第十章傳熱過程分析與換熱器的熱計算

1、第十章 傳熱過程分析與換熱器的熱計算 在詳細討論了在詳細討論了導熱、對流、輻射導熱、對流、輻射三種熱量傳遞方式的特點和計三種熱量傳遞方式的特點和計算方法以后，本章將綜合應用這些知識來分析一些典型工程傳熱問算方法以后，本章將綜合應用這些知識來分析一些典型工程傳熱問題。題。 本章將從四個方面展開討論：本章將從四個方面展開討論：1. 首先分析與計算通過幾種不同幾何形狀固體壁面的傳熱過程。首先分析與計算通過幾種不同幾何形狀固體壁面的傳熱過程。2. 然后針對一種典型的實現(xiàn)兩種流體熱量交換的設備然后針對一種典型的實現(xiàn)兩種流體熱量交換的設備間壁式間壁式換熱器。換熱器。3. 本書以前一些章節(jié)中曾陸續(xù)介紹過一些

2、強化或削弱熱量傳遞過程本書以前一些章節(jié)中曾陸續(xù)介紹過一些強化或削弱熱量傳遞過程的方法，本章第四節(jié)將對其進一步歸納與總結。的方法，本章第四節(jié)將對其進一步歸納與總結。4. 本章最后將對幾個復雜的熱量傳遞過程的例子進行綜合分析。本章最后將對幾個復雜的熱量傳遞過程的例子進行綜合分析。10-1 傳熱過程的分析與計算 傳熱過程：一側的熱流體通過固體壁面把熱量傳給另一側冷流體的過程。 傳熱過程分析求解的基本關系為傳熱方程式，即 式中k為傳熱系數(shù)。1. 1. 通過平壁的傳熱過程計算通過平壁的傳熱過程計算 ahaahttff212111)(21ffttka21111hhk1221ln)(2ddttqwwl)(2

3、222fwlttdhq)(1111wflttdhq每米管長的傳熱量：每米管長的傳熱量：2212111ln2111dhdddhkl對于多層圓管對于多層圓管 1211111ln2111niiinilddddk)(1ln2112122121121fflfflttkdhdddhttq每米管長的傳熱量：每米管長的傳熱量：加肋側的面積a2肋片表面積a2兩肋片之間壁的表面積a2”a2 a1肋化系數(shù)肋化系數(shù) ：12aa肋片越高，肋距越小，肋化系數(shù)就越大。肋片與流體的換熱量肋片與流體的換熱量2222)(atthfwffwatth2222)( f 為肋片效率為肋片效率 )()()2()(222 222222222

4、 2222ffwffwfwaaaaatthatthatthq加肋側與流體的換熱量加肋側與流體的換熱量ftotaaaa222 2肋壁總效率肋壁總效率肋壁的導熱熱量)(211wwttaqtotfwatthq2222)(加肋側流體的換熱量不加肋側與流體的換熱量1111)(atthqwf肋壁的傳熱公式肋壁的傳熱公式wttakahaahttqfftotff)(11211122111212211212111/)(11mwttkhhttaqqfftotfftothhk211111以以a1為基準的肋壁的傳熱系數(shù)為基準的肋壁的傳熱系數(shù) 對于蒸汽加熱的暖氣包，由于蒸汽凝結換熱系數(shù)對于蒸汽加熱的暖氣包，由于蒸汽凝結

5、換熱系數(shù)h h1 1遠遠遠遠大于暖氣包對室內(nèi)空氣自然對流時的大于暖氣包對室內(nèi)空氣自然對流時的h h2 2，使這一傳熱過程中的，使這一傳熱過程中的總熱阻完全決定于總熱阻完全決定于h h2 2一側的換熱熱阻。因此在一側的換熱熱阻。因此在h h2 2一側加導熱熱一側加導熱熱阻較小的肋片是最有效的改進措施。阻較小的肋片是最有效的改進措施。 在表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)較小的一側采用肋壁是強化傳熱在表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)較小的一側采用肋壁是強化傳熱的一種行之有效的方法。的一種行之有效的方法。 在冷熱介質溫度一定時，要增強傳熱可以加大h1、h2、a1、a2以及減小。最有效的措施是改變上列某些值后，可減小各最有效的措施是改變上列某

