1、1概述 任何物体只要处于绝对零度以上，都能发射任何物体只要处于绝对零度以上，都能发射电磁波形式的能量，当一物体的这种能量射到另电磁波形式的能量，当一物体的这种能量射到另一物体并被吸收转变为热能的过程称为热辐射。一物体并被吸收转变为热能的过程称为热辐射。热辐射与对流和传导的主要区别：热辐射与对流和传导的主要区别：热辐射线可在真空中传播，无需任何介质热辐射线可在真空中传播，无需任何介质 。2辐射辐射能热辐射热射线物体以电磁波方式传递能量的过程 物体以电磁波方式传递的能量 因热的原因引起的电磁波辐射 波长0.381000m之间大部分集中在波长0.7620m的红外光线区段 概述3辐射能的吸收、反射和透
2、过概述透过反射吸收4根据能量守恒定律，可得 ardQQQQ1adrQQQQQQ a1 rd 概述5aQaQrQrQdQdQ吸收率反射率透过率概述6一、黑体、镜体、透热体和灰体能透过全部辐射能的物体称为透热体。黑体镜体透热体能全部吸收辐射能的物体称为黑体或绝对黑体。能全部反射辐射能的物体称为镜体或绝对白体。能够以相等的吸收率吸收所有波长辐射能的物体称为灰体。灰体7黑体镜体 灰体一般单原子气体和对称的双原子气体（如He、O2、N2和H2等）均可视为透热体 透热体理想物体 一、黑体、镜体、透热体和灰体8二、物体的辐射能力E辐射能力 实际物体在一定温度下，单位表面积，单位时间内所发射的全部波长的辐射能
3、，称为该物体在该温度下的辐射能力。E单位为 W/m2黑体的辐射能力bE单位为 W/m2 黑体在一定温度下，单位黑体表面，单位时间内所发射的全部波长的辐射能。9黑体辐射能力黑体辐射常数三、斯蒂芬-玻尔茨曼定律理论研究证明：黑体的辐射能力Eb 服从斯蒂芬-玻尔茨曼定律。40bET5.6710-8W/m2K410 斯蒂芬玻尔兹曼定律揭示了黑体的辐射能力与其表面温度的四次方成正比这一定量关系。4400()100bTETC2405.67W/(mK)C 黑体的辐射系数 三、斯蒂芬-玻尔茨曼定律工程上为计算方便起见,常写成:11四、物体的辐射能力与吸收率克希霍夫定律辐射换热的差额为：bqE aE当T0=T，
4、两表面处于热辐射的动平衡状态，热量的收支相等。即：q=0bE aEbEEa或物体的辐射能力与吸收率之比等于同温度下黑体的辐射能力。称为克希霍夫定律。黑体实际物体12 可以看出，当a，E，即容易吸收的物体，也容易放出能量。各种物体的吸收率永远小于1，所以在任何温度下，各种物体的辐射能力永远是小于绝对黑体的辐射能力。a10CaC为物体的辐射系数 四、物体的辐射能力与吸收率克希霍夫定律bEE440100100bTTEaEaCCW/m2K413 克希霍夫定律揭示了物体的辐射能力与吸收率之间的关系。对于实际物体，因aT2。T1T2 Eb1Eb2由黑体1净传给黑体2的热量为：1 212bbQEEA4412
5、0100100TTCA19一、两黑体间的辐射换热如二平面的位置不是平行的如二平面的位置不是平行的44121 2011 2100100TTQCA温度高的黑体的辐射面积几何因数(角系数)=f（两物体表面的形状、大小、相互位置及距离）20二、两实际物体间的辐射换热 实际物体之间的辐射换热要利用有效辐射的概念进行计算。两实际物体间的辐射换热由于投射的辐射能只有部分被吸收，其余被反射，而被反射的辐射能中也只有一部分被反射回原来的物体表面上，所以这时的辐射换热是一个反复发射和反射的过程。21二、两实际物体间的辐射换热1、有效辐射设 E：本身发射的能量 E：其它物体投射到该物体表面的能量 E效：本身辐射和反
6、射辐射之和22二、两实际物体间的辐射换热可从两种角度来分析被研究物体的热量收支情况：从物体的内部看：一物体净传给其它物体的能量：1 21qEE a1 2qEE效1 21 21()qEEqa效1 21 211qEEqaa效1 21 211qEEqaa效11 2111bEEqa效（1）从物体的外部看：（2）1 2EEq效（3）把（3）式代入（1）式：等式两边同除以a1：23二、两实际物体间的辐射换热2 2、利用有效辐射概念进行辐射换热计算公式的推导示例、利用有效辐射概念进行辐射换热计算公式的推导示例n已知：有两物体：n1物体：A1、T1、a1n2物体：A2、T2、a2n且T1T2 n两物体间为透热
