傳熱學(xué)第十章傳熱過程和換熱器計(jì)算剖析

1、傳熱學(xué)第十章傳熱過程和換熱器計(jì) 算剖析 第十章第十章 傳熱過程分析與換熱器熱計(jì)算傳熱過程分析與換熱器熱計(jì)算 傳熱學(xué)第十章傳熱過程和換熱器計(jì) 算剖析 = K A t 傳熱過程：熱量由壁面一側(cè)的流體通過壁面?zhèn)鞯搅硪粋?cè)流傳熱過程：熱量由壁面一側(cè)的流體通過壁面?zhèn)鞯搅硪粋?cè)流 體中去的過程。（兩個流體通過壁面的換熱過程。）體中去的過程。（兩個流體通過壁面的換熱過程。） 【傳熱過程是傳熱學(xué)中特指的概念傳熱過程是傳熱學(xué)中特指的概念】 傳熱方程式：傳熱方程式： 式中：式中：K為傳熱系數(shù)為傳熱系數(shù)(總傳熱系數(shù)總傳熱系數(shù))。對于不同的傳熱過程，。對于不同的傳熱過程， K的計(jì)算公式不同。的計(jì)算公式不同。 1 K to

2、t R 10.1 傳熱過程的分析和計(jì)算傳熱過程的分析和計(jì)算 傳熱學(xué)第十章傳熱過程和換熱器計(jì) 算剖析 1. 通過平壁的傳熱通過平壁的傳熱 12 1 11 K hh 說明說明： (1) h1和和h2的計(jì)算；（的計(jì)算；（2）如果計(jì)及輻射，換熱系）如果計(jì)及輻射，換熱系 數(shù)應(yīng)該采用等效換熱系數(shù)數(shù)應(yīng)該采用等效換熱系數(shù)(總表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)總表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)) KAt 一、傳熱方程中的總傳熱系數(shù)一、傳熱方程中的總傳熱系數(shù) 傳熱學(xué)第十章傳熱過程和換熱器計(jì) 算剖析 2. 通過圓管的傳熱通過圓管的傳熱 hi ho () oofifo K A tt 1 1 ln() 2 o ooo iiio K ddd hddh oo Ad

3、 l 說明說明： 也可以以內(nèi)表面為基準(zhǔn)。也可以以內(nèi)表面為基準(zhǔn)。 傳熱學(xué)第十章傳熱過程和換熱器計(jì) 算剖析 3. 帶保溫層的金屬圓管傳熱帶保溫層的金屬圓管傳熱 臨界熱絕緣直徑臨界熱絕緣直徑 () 2111 ln() 2(2 ) fifo i iiioi l tt d hddh d 圓管外敷保溫層后：圓管外敷保溫層后： 可見，保溫層使得導(dǎo)熱熱阻增加，換熱削弱；降低對流可見，保溫層使得導(dǎo)熱熱阻增加，換熱削弱；降低對流 換熱熱阻，使得換熱增強(qiáng)，那么，綜合效果到底是增強(qiáng)換熱熱阻，使得換熱增強(qiáng)，那么，綜合效果到底是增強(qiáng) 還是削弱呢？還是削弱呢？ 傳熱學(xué)第十章傳熱過程和換熱器計(jì) 算剖析 22 0 () d11

4、 d2 111 ln() 2 fifo ooo o iiioo l tt ddh d d hddh d d 0 d o d 2 ocr o dd h 可見，確實(shí)是有一個極值存在。也就是說，可見，確實(shí)是有一個極值存在。也就是說，do2在在do1 dcr之之 間，間， 是增加的，當(dāng)是增加的，當(dāng)do2大于大于dcr時，時， 降低。降低。 or2 oo d h Bi 傳熱學(xué)第十章傳熱過程和換熱器計(jì) 算剖析 4. 通過肋壁的傳熱（定性分析）通過肋壁的傳熱（定性分析） A1 A2 Ai 本質(zhì)上，在圓管外設(shè)置肋片和敷 設(shè)保溫層，都使對流換熱熱阻降 低而導(dǎo)熱熱阻增加。 但是，一般情況下，保溫層使導(dǎo) 熱熱阻增加