6、些值后，可減小各項分熱阻中最大的那一個熱阻值。項分熱阻中最大的那一個熱阻值。例例1： 一平壁一側加肋，加肋后面積為a2，肋化系數(shù)=13，肋壁總效率tot=0.9。壁的厚度=10mm，材料的導熱系數(shù)=50w/(mk)，相對應的換熱系數(shù)為h1=200w/(m2 k)和h2=10w/(m2 k) ，流體溫度tf1=75c和tf2=15 c。求以a1為基準，其單位面積的傳熱量q1，并與不加肋時的傳熱量q比較。2212111/6 .43479 . 0131015001. 02001157511mwhhttaqqtotff解：解：22121/3 .5701015001. 02001157511mwhhtt

7、qffq1 / /q = 4347.6/ /570.3 = 7.623例例2：墻厚240mm，室內(nèi)空氣的溫度為20 c ，室外空氣的溫度為-10 c ；磚墻的導熱系數(shù)=0.95w/(mk)，室內(nèi)空氣對墻面的換熱系數(shù)為h1=8w/(m2 k) ，室外空氣的換熱系數(shù)為h2=37w/(m2 k) （考慮了輻射換熱的因素）。試求冬季室內(nèi)、外空氣通過磚墻傳遞的熱量和磚墻內(nèi)側的溫度。（不考慮門、窗的傳熱影響）4. 臨界熱絕緣直徑臨界熱絕緣直徑(與熱絕緣層經(jīng)濟厚度與熱絕緣層經(jīng)濟厚度)在圓管外覆蓋一層熱絕緣材料時在圓管外覆蓋一層熱絕緣材料時則每米管長的總熱阻為：則每米管長的總熱阻為：xxldhdddddhr2

8、2212111,1ln21ln211總(1)+(2)(4)(3)r總,ldrod2dcrd3dql0121122,xxxldhddddr總222hddcrx 即當即當 時，熱阻值為最小。單位管長傳熱量時，熱阻值為最小。單位管長傳熱量ql為最大值。為最大值。此時的此時的dx稱為稱為“臨界熱絕緣直徑臨界熱絕緣直徑”，用，用d c r表示。表示。 注意：注意：1.當裸管的外徑當裸管的外徑 d c r時，保溫層越厚，保溫效果越好時，保溫層越厚，保溫效果越好q 2.當裸管的外徑當裸管的外徑 d c r時，保溫層厚度要超過時，保溫層厚度要超過d3后才起作用。后才起作用。 3.要考慮較小的要考慮較小的2的保

9、溫材料，使的保溫材料，使d c r222hdxod2dcrd3dql絕緣層厚度r總,l費用經(jīng)濟厚度經(jīng)濟厚度用熱絕緣層的目的用熱絕緣層的目的1. 節(jié)約燃料。2. 滿足工程技術條件的要求。3. 改善勞動條件。 對熱絕緣材料的要求對熱絕緣材料的要求 凡導熱性低的材料都可以被用作熱絕緣層。不過，通常將導熱系數(shù)值小于 0.14w/（mk）的材料稱為隔熱材料。熱絕緣材料具有下述性能： （1）導熱性。 （2）機械性能，如抗壓和抗拉強度等。 （3）不吸水性和耐高熱的能力。10-2 換熱器的類型 一、換熱器的分類一、換熱器的分類 1.1.換熱器：換熱器：把熱量從熱流體傳遞給冷流體的熱力設備。把熱量從熱流體傳遞給

