侧面作为计算基准。,通过肋壁的传热,物理模型,已知有肋侧和无肋侧 流体的温度； 已知由肋侧和无肋侧 壁面的面积； 已知两侧的换热条件； 已知材料的导热条件。,过程分析计算,热流体与无肋侧壁面的换热 通过肋壁的导热 流体与有肋侧壁面的换热 为肋面总效率，其计算式为,通过肋壁的传热系数,联立求解上面的三个式子，可以得到 通过肋壁传热系数的计算式为 （1）以有肋侧面为计算基准时为 （2）以无肋侧面为计算基准时为 式中， 称为肋化系数,肋化的作用,未加肋片时的传热系数 加装肋片后的传热系数 加肋片可以提高传热系数 加肋片可以强化传热，且应该加在换热热阻较大的一侧。,结论,肋壁传热系数为该传

9、热过程中各环节传热热阻之和的倒数，即为该过程中总热阻的倒数； 在光表面上加肋可以起到强化传热的作用； 为强化传热肋片应加在换热表面传热系数较小的一侧，即换热热阻较大的一侧。,临界热绝缘直径,问题的提出 临界热绝缘直径的计算 工程应用,问题的提出,根据经验我们知道，在一个圆管的外面敷设一层保温材料，可以减少该圆管的散热损失。但是，是否在任何情况下，加保温层都能起到保温的作用呢？ 要回答这个问题，就要对该传热过程进行认真的分析。 在圆管外敷设保温层，无疑增加了保温层的导热热阻，可减少散热；但敷设保温层的同时也增加了圆管外表面的换热面积，这将有利于圆管的散热，对保温是不利的。 所以，在圆管外敷设保温

10、层具有同时减小表面对流换热热阻和增加导热热阻两种相反的作用。当这两种相反的作用使总传热热阻增加时，传热量将减小；反之传热量将增加。 因此对圆管换热而言，一定存在着某一个直径，当圆管直径等于该直径时，散热量最大，该直径称为临界热绝缘直径。,临界热绝缘直径的分析,计算模型 热量计算公式 分析热量计算公式，可以发现：在圆管外包保温层时导热热阻增加，而换热热阻减小。,热阻及热量变化图,临界热绝缘直径的计算,定义：当圆管传热量最大时，其所对应的外直径称为临界热绝缘直径，用符号 表示。 计算：通过对传热量求极值的方法可以得到临界热绝缘直径的大小。 如果圆管外径小于临界热绝缘直径，这时在圆管外敷设保温材料时

11、，随着保温材料厚度的增加，散热量也会增加，所以此时非但起不到保温的作用，反而会起相反作用；若圆管外径大于临界热绝缘直径，这时在圆管外敷设保温材料，随着保温材料厚度的增加，散热量会减少，此时才能真正起到保温的作用。,临界热绝缘直径的应用,工程热力管道保温 工程上所用保温材料的导热系数一般小于0.05；表面换热系数一般小于10。所以此时临界热绝缘直径为 一般而言，工程热力管道的直径均大于10mm。所以一般而言，在工程热力管道外包保温材料均能起到保温的作用。 电线绝缘 一般而言，电线的直径要远远小于10mm，所以，在电线外包保温材料时将会增加电线的散热。此时外保温材料不起保温作用，而是起绝缘、安全作

12、用。,第二节 换热器的形式及平均温差,本节主要介绍换热器的定义、类型和热计算。 对于换热器的热计算则主要介绍两种方法： （1）对数平均温差法； （2）效能传热单元数法。,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（或设备）称为换热器。 换热器是一种热力设备，它可以实现冷热两种流体的热量交换。 在生活和工程中，换热器的使用极为广泛。如电厂中的锅炉、过热器、省煤器；制冷装置中的蒸发器和冷凝器；家庭用的取暖器等。,换热器的类型,按其工作原理，换热器可以分为： （1）间壁式换热器 （2）混合式换热器 （3）蓄热式换热器,间壁式换热器,冷、热两种流体由固体壁面隔开而分别位于