5、較多，而使換熱熱阻 降低較少，從而，使總熱阻增加， 起到削弱傳熱的效果； 而設(shè)置肋片使導(dǎo)熱熱阻增加較少， 而換熱熱阻降低較多，從而，使 總熱阻下降，起到強(qiáng)化傳熱的作 用。 傳熱學(xué)第十章傳熱過程和換熱器計(jì) 算剖析 x T Th Tc T1 T2 x T Th (Hot) Tc (cold) T1 T2 二、傳熱方程中的平均傳熱溫差二、傳熱方程中的平均傳熱溫差 實(shí)際傳熱過程中，通常，兩個流體的溫度隨著傳熱的流程實(shí)際傳熱過程中，通常，兩個流體的溫度隨著傳熱的流程 都在變化，如下圖：都在變化，如下圖： 12 KK () ff AtA tt 如何計(jì)算平均傳熱溫差？平均傳熱溫差與傳熱器的形式有關(guān)！如何計(jì)算

6、平均傳熱溫差？平均傳熱溫差與傳熱器的形式有關(guān)！ 嚴(yán)格上，僅在嚴(yán)格上，僅在dA時成立時成立 傳熱學(xué)第十章傳熱過程和換熱器計(jì) 算剖析 10.2 換熱器的型式換熱器的型式 換熱器的定義：換熱器的定義：用于使熱量從熱流體傳遞到冷流 體，以滿足規(guī)定工藝要求的裝置。 2 換熱器的分類：換熱器的分類： 混合式：換熱器內(nèi)冷、熱流體混合式：換熱器內(nèi)冷、熱流體直接接觸直接接觸、互相混合來實(shí)現(xiàn)、互相混合來實(shí)現(xiàn) 熱量交換。熱量交換。 蓄熱式：冷、熱兩種流體依次蓄熱式：冷、熱兩種流體依次交替地流過換熱器交替地流過換熱器的同一的同一 換熱面（蓄熱體）實(shí)現(xiàn)非穩(wěn)態(tài)的熱量交換。換熱面（蓄熱體）實(shí)現(xiàn)非穩(wěn)態(tài)的熱量交換。 間壁式：換

7、熱器內(nèi)冷、熱流體間壁式：換熱器內(nèi)冷、熱流體由壁面隔開由壁面隔開，熱量由熱流體，熱量由熱流體 到冷流體傳遞過程是由熱流體與壁面間的對流換到冷流體傳遞過程是由熱流體與壁面間的對流換 熱、壁的導(dǎo)熱、壁面與冷流體間的對流換熱三個熱、壁的導(dǎo)熱、壁面與冷流體間的對流換熱三個 環(huán)節(jié)組成的傳熱過程。（應(yīng)用最廣泛）環(huán)節(jié)組成的傳熱過程。（應(yīng)用最廣泛） 傳熱學(xué)第十章傳熱過程和換熱器計(jì) 算剖析 3 間壁式換熱器的主要型式間壁式換熱器的主要型式 (1) 套管式換熱器：最簡單的一種間壁式換熱器，流體有順套管式換熱器：最簡單的一種間壁式換熱器，流體有順 流和逆流兩種，適用于傳熱量不大或流體流量不大的情形流和逆流兩種，適用于

8、傳熱量不大或流體流量不大的情形 傳熱學(xué)第十章傳熱過程和換熱器計(jì) 算剖析 (2) 管殼式換熱器：最主要的一種間壁式換熱器，傳熱面由管殼式換熱器：最主要的一種間壁式換熱器，傳熱面由 管束組成，管子兩端固定在管板上，管束與管板再封裝在外管束組成，管子兩端固定在管板上，管束與管板再封裝在外 殼內(nèi)。兩種流體分管程和殼程。殼內(nèi)。兩種流體分管程和殼程。 outB T , side) (shell ,inB T side) (tube ,inA T outA T , 傳熱學(xué)第十章傳熱過程和換熱器計(jì) 算剖析 (3) 交叉流換熱器：間壁式換熱器的又一種主要形式。其主交叉流換熱器：間壁式換熱器的又一種主要形式。其主

