1、第十章第十章 传热过程分析与换热器热计算传热过程分析与换热器热计算=K A t传热过程：热量由壁面一侧的流体通过壁面传到另一侧流传热过程：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。（两个流体通过壁面的换热过程。）体中去的过程。（两个流体通过壁面的换热过程。）【传热过程是传热学中【传热过程是传热学中特指特指的概念】的概念】传热方程式：传热方程式：式中：式中：K为传热系数为传热系数(总传热系数总传热系数)。对于不同的传热过程，。对于不同的传热过程，K的计算公式不同。的计算公式不同。1KtotR10.1 传热过程的分析和计算传热过程的分析和计算1.通过平壁的传热通过平壁的传热12111K
2、hh说明说明：(1)h1和和h2的计算；（的计算；（2）如果计及辐射，换热系）如果计及辐射，换热系数应该采用等效换热系数数应该采用等效换热系数(总表面传热系数总表面传热系数)KA t 一、传热方程中的总传热系数一、传热方程中的总传热系数2.通过圆管的传热通过圆管的传热hiho()oofifoK A tt11ln()2ooooiiioKdddhddhooAd l说明说明：也可以以内表面为基准。也可以以内表面为基准。3.带保温层的金属圆管传热带保温层的金属圆管传热 临界热绝缘直径临界热绝缘直径()2111ln()2(2)fifoiiiioil ttdhddh d圆管外敷保温层后：圆管外敷保温层后：
3、可见，保温层使得导热热阻增加，换热削弱；降低对流可见，保温层使得导热热阻增加，换热削弱；降低对流换热热阻，使得换热增强，那么，综合效果到底是增强换热热阻，使得换热增强，那么，综合效果到底是增强还是削弱呢？还是削弱呢？220()d11d2111ln()2fifoooooiiiool ttddh ddhddh dd0dod2ocroddh可见，确实是有一个极值存在。也就是说，可见，确实是有一个极值存在。也就是说，do2在在do1 dcr之间，之间，是增加的，当是增加的，当do2大于大于dcr时，时，降低。降低。or2ood hBi4.通过肋壁的传热（定性分析）通过肋壁的传热（定性分析）A1A2Ai
4、本质上，在圆管外设置肋片和敷设保温层，都使对流换热热阻降低而导热热阻增加。但是，一般情况下，保温层使导热热阻增加较多，而使换热热阻降低较少，从而，使总热阻增加，起到削弱传热的效果；而设置肋片使导热热阻增加较少，而换热热阻降低较多，从而，使总热阻下降，起到强化传热的作用。xTThTcT1T2xTTh(Hot)Tc(cold)T1T2二、传热方程中的平均传热温差二、传热方程中的平均传热温差实际传热过程中，通常，两个流体的温度随着传热的流程实际传热过程中，通常，两个流体的温度随着传热的流程都在变化，如下图：都在变化，如下图：12KK()ffAtA tt 如何计算平均传热温差？平均传热温差与传热器的形
5、式有关！如何计算平均传热温差？平均传热温差与传热器的形式有关！严格上，仅在严格上，仅在dA时成立时成立10.2 换热器的型式换热器的型式1 换热器的定义：换热器的定义：用于使热量从热流体传递到冷流体，以满足规定工艺要求的装置。2 换热器的分类：换热器的分类：混合式：混合式：换热器内冷、热流体换热器内冷、热流体直接接触直接接触、互相混合来实现、互相混合来实现 热量交换。热量交换。蓄热式蓄热式：冷、热两种流体依次：冷、热两种流体依次交替地流过换热器交替地流过换热器的同一的同一 换热面（蓄热体）实现非稳态的热量交换。换热面（蓄热体）实现非稳态的热量交换。间壁式：间壁式：换热器内冷、热流体换热器内冷、
