第十章傳熱與換熱器

1、第十章第十章 傳傳 熱熱 與與 換換 熱熱 器器第一節(jié)第一節(jié) 通過肋壁的傳熱通過肋壁的傳熱 已知：穩(wěn)態(tài)，未加肋側(cè)的參數(shù)為：A1、tw1、h1、tf1；肋壁厚、導熱系數(shù)；加肋側(cè)的參數(shù)為：肋基溫度tw2、h2、tf2、總表面積A2=A2/+A2/，其中：A2/：未肋化部分的面積，A2/：肋片的全表面積。A2/A2/h2 tftw2A1 tw1 h1 tf1 加肋側(cè)換熱量：=h2A2/（tw2-tf2）+f被肋化面積=h2A2/（tw2-tf2）+fh2A2/（tw2-tf2）第一節(jié)第一節(jié) 通過肋壁的傳熱通過肋壁的傳熱 于是有： =h2A2（tw2-tf2） 另肋壁的導熱傳熱量為： =A1（tw1-

2、tw2）/ 未加肋側(cè)的換熱量為： =h1A1（tf1-tw1） 聯(lián)立上式，消去tw1、tw2即有：222AAAf 熱量于肋基溫度下的理想散假定整個肋片表面均處肋片實際散熱量f想散熱量均處于肋基溫度下的理假定整個肋壁表面的實際散熱量肋壁表面22AA進一步整理： =h2（A2/+ fA2/）（tw2-tf2）若令：我們稱之為肋壁總效率。其物理意義為：第一節(jié)第一節(jié) 通過肋壁的傳熱通過肋壁的傳熱 K1稱為以A1面為基準為傳熱系數(shù)。 =A2/A1，稱為肋化系數(shù)，顯然1，且有1。WAAhAhttAhAAhttffff12211122111111122KmWkhh2211/111上式可寫成： =k1A1（t

3、f1-tf2） W 其中：第一節(jié)第一節(jié) 通過肋壁的傳熱通過肋壁的傳熱 若以A2作為傳熱基準面，k2為以A2面為基準為傳熱系數(shù)，則有：WttAkAffffffhhttAhAAhtt21222222112211111111KmWkhh2212/111其中：第一節(jié)第一節(jié) 通過肋壁的傳熱通過肋壁的傳熱 肋壁總效率以肋化系數(shù)的影響因素較多，下面看看肋片間距與肋高的影響，進而對傳熱系數(shù)k的影響：1.肋片間距肋片間距s： s單位長度內(nèi)肋片的數(shù)量A2熱阻R2k1s增強肋片間流體的擾動h2k1s的下降是有限的，s必須大于最厚熱邊界層厚度的2倍。2.肋片高度肋片高度l： lf，但當l肋片面積A2/A2，必存在某一

4、高l，使有極大值，從而使熱阻R2有極小值，k1最有利。 另外，肋片應加在對流換熱系數(shù)較小的一側(cè)，且不必過分追求高等使此側(cè)熱阻變得很小，只要使兩側(cè)熱阻大小相當即可。 工程上有時將肋片加在對流換熱系數(shù)大的一側(cè)，其主要目的就再不是為了強化傳熱。若h大的一側(cè)為溫度低的流體，其目的可能是為有效地降低壁溫，如鍋爐中的水冷壁等。第二節(jié)第二節(jié) 有復合換熱時的傳熱計算有復合換熱時的傳熱計算 實際的傳熱過程多由二種或三種方式組成的復合換熱，如室內(nèi)輻射采暖板的表面與室內(nèi)既有對流換熱，又有輻射換熱： 對流換熱量：qc=hc（tw-tf） W/m2 241004100/mWCqamwTTbr 2/41004100mWt