9、 要特點(diǎn)是冷熱流體呈交叉狀流動。交叉流換熱器又分管束要特點(diǎn)是冷熱流體呈交叉狀流動。交叉流換熱器又分管束 式、管翅式和板翅式三種。式、管翅式和板翅式三種。 傳熱學(xué)第十章傳熱過程和換熱器計(jì) 算剖析 x T Th Tc T1 T2 x T Th (Hot) Tc (cold) T1 T2 1 簡單順流、逆流換熱器的平均傳熱溫差簡單順流、逆流換熱器的平均傳熱溫差 t t ln m t t t ，順流 t t tm t ln t ,逆流 10.3 平均傳熱溫差平均傳熱溫差 傳熱學(xué)第十章傳熱過程和換熱器計(jì) 算剖析 順流和逆流的區(qū)別在于：順流和逆流的區(qū)別在于： 順流：順流： 逆流：逆流： chch tttt

10、tt chch tttttt min max minmax t ln t t t tm 或者我們也可以將對或者我們也可以將對 數(shù)平均溫差寫成如下數(shù)平均溫差寫成如下 統(tǒng)一形式統(tǒng)一形式( (順流和逆順流和逆 流都適用流都適用) ) 傳熱學(xué)第十章傳熱過程和換熱器計(jì) 算剖析 順流和逆流是兩種極端情況，在相同的進(jìn)出口溫度下，逆順流和逆流是兩種極端情況，在相同的進(jìn)出口溫度下，逆 流的流的 最大，順流的最大，順流的 則最??；則最小； 順流時順流時 ，而逆流時，而逆流時， 則可能小于則可能小于 。 m t hc tt c t h t dq i T o T h dT c dT T InOut dq i T o

11、T h dT c dT T In Out m t 傳熱學(xué)第十章傳熱過程和換熱器計(jì) 算剖析 2 算術(shù)平均溫差算術(shù)平均溫差 平均溫差的一種最簡單的形式是算術(shù)平均溫差，即平均溫差的一種最簡單的形式是算術(shù)平均溫差，即 2 minmax , tt tm 算術(shù) min max minmax , t ln t t t tm 對數(shù) 算術(shù)平均溫差相當(dāng)于溫度呈直線變化的情況，算術(shù)平均溫差相當(dāng)于溫度呈直線變化的情況， 當(dāng)當(dāng) 時，兩者的差別小于時，兩者的差別小于4； 當(dāng)當(dāng) 時，兩者的差別小于時，兩者的差別小于2.3。 maxmin 1.7tt maxmin 2tt 傳熱學(xué)第十章傳熱過程和換熱器計(jì) 算剖析 通常，對逆流

12、的對通常，對逆流的對 數(shù)平均溫差進(jìn)行修數(shù)平均溫差進(jìn)行修 正以獲得其他復(fù)雜正以獲得其他復(fù)雜 流動方式下的平均流動方式下的平均 溫差。溫差。 ctfmm tt)( 教程中圖教程中圖10-2310-26分別給出了管殼式換熱器和交叉流式分別給出了管殼式換熱器和交叉流式 換熱器的換熱器的 。 cc hh ch cc tt tt R tt tt P , 式中：下標(biāo)式中：下標(biāo)h、c分別表示兩種流體，上角標(biāo)分別表示兩種流體，上角標(biāo) 表示進(jìn)口，表示進(jìn)口， 表示出口，圖表中均以表示出口，圖表中均以P為橫坐標(biāo)，為橫坐標(biāo)，R為參量。為參量。 值取決于無量綱參數(shù)值取決于無量綱參數(shù) P和和 R： 傳熱學(xué)第十章傳熱過程和換

