單元10傳熱學(xué)原理舉例

1、r re e g gong ong x xue ue j ji i c chuhu1第二部分第二部分單元單元10 10 傳熱學(xué)原理傳熱學(xué)原理應(yīng)用舉例應(yīng)用舉例熱工學(xué)基礎(chǔ)2 10.1 10.1 換熱器選型及計(jì)算換熱器選型及計(jì)算（4 4）單元單元10 傳熱學(xué)原理應(yīng)用舉例傳熱學(xué)原理應(yīng)用舉例 10.1.1 10.1.1 間壁式換熱器的類型及特點(diǎn)間壁式換熱器的類型及特點(diǎn)（6 6）單元單元10 10 傳熱學(xué)原理應(yīng)用舉例傳熱學(xué)原理應(yīng)用舉例（3 3） 10.1.2 10.1.2 換熱器的熱力計(jì)算原理?yè)Q熱器的熱力計(jì)算原理（1717） 10.1.3 10.1.3 換熱器的選擇及評(píng)價(jià)換熱器的選擇及評(píng)價(jià)（2424） 1

2、0.2 10.2 維護(hù)結(jié)構(gòu)熱工計(jì)算維護(hù)結(jié)構(gòu)熱工計(jì)算（2828） 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn) （3737）3【知識(shí)點(diǎn)【知識(shí)點(diǎn)】換熱器的類型及特點(diǎn)；換熱器熱力計(jì)算公式；維護(hù)結(jié)構(gòu)最小熱阻的概念及維護(hù)結(jié)構(gòu)熱阻計(jì)算公式及計(jì)算方法?！灸芰δ繕?biāo)【能力目標(biāo)】掌握掌握：換熱器的類型及特點(diǎn)；相關(guān)計(jì)算公式。理解理解：換熱器的評(píng)價(jià)及選擇的方法；維護(hù)結(jié)構(gòu)最小熱 阻的概念。熟悉熟悉：換熱器熱力計(jì)算公式及計(jì)算方法；維護(hù)結(jié)構(gòu)熱 阻計(jì)算公式及計(jì)算方法。應(yīng)用應(yīng)用：使用換熱器熱力計(jì)算公式進(jìn)行選型計(jì)算和校核 計(jì)算；正確選擇換熱器；維護(hù)結(jié)構(gòu)最小熱阻的 校核和計(jì)算。單元單元10 傳熱學(xué)原理應(yīng)用舉例傳熱學(xué)原理應(yīng)用舉例4換熱器是實(shí)現(xiàn)兩種或兩種以上溫度

3、不同的流體相互換熱的設(shè)備。按工作原理不同可分為三類。（1）間壁式換熱器）間壁式換熱器冷熱流體被一壁面隔開，如暖風(fēng)機(jī)、燃?xì)饧訜崞?、冷凝器、蒸發(fā)器。（2）混合式換熱器）混合式換熱器冷熱流體直接接觸，彼此混合進(jìn)行換熱，在熱交換時(shí)存在質(zhì)交換，如空調(diào)工程中的噴淋室、蒸汽噴射泵等。10.1 換熱器選型及計(jì)算換熱器選型及計(jì)算5（3）回?zé)崾綋Q熱器）回?zé)崾綋Q熱器回?zé)崾綋Q熱器的換熱面交替地吸收和放出熱量，熱流體流過換熱面時(shí)溫度升高，換熱面吸收并儲(chǔ)蓄熱量，然后冷流體流過換熱面，換熱面放出熱量加熱冷流體，如鍋爐中回?zé)崾娇諝忸A(yù)熱器、全熱回收式空氣調(diào)節(jié)器等。作為換熱器的基礎(chǔ)知識(shí)，本章僅介紹間壁式換熱器。間壁式換熱器種類很

4、多，從構(gòu)造上主要可分為：管殼式、肋片管式、板式、板翹式、螺旋板式等，其中以前兩種用得最為廣泛。10.1 換熱器選型及計(jì)算換熱器選型及計(jì)算610.1.1.1 管殼式換熱器管殼式換熱器圖10.1為管殼式換熱器示意圖。流體在管外流動(dòng)，管外各管間常設(shè)置一些圓缺形的擋板，其作用是提高管外流體的流速（擋板數(shù)增加，流速提高），使流體能充分流經(jīng)全部管面，改善流體對(duì)管子的沖刷角度，從而提高殼側(cè)的換熱系數(shù)。此外，擋板還可以起支承管束、保持管間距離等作用。流體在管內(nèi)流動(dòng)。流體從管的一端流到另一端稱為一個(gè)管程，當(dāng)管子總數(shù)及流體流量一定時(shí)，管程數(shù)分得越多，則管內(nèi)流速越高。圖10.1為單殼程雙管程的換熱器。圖10.2（a