6、热流体由壁面隔开由壁面隔开，热量由热流体，热量由热流体 到冷流体传递过程是由热流体与壁面间的对流换到冷流体传递过程是由热流体与壁面间的对流换 热、壁的导热、壁面与冷流体间的对流换热三个热、壁的导热、壁面与冷流体间的对流换热三个 环节组成的传热过程。环节组成的传热过程。（应用最广泛）（应用最广泛）3 间壁式换热器的主要型式间壁式换热器的主要型式(1)套管式换热器：套管式换热器：最简单的一种间壁式换热器，流体有顺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流和逆流两种，适用于传热量不大或流体流量不大的情形(2)管壳式换热器：管壳式换热器：最主要的一种间壁式换
7、热器，传热面由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。两种流体分壳内。两种流体分管程管程和和壳程。壳程。outBT,side)(shell,inBTside)(tube,inAToutAT,(3)交叉流换热器：交叉流换热器：间壁式换热器的又一种主要形式。其主间壁式换热器的又一种主要形式。其主要特点是冷热流体呈交叉状流动。交叉流换热器又分管束要特点是冷热流体呈交叉状流动。交叉流换热器又分管束式、管翅式和板翅式三种。式、管翅式和板翅式三种。xTThTcT1T2xTTh(Hot)Tc(cold)T
8、1T21 简单顺流、逆流换热器的平均传热温差简单顺流、逆流换热器的平均传热温差ttlnmttt，顺流tttm tlnt,逆流10.3 平均传热温差平均传热温差顺流和逆流的区别在于：顺流和逆流的区别在于：顺流：顺流：逆流：逆流：chchtttttt chchtttttt minmaxminmaxtlnttttm或者我们也可以将对或者我们也可以将对数平均温差写成如下数平均温差写成如下统一形式统一形式(顺流和逆顺流和逆流都适用流都适用)(1)顺流和逆流是两种极端情况，在相同的进出口温度下，逆顺流和逆流是两种极端情况，在相同的进出口温度下，逆流的流的 最大，顺流的最大，顺流的 则最小；则最小；(2)顺
9、流时顺流时 ，而逆流时，而逆流时，则可能小于则可能小于 。mthcttct ht dqiToThdTcdTTInOutdqiToThdTcdTTInOutmt2 算术平均温差算术平均温差平均温差的一种最简单的形式是算术平均温差，即平均温差的一种最简单的形式是算术平均温差，即2minmax,tttm算术minmaxminmax,tlnttttm对数算术平均温差相当于温度呈直线变化的情况，算术平均温差相当于温度呈直线变化的情况，当当 时，两者的差别小于时，两者的差别小于4；当当 时，两者的差别小于时，两者的差别小于2.3。maxmin1.7ttmaxmin2tt通常，对逆流的对通常，对逆流的对数平
10、均温差进行修数平均温差进行修正以获得其他复杂正以获得其他复杂流动方式下的平均流动方式下的平均温差。温差。ctfmmtt)(教程中图教程中图10-2310-26分别给出了管壳式换热器和交叉流式分别给出了管壳式换热器和交叉流式换热器的换热器的 。cchhchccttttRttttP ,式中：下标式中：下标h、c分别表示两种流体，上角标分别表示两种流体，上角标 表示进口，表示进口，表示出口，图表中均以表示出口，图表中均以P为横坐标，为横坐标，R为参量。为参量。值取决于无量纲参数值取决于无量纲参数 P和和 R：2212ttPtt1122 ttRtt1壳程，壳程，2、4、6、8 管程的管程的 值值 10
11、.4 换热器的传热计算换热器的传热计算换热器的传热计算分为两种类型：换热器的传热计算分为两种类型：设计计算：设计计算：根据换热条件和要求，设计一台新换热器，为此根据换热条件和要求，设计一台新换热器，为此需要确定换热器的类型、结构及换热面积需要确定换热器的类型、结构及换热面积。校核计算：校核计算：核算已有换热器能否满足换热要求，一般需要计核算已有换热器能否满足换热要求，一般需要计算流体的出口温度、换热量及流动阻力等。算流体的出口温度、换热量及流动阻力等。换热器计算的两种方法：换热器计算的两种方法：平均温差法平均温差法和和效能效能-传热单元数法传热单元数法。换热器的参数：换热面积换热器的参数：换热
