傳熱學傳熱過程和換熱器計算課件

1、傳熱學傳熱過程和換熱器計算課件第十章第十章 傳熱過程分析與換熱器熱計算傳熱過程分析與換熱器熱計算傳熱學傳熱過程和換熱器計算課件 = K A t傳熱過程：熱量由壁面一側的流體通過壁面?zhèn)鞯搅硪粋攘鱾鳠徇^程：熱量由壁面一側的流體通過壁面?zhèn)鞯搅硪粋攘黧w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。）【傳熱過程是傳熱學中【傳熱過程是傳熱學中特指特指的概念】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的計算公式不同。的計算公式不同。1KtotR10.1 傳熱過程的分析和計

2、算傳熱過程的分析和計算傳熱學傳熱過程和換熱器計算課件1. 通過平壁的傳熱通過平壁的傳熱12111Khh說明說明： (1) h1和和h2的計算；（的計算；（2）如果計及輻射，換熱系）如果計及輻射，換熱系數(shù)應該采用等效換熱系數(shù)數(shù)應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)傳熱學傳熱過程和換熱器計算課件2. 通過圓管的傳熱通過圓管的傳熱hiho()oofifoK A tt11ln()2ooooiiioKdddhddhooAd l說明說明： 也可以以內表面為基準。也可以以內表面為基準。傳熱學傳熱過程和換熱器計算課件3. 帶保溫層的金屬

3、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()2111ln()2(2 )fifoiiiioil ttdhddh d圓管外敷保溫層后：圓管外敷保溫層后：可見，保溫層使得導熱熱阻增加，換熱削弱；降低對流可見，保溫層使得導熱熱阻增加，換熱削弱；降低對流換熱熱阻，使得換熱增強，那么，綜合效果到底是增強換熱熱阻，使得換熱增強，那么，綜合效果到底是增強還是削弱呢？還是削弱呢？傳熱學傳熱過程和換熱器計算課件220()d11d2111ln()2fifoooooiiiool ttddh ddhddh dd0dod2ocroddh可見，確實是有一個極值存在。也就是說，可見，確實是有一個極值存在。

4、也就是說，do2在在do1 dcr之間，之間， 是增加的，當是增加的，當do2大于大于dcr時，時， 降低。降低。or2ood hBi傳熱學傳熱過程和換熱器計算課件4. 通過肋壁的傳熱（定性分析）通過肋壁的傳熱（定性分析）A1A2Ai本質上，在圓管外設置肋片和敷設保溫層，都使對流換熱熱阻降低而導熱熱阻增加。但是，一般情況下，保溫層使導熱熱阻增加較多，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；而設置肋片使導熱熱阻增加較少，而換熱熱阻降低較多，從而，使總熱阻下降，起到強化傳熱的作用。傳熱學傳熱過程和換熱器計算課件xTThTcT1T2xTTh (Hot)Tc (cold)T1T2

5、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際傳熱過程中，通常，兩個流體的溫度隨著傳熱的流程實際傳熱過程中，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：12KK ()ffAtA tt 如何計算平均傳熱溫差？平均傳熱溫差與傳熱器的形式有關！如何計算平均傳熱溫差？平均傳熱溫差與傳熱器的形式有關！嚴格上，僅在嚴格上，僅在dA時成立時成立傳熱學傳熱過程和換熱器計算課件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：混合式：換熱器內冷、熱流體換熱器內冷

6、、熱流體直接接觸直接接觸、互相混合來實現(xiàn)、互相混合來實現(xiàn) 熱量交換。熱量交換。蓄熱式蓄熱式：冷、熱兩種流體依次：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）實現(xiàn)非穩(wěn)態(tài)的熱量交換。換熱面（蓄熱體）實現(xiàn)非穩(wěn)態(tài)的熱量交換。 間壁式：間壁式：換熱器內冷、熱流體換熱器內冷、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、壁的導熱、壁面與冷流體間的對流換熱三個熱、壁的導熱、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。環(huán)節(jié)組成的傳熱過程。（應用最廣泛）（應用最廣泛） 傳

7、熱學傳熱過程和換熱器計算課件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：套管式換熱器：最簡單的一種間壁式換熱器，流體有順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，適用于傳熱量不大或流體流量不大的情形傳熱學傳熱過程和換熱器計算課件(2) 管殼式換熱器：管殼式換熱器：最主要的一種間壁式換熱器，傳熱面由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。兩種流體分殼內。兩種流體分管程管程和和殼程。殼程。outBT,side) (

8、shell ,inBTside) (tube ,inAToutAT,傳熱學傳熱過程和換熱器計算課件(3) 交叉流換熱器：交叉流換熱器：間壁式換熱器的又一種主要形式。其主間壁式換熱器的又一種主要形式。其主要特點是冷熱流體呈交叉狀流動。交叉流換熱器又分管束要特點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。傳熱學傳熱過程和換熱器計算課件xTThTcT1T2xTTh (Hot)Tc (cold)T1T21 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ttlnmttt ，順流tttm tlnt,逆流10.3 平均傳熱溫差平均傳熱溫差