5、）為2殼程4管程，圖10.2（b）為3殼程6管程。10.1 換熱器選型及計(jì)算換熱器選型及計(jì)算7圖圖10.1 管殼式換熱器示意圖管殼式換熱器示意圖1管板；管板；2外殼；外殼；3管子；管子；4擋板；擋板；5隔板；隔板；6、7管程進(jìn)口、出口管程進(jìn)口、出口; 8、9殼程進(jìn)口、出口殼程進(jìn)口、出口10.1 換熱器選型及計(jì)算換熱器選型及計(jì)算8管殼式熱交換器結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，易于制造，適應(yīng)性強(qiáng)，處理能力大，高溫、高壓情況下亦可應(yīng)用，換熱器表面清洗較方便。這一類型換熱設(shè)備是工業(yè)上用得最多，歷史最久的一種，是占主導(dǎo)地位的換熱設(shè)備。其缺點(diǎn)是材料消耗大，不緊湊。除圖10.2的類型外，u形管式及套管式（一根大管中套一小管）換熱

6、器也屬此類。圖圖10.2 多殼程與多管程換熱器多殼程與多管程換熱器（a）2殼程殼程 4管程管程; （b）3殼程殼程 6管程管程10.1 換熱器選型及計(jì)算換熱器選型及計(jì)算910.1.1.2 肋片管式換熱器肋片管式換熱器肋片管亦稱翹片管，圖10.3為肋片管式換熱器結(jié)構(gòu)示意圖。在管子外壁加肋，肋化系數(shù)可達(dá)25左右，大大增加了空氣側(cè)的換熱面積，強(qiáng)化了傳熱。與光管相比，傳熱系數(shù)可提高12倍。這類換熱器結(jié)構(gòu)較緊湊，適用于兩側(cè)流體換熱系數(shù)相差較大的場(chǎng)合。圖圖10.3 肋片管式換熱器肋片管式換熱器10.1 換熱器選型及計(jì)算換熱器選型及計(jì)算10肋片管式換熱器結(jié)構(gòu)上最值得注意的是肋的形狀和結(jié)構(gòu)以及鑲嵌在管子上的方

7、式。肋的形狀可做成圓盤式、帶槽或孔式、皺紋式、釘式和金屬絲式等。肋與管的連接方式可采用張力纏繞式、嵌片式、熱套脹接、焊接、整體軋制、鑄造及機(jī)加工等。肋片管的主要缺陷是肋片側(cè)的流動(dòng)阻力較大。不同的結(jié)構(gòu)與鑲嵌方式對(duì)流動(dòng)阻力，特別是對(duì)傳熱性能影響很大。當(dāng)肋根與管之間接觸不緊密而存在縫隙時(shí)，將形成接觸熱阻而使傳熱系數(shù)降低。10.1 換熱器選型及計(jì)算換熱器選型及計(jì)算1110.1.1.3 板式換熱器板式換熱器板式換熱器是由若干傳熱板片疊置壓緊組裝而成，板四角開有角孔，流體由一個(gè)角孔流入，即在兩塊板形成的流道中流動(dòng)，而經(jīng)另一對(duì)角線角孔流出（該板的另外兩個(gè)角孔則由墊片堵?。鞯篮苷?，通常只有34 mm，冷熱

8、兩流體的流道彼此相間隔。為了強(qiáng)化流體在流道中的擾動(dòng)，板面都做成波紋形。板片間裝有密封墊片，它既用來防漏，又用以控制兩板間的距離。冷熱兩流體分別由板的上、下角孔進(jìn)入換熱器，并相間流過奇數(shù)及偶數(shù)流道，然后再?gòu)南?、上角孔流出。傳熱板片是板式換熱器的關(guān)鍵元件，不同類型的板片直接影響到傳熱系數(shù)、流動(dòng)阻力和承受壓力的能力。板片的材料，通常為不銹鋼，對(duì)于腐蝕性強(qiáng)的流體（如海水冷卻器），可用鈦板。 10.1 換熱器選型及計(jì)算換熱器選型及計(jì)算12板式換熱器傳熱系數(shù)高、阻力相對(duì)較小（相對(duì)于高傳熱系數(shù)）、結(jié)構(gòu)緊湊、金屬消耗量低、使用靈活性大（傳熱面積可以靈活變更）、拆裝清洗方便等，已廣泛應(yīng)用于供熱采暖系統(tǒng)及食品、醫(yī)