12、面积A、两侧流体的质量流量、两侧流体的质量流量 、进口温度进口温度 ，出口温度，出口温度 ，和换热量，和换热量。12,mmqq12,t t12,t t 换热器传热计算的平均温差法：换热器传热计算的平均温差法：换热器传热计算的基本公式：换热器传热计算的基本公式：mkA t1111mpq ctt2222mpq ctt3个方程有个方程有8个独立变量，只要知道其中个独立变量，只要知道其中5个变量，可求其它个变量，可求其它3个。个。1）设计计算（了解）：）设计计算（了解）：根据生产任务的要求，给定冷、热流体的质量流量根据生产任务的要求，给定冷、热流体的质量流量 和和进出口进出口4个温度中的个温度中的3个
13、，需确定换热器的型式、结构，计算个，需确定换热器的型式、结构，计算传热系数传热系数k及换热面积及换热面积A。12mmqq、1)设计计算步骤设计计算步骤：(a)根据给定的换热条件，如流体性质、温度和压力范围根据给定的换热条件，如流体性质、温度和压力范围 等，选择换热器类型，布置换热面，计算换热面两侧对等，选择换热器类型，布置换热面，计算换热面两侧对 流换热的表面传热系数流换热的表面传热系数 及传热系数及传热系数k；(b)根据给定条件，由式根据给定条件，由式求出未知的进、出口温度求出未知的进、出口温度及换热量及换热量；1111mpq ctt2222mpqctt (c)由进、出口由进、出口4个温度及
14、流动型式求平均温差个温度及流动型式求平均温差 ；(d)由式由式 求出所需的换热面积求出所需的换热面积A;(e)计算换热器的流动阻力，如果阻力过大，会加大设备的计算换热器的流动阻力，如果阻力过大，会加大设备的 投资和运行费用，须改变方案，重新设计。投资和运行费用，须改变方案，重新设计。mt12hh、mkA t 2）校核计算：）校核计算：已知换热器的换热面积已知换热器的换热面积A、两侧流体的质量流量、两侧流体的质量流量 、进、进口温度口温度 等等5个参数，需计算热、冷流体的出口温度个参数，需计算热、冷流体的出口温度 和换热量和换热量。计算步骤：计算步骤：mkA t1111mpq ctt2222mp
15、qctt(a)先假设一个流体的出口温度，热平先假设一个流体的出口温度，热平衡方程式求出换热量衡方程式求出换热量 和另一个流体和另一个流体的出口温度；的出口温度；(b)根据流体的进、出口根据流体的进、出口4个温度求平均温差个温度求平均温差 ；(c)计算换热面两侧的表面传热系数计算换热面两侧的表面传热系数 ，进而求得总传热系数，进而求得总传热系数k；(d)由式由式 求出换热量求出换热量 ;(e)比较比较 与与 ，如果相差较大，再重新假设流体出口温度，如果相差较大，再重新假设流体出口温度，重复上述计算，直到满意为止重复上述计算，直到满意为止。12,mmqq12,t t12,t t mt12,h hm
16、kA t10.5 传热的强化与削弱（自学）传热的强化与削弱（自学）传热工程技术的两个方向：强化传热技术与削弱传热技术传热工程技术的两个方向：强化传热技术与削弱传热技术（又称隔热保温技术）。（又称隔热保温技术）。传热工程技术是根据现代工业生产和科学实践的需要而发传热工程技术是根据现代工业生产和科学实践的需要而发展起来的科学与工程技术，其主要任务是按照工业生产和展起来的科学与工程技术，其主要任务是按照工业生产和科学实践的要求来控制和优化热量传递过程。科学实践的要求来控制和优化热量传递过程。无论是强化传热还是削弱传热无论是强化传热还是削弱传热，一般都是从改变传热温差一般都是从改变传热温差和改变传热热