9、傳熱學傳熱過程和換熱器計算課件順流和逆流的區(qū)別在于：順流和逆流的區(qū)別在于：順流：順流：逆流：逆流：chchtttttt chchtttttt minmaxminmaxtlnttttm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) )傳熱學傳熱過程和換熱器計算課件 順流和逆流是兩種極端情況，在相同的進出口溫度下，逆順流和逆流是兩種極端情況，在相同的進出口溫度下，逆流的流的 最大，順流的最大，順流的 則最??；則最??； 順流時順流時 ，而逆流時，而逆流時， 則可能小于則可能小于 。mthcttct ht dqiToTh

10、dTcdTTInOutdqiToThdTcdTTInOutmt傳熱學傳熱過程和換熱器計算課件2 算術平均溫差算術平均溫差平均溫差的一種最簡單的形式是算術平均溫差，即平均溫差的一種最簡單的形式是算術平均溫差，即2minmax,tttm算術minmaxminmax,tlnttttm對數(shù)算術平均溫差相當于溫度呈直線變化的情況，算術平均溫差相當于溫度呈直線變化的情況，當當 時，兩者的差別小于時，兩者的差別小于4；當當 時，兩者的差別小于時，兩者的差別小于2.3。maxmin1.7ttmaxmin2tt傳熱學傳熱過程和換熱器計算課件通常，對逆流的對通常，對逆流的對數(shù)平均溫差進行修數(shù)平均溫差進行修正以獲得

11、其他復雜正以獲得其他復雜流動方式下的平均流動方式下的平均溫差。溫差。ctfmmtt)(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 。cchhchccttttRttttP ,式中：下標式中：下標h、c分別表示兩種流體，上角標分別表示兩種流體，上角標 表示進口，表示進口， 表示出口，圖表中均以表示出口，圖表中均以P為橫坐標，為橫坐標，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：傳熱學傳熱過程和換熱器計算課件2212ttPtt1122 ttRtt1殼程，殼程，2、4、6、8 管程的管程的 值值 傳熱學

12、傳熱過程和換熱器計算課件10.4 換熱器的傳熱計算換熱器的傳熱計算換熱器的傳熱計算分為兩種類型：換熱器的傳熱計算分為兩種類型： 設計計算：設計計算：根據(jù)換熱條件和要求，設計一臺新?lián)Q熱器，為此根據(jù)換熱條件和要求，設計一臺新?lián)Q熱器，為此需要確定換熱器的類型、結構及換熱面積需要確定換熱器的類型、結構及換熱面積。 校核計算：校核計算：核算已有換熱器能否滿足換熱要求，一般需要計核算已有換熱器能否滿足換熱要求，一般需要計算流體的出口溫度、換熱量及流動阻力等。算流體的出口溫度、換熱量及流動阻力等。換熱器計算的兩種方法：換熱器計算的兩種方法：平均溫差法平均溫差法和和效能效能-傳熱單元數(shù)法傳熱單元數(shù)法。 換熱器

13、的參數(shù)：換熱面積換熱器的參數(shù)：換熱面積A、兩側流體的質量流量、兩側流體的質量流量 、進口溫度進口溫度 ，出口溫度，出口溫度 ，和換熱量，和換熱量 。 12,mmqq12,t t12,t t 傳熱學傳熱過程和換熱器計算課件換熱器傳熱計算的平均溫差法：換熱器傳熱計算的平均溫差法：換熱器傳熱計算的基本公式：換熱器傳熱計算的基本公式： mkA t1111mpq ctt2222mpq ctt3個方程有個方程有8個獨立變量，只要知道其中個獨立變量，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）設計計算（了解）：）設計計算（了解）：根據(jù)生產任務的要求，給定冷、熱流體的質量流量根據(jù)生產任務的要求

14、，給定冷、熱流體的質量流量 和和進出口進出口4個溫度中的個溫度中的3個，需確定換熱器的型式、結構，計算個，需確定換熱器的型式、結構，計算傳熱系數(shù)傳熱系數(shù)k及換熱面積及換熱面積A。 12mmqq、傳熱學傳熱過程和換熱器計算課件1) 設計計算步驟設計計算步驟： (a) 根據(jù)給定的換熱條件，如流體性質、溫度和壓力范圍根據(jù)給定的換熱條件，如流體性質、溫度和壓力范圍 等，選擇換熱器類型，布置換熱面，計算換熱面兩側對等，選擇換熱器類型，布置換熱面，計算換熱面兩側對 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、出口溫度求出未知