9、藥、化工等部門。目前板式換熱器性能已達(dá)：最佳傳熱系數(shù)7 000 w/（m2）（水-水），最大處理量1 000 m3/h，最高操作壓強(qiáng)28 bar（1 bar100 kpa），緊湊性2501 000 m2/m3，金屬消耗16 kg/m2。圖10.4為板式換熱器的結(jié)構(gòu)原理圖 。圖圖10.4 板式換熱器結(jié)構(gòu)原理圖板式換熱器結(jié)構(gòu)原理圖10.1 換熱器選型及計(jì)算換熱器選型及計(jì)算1310.1.1.4 板翅式換熱器板翅式換熱器板翅式換熱器結(jié)構(gòu)方式很多，但都是由若干層基本換熱元件組成，如圖10.5（a）所示，在兩塊平隔板1中夾著一塊波紋形導(dǎo)熱翅片3，兩端用側(cè)條2密封，形成一層基本換熱元件，許多這樣的元件交錯(cuò)疊

10、合（使相鄰兩流道流動(dòng)方向交錯(cuò)）焊接起來構(gòu)成板式換熱器。圖10.5（b）是一種疊合方式。波紋板可做成多種形式，圖10.5（a）為平直形翅片，還有鋸齒翅片、翅片帶孔、彎曲翅片等形式，目的是增加流體的擾動(dòng)，增強(qiáng)傳熱。板翅式換熱器由于兩側(cè)都有翅片，做氣氣換熱，傳熱系數(shù)對(duì)空氣可達(dá)350 w/(m2)。板翅換熱器結(jié)構(gòu)非常緊湊，輕巧，每立方米體積中容納的傳熱面積可高達(dá)4 300 m2，承壓可達(dá)100 bar。但它容易堵塞，清洗困難，不易檢修。適用于清潔和無腐蝕的流體換熱。10.1 換熱器選型及計(jì)算換熱器選型及計(jì)算14圖圖10.5 板翅式換熱器結(jié)構(gòu)原理圖板翅式換熱器結(jié)構(gòu)原理圖1平隔板；平隔板；2側(cè)條；側(cè)條；3

11、翅片；翅片；4流體流體圖圖10.6 螺旋板換熱器螺旋板換熱器10.1 換熱器選型及計(jì)算換熱器選型及計(jì)算1510.1.1.5 螺旋板換熱器螺旋板換熱器螺旋板換熱器結(jié)構(gòu)原理如圖10.6所示，它是由兩塊平行的金屬板卷制起來，構(gòu)成兩個(gè)螺旋通道，再加上下蓋及連接管即成換熱器，其制造工藝簡(jiǎn)單。冷熱兩種流體分別在兩個(gè)螺旋通道中流動(dòng)，如圖10.6中所示，流體1從中心進(jìn)入，沿螺旋形通道流到周邊流出；流體2則由周邊進(jìn)入，沿螺旋通道流到中心流出。螺旋流道有利于提高傳熱系數(shù)。例如水水型，傳熱系數(shù)k值可達(dá)2 200 w/（m2）。螺旋流道的沖刷效果好，污垢形成速度低，僅是管殼式的十分之一。此外，結(jié)構(gòu)比管殼式緊湊，一般單

12、位體積的傳熱面積約為管殼式的2倍。使用板材制造，比管材價(jià)廉。缺點(diǎn)是不易清洗，承壓能力低，一般用于壓力10 bar以下場(chǎng)合。10.1 換熱器選型及計(jì)算換熱器選型及計(jì)算1610.1.1.6 浮動(dòng)盤管式換熱器浮動(dòng)盤管式換熱器浮動(dòng)盤管式換熱器如圖10.7所示，是20世紀(jì)80年代從國(guó)外引進(jìn)的一種新型半即熱式換熱器，它由上（左）、下（右）兩個(gè)端蓋、外筒、熱介質(zhì)導(dǎo)入管、 冷凝水（回水）導(dǎo)出管及垂直（水 平）浮動(dòng)盤管組成。垂直（水平） 浮動(dòng)盤管是由紫銅管經(jīng)多次成型加 工而成，各部分之間均采用螺栓連 接，為設(shè)備的檢修提供了可靠的條 件。這種換熱器具有以下優(yōu)點(diǎn)：換 熱效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、自動(dòng)化程度 高、便于清垢、熱