5、thttCqfwrfwttbrfwamTwT81044fwamwttTTbrCh式中：Tam為周圍環(huán)境參與輻射換熱的物體溫度。 若引入溫差（tw-tf），將輻射換熱的計算式也用牛頓冷卻公式的形式表示，則有：式中：hr稱為輻射換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。輻射換熱量：第二節(jié)第二節(jié) 有復合換熱時的傳熱計算有復合換熱時的傳熱計算 于是總換熱量： q=qc+qr=（hc+hr）（tw-tf）=h（tw-tf） 上式在工程計算時被大量采用。它有時使計算大大簡化，且h在暖通計算中?？捎墒謨圆榈?。一般對室內(nèi)表面換熱：hr/h5060%，而室外因風速影響：hr/h1015%左右。 另外，當twtf且twtam，或當twt

6、f且twh2，且有：h1=nh2，通過推導可得：k/h2=n2k/h1 上式說明k隨h2的變化率要比k隨h1的變化率大n2倍，說明設法提高h2比提高h1使k值的增加要好得多。二、增強傳熱的方法二、增強傳熱的方法1.1.改變流體的流動狀態(tài)：改變流體的流動狀態(tài)：1.1.增大流速：增大流速：hu0.8，但u變大，能耗隨u3增加。2.2.加擾動物：加擾動物：破壞邊界層，使流場形成環(huán)流或紊流。一、增強傳熱的基本途徑一、增強傳熱的基本途徑 =KAt第三節(jié)第三節(jié) 傳熱的增強與削弱傳熱的增強與削弱二、增強傳熱的方法二、增強傳熱的方法2.2.改變流體的物性改變流體的物性1.1.氣流中加少量固體細粒：氣流中加少量

7、固體細粒：使氣流的、c；2.2.蒸汽或氣體中噴入液滴：蒸汽或氣體中噴入液滴：促使換熱向珠狀凝結(jié)轉(zhuǎn)化；3.3.液體中加少量揮發(fā)性強物質(zhì)：液體中加少量揮發(fā)性強物質(zhì)：促使向泡態(tài)沸騰換熱轉(zhuǎn)化。3.3.改變換熱表面狀況改變換熱表面狀況1.1.增加粗糙度：增加粗糙度：2.2.改變截面形狀和大?。焊淖兘孛嫘螤詈痛笮。?.3.表面涂層：表面涂層：第三節(jié)第三節(jié) 傳熱的增強與削弱傳熱的增強與削弱三、削弱傳熱的方法三、削弱傳熱的方法1.熱絕緣熱絕緣1.真空熱絕緣：真空熱絕緣：如保溫瓶膽；2.多層熱絕緣：多層熱絕緣：3.外包熱絕緣材料：外包熱絕緣材料：2.改變表面狀況改變表面狀況1.表面涂層：表面涂層：如用選擇性材料

8、作太陽集熱器的涂層；2.附加抑制對流的元件：附加抑制對流的元件：3.在保溫材料的表面或內(nèi)部加憎水劑：在保溫材料的表面或內(nèi)部加憎水劑：第四節(jié)第四節(jié) 換熱器的型式和基本構(gòu)造換熱器的型式和基本構(gòu)造 按工作原理可將換熱器分成三類按工作原理可將換熱器分成三類1.1.間壁式換熱器：間壁式換熱器：冷熱流體被一壁面隔開；最常見。2.2.混合式換熱器：混合式換熱器：冷熱流體直接混合換熱；3.3.回熱式換熱器：回熱式換熱器：冷熱流體交替流過換熱器。 間壁式換熱器從構(gòu)造上又分管殼式、肋片管式、板式、板翅式、螺旋板式等。 管殼式按流體在管程和管殼的流動方式又可分為順流式、逆流式、橫流（交叉流）式、混和流式等。 管殼式