7、体n求：辐射换热量1 2q24二、两实际物体间的辐射换热解：一物体传给二物体的净热。从图可知，一物体发射的辐射能全部投射到二物体上，而二物体发射的辐射能只有一部分投射到一物体的表面上，其余部分的辐射能却投射到本身的表面上。一物体净传给二物体的热量为：根据有效辐射的概念：因为热量是在二物体之间进行的：1 2121 2QEAEA效1效222 1211bEEqa效2（）11 2111bEEqa效1（）1 22 1qq 25二、两实际物体间的辐射换热将式（2）、（3）、（4）代入（1）式：1 211 2122 122 1121111bbQEqAEqAaa1 22 11 2111 2222 12 12
8、12 112bbQQQE AQE AQaa1 22 12 111222 11211bbQE AE Aaa11222 11 22 112111bbE AE AQaa26二、两实际物体间的辐射换热当两物体温度相等时，即T1=T2 时，能量交换收支相等。1 20Q11222 10bbE AE A112 122bbE AE AT1=T212bbEE12 12AA1112212121 211122122111111bbbbAE AE AEEAAQAAaAaaAa代入式得27二、两实际物体间的辐射换热4444121201011 211122122100100100100111111TTTTCACAQAAa
9、AaA两物体组成的封闭系统的辐射传热28二、两实际物体间的辐射换热当 时,可化简为：121AA4412011 212100100111TTCAQ当 时,可化简为：120AA44121 2110100100TTQAC4412011 212100100111TTCAQ当 时,可化简为：实用意义：不需要知道表面积A2和黑度2就可计算辐射换热量。120AA29二、两实际物体间的辐射换热n 例题：电热偶的测温误差n 用热电偶测量管道中的气体温度，已知热电偶接点表面的黑度为0.3，气体对热电偶的给热系数为60 W/m2，试求以下三种情况热电偶的测量误差。n 1、管壁温度为30，热电偶读数为60；n 2、管
10、壁温度为500，热电偶读数为700；n 3、加强管道保温措施，管壁温度为650，热电偶读数为700。30二、两实际物体间的辐射换热n 解：由于热电偶工作点具有凸表面，其表面积相对于管壁很小，所以可按 条件计算。n 设流体真实温度为Tg，热电偶指示温度为T1，管壁温度为Tw，在定态条件下，热电偶的辐射散热和对流受热应相等。21AA441110100100wgTTqTTC441011100100wgCTTTT31二、两实际物体间的辐射换热1、T1=273+60=333K Tw=273+30=303K 4410.3 5.673.333.031.160gTTK11.11.8%601.1ggttt相对误
11、差2、T1=273+700=973K Tw=273+500=773K4410.3 5.679.737.73152.960gTTK1152.917.9%700 152.9ggttt相对误差=32二、两实际物体间的辐射换热3、T1=273+700=973K Tw=273+650=923K4410.3 5.679.739.2348.360gTTK148.36.4%70048.3ggttt33二、两实际物体间的辐射换热 从本例计算结果可知，用普通热电偶测定低温气体的从本例计算结果可知，用普通热电偶测定低温气体的所产生的误差很小，但用来测定高温气体的温度所产所产生的误差很小，但用来测定高温气体的温度所产
12、生的误差则不容忽视。生的误差则不容忽视。减少测温误差措施：减少测温误差措施：降低热电偶的黑度，降低热电偶的黑度，提高气体对热电偶的局部给热系数，提高气体对热电偶的局部给热系数，加强管道保温措施以提高壁温等，加强管道保温措施以提高壁温等，采用遮热罩抽气式热电偶。采用遮热罩抽气式热电偶。34二、两实际物体间的辐射换热3、隔热板当需要减少热辐射时，可以在热源与受热物体之间插入薄板，能够有效地阻碍辐射换热的薄板，称为隔热板。隔热板的工作原理 热源1传给隔热板的辐射热量为：44311 31 311 3100100TTQCA隔热板3传给受热体的辐射热量为：44323 23 233 2100100TTQCA
13、(1)(2)35二、两实际物体间的辐射换热式中：01 31133111CCAA03 23322111CCAA当热辐射处于稳定状态时：1 33 2QQQ123AAAA001 3113133111111CCCAA12301 321CC03 221CC1 33 2CCC由（1）式：4431100100TTQCA36二、两实际物体间的辐射换热由（2）式：4432100100TTQCA加了一块隔热板以后的热辐射量：441212100100TTQCA(3)不加隔热板时，热源1传给受热体2的辐射热量为：44121 21 2100100TTQCA01 212111CC1201 221CCC44121 2100