13、壁面两侧，在流动过程中实现冷、热两种流体的热量交换的换热器称为间壁式换热器。 这类换热器的工作特点是，冷热两种流体在互不干扰的情况下实现热量交换。所以在工程上得到广泛的应用。,混合式换热器,冷、热两种流体通过直接接触、相互混合来实现换热的换热器称为混合式换热器。 火力发电厂中的冷却塔、化工厂中的洗涤塔等均属于这类换热器。 这种换热器在应用上常受到冷热两种流体不能混合的限制。,蓄热式换热器,冷、热两种流体依次交替地流过同一换热面而实现热量交换的设备称为蓄热式换热器。 在这种换热器中，固体壁面除了换热以外还起到蓄热的作用：高温流体流过时，固体壁面吸收并积蓄热量，然后释放给接着流过的低温流体。 显然

14、，这种换热器的热量传递过程是非稳态的传热工程。 空气分离装置、炼铁高炉及炼钢平炉中常用这类换热器来预冷或预热空气。,间壁式换热器的类型,套管式换热器 壳管式换热器 交叉流换热器 板式换热器 螺旋板式换热器,套管式换热器,这是最简单的一种间壁式换热器。 依两种流体的流动方向不同而又有顺流布置与逆流布置之别。 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。,壳管式换热器,这是间壁式换热器的一种主要形式，又称为管壳式换热器。 化工厂中加热器、冷却器，电厂中的冷却器、冷油器以及压缩机的中间冷却器都是壳管式换热器的实例。,壳管式换热器的说明,在该换热器中，管内流动的流体从管子一头流到到

15、另一头的流程称为一个管程；壳内流体从壳的一头流到另一头的流程称为壳程。 12型换热器代表 1壳程2管程换热器。 两个12型换热器 串联为24型换热器。,交叉流换热器,它是间壁式换热器的又一种主要型式。 特点：参与换热的两种流体呈交叉流的形式。 根据换热器表面结构的不同又可有管束式、管翅式及板翅式等不同形式，,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，两相邻平壁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。 板式换热器拆卸清洗方便，故适合于含有

16、污染物的流体（如牛奶等有机流体）的换热。,螺旋板式换热器,螺旋板式换热器的换热 表面由两块金属板卷制 而成，冷、热流体在螺 旋状的通道种流动，这 种换热器换热效果好， 缺点是换热器的密封比 较困难。,间壁式换热器的热计算,在间壁式换热器中，冷热两种流体传递热量的过程是传热过程。 所以，冷热两种流体在换热器中交换的热量为传热量，因此可以利用传热方程来计算，即 注意公式中的温差为两种流体的平均温差。 在换热器中两种流体的温度不断变化，因此如何确定换热平均温差是间壁式换热器热计算的关键。,间壁式换热器中的温度分布的特点,下面我们来考察一个简单而具有典型意义的套管式换热器的工作特点。 在这类换热器中，

17、热流体沿程放出热量温度不断下降，而冷流体沿程吸收该热量温度则不断升高，且沿着流动方向，冷热流体的温差是不断变化的。 当两种流体采用顺流或逆流布置时，其温度分布是不同的。,间壁式换热器中温度分布,由图可以看出，在换热器中，无论是何种流体，也无论按何种方式布置，冷热两种流体的温度始终是在不断的变化的； 而且非但如此，两种流体的温差沿着换热面始终也是变化的。 对于换热器的热计算，其任务之一是要计算在换热器中冷热两种流体交换的热量。而对于间壁式换热器而言，冷热两种流体交换热量的过程为传热过程。因此可利用传热方程进行计算。此时两种流体交换的热量为,间壁式换热器的平均温差计算,顺流布置时平均温差的计算 逆

18、流布置时平均温差的计算,顺流布置时平均温差的计算,换热面积为A的套管式顺流布置换热器，热流体的温度变化为 冷流体的温度变化为,计算时的基本假设,冷、热流体的质量流量 、 及比热容 、 在整个换热面上都是常量； 传热系数在换热面上保持不变； 换热器无散热损失； 换热面沿流动方向的导热可以忽略不计。 应当指出，除了发生相变的换热器，上述4条假设适用于大多数间壁式换热器。如果一种介质在换热器的一部分表面上发生相变，则在整个换热面上该流体的热容量为常熟的假设将不再成立，此时无相变与有相变的部分应分别计算。,在换热器中取微元面dA 在其两侧冷热流体的温度 分别为 和 ，温差为 通过微元面两种流体交换的热量 热流体通过时释放出热量 冷流体通过时吸收了热量 将（a）式微分，并将（c）（d）式带入,(a),(b),(c),(d),将式（b）带入式（e）得 将上式分离变量得 积分得 由此可见，温差沿换热面作曲线变化。,(e),(f),顺流平均温差的计算式,逆流布置时平均