9、結(jié)構(gòu)堅固、易制造、適應性強，應用歷史已悠久。板式傳熱效率高、阻力小、結(jié)構(gòu)緊湊、金屬耗量低、清洗維護方便，但造價較高。管殼式換熱器管殼式換熱器 管殼式換熱器管殼式換熱器 管殼式換熱器管殼式換熱器 肋片管式換熱器肋片管式換熱器 肋片管式換熱器肋片管式換熱器 板式換熱器板式換熱器 板式換熱器板式換熱器 板式換熱器板式換熱器 板翅式換熱器板翅式換熱器 板翅式換熱器基本原理圖板翅式換熱器基本原理圖 板翅式換熱器的各種翅片板翅式換熱器的各種翅片 螺旋板式換熱器螺旋板式換熱器 螺旋板式換熱器螺旋板式換熱器 螺旋板式換熱器螺旋板式換熱器 螺旋板式換熱器螺旋板式換熱器 螺旋板式換熱器螺旋板式換熱器 螺旋板式換熱

10、器螺旋板式換熱器 螺旋板式換熱器螺旋板式換熱器 第五節(jié)第五節(jié) 平平 均均 溫溫 差差 t1/t2/t2/t1/t/t/t/t/t1/t2/t1/t2/txdt1dt2t1/t1/t1/t1/t2/t2/t2/t2/順流逆流=kAt t即為溫差dxdA第五節(jié)第五節(jié) 平平 均均 溫溫 差差對數(shù)平均溫差（簡稱LMTD）tm的導出： 設t1為熱流體溫度，t1/為熱流體進口溫度，t1/為熱流體出口溫度； t2為冷流體溫度，t2/為冷流體進口溫度，t2/為冷流體出口溫度；t t/ /為為熱熱流體流體進口側(cè)進口側(cè)的溫差的溫差順流時：t/=t1/-t2/逆流時：t/=t1/-t2/t t/為為熱熱流體流體出口

11、側(cè)出口側(cè)的溫差的溫差順流時：t/=t1/-t2/逆流時：t/=t1/-t2/ 在x處取微元距離dx，此時對應微元面積dA的傳熱量d為： d=kx（t1-t2）xdA 即：2021AxxdAttk第五節(jié)第五節(jié) 平平 均均 溫溫 差差假設：傳熱系數(shù)k在整個換熱面不變，即kx=k；換熱器的散熱損失忽略不計；換熱器換熱時無相變產(chǎn)生；忽略沿換熱面軸向的導熱；Mc：流體的熱容量?？捎么髮慍表示。其物理意義：質(zhì)量流量M的流體溫度升高1所需熱量。此時假定流體的熱容也為常數(shù)。 令平均溫差為tm，則傳熱方程變?yōu)椋?=kAtm 由式有：AxxmdAttktAk0211200114AAmxxAAtttdAt dA要求

12、tm ，則先要求出tx隨x或A的關(guān)系。第五節(jié)第五節(jié) 平平 均均 溫溫 差差以逆流為例： 熱流體在dA的放熱量：d = - M1c1dt1 （此時dt1為負） 冷流體在dA的吸熱量：d = M2c2dt2 （此時dt2為正） 上兩式可寫成：據(jù)：d（t1-t2）x=dtx=dt1-dt2 =-d（1/M1c1+1/M2c2） 又據(jù)式：d=ktxdA 代入上式有： dtx=-ktx（1/M1c1+1/M2c2）dA 整理得：111cMddt222cMddtdAkcMcMttdxx2211115221111xcMcMAkxett 當x=0時，Ax=0，tx=t/，故上式dA由0Ax，dtx由t/tx積

13、分得：將代入得：第五節(jié)第五節(jié) 平平 均均 溫溫 差差 據(jù)式，當Ax=A時，tx=t/，則有： 61221111221111cMcMcMcMkAkAtmet 8221111cMcMkAtte或： 7ln221111cMcMttkA tttttmtln1 ttttttttmtlnln得：兩式代入將687第五節(jié)第五節(jié) 平平 均均 溫溫 差差 工程中，只要誤差在允許的范圍內(nèi)，常用算術(shù)平均溫差來確定實際平均溫差：當tmax/tmin2時，tm/ =（tmax+tmin）/2 =（t/+ t/）/2 此時誤差不超過4%。當tmax/tmin1.7時，用算術(shù)平均溫差取代取代對數(shù)平均溫差，所引起的誤差將不超過