14、100TTQCA(4)37二、两实际物体间的辐射换热比较（3）式和（4）式 1 212QQ表明：放置一块隔热板可使辐射热量减少一半。如果在受热体和热源中间加n块隔热板呢？热量可减少多少？放置n块隔热板可使辐射热量减少为原来的结论：隔热板对整个系统不起加入或移走热量的作用，而仅仅是在热流途中增加热阻减少传热量。11n38第六章 传 热6.5 辐射传热6.5.1 基本概念和定律6.5.2两物体间辐射换热6.5.3辐射给热系数39辐射给热系数当化工设备或管道在大房间内散热时对流给热传热量 12CCWQATT辐射传热量 44120100100RWWTTQC A将辐射传热处理为与对流给热方式类似的方式：
15、4481201210RwTTCTT12RRWQATT辐射给热系数W/m240 当对流给热的温差和辐射传热的温差相等时，则总的热流量：12CRCRwQQQTTA12twQATT辐射给热系数总给热系数W/m241第六章 传 热6.6 传热过程的计算6.6.1传热系数K的导出与提高K的途径42一、传热系数K计算式的导出mQKA t图为一逆流操作的套管式换热器，冷热流体的温度分别以t、T表示，热流依次穿过热流体、管壁、冷流体三个环节。传热速率方程传热系数K 43 冷、热流体通过间壁换热的传热机理为“对流-传导-对流”的串联过程，对定态传热过程，各串联环节的传热速率必然相等，即()()()iwiwwmo
16、woQTTATtAtt A11wwwwiimooAATTTtttQA或一、传热系数K计算式的导出0iwQQQQ44根据串联热阻叠加原理，可得()()()1111wwwwiimoiimoooAAAATTTtttTtQAA一、传热系数K计算式的导出总推动力总热阻由传热速率式：1mmmtQKA tKA比较以上两式可得：00111miimKAAAA001mmiiAAKAA or45基于管内表面积的传热系数 基于平均表面积的传热系数 基于管外表面积的传热系数 000011mmmmiiiiKAAddAAdd0000011111ln2iiiiiimiiKddddddddd00000000111111ln2i
17、imiiiKddddddddd一、传热系数K计算式的导出同理可得:46一、传热系数K计算式的导出 以不同表面积为基准的传热系数是不相等的，但热流量相等。因为，K 和A是对应的。工程上大多以外表面积为基准，故后面讨论中，除非特别说明，都是基于外表面积的总传热系数。47二、提高传热系数途径的分析 对于传热面是平壁或薄壁圆管时，则K可简化为：0111iK00111iiKRR设计中应考虑污垢热阻的影响 管壁外表面污垢热阻管壁内表面污垢热阻48当换热器是新的或污垢热阻很小可以忽略，且壁面热阻也很小时：000111iiiK 结论：K值比i和0 项中任意一项的数值都小000001iiiiiK00000()1
18、iiiiiK二、提高传热系数途径的分析 49 K值接近于i、0 中较小的一个 当i0 0000iiiiK当0i 000iiiiiK二、提高传热系数途径的分析 管壁外侧对流给热控制管壁内侧对流给热控制o,i 若管壁内、外侧对流给热控制相当若管壁两侧对流给热热阻很小，而污垢热阻很大污垢热阻控制50例题：某换热器其i=102W/m2，0=104W/m2，K=99W/m2，管壁和污垢热阻可以忽略。为了提高K值可采用两种方法：（1）将i增加一倍；（2）将0增加一倍，问采用哪种方法有效？解：（1）W/m2 2401119611112 1010iK2401199.51111102 10iK（2）W/m2 应
19、提高i即小的数值可使K,更为有效。当换热器结污垢时，且/又很小时，若污垢热阻起主要作用，为使K,需清除污垢。二、提高传热系数途径的分析 51总结总结：K K值是由串联过程中的最大热阻所决定。值是由串联过程中的最大热阻所决定。要强化传热过程，必须尽力减小控制要强化传热过程，必须尽力减小控制K K值的热阻，值的热阻，若在非控制步骤的热阻上下工夫，则达不到强若在非控制步骤的热阻上下工夫，则达不到强化传热的目的。化传热的目的。二、提高传热系数途径的分析 52 讨论题讨论题：如何强化传热即提高如何强化传热即提高K?K?列管式换热器，管外蒸汽冷凝，管内加热水。蒸汽列管式换热器，管外蒸汽冷凝，管内加热水。蒸