10、冷流體的熱力設備。 2.2.按換熱器操作過程分為：按換熱器操作過程分為：間壁式、混合式及蓄熱式間壁式、混合式及蓄熱式( (或稱回或稱回 熱式熱式) )三大類。三大類。 1）間壁式：冷、熱流體被間壁隔開，通過間壁換熱。）間壁式：冷、熱流體被間壁隔開，通過間壁換熱。2）混合式：冷、熱流體通過直接接觸換熱。）混合式：冷、熱流體通過直接接觸換熱。3）回熱式：冷、熱流體周期性地流過固體壁面換熱。）回熱式：冷、熱流體周期性地流過固體壁面換熱。 在三類換熱器中以間壁式換熱器應用最廣，本節(jié)將對其結構在三類換熱器中以間壁式換熱器應用最廣，本節(jié)將對其結構型式及換熱器中冷、熱流體間的平均溫差的計算方法作比較詳型式及

11、換熱器中冷、熱流體間的平均溫差的計算方法作比較詳細的介紹。近年發(fā)展起來的熱管換熱器是一種有相變的間壁式細的介紹。近年發(fā)展起來的熱管換熱器是一種有相變的間壁式換熱器，其工作原理具有一定特點第十章中有專門介紹。換熱器，其工作原理具有一定特點第十章中有專門介紹。二、間壁式換熱器的主要形式二、間壁式換熱器的主要形式 1）套管式換熱器套管式換熱器。這是最簡單的一種間壁式換熱器，其結構如下圖所示。總的來說，這類間壁式換熱器適用于傳熱量不大或流體流量不大的情形。實際使用時，為增加換熱面積可采用c所示結構。圖圖9-3 套管式換熱器示意圖套管式換熱器示意圖間壁式熱交換器間壁式熱交換器管式熱交換器板式熱交換器殼管

12、式熱交換器殼管式熱交換器肋片管式熱交換器肋片管式熱交換器套管式熱交換器套管式熱交換器板翅式熱交換器板翅式熱交換器平行板式熱交換器平行板式熱交換器螺旋板式熱交換器螺旋板式熱交換器 2)管殼式換熱器管殼式換熱器。這是間壁式換熱器的一種主要形式又稱管殼式換熱器?；S中的加熱器、冷卻器，電廠中的冷凝器、冷油器以及壓縮機的中間冷卻器等都是殼管式換熱器的實例。圖9-4是一種最簡單的殼管式換熱器的示意圖。一種流體(圖中冷流體)從封頭進口流進管于里，再經(jīng)封頭流出。這條路徑稱為管程。另一種流體從外殼上的連接管進入換熱器，在殼體與管子之間流動，這條路徑稱為殼程。圖圖9-4 簡單的殼管式換熱器示意圖簡單的殼管式換

13、熱器示意圖 為了提高管程流體的流速，在圖9-4所示的換熱器中，一端的封頭里加了 一塊隔板，構成了兩管程的結構，稱為l-2型換熱器(此處l表示殼程數(shù)，2表示管程數(shù))。圖9-5所示是一個1-2型換熱器的剖面圖。圖圖9-59-5 1-21-2型換熱器剖面示意圖型換熱器剖面示意圖 3）交叉流換熱器交叉流換熱器。它是間壁式換熱器的又一種主要型式。根據(jù)換熱表面結構的不同又可有管束式、管翅式及板翅式等的區(qū)別，如圖9-6所示圖圖9-69-6 交叉流換熱器示意圖交叉流換熱器示意圖 4）板式換熱器板式換熱器。板式換熱器由一組幾何結構相同的平行薄平板疊加所組成，兩相鄰平板之間用特殊設計的密封墊片隔開，形成一個通道，

14、冷、熱流體間隔地在每個通道中流動。為強化換熱并增加板片的剛度，常在平板上壓制出各種波紋。板式換熱器中冷、熱流體的流動有多種布置方式，圖9-7所示為1-1型板式換熱器的逆流布置，這里的1-1型表示冷、熱流體都只流過一個通道。板式換熱器拆卸清洗方便，故適合于含有易污染物的流體(如牛奶等有機流體)的換熱。圖圖9-7 9-7 板式換熱器示意圖板式換熱器示意圖 5）螺旋板式換熱器螺旋板式換熱器。螺旋板式換熱器的換熱表面是由兩塊金屬板卷制而成，冷、熱流體在螺旋狀的通道中流動，圖9-8所示是其兩個方向的截面示意圖。這種換熱器換熱效果較好，缺點是換熱器的密封比較困難。三、提高換熱器緊湊性的途徑三、提高換熱器緊