14、2.3%。一般通過計算，算術(shù)平均溫差tm/總比對數(shù)平均溫差tm要大，當tmax/tmin5時，若用算術(shù)平均溫差來取代對數(shù)平均溫差時，常作如下修正： tm/=tm/ =（t/+ t/）/2 0.1|t/-t/| 注意：注意：前列對數(shù)平均溫差tm的計算式只適用于順流和逆流狀態(tài)，其它較復雜的流動形式不能簡單套用。第五節(jié)第五節(jié) 平平 均均 溫溫 差差 工程中計算復雜流的平均溫差時，一般采用下列步驟：1.先按逆向流方式算出對數(shù)平均溫差tm*；2.按輔助變量P、R查圖得修正系數(shù)t，則：tm=ttm*。 其中：2122ttttP 兩流體進口溫度之差冷流體的溫升2211ttttR 冷流體的溫升熱流體的溫降t=

15、f(P,R)據(jù)不同的流動方式已繪成圖。注意：注意： 在其它條件相同情況下，采用逆流方式換熱比采用順流方式換熱的平均溫差大，交叉流等處于兩者之間。第六節(jié)第六節(jié) 換換 熱熱 器器 計計 算算 計算常分為兩大類：1.1.設計計算：設計計算：據(jù)給定的換熱條件和換熱任務，設計換熱器；2.2.校核計算：校核計算：據(jù)已有的換熱器，驗算它能否完成結(jié)定的新?lián)Q熱任務。 換熱器熱工計算的基本公式傳熱方程：傳熱方程： =kAt 熱平衡方程式：熱平衡方程式： =M1c1（t1/-t1/）=M2c2（t2/-t2/） 令熱容 C=Mc，則上式可寫成： =C1（t1/-t1/）=C2（t2/-t2/） 平均溫差：平均溫差：

16、 t=ttm* ttttttttmtlnln*第六節(jié)第六節(jié) 換換 熱熱 器器 計計 算算 上列式中，若設有八個變量：、kA、C1、C2、t1/、t2/、t1/、t2/，平均溫差描述的是t與四個進出口溫度的關(guān)系，故傳熱方程與平均溫差可看作是一個方程，而熱平衡方程實際上是兩個方程。故上述方程相對八變量而言實際上是三個方程。 三個方程，八個變量，故必須已知五個變量。根據(jù)已知變量條件不同，即有：1.設計計算：一般已知C1、C2以及四個溫度中的三個，求、另一溫度、kA，以便據(jù)kA進行換熱器設計；2.校核計算：一般已知kA、C1、C2、t1/、t2/，求出口溫度t1/、t2/以及，校核現(xiàn)有的換熱器能否完成

17、新的換熱任務。 上述兩類計算均可采用平均溫差法（平均溫差法（LMTDLMTD法）法）和效能效能- -傳熱傳熱單元數(shù)（單元數(shù)（ -NTU-NTU法）法）進行。第六節(jié)第六節(jié) 換換 熱熱 器器 計計 算算一、平均溫差法（一、平均溫差法（LMTDLMTD法）法）1.1.平均溫差法多用于設計計算，其具體步驟：平均溫差法多用于設計計算，其具體步驟：1.據(jù)C1、C2及三個溫度，由熱平衡方程式求另一溫度（此溫度多為冷熱流體的出口溫度t1/或t2/）；2.由四溫度求t，注意混流時t的求法。同時可由熱平衡方程式求出； 3.初步構(gòu)思換熱器型式，擬訂初步設計方案，并初步確定管程數(shù)、布置換熱面，然后據(jù)所學前面的知識，計