20、汽压力不变，水流量不变，如何使压力不变，水流量不变，如何使K?K?二、提高传热系数途径的分析 53措施，应使措施，应使 水水.水水 蒸汽蒸汽，加隔板使换热器由单管程变成双，加隔板使换热器由单管程变成双管程，在管程，在q qmm不变的情况下，不变的情况下，u u2u,2u,而而 u u0.80.8,如如水走管外，可在壳程加挡板，使水走管外，可在壳程加挡板，使u,u,若管内走蒸若管内走蒸汽，换热器一定要竖放。汽，换热器一定要竖放。二、提高传热系数途径的分析 54二、提高传热系数途径的分析 55三、传热系数K的其它确定方法1、选用生产上经验数据 P.231表6-8列出了管壳式换热器的K值推荐值，可供
21、设计时参考。在实际设计计算中，传热系数通常采用推荐值。这些推荐值是从实践中积累或通过实验测定获得的。56 在选用传热系数的推荐值时，应注意以下几点：设计中管程和壳程的流体应与所选的管程和壳程的流体相一致；设计中流体的性质（黏度等）和状态（流速等）应与所选的流体性质和状态相一致；设计中换热器的类型应与所选的换热器的类型相一致；三、传热系数K的其它确定方法57传热系数的推荐值一般范围很大，设计时可根据实际情况选取中间的某一数值。若需降低设备费（减小换热面积）可选取较大的值；若需降低操作费（增大换热面积）可选取较小的值。三、传热系数K的其它确定方法58三、传热系数K的其它确定方法2、实验测定 对于已
22、有的换热器，可以通过测定有关数据，如设备的尺寸、流体的流量和温度等，然后由传热基本方程式计算值。显然，这样得到的总传热系数值最为可靠。59第六章 传 热6.6 传热过程的计算6.6.1传热系数K的导出与提高K的途径6.6.2传热温差tm的计算60一、平均温度差法传热速率方程mQKA t传热过程冷、热流体的平均温度差 61 推导平均温度差的表达式时，对传热过程作以下简化假定：传热为定态操作过程；两流体的定压比热容均为常量；传热系数为常量；忽略热损失。一、平均温度差法621.恒温传热时的平均温度差 换热器中间壁两侧的流体均存在相变时，两流体温度可以分别保持不变，这种传热称为恒温传热。(-)mQKA
23、 tKA T t冷流体温度 热流体温度 一、平均温度差法632.变温传热时的平均温度差（1）逆流和并流时的平均温度差一、平均温度差法逆流并流64一、平均温度差法对换热器中的dA段列出传热速率方程。在dA段，热流体因放热温度下降dT，冷流体则因受热温度上升dt，而传递的热量为dQ，两边流体间的温度差为T-t，故经dA传热面的传热速率为：dQKdA TtKdA t65由热量衡算并结合假定条件和，可得 一、平均温度差法1122mpmpdQq CconstdTdQq Cconstdt热流体放出的热量为：冷流体得到的热量为：11mpdQq C dT11mpdQdTq C22mpdQq C dt22mpd
24、Qdtq C66一、平均温度差法说明Q与热流体的温度T呈直线关系，同理Q与冷流体的温度t也呈直线关系。显然，Q和冷热流体之间的温度差必呈直线关系。直线的斜率是：12dtttdQQ 将传热速率方程式代入，得：12dtttK dAtQ 或：12dtttdAK tQ 67根据假定条件 K=const，积分上式得一、平均温度差法11221lntttAKtQ 1212lnmttQKAKA ttt 1212lnmttttt 对数平均温度差逆流和并流时计算平均温度差的通式。68一、平均温度差法应用公式计算时注意：1、取温差大的一端作为t1，温差小的一端作为t2。2、对数平均值不等于算术平均值，特别是当两端温
25、差（推动力）相差悬殊时，对数平均值算术均值。3、当两端温差相差不大时，如t1/t2t2 而逆流有可能T245时,冷却水易结垢层,换热器传热效率。设计参数选择原则一般来说，设计时冷却水的进出口温度差可取510。缺水地区可选用较大温差，水源丰富地区可选用较小的温差。833.流体流速的选择 增大流速加大对流给热系数减少污垢的形成流动阻力加大传热系数增大 动力消耗增多 一般需通过多方面权衡选择适宜的流速。P.231表6-9和表6-10列出了常用的流速范围，可供设计时参考。一、换热器的设计型计算84一、换热器的设计型计算、冷、热流体走向的选择 不洁净和易结垢的流体宜走管程，因为管程清洗比较方便。腐蚀性的