15、湊性的途徑 縮小體積、減輕重量縮小體積、減輕重量四、管殼式換熱器的近期發(fā)展四、管殼式換熱器的近期發(fā)展圖圖10-12-8 10-12-8 螺旋板式換熱器螺旋板式換熱器1. 順流式順流式2. 逆流式逆流式3. 叉流式叉流式4. 混合流式（雜流式）混合流式（雜流式）單流程：單流程：雙流程：雙流程：多流程：多流程： 1. 1. 簡單順、逆流換熱器平均溫差的計算簡單順、逆流換熱器平均溫差的計算 在換熱器中，熱流體沿程放出熱量溫度不斷下降；冷流體沿程吸收在換熱器中，熱流體沿程放出熱量溫度不斷下降；冷流體沿程吸收熱量而溫度不斷上升。當利用傳熱方程式來計算整個傳熱面上的熱流熱量而溫度不斷上升。當利用傳熱方程式

16、來計算整個傳熱面上的熱流量時，必須使用整個傳熱面積上的平均溫差量時，必須使用整個傳熱面積上的平均溫差( (又稱平均溫壓又稱平均溫壓) )，記為，記為ttm m。據(jù)此，傳熱方程式的一般形式應為。據(jù)此，傳熱方程式的一般形式應為: : =kat=katm m ta1t1t 2t2t ta1t1t 2t2t ta1t1t 2t2t ta1t1t 2t2t 設設t t1 1，t t1 1，q qm1m1和和c c1 1分別表示熱流體的進出口溫度、流量和分別表示熱流體的進出口溫度、流量和比熱容；比熱容； t t2 2，t t2 2，q qm2m2和和c c2 2分別表示冷流體的進出口溫度、流分別表示冷流體

17、的進出口溫度、流量和比熱容。（四個假設書中：量和比熱容。（四個假設書中：p p 324324）mtkattkaq)(21熱流體放出的熱量熱流體放出的熱量)(11111ttcqqm 冷流體吸收的熱量冷流體吸收的熱量)(2222ttcqqm )()(22221111ttcqttcqmm 流體的熱容量單位時間內(nèi)流過冷、熱222111wcqwcqmm222111dtcqdtcqdqmm22221111wdqcqdqdtwdqcqdqdtmmdqwwttd)11()(2121mdqtdwwmttt)(11,2121則得令kdadqttt21對微元面積對微元面積da，傳熱方程為，傳熱方程為dattkdq)

18、(21mdqtd )(mkdattd ）（mkattmkdattdatt 0ln)( mdqtd )(mqtt mkatt lnkaqtttt ln得由kaqtm lntttttm 對數(shù)平均溫差對數(shù)平均溫差222111dtcqdtcqdqmmta1t1t 2t2t 22221111wdqcqdqdtwdqcqdqdtmmdqwwttd)11()(2121 lntttttm 對數(shù)平均溫差對數(shù)平均溫差minmaxminmaxlntttttmta1t1t 2t2t t”t)(212minmaxminmaxtttttm時當minmaxminmaxlnttttttm逆流時的對數(shù)平均溫差2. 2. 其他復

19、雜布置時流換熱器平均溫差的計算其他復雜布置時流換熱器平均溫差的計算計算計算p p、r r 值，查圖表定值，查圖表定3. 3. 各種流動形式的比較各種流動形式的比較 在各種流動形式中，順流和逆流可以看作是兩種極端情況。在相同的進、在各種流動形式中，順流和逆流可以看作是兩種極端情況。在相同的進、出口溫度條件下，出口溫度條件下，逆流的平均溫差最大，順流的平均溫差最小。逆流的平均溫差最大，順流的平均溫差最小。而其他各種而其他各種流動形式介與順流和逆流之間。流動形式介與順流和逆流之間。 逆流的缺點是：熱流體和冷流體的最高溫度集中在換熱器的同一端，使得逆流的缺點是：熱流體和冷流體的最高溫度集中在換熱器的同