17、阻两方面入手。和改变传热热阻两方面入手。以换热器内的传热过程为例：以换热器内的传热过程为例：mmmm121khhtttkA tRRRRkA传热强化途径传热强化途径：（1）加大传热温差）加大传热温差 ；（2）减小传热热阻）减小传热热阻 。mtkR在冷、热流体进、出口温度相同的情况下，逆流的平均温在冷、热流体进、出口温度相同的情况下，逆流的平均温差最大，顺流的平均温差最小，因此从强化传热的角度出差最大，顺流的平均温差最小，因此从强化传热的角度出发，换热器应当尽量布置成逆流。发，换热器应当尽量布置成逆流。1）多布置换热面，增加总传热面积多布置换热面，增加总传热面积A，可降低总传热热阻，可降低总传热热
18、阻，加大传热量加大传热量。2）降低污垢热阻。）降低污垢热阻。3）减小对流换热热阻）减小对流换热热阻Rh1、Rh2。如果两个热阻相差较大，应。如果两个热阻相差较大，应抓住主要矛盾，设法减小其中最大的热阻。抓住主要矛盾，设法减小其中最大的热阻。强化对流换热的方法强化对流换热的方法：（1）加大传热温差加大传热温差mt（2）减小传热热阻减小传热热阻kR 1）扩展换热面（加装肋片）扩展换热面（加装肋片）2）改变换热面的形状、大小和位置改变换热面的形状、大小和位置0.8fff0.023nNuRePr如管内强迫对流湍流换热如管内强迫对流湍流换热0.8mfff0.023nu dhdPr0.2hd用直径小的管子
19、或者用椭圆管代替圆管（减小当量直径）用直径小的管子或者用椭圆管代替圆管（减小当量直径）都可以取得强化对流换热的效果。都可以取得强化对流换热的效果。再如管外自然对流换热和凝结换热，管子水平放置时的表再如管外自然对流换热和凝结换热，管子水平放置时的表面传热系数一般要高于和竖直放置。面传热系数一般要高于和竖直放置。3）改变换热面表面状况改变换热面表面状况如表面粗糙度，可以强化单相流体的湍流换热；如表面粗糙度，可以强化单相流体的湍流换热；在换热表面形成一层多孔在换热表面形成一层多孔层可以强化沸腾换热；层可以强化沸腾换热；在换热面上加工成沟槽或螺纹，或对换热表面进行处理造在换热面上加工成沟槽或螺纹，或对
20、换热表面进行处理造成珠状凝结，是强化凝结换热的实用技术；成珠状凝结，是强化凝结换热的实用技术；增加表面黑度强化辐射换热。增加表面黑度强化辐射换热。4）改变流体的流动状况改变流体的流动状况 湍流换热强度要大于层流；对流换热热阻主要集中在边界层；湍流换热强度要大于层流；对流换热热阻主要集中在边界层；湍流换热的主要热阻在层流底层。加大流速实现湍流换热、湍流换热的主要热阻在层流底层。加大流速实现湍流换热、增强流体扰动、破坏边界层及层流底层，是强化对流换热的增强流体扰动、破坏边界层及层流底层，是强化对流换热的主要方法。主要方法。例题例题 1某逆流套管式换热器，用流量为0.9kg/s的油将流量为0.6kg
21、/s的水从35加热到90。油的比热容为2.1kJ/(kg)，进入换热器的温度为175。假设水的比热容为4.2kJ/(kg)，该换热器的总传热系数为425 W/(m2)。（1）计算该换热器的换热面积；（2）画出换热器冷、热流体温度变化曲线。例题例题 2某逆流套管式换热器，刚投入工作时的运行参数为：已知 qm1cp1=2500 W/K,k=800 W/(m2.K)。运行一年后发现，在 qm1cp1，qm2cp2，及入口温度不变的情况下，由于积垢使得冷流体只能加热到162.确定此情况的（1）热流体出口温度；（2）污垢的热阻。1122360,300,30,200tC tC tC tC例题例题 3习题6-39（需要迭代计算）作作 业业习题习题10-9习题习题10-13（1-2型壳管式换热器改为逆流换热器）型壳管式换热器改为逆流换热器）