18、算出h1、h2， 從而求出傳熱系數(shù)k；4.由=kAt ，求出所需的換熱面積，校核兩側(cè)流體的流動阻力，即壓損P1、P2（一般只有A確定后，管長、管徑等幾何參數(shù)才能確定，再才能確定P1 、P2）；5.若流動阻力（阻損）較大，則改變設計方案，自3.開始重新進行設計及計算。第六節(jié)第六節(jié) 換換 熱熱 器器 計計 算算一、平均溫差法（一、平均溫差法（LMTDLMTD法）法）2.2.平均溫差法用于校核計算，其步驟：平均溫差法用于校核計算，其步驟：1.先假設一個出口溫度，據(jù)熱平衡求另一出口溫度；2.求出平均溫差t；3.據(jù)已有換熱器的技術(shù)資料查出或計算出k、A值；4.據(jù)=kAt ，計算，因t是在假設出口溫度下給

19、出的，故t并不是真實的平均溫差，此時也不一定是真實的傳熱量；5.據(jù)熱平衡方程=C1（t1/-t1/）=C2（t2/-t2/），求出值，同樣此值也帶有假設性；6.比較4、5中求得的值，一般來說兩者總是不相等的，說明1中的假設與實際情況不符。7.再假定一出口溫度，重復上述步驟，直至4、5中相等。 從上知，用平均溫差法進行校核計算時，要多次試算，另外，有時t=f(P,R)隨P、R的變化較大，給確定t帶來較大誤差，針對于此，努謝爾特提出了-NTU法。第六節(jié)第六節(jié) 換換 熱熱 器器 計計 算算 實際傳熱量：=M1c1（t1/-t1/）=M2c2（t2/-t2/） 最大可能的傳熱量max：將熱容小的流體由

20、其進口溫度變至另一流體的進口溫度（即達到極限溫差），故有： max=（Mc）min（t1/-t2/） 當M1c1M2c2時，有：最大可能的傳熱量實際傳熱量換熱器的效能 1212221222222maxttttttcMttcM211121111111maxttttttcMttcM 二、效能二、效能- -傳熱單元數(shù)法（傳熱單元數(shù)法（ -NTU-NTU法法）1.1.效能（傳熱有效度）的定義效能（傳熱有效度）的定義當M1c1.據(jù)熱平衡方程式，求另一溫度；2.初步擬訂設計方案，布置換熱面，計算k值；3.據(jù)不同情況，由的定義式（即四溫度）算出、Cmin/Cmax；4.據(jù)、Cmin/Cmax由-NTU圖查出

21、NTU值；5.由NTU=kA/Cmin計算A，并驗算壓損P；6.若P較大，重新確定方案，重復以上步驟，直止?jié)M意。 從上知，-NTU法應用于設計計算與LMTD法復雜程度差不多，但用LMTD法時，總能看到平均溫差的修正系數(shù)t的大小與1的差距，即可知所選用的流動形式與逆流相比的差距程度，有助于流動型式的選擇，而-NTU法無法做到此點，故設計計算多采用平均溫差法（LMTD法）。第六節(jié)第六節(jié) 換換 熱熱 器器 計計 算算二、效能二、效能- -傳熱單元數(shù)法（傳熱單元數(shù)法（ -NTU-NTU法）法）3.3. -NTU-NTU法應用于校核計算法應用于校核計算 校核計算一般已知kA、C1、C2、t1/、t2/，求出口溫度t1/、t2/以及，據(jù)=Cmin（t1/-t2/）知，只要求出，一切問題均迎刃而解。其步驟如下：1.據(jù)現(xiàn)有換熱器的技術(shù)資料查出或算得kA值；2.由kA、C1、C2計算NTU=kA/Cmin，Cmin/Cmax；3.由此類換熱器的-NTU圖及流動方式等查出值；4.據(jù)=Cmin（t1/-t2/）計算出換熱量；5.由熱平衡方程式分別求出t1/和t2/ ；6.將值與任務值相較，看它能否完成新?lián)Q熱任務。 從上步驟知，-NTU法用于校核計算時無須試算，故換熱器的校核計算多采用效能-傳熱單元數(shù)法（-NTU法）。第六節(jié)第六節(jié) 換換 熱熱 器