26、流体宜走管程，以免管子和壳体同时被腐蚀，且管程便于检修与更换。压力高的流体宜走管程，以免壳体受压，可节省壳体金属消耗量。85一、换热器的设计型计算 被冷却的流体宜走壳程，可利用壳体对外的散热作用，增强冷却效果。饱和蒸汽宜走壳程，以便于及时排除冷凝液，且蒸汽较洁净，一般不需清洗。有毒易污染的流体宜走管程，以减少泄漏。86一、换热器的设计型计算 流量小或黏度大的流体宜走壳程，因流体在有折流挡板的壳程中流动，由于流速和流向的不断改变，在低Re（Re100）下即可达到湍流，以提高对流传热系数。若两流体温差较大，宜使对流给热系数大的流体走壳程，因壁面温度与给热系数大的流体接近，以减小管壁与壳壁的温差，减
27、小温差应力。87、换热管规格和排列的选择管子规格 25 2.5mm19 2mm管径 1.5m2m3m6m管长一、换热器设计的基本原则88一、换热器的设计型计算管子的排列方式紧凑、K大松散、K小、管外易清洗较正方形排列K大896.管程和壳程数的确定 管壳式换热器系列标准中管程数有1、2、4、6四种。采用多程时，通常应使每程的管子数相等。当温度差校正因数小于0.8时，应采用壳方多程。常用的方法是将几个换热器串联使用。一、换热器的设计型计算907.折流档板的选用 板间距过小，不便于制造和检修，阻力也较大；板间距过大，流体难于垂直流过管束，使对流给热系数下降。一、换热器的设计型计算91 系列标准中采用
28、的板间距为：固定管板式有100、150、300、450、600和700mm七种；浮头式有100、150、200、250、300、350、450(或480)和600mm八种。一、换热器的设计型计算928.外壳直径的确定 壳体标准常用的有159、273、400、500、600、800、1000、1100、1200mm等。一、换热器的设计型计算8.外壳直径的确定 壳体标准常用的有159、273、400、500、600、800、1000、1100、1200mm等。93二、换热器的操作型计算操作型计算的命题方式分两类1、第一类命题给定条件：换热器的传热面积A以及有关尺寸、冷热流体的物性，冷热流体的流量q
29、m1、qm2及进口温度t1、T1以及流体的流动方式。计算目的：冷热流体的出口温度t2、T2。给定条件：换热器的传热面积A以及有关尺寸、冷热流体的物性，冷热流体的流量qm1、qm2及进口温度t1、T1以及流体的流动方式。计算目的：冷热流体的出口温度t2、T2。94二、换热器的操作型计算2、第二类命题给定条件：换热器的传热面积A以及有关尺寸，冷热流体的物理性质，热流体的流量qm1和进出口温度T1、T2，冷流体的进口温度t1以及流动形式。计算目的：所需冷流体的流量qm2及出口温度t2。95二、换热器的操作型计算操作型问题的求解对于各种操作型问题，可联立求解传热基本方程和热量衡算式得到解决，对第一类操
30、作型问题可通过消元法直接求解。传热基本方程11221221mPmPq CTTq Ctt热量衡算式 122111121221lnmpTtTtq CT TKATtTt96二、换热器的操作型计算例题1：有一运转中的换热器，热流体为空气1=100W/m2，冷流体为水，2=2000W/m2，已测得t1=20，t2=85，T1=100，T2=70，管壁热阻可以忽略，换热器逆流操作，当水的流量增加一倍时，试求：（1）水和空气的出口温度t2 和T2；（2）热流量Q比原热流量Q增加多少？解：（1）按传热基本方程 122111121221lnmpTtTtq CTTKATtTt 122111121221lnmpTT
31、ttq CTTKATtTt97二、换热器的操作型计算1112122211121221()lnmpmpmpq CTTTTq Cq CTTKATtTt原工况：1112211122ln1mpmpmpq CTtKATtq Cq C （1）新工况：1112211122ln1mpmpmpq CTtK ATtq CqC（2）98二、换热器的操作型计算已知原工况：1121221285 202.17100 70mpmpq Cttq CTT121195.211111002000KW/m2 新工况：112212.171.092mpmpq CqC222mmqq2uu0.822uu0.822299二、换热器的操作型计算