13、媒溫度調(diào)節(jié)方便。圖圖10.7 浮動(dòng)盤管式浮動(dòng)盤管式換熱器的結(jié)構(gòu)和附件換熱器的結(jié)構(gòu)和附件10.1 換熱器選型及計(jì)算換熱器選型及計(jì)算17換熱器的計(jì)算分為兩種情況，一種是設(shè)計(jì)計(jì)算，另一種是校核計(jì)算。設(shè)計(jì)計(jì)算的目的是根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)給定的換熱條件（冷熱媒的溫度、換熱量）確定換熱器的形式、換熱面積及結(jié)構(gòu)參數(shù)。而校核計(jì)算的目的則是根據(jù)已知的換熱器的結(jié)構(gòu)形式和換熱面積，校核換熱器能否滿足預(yù)定的換熱要求，一般是校核流體的出口溫度和換熱量能否達(dá)到要求。10.1 換熱器選型及計(jì)算換熱器選型及計(jì)算1810.1.2.1 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10.1 換熱器選型及計(jì)算換熱器選型及計(jì)算1910.1

14、.2.2 平均溫差平均溫差在前述傳熱基本計(jì)算公式中，冷熱兩流體沿傳熱面進(jìn)行換熱，其溫度沿流向是不斷變化的，故溫度差t也是不斷變化的，而且隨流體在換熱器中流動(dòng)情況與流體種類的不同，溫度變化的規(guī)律也不同，因此傳熱計(jì)算時(shí)需取它的平均溫差。在表面式換熱器中，熱流體與冷流體可以平行流動(dòng)，也可以交叉流動(dòng)，平行流動(dòng)時(shí)，還可以再分為順流和逆流。當(dāng)兩種流體的流動(dòng)方向相互垂直時(shí)，稱為橫流或叉流，如圖10.8所示。圖圖10.8 流體在換熱器中的流動(dòng)方式流體在換熱器中的流動(dòng)方式10.1 換熱器選型及計(jì)算換熱器選型及計(jì)算20圖圖10.9 順流時(shí)流體溫度變化順流時(shí)流體溫度變化10.1 換熱器選型及計(jì)算換熱器選型及計(jì)算21

15、圖圖10.10 逆流時(shí)流體溫度變化逆流時(shí)流體溫度變化10.1 換熱器選型及計(jì)算換熱器選型及計(jì)算2210.1 換熱器選型及計(jì)算換熱器選型及計(jì)算2310.1 換熱器選型及計(jì)算換熱器選型及計(jì)算24換熱器的類型很多，在選型和設(shè)計(jì)時(shí)，一般應(yīng)考慮下列幾項(xiàng)基本的要求：（1）達(dá)到換熱量、溫度等要求；）達(dá)到換熱量、溫度等要求；（2）強(qiáng)度可靠；）強(qiáng)度可靠；（3）便于制造、安裝和檢修；）便于制造、安裝和檢修；（4）經(jīng)濟(jì)合理。）經(jīng)濟(jì)合理。這些要求時(shí)常是互相制約的。例如，對(duì)于腐蝕性介質(zhì)，則要求采用昂貴的耐腐蝕材料，從而影響造價(jià)。緊湊式換熱器雖然傳熱性能優(yōu)異，但設(shè)備投資較大，或檢修不方便，為了給換熱器的選型和設(shè)計(jì)提供依據(jù)

16、，就需要對(duì)換熱器的性能進(jìn)行定量的評(píng)價(jià)。10.1 換熱器選型及計(jì)算換熱器選型及計(jì)算25換熱器性能評(píng)價(jià)涉及熱力學(xué)性能（不可逆損失）、傳熱性能、機(jī)械性能（容積、強(qiáng)度、重量、材質(zhì)）、可靠性及經(jīng)濟(jì)性（投資、運(yùn)行、維修），故全面評(píng)價(jià)換熱器性能是一項(xiàng)困難的工作，從國(guó)內(nèi)外做過的大量研究工作看，評(píng)價(jià)方法根據(jù)不同的情況大致有以下一些類型：（1）單一性評(píng)價(jià)）單一性評(píng)價(jià)即就換熱器的各單項(xiàng)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，是一種較簡(jiǎn)單易行的方法，例如用傳熱系數(shù)、壓力降、換熱器效能、單位傳熱面積的價(jià)格等作為評(píng)價(jià)比較的指標(biāo)，這些指標(biāo)把傳熱與其他因素分開考慮，雖不全面，但它適宜于對(duì)同類型換熱器在相同工作條件下進(jìn)行比較判別。10.1 換熱器選型及