20、一端，使得該處的溫度特別高，這是應該避免的。該處的溫度特別高，這是應該避免的。10-4 間壁式換熱器的熱設計 一、兩種一、兩種類型的設計和兩種設計方法類型的設計和兩種設計方法 兩種類型的設計：設計計算、兩種類型的設計：設計計算、校核計算校核計算 1.設計計算：設計一個新的換熱器，以確定換熱器所需的 換熱面積。 2.校核計算：對已有的或巳選定了換熱面積的換熱器。在 非設計工況條件下核算它能否勝任規(guī)定的換熱任務。 3.基本原理為傳熱方程式及熱平衡方程式： =katm 兩種設計方法：平均溫差法及傳熱單元數(shù)法兩種設計方法：平均溫差法及傳熱單元數(shù)法)()(22221111ttcqttcqmm二、換熱器熱

21、設計的平均溫差法二、換熱器熱設計的平均溫差法 所謂平均溫差法，就是直接應用式(9-14)、(9-15)進行熱計算的方法。 1.)1.)平均溫差法用作設計計算時步驟如下：平均溫差法用作設計計算時步驟如下： (1)初步布置換熱面，并計算出相應的傳熱系數(shù)k。 (2)根據(jù)給定條件，由熱平衡式(9-15)求出進、出口溫度中的那個待定 的溫度。 (3)由冷、熱流體的4個進、出口溫度確定平均溫差tm，計算時要注 意保持修正系數(shù)具有合適的數(shù)值。 (4)由傳熱方程式(9-14)求出所需的換熱面積a，并核算換熱兩側流體 的流動阻力。 (5)如流動阻力過大，改變方案重新設計。 2.)2.)平均溫差法用作校核計算時步

22、驟如下：平均溫差法用作校核計算時步驟如下： (1)先假設一個流體的出口溫度,按熱平衡方程求出另一個流體的出口 溫度。 (2)根據(jù)4個進、出口溫度求得平均溫差tm 。 (3)根據(jù)換熱器的結構、算出相應工作條件下傳熱系數(shù)k的值。 (4)已知ka和tm ，按傳熱方程式求出值。因為流體的出口溫度是 假設性的，因此求出的值未必是真實的數(shù)值。 (5)根據(jù)4個進、出口溫度，用熱平衡式求得另一個值，同理，這個 值也是假設性的。 (6)比較步驟(4)和(5)中求得的兩個值。一般來說，兩者總是不同 的。這說明步驟(1)中假設的溫度值不符合實際。再重新假設一個 流體的出口溫度，重復以上步騾(1)至(6)，直到由步驟

23、(4)和(5) 求得的兩個值彼此接近時為止。至于兩者接近到何種程度方稱 滿意，則由所要求的計算精確度而定。一般認為兩者之差應小于 25。三、換熱器熱設計的效能三、換熱器熱設計的效能- -傳熱單元數(shù)法傳熱單元數(shù)法 傳熱單元數(shù)和換熱器的效能傳熱單元數(shù)和換熱器的效能 換熱器的效能按下式定義： 傳熱單元數(shù)按下式定義： 效能表示換熱器的實際換熱效果與最大可能的換熱效果之比。已知后，換熱器交換的熱流量即可根據(jù)兩種流體的進口溫度確定：則： 21max)(tttt)()(21minttcqmntucqkammin)(maxminmaxmin)()(1)()(1)(exp1cqcqcqcqntummmm順流maxminmaxminmaxmin)()(1)(exp)()(1)()(1)(exp1cqcqntucqcqcqcqntummmmmm逆流 用效能用效能- -傳熱單元數(shù)（傳熱單元數(shù)（-ntu-ntu法）計算換熱器的步驟法）計算換熱器的步驟 根據(jù)及ntu的定義及換熱器兩類熱計算的任務可知，設計計算是已知求ntu，而校核計算則是