32、0.80.8121197.21111210022000K（1）、（2）式相除可得：11221212112121221lnln1mpmpmpmpq CqCTtTtKq CTtTtKq C100 8597.21 1.09ln0.0946702095.21 2.17 100二、换热器的操作型计算12210.91TtTt22130 1.1 Tt 或 (3)由热量衡算式：11211222220 1.09 100mpmpq CttTTTqC22129 1.09tT将其代入式（3）解出：T2=59.8 t2=63.8101二、换热器的操作型计算(2)新旧两种工况的热流量之比111110059.81.3410
33、070mpmmmpq CKtQQK tq C热流量增加了34%对本例，气侧给热为控制步骤，增大水量传热系数基本未变，热流量的变化主要是平均推动力增加的结果。两种工况的tm 之比为：381.3129mmtQtQ102二、换热器的操作型计算例题2：有一蒸汽冷凝器，蒸汽冷凝给热系数1=10000W/m2，冷却水给热系数2=1000W/m2。已测得冷却水进出口温度分别为t1=30，t2=35，如将冷却水流量增加一倍，蒸汽冷凝量增加多少？已知蒸汽在饱和温度100下冷凝。希望qm1，措施？为使qm1，应使qm2解：原工况：431909111010K W/m2 100301003567.510030ln10
34、035mt103二、换热器的操作型计算2221mpmq CttKA t （1）40.83114831110210K 122221121001002100ln100mpttq CttK Att2221212221122100ln100mpmmpq CttKA tttq CttK Att新工况：W/m2 （1）、（2）两式相除得：（2）104二、换热器的操作型计算21270ln1002mK ttttK212701483 5ln0.060410022 909 67.5mKtttK t234.1t冷凝量增加了64%222111222122 34.1 301.6435 30mpmmmpq CttqQqQ
35、q Ctt14831.63909KQKQ冷凝量冷凝量的增加的增加主要是主要是传热系传热系数提高数提高105二、换热器的操作型计算 在换热器中，若热流体的流量qm1或进口温度T1 发生变化，而要求其出口温度T2 保持原来数值不变，可通过调节冷却介质流量来达到目的。这种调节作用，不能单纯地从热量衡算的观点理解为冷流体的流量大带走的热量多，流量小带走的热量少，根据传热基本方程式，正确的理解是：冷却介质流量的调节，改变了换热器内传热过程的速率，传热速率的改变，可能来自tm，也可能来自K的变化，而多数情况是由两者共同引起的。106 如果冷流体的给热系数与热流体的给热系数相当或远小于后者，改变冷却介质的流
36、量，使tm 和K都有较大变化，此时过程调节是两者共同作用的结果。如果换热器在原工况下冷却介质的温度已经很小，即出口温度t2 很低，增大冷却介质流量不会使tm 有较大的增加，这时如果热流体给热不是控制步骤，则可使K值增大，从而使传热速率有所增加。但如果热流体给热为控制步骤，增大冷却介质的流量已无调节的作用。这表明，在设计时冷却介质的出口温度不宜取得过低，以便对换热器能留有调节余地。传热过程的调节二、换热器的操作型计算107二、换热器的操作型计算讨论题：讨论题：用套管式换热器，以冷水冷却物料，用套管式换热器，以冷水冷却物料，T T1 1 、t t1 1 、q qm1m1 一定，则设一定，则设计时，
37、计时，T T2 2 要求不变，若要求不变，若q qm2m2 选大些，即选大些，即q qm2m2 则：则：Q _ Q _ ，K _K _，t tm m _，A_A_，t t2 2 _ _。操作时，若操作时，若T T1 1、t t1 1、q qm1m1 不变，不变，q qm2m2 则：则：Q_ Q_，K _K _，t tmm _ _，A _A _，t t2 2_，T T2 2 _ _。（用（用、不变、不变、不确定来表示）、不确定来表示）108二、换热器的操作型计算用套管式换热器，以冷水冷却物料，用套管式换热器，以冷水冷却物料，T T1 1 、t t1 1 、q qm1m1 一定，则设一定，则设计时
38、，计时，T T2 2 要求不变，若要求不变，若q qm2m2 选大些，即选大些，即q qm2m2 则：则：QQ 不变不变 ，K K ，t tmm ，A A ，t t2 2 。操作时，换热器一定，操作时，换热器一定，T T1 1、t t1 1 、q qm1 m1 不变，若不变，若q qm2m2 则：则：QQ ，K K ，t tmm不确定不确定 ，A A不变不变，t t2 2 ，T T2 2 。109二、换热器的操作型计算套管换热器套管换热器加热冷流体加热冷流体，热侧为饱和水蒸汽冷凝，若热侧为饱和水蒸汽冷凝，若饱和水蒸汽压力上升饱和水蒸汽压力上升,则则Q_ Q_，K _K _，t tmm _，t