17、計(jì)算換熱器選型及計(jì)算26（2）傳熱量與功率耗比的評(píng)價(jià)）傳熱量與功率耗比的評(píng)價(jià)在前述增強(qiáng)傳熱的諸多措施中，強(qiáng)化傳熱往往伴隨阻力增加，使運(yùn)行的動(dòng)力消耗（泵或風(fēng)機(jī)）增加，因而在評(píng)價(jià)中提出了消耗單位功率（w）所能傳遞熱量（q）的評(píng)價(jià)指標(biāo)，即q / w，它把傳熱與阻力損失綜合在一個(gè)指標(biāo)中，反映了換熱器兩項(xiàng)主要性能的綜合效果。與此類似的指標(biāo)還有傳熱系數(shù)與功率消耗比。通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試或模型計(jì)算找出該指標(biāo)的變化系數(shù)，用以評(píng)價(jià)換熱器性能。它可用于不同類型換熱器之間的比較。10.1 換熱器選型及計(jì)算換熱器選型及計(jì)算27（3）傳熱面積與其他性能比的評(píng)價(jià)）傳熱面積與其他性能比的評(píng)價(jià)除上述傳熱量與功率消耗比之外，還有以傳熱

18、面積為基準(zhǔn)的一些性能指標(biāo)，如單位傳熱面積的換熱器體積、金屬消耗量、造價(jià)、占地面積等等。這些性能指標(biāo)，在某些情況下，往往成為選型的重要依據(jù)，而且這些指標(biāo)較為準(zhǔn)確地表達(dá)了同類型換熱器的主要優(yōu)點(diǎn)或缺陷，在前述換熱器結(jié)構(gòu)介紹中已經(jīng)提到了其中的一些。 10.1 換熱器選型及計(jì)算換熱器選型及計(jì)算28我國(guó)20世紀(jì)60年代至70 年代中期，由于片面地強(qiáng)調(diào)降低基本建設(shè)造價(jià)和減輕結(jié)構(gòu)自重，在設(shè)計(jì)中缺乏全面的技術(shù)經(jīng)濟(jì)觀點(diǎn)和節(jié)能意識(shí)，導(dǎo)致一再削弱維護(hù)結(jié)構(gòu)隔熱水平，使得大量民用建筑冬冷夏熱，采暖和空調(diào)能耗大大增加，經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益都很差。直到70年代中期能源危機(jī)以后特別是改革開放以來，這種情況才引起重視并逐步改變。在現(xiàn)在的建筑設(shè)計(jì)中，對(duì)于建筑的節(jié)能設(shè)計(jì)非常重視，并作為強(qiáng)制性的條文寫入規(guī)范，對(duì)建筑維護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)和熱阻提出了明確的要求。以下就結(jié)合傳熱學(xué)的知識(shí)，對(duì)規(guī)范中維護(hù)結(jié)構(gòu)的最小熱阻的計(jì)算作一介紹。10.2 維護(hù)結(jié)構(gòu)熱工計(jì)算維護(hù)結(jié)構(gòu)熱工計(jì)算29表10.2表10.110.2 維護(hù)結(jié)構(gòu)熱工計(jì)算維護(hù)結(jié)構(gòu)熱工計(jì)算30表10.4表10.310.2 維護(hù)結(jié)構(gòu)熱工計(jì)算維護(hù)結(jié)構(gòu)熱工計(jì)算3110.2 維護(hù)結(jié)構(gòu)熱工計(jì)算維護(hù)結(jié)構(gòu)熱工計(jì)算3210.2 維護(hù)結(jié)構(gòu)熱工計(jì)算維護(hù)結(jié)構(gòu)熱工計(jì)算3310.2 維護(hù)結(jié)構(gòu)熱工計(jì)算維護(hù)結(jié)構(gòu)熱工計(jì)算3410