13、熱器計(jì) 算剖析 22 12 tt P tt 11 22 tt R tt 1殼程，殼程，2、4、6、8 管程的管程的 值值 No Image 傳熱學(xué)第十章傳熱過程和換熱器計(jì) 算剖析 10.4 換熱器的傳熱計(jì)算換熱器的傳熱計(jì)算 換熱器的傳熱計(jì)算分為兩種類型：換熱器的傳熱計(jì)算分為兩種類型： 設(shè)計(jì)計(jì)算：根據(jù)換熱條件和要求，設(shè)計(jì)一臺新?lián)Q熱器，為此設(shè)計(jì)計(jì)算：根據(jù)換熱條件和要求，設(shè)計(jì)一臺新?lián)Q熱器，為此 需要確定換熱器的類型、結(jié)構(gòu)及換熱面積。需要確定換熱器的類型、結(jié)構(gòu)及換熱面積。 校核計(jì)算：核算已有換熱器能否滿足換熱要求，一般需要計(jì)校核計(jì)算：核算已有換熱器能否滿足換熱要求，一般需要計(jì) 算流體的出口溫度、換熱量

14、及流動阻力等。算流體的出口溫度、換熱量及流動阻力等。 換熱器計(jì)算的兩種方法：平均溫差法和效能換熱器計(jì)算的兩種方法：平均溫差法和效能-傳熱單元數(shù)法。傳熱單元數(shù)法。 換熱器的參數(shù)：換熱面積換熱器的參數(shù)：換熱面積A、兩側(cè)流體的質(zhì)量流量、兩側(cè)流體的質(zhì)量流量 、 進(jìn)口溫度進(jìn)口溫度 ，出口溫度，出口溫度 ，和換熱量，和換熱量 。 12 , mm qq 12 ,t t 12 ,t t 傳熱學(xué)第十章傳熱過程和換熱器計(jì) 算剖析 換熱器傳熱計(jì)算的平均溫差法：換熱器傳熱計(jì)算的平均溫差法： 換熱器傳熱計(jì)算的基本公式：換熱器傳熱計(jì)算的基本公式： m kA t 1111mp q ctt 2222mp q ctt 3個方程

15、有個方程有8個獨(dú)立變量，只要知道其中個獨(dú)立變量，只要知道其中5個變量，可求其它個變量，可求其它3個。個。 1）設(shè)計(jì)計(jì)算（了解）：）設(shè)計(jì)計(jì)算（了解）： 根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)的要求，給定冷、熱流體的質(zhì)量流量根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)的要求，給定冷、熱流體的質(zhì)量流量 和和 進(jìn)出口進(jìn)出口4個溫度中的個溫度中的3個，需確定換熱器的型式、結(jié)構(gòu)，計(jì)算個，需確定換熱器的型式、結(jié)構(gòu)，計(jì)算 傳熱系數(shù)傳熱系數(shù)k及換熱面積及換熱面積A。 12mm qq、 傳熱學(xué)第十章傳熱過程和換熱器計(jì) 算剖析 1) 設(shè)計(jì)計(jì)算步驟：設(shè)計(jì)計(jì)算步驟： (a) 根據(jù)給定的換熱條件，如流體性質(zhì)、溫度和壓力范圍根據(jù)給定的換熱條件，如流體性質(zhì)、溫度和壓力范圍 等，選擇