39、t2 2 _ _。（用（用、不变、不变、不确定来表示）、不确定来表示）套管换热器加热冷流体套管换热器加热冷流体，热侧为饱和水蒸汽冷凝，若热侧为饱和水蒸汽冷凝，若饱和水蒸汽压力上升饱和水蒸汽压力上升,则则QQ ，K K近似不变近似不变 ，t tmm ，t t2 2 。（用（用、不变、不变、不确定来表示）、不确定来表示）110二、换热器的操作型计算设计时，选择哪一组参数比较有利于今后对换设计时，选择哪一组参数比较有利于今后对换 热器的调节？热器的调节？参数参数(1)(1)(2)(2)t t2 2高高低低 t tmm小小大大A A大大小小q qm2m2小小大大111二、换热器的操作型计算间壁式换热器
40、，管外通空气管内通水间壁式换热器，管外通空气管内通水,用水使管外的空气用水使管外的空气冷却冷却,空气的流量保持不变，欲使空气的温度从空气的流量保持不变，欲使空气的温度从5050下降下降至至4040，有何措施？，有何措施？无措施无措施因为出口水温已因为出口水温已2121，而极限是，而极限是2020，所以欲使空气的温度，所以欲使空气的温度从从5050下降至下降至4040是不可能的，这类换热器是属于是不可能的，这类换热器是属于A A小，操小，操作费大，没有调节余地。作费大，没有调节余地。112二、换热器的操作型计算2.第二类命题的操作型计算因为传热系数K与待求的冷流体流量有关，计算只好采用试差法逐次
41、逼近。一般解法：已知A及有关尺寸，冷热流体的物性，qm1、T1、T2、t1和流动形式。求：qm2、t2113三、传热单元法NTU法传热单元法：在操作型计算中，出口温度T2或t2为未知，如果将传热基本方程中所含的两个出口温度用热量衡算式消去其中一个，使得计算式中只含一个出口温度，使计算方便。114三、传热单元法NTU法仍以逆流为例：122111121221lnmpTtTtq CTTKATtTt122112211112lnmpTtTtTtKATtq CTT2111121mpttKAq CTT （1）由热量衡算式可得：11211222mpmpq CttTTqC （2）115三、传热单元法NTU法式（
42、1）在等式左端对数项中包含两个待求变量T2及t2，通过下面变量变换并应用式（2）可消去t2 2111211211122111121111ttTtttTtTtTTTtTtTTTt1112211222111211121211111111mpmpq CTTttTTq CTtTTTtTTTTTtTt116三、传热单元法NTU法将上式代入（1）式，并令：112112212mpmpq CttRq CTT12111mpmTTKANTUq Ct12111TTTt热流体实际降到的温差热流体能降的最大温差 传热单元数：热效率：111111ln11RNTUR1111111 exp1exp1NTURRNTUR 可以得
43、到：（4）117三、传热单元法NTU法对冷流体同理可导出：2222221exp1exp1NTURRNTUR （5）21211ttTt221221121mpmpq CTTRq Ctt21222mpmttKANTUq Ct式中：（6）118三、传热单元法NTU法对第一类操作型问题，使用（3）、（4）式或者（5）、（6）式中任一组方程就可求解，对第二类操作型问题应根据已知条件选用其中一组方程，试差求解。这两组方程是适用于逆流操作的换热器，对并流操作自然也可作类似的推导。119三、传热单元法NTU法120三、传热单元法NTU法例题1：有一运转中的换热器，热流体为空气1=100W/m2，冷流体为水，2=
44、2000W/m2，已测得t1=20，t2=85，T1=100，T2=70，管壁热阻可以忽略，换热器逆流操作，当水的流量增加一倍时，试求：（1）水和空气的出口温度t2 和T2；（2）热流量Q比原热流量Q增加多少？目的冷却热空气，措施：使水的流量qm2121三、传热单元法NTU法解：原工况：121195.211111002000KW/m2 2112211229.1lnmTtTttTtTt11211221285202.1710070mpmpq CttRq CTT12111100701.0329.1mpmTTKANTUq Ct 122三、传热单元法NTU法112112222.171.0922mpmpq