15、的進、出口溫度及換熱量及換熱量 ； 1111mpq ctt2222mpqctt (c) 由進、出口由進、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) 計算換熱器的流動阻力，如果阻力過大，會加大設備的計算換熱器的流動阻力，如果阻力過大，會加大設備的 投資和運行費用，須改變方案，重新設計。投資和運行費用，須改變方案，重新設計。 mt12hh、mkA t傳熱學傳熱過程和換熱器計算課件 2）校核計算：）校核計算：已知換熱器的換熱面積已知換熱器的換熱面積A、兩側流體的質量流量、兩側流體的質量流量 、進、進口溫度口溫度

16、 等等5個參數(shù)，需計算熱、冷流體的出口溫度個參數(shù)，需計算熱、冷流體的出口溫度 和換熱量和換熱量 。 計算步驟：計算步驟：mkA t1111mpq ctt2222mpqctt(a) 先假設一個流體的出口溫度，熱平先假設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 和另一個流體和另一個流體的出口溫度；的出口溫度； (b) 根據(jù)流體的進、出口根據(jù)流體的進、出口4個溫度求平均溫差個溫度求平均溫差 ； (c) 計算換熱面兩側的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)計算換熱面兩側的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) ，進而求得總傳熱系數(shù)，進而求得總傳熱系數(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

17、，再重新假設流體出口溫度，如果相差較大，再重新假設流體出口溫度，重復上述計算，直到滿意為止重復上述計算，直到滿意為止。 12,mmqq12,t t12, t t mt12,h hmkA t傳熱學傳熱過程和換熱器計算課件10.5 傳熱的強化與削弱（自學）傳熱的強化與削弱（自學）傳熱工程技術的兩個方向：強化傳熱技術與削弱傳熱技術傳熱工程技術的兩個方向：強化傳熱技術與削弱傳熱技術（又稱隔熱保溫技術）。（又稱隔熱保溫技術）。傳熱工程技術是根據(jù)現(xiàn)代工業(yè)生產和科學實踐的需要而發(fā)傳熱工程技術是根據(jù)現(xiàn)代工業(yè)生產和科學實踐的需要而發(fā)展起來的科學與工程技術，其主要任務是按照工業(yè)生產和展起來的科學與工程技術，其主要

18、任務是按照工業(yè)生產和科學實踐的要求來控制和優(yōu)化熱量傳遞過程?？茖W實踐的要求來控制和優(yōu)化熱量傳遞過程。傳熱學傳熱過程和換熱器計算課件無論是強化傳熱還是削弱傳熱無論是強化傳熱還是削弱傳熱，一般都是從改變傳熱溫差一般都是從改變傳熱溫差和改變傳熱熱阻兩方面入手。和改變傳熱熱阻兩方面入手。 以換熱器內的傳熱過程為例：以換熱器內的傳熱過程為例：mmmm121khhtttkA tRRRRkA傳熱強化途徑傳熱強化途徑：（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 。mtkR傳熱學傳熱過程和換熱器計算課件在冷、熱流體進、出口溫度相同的情況下，逆流的平均溫在冷、熱流體進、出口溫度相同的情況

19、下，逆流的平均溫差最大，順流的平均溫差最小，因此從強化傳熱的角度出差最大，順流的平均溫差最小，因此從強化傳熱的角度出發(fā)，換熱器應當盡量布置成逆流。發(fā)，換熱器應當盡量布置成逆流。 1）多布置換熱面，增加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。如果兩個熱阻相差較大，應抓住主要矛盾，設法減小其中最大的熱阻。抓住主要矛盾，設法減小其中最大的熱阻。 強化對流換熱的方法強化對流換熱的方法： （1）加大傳熱溫差加大傳熱溫差mt（2）減

20、小傳熱熱阻減小傳熱熱阻kR 1）擴展換熱面（加裝肋片）擴展換熱面（加裝肋片）傳熱學傳熱過程和換熱器計算課件2）改變換熱面的形狀、大小和位置改變換熱面的形狀、大小和位置0.8fff0.023nNuRePr如管內強迫對流湍流換熱如管內強迫對流湍流換熱0.8mfff0.023nu dhdPr0.2hd用直徑小的管子或者用橢圓管代替圓管（減小當量直徑）用直徑小的管子或者用橢圓管代替圓管（減小當量直徑）都可以取得強化對流換熱的效果。都可以取得強化對流換熱的效果。 再如管外自然對流換熱和凝結換熱，管子水平放置時的表再如管外自然對流換熱和凝結換熱，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。傳熱學傳熱過程和換熱器計算課件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，可以強化單相流體的湍流換熱；如表面粗糙度，可以強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化沸騰換熱；層可以強化沸騰換熱； 在換熱面上加工成溝槽或螺紋，或對換熱表面進行處理造在換熱面上加工成溝槽或螺紋，或對換熱表面進行處理造成珠狀凝結，是強化凝結換熱的實用技術；成珠狀凝結，是強化凝結換熱的實用技術；增加表面黑度強化輻射換熱。