16、換熱器類型，布置換熱面，計(jì)算換熱面兩側(cè)對等，選擇換熱器類型，布置換熱面，計(jì)算換熱面兩側(cè)對 流換熱的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)流換熱的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 及傳熱系數(shù)及傳熱系數(shù)k； (b) 根據(jù)給定條件，由式根據(jù)給定條件，由式 求出未知的進(jìn)、出口溫度求出未知的進(jìn)、出口溫度 及換熱量及換熱量 ； 1111mp q ctt 2222mp qctt (c) 由進(jìn)、出口由進(jìn)、出口4個溫度及流動型式求平均溫差個溫度及流動型式求平均溫差 ； (d) 由式由式 求出所需的換熱面積求出所需的換熱面積A ; (e) 計(jì)算換熱器的流動阻力，如果阻力過大，會加大設(shè)備的計(jì)算換熱器的流動阻力，如果阻力過大，會加大設(shè)備的 投資和運(yùn)行費(fèi)用，須改變

17、方案，重新設(shè)計(jì)。投資和運(yùn)行費(fèi)用，須改變方案，重新設(shè)計(jì)。 m t 12 hh、 m kA t 傳熱學(xué)第十章傳熱過程和換熱器計(jì) 算剖析 2）校核計(jì)算：）校核計(jì)算： 已知換熱器的換熱面積已知換熱器的換熱面積A、兩側(cè)流體的質(zhì)量流量、兩側(cè)流體的質(zhì)量流量 、進(jìn)、進(jìn) 口溫度口溫度 等等5個參數(shù)，需計(jì)算熱、冷流體的出口溫度個參數(shù)，需計(jì)算熱、冷流體的出口溫度 和換熱量和換熱量 。 計(jì)算步驟：計(jì)算步驟： m kA t 1111mp q ctt 2222mp qctt (a) 先假設(shè)一個流體的出口溫度，熱平先假設(shè)一個流體的出口溫度，熱平 衡方程式求出換熱量衡方程式求出換熱量 和另一個流體的和另一個流體的 出口溫度；

18、出口溫度； (b) 根據(jù)流體的進(jìn)、出口根據(jù)流體的進(jìn)、出口4個溫度求平均溫差個溫度求平均溫差 ； (c) 計(jì)算換熱面兩側(cè)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)計(jì)算換熱面兩側(cè)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) ，進(jìn)而求得總傳熱系數(shù)，進(jìn)而求得總傳熱系數(shù)k； (d)由式由式 求出換熱量求出換熱量 ; (e)比較比較 與與 ，如果相差較大，再重新假設(shè)流體出口溫度，如果相差較大，再重新假設(shè)流體出口溫度， 重復(fù)上述計(jì)算，直到滿意為止。重復(fù)上述計(jì)算，直到滿意為止。 12 , mm qq 12 ,t t 12 , t t m t 12 ,h h m kA t 傳熱學(xué)第十章傳熱過程和換熱器計(jì) 算剖析 10.5 傳熱的強(qiáng)化與削弱（自學(xué)）傳熱的強(qiáng)化與削弱（自學(xué)

19、） 傳熱工程技術(shù)的兩個方向：強(qiáng)化傳熱技術(shù)與削弱傳熱技術(shù)傳熱工程技術(shù)的兩個方向：強(qiáng)化傳熱技術(shù)與削弱傳熱技術(shù) （又稱隔熱保溫技術(shù)）。（又稱隔熱保溫技術(shù)）。 傳熱工程技術(shù)是根據(jù)現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)實(shí)踐的需要而發(fā)展傳熱工程技術(shù)是根據(jù)現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)實(shí)踐的需要而發(fā)展 起來的科學(xué)與工程技術(shù)，其主要任務(wù)是按照工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)起來的科學(xué)與工程技術(shù)，其主要任務(wù)是按照工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué) 實(shí)踐的要求來控制和優(yōu)化熱量傳遞過程。實(shí)踐的要求來控制和優(yōu)化熱量傳遞過程。 傳熱學(xué)第十章傳熱過程和換熱器計(jì) 算剖析 無論是強(qiáng)化傳熱還是削弱傳熱，一般都是從改變傳熱溫差和無論是強(qiáng)化傳熱還是削弱傳熱，一般都是從改變傳熱溫差和 改變傳熱熱阻兩方