45、 CttRTTq C1111mpK AKNTUNTUq CK0.80.8121197.21111210022000K12197.2100701.0595.229mTTKNTUKt水的流量加大一倍：W/m2 123三、传热单元法NTU法12111TTTt计算得：501.009.111)09.11(05.1)09.11(05.1)1(1)1(11111eeeReRNTURNTU8.59)20100(501.0100)(11112tTTT8.63)8.59100(09.120)(21112TTRtt124四、换热器的选用标准设备的选用步骤：1、试算并预选设备型号列出基础数据计算定性温度并列出流体物性
46、数据根据生产任务计算热负荷载热体用量的计算确定流体在换热器空间的走向初算流体平均温度差（一般先按逆流计算）选取传热系数K（可取生产上的经验数据或查有关书籍，教材P.231表6-8）计算传热面积A估（根据A估 在系列标准中选择适当的型号）P.298附录九初选系列标准设备型号125四、换热器的选用2、校核 校核传热系数K 管内给热系数计算 管外给热系数计算 校核的传热系数与选取的传热系数误差应小于5%，若误差大于5%，需重新选取传热系数，并重复（7）以下的步骤。校核流体平均温度差 校核传热面积A计 A计 A实际。考虑保险系数，即A实际=（1.151.25）A计，否则需重新估计一个K估，重复以上计算
47、。若对管壳两侧的压降有要求，还需对压降进行计算与校核。126第六章 传 热6.6 传热过程的计算6.6.1传热系数K的导出与提高K的途径6.6.2传热温差tm的计算6.6.3换热器的计算与选用6.6.4非定态传热过程的拟定态处理127非定态传热非定态传热过程：物料的加热和冷却过程间歇过程的热流密度q与加热位置无关，且随时间而变化。可表示为：qK Tt式中：12111K式子是在定态条件下导出，对非定态传热过程不适用，但当流体与加热壁面的温度随时间的变化率不大时，各传热环节的热量积累可以忽略，非定态过程可按拟定态处理。128非定态传热在d时间内的传热量为dQT=Qd，忽略热损失及换热器金属壁的热容
48、量与温度变化时有：dtTKAdtMCp210ttptTdtKAMCd积分：釜内液体的质量Kg釜内液体的比热容J/Kg129非定态传热21lntTtTKAMCp12ttMCtKAQpmT2121lntTtTtTtTtm加热时间为：或：式中：QT 釜内冷流体在加热时间内所获得的热量J tm 为加热始末的对数平均温度差 式中：t1、t2加热始末釜内液体的温度130第六章 传 热6.其它类型换热器简介131一、板式换热器优点：传热系数K大结构紧凑，单位容积的传热面积大 具有可拆结构，根据需要可增减传热面积。操作灵活性大，检修清洗也方便。缺点：允许的操作压强和温度比较低，且制造板片需要大吨位的冲压工艺。
49、132一、板式换热器133二、板翅式换热器(a)逆流（b）错流 134二、板翅式换热器优点：紧凑、高效。单位容积的传热面积比板式换热器更大。缺点：流道小，易堵塞，清洗困难，要求物料清洁，且制造复杂，内漏后很难修复，流体阻力较大。列管式换热器：40150 m2/m3 板式换热器：2501000 m2/m3板翅式换热器：25004000 m2/m3 135为什么这些高效紧凑的换热器，它为什么这些高效紧凑的换热器，它们的流体流动的通道都制成非圆形们的流体流动的通道都制成非圆形的呢？的呢？136例题：某气体在内径为35mm的直管内作湍流流动，管外用饱和蒸汽加热，测得给热系数为，若气体流量与加热条件不变
50、，并假定气体进出口平均温度相同，试计算气体在以下两种横截面积与圆管相等的非圆形通道内流动的给热系数。1、横截面为正方形的通道2、长宽之比为1：10的长方形通道137解：1、正方形通道的边长：mdAl222101.3035.0414.34mlllde22101.3444润湿周边流动截面02.1031.0035.02.02.0edd正方形通道的当量直径 设在正方形管道内的给热系数为，则：1382、设长方形通道的宽度为a，则2410daamda3221081.9104035.0104maadde23221078.11081.9112035.014.310244长方形通道的当量直径 长方形管道与圆管内