20、面入手。改變傳熱熱阻兩方面入手。 以換熱器內(nèi)的傳熱過程為例：以換熱器內(nèi)的傳熱過程為例： mmm m 12 1 khh ttt kA t RRRR kA 傳熱強(qiáng)化途徑傳熱強(qiáng)化途徑： （1）加大傳熱溫差）加大傳熱溫差 ； （2）減小傳熱熱阻）減小傳熱熱阻 。 m t k R 傳熱學(xué)第十章傳熱過程和換熱器計(jì) 算剖析 在冷、熱流體進(jìn)、出口溫度相同的情況下，逆流的平均溫在冷、熱流體進(jìn)、出口溫度相同的情況下，逆流的平均溫 差最大，順流的平均溫差最小，因此從強(qiáng)化傳熱的角度出差最大，順流的平均溫差最小，因此從強(qiáng)化傳熱的角度出 發(fā)，換熱器應(yīng)當(dāng)盡量布置成逆流。發(fā)，換熱器應(yīng)當(dāng)盡量布置成逆流。 1）多布置換熱面，增加

21、總傳熱面積）多布置換熱面，增加總傳熱面積A，可降低總傳熱熱阻，可降低總傳熱熱阻， 加大傳熱量。加大傳熱量。 2）降低污垢熱阻。）降低污垢熱阻。 3）減小對流換熱熱阻）減小對流換熱熱阻Rh1、Rh2。如果兩個熱阻相差較大，應(yīng)。如果兩個熱阻相差較大，應(yīng) 抓住主要矛盾，設(shè)法減小其中最大的熱阻。抓住主要矛盾，設(shè)法減小其中最大的熱阻。 強(qiáng)化對流換熱的方法強(qiáng)化對流換熱的方法： （1）加大傳熱溫差加大傳熱溫差 m t （2）減小傳熱熱阻）減小傳熱熱阻 k R 1）擴(kuò)展換熱面（加裝肋片）擴(kuò)展換熱面（加裝肋片） 傳熱學(xué)第十章傳熱過程和換熱器計(jì) 算剖析 2）改變換熱面的形狀、大小和位置）改變換熱面的形狀、大小和位

22、置 0.8 fff 0.023 n NuRePr 如管內(nèi)強(qiáng)迫對流湍流換熱如管內(nèi)強(qiáng)迫對流湍流換熱 0.8 m f ff 0.023 n u dhd Pr 0.2 hd 用直徑小的管子或者用橢圓管代替圓管（減小當(dāng)量直徑）用直徑小的管子或者用橢圓管代替圓管（減小當(dāng)量直徑） 都可以取得強(qiáng)化對流換熱的效果。都可以取得強(qiáng)化對流換熱的效果。 再如管外自然對流換熱和凝結(jié)換熱，管子水平放置時的表再如管外自然對流換熱和凝結(jié)換熱，管子水平放置時的表 面?zhèn)鳠嵯禂?shù)一般要高于和豎直放置。面?zhèn)鳠嵯禂?shù)一般要高于和豎直放置。 傳熱學(xué)第十章傳熱過程和換熱器計(jì) 算剖析 3）改變換熱面表面狀況）改變換熱面表面狀況 如表面粗糙度，可以強(qiáng)化單相流體的湍流換熱；如表面粗糙度，可以強(qiáng)化單相流體的湍流換熱； 在換熱表面形成一層多孔在換熱表面形成一層多孔 層可以強(qiáng)化沸騰換熱；層可以強(qiáng)化沸騰換熱； 在換熱面上加工成溝槽或螺紋，或?qū)Q熱表面進(jìn)行處理造在換熱面上加工成溝槽或螺紋，或?qū)Q熱表面進(jìn)行處理造 成珠狀凝結(jié)，是強(qiáng)化凝結(jié)換熱的實(shí)用技術(shù)；成珠狀凝結(jié)，是強(qiáng)化凝結(jié)換熱的實(shí)用技術(shù)； 增加表面