傳熱學(xué)第九章傳熱過程分析和換熱器熱計(jì)算1精選課件

1、第九章 傳熱過程分析與換熱器熱計(jì)算第1頁，共29頁。本章的學(xué)習(xí)目的分析實(shí)際傳熱問題的能力綜合應(yīng)用三種基本傳熱方式及其相關(guān)公式的能力了解換熱器的基本知識(shí)和設(shè)計(jì)過程 9-1 傳熱過程的分析和計(jì)算 傳熱過程？ 基本計(jì)算式(傳熱方程式)？式中：K是傳熱系數(shù)(總傳熱系數(shù))。對于不同的傳熱過 程，K的計(jì)算公式也不同。第2頁，共29頁。1 通過平壁的傳熱K的計(jì)算公式？說明： (1) h1和h2的計(jì)算；（2）如果計(jì)及輻射時(shí)對流換熱系數(shù)應(yīng)該采用等效換熱系數(shù)(總表面?zhèn)鳠嵯禂?shù))單相對流：膜態(tài)沸騰：(8-24)(6-23)第3頁，共29頁。2 通過圓管的傳熱hiho內(nèi)部對流：圓柱面導(dǎo)熱：外部對流：其中：第4頁，共29

2、頁。3 通過肋壁的傳熱肋壁面積：穩(wěn)態(tài)下?lián)Q熱情況：A1A2Ai肋面總效率第5頁，共29頁。定義肋化系數(shù)： 則傳熱系數(shù)為所以，只要 就可以起到強(qiáng)化換熱的效果。第6頁，共29頁。4 帶保溫層的圓管傳熱臨界熱絕緣直徑圓管外敷保溫層后：可見，保溫層使得導(dǎo)熱熱阻增加，換熱削弱；另一方面，降低了對流換熱熱阻，使得換熱贈(zèng)強(qiáng)，那么，綜合效果到底是增強(qiáng)還是削弱呢？這要看d/ddo2 和d2/ddo22的值第7頁，共29頁。可見，確實(shí)是有一個(gè)極值存在，那么，到底是極大值，還是極小值呢？從熱量的基本傳遞規(guī)律可知，應(yīng)該是極大值。也就是說，do2在do1 dcr之間，是增加的，當(dāng)do2大于dcr時(shí)， 降低。or第8頁，共

3、29頁。 9-2 換熱器的型式及平均溫差換熱器的定義：用來使熱量從熱流體傳遞到冷流體，以 滿足規(guī)定的工藝要求的裝置2 換熱器的分類：三種類型換熱器簡介第9頁，共29頁。3 間壁式換熱器的主要型式套管式換熱器：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 體流量不大的情形順流逆流第10頁，共29頁。(2) 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殼內(nèi)。兩種流體分管程和殼程。第11頁，共29頁。增加管程第12頁，共29頁。進(jìn)一步增加管程和殼程第13頁，共29頁。(3) 交叉流換熱器：間壁式換熱器的又一種主要形式。

4、其主要特點(diǎn)是冷熱流體呈交叉狀流動(dòng)。交叉流換熱器又分管束式、管翅式和板翅式三種。(c) 板翅式交叉流換熱器第14頁，共29頁。(4) 板式換熱器：由一組幾何結(jié)構(gòu)相同的平行薄平板疊加所組成，冷熱流體間隔地在每個(gè)通道中流動(dòng)，其特點(diǎn)是拆卸清洗方便，故適用于含有易結(jié)垢物的流體。單位體積內(nèi)所包含的換熱面積作為衡量換熱器緊湊程度的衡量指標(biāo)，一般將大于700m2/m3的換熱器稱為緊湊式換熱器，板翅式換熱器多屬于緊湊式，因此，日益受到重視。第15頁，共29頁。(5) 螺旋板式換熱器：換熱表面由兩塊金屬板卷制而成，有點(diǎn)：換熱效果好；缺點(diǎn)：密封比較困難。第16頁，共29頁。4 簡單順流及逆流換熱器的對數(shù)平均溫差傳熱

5、方程的一般形式：這個(gè)過程對于傳熱過程是通用的，但是當(dāng)溫差 沿整個(gè)壁面不是常數(shù)時(shí)，比如等壁溫條件下的管內(nèi)對流換熱，以及我們現(xiàn)在遇到的換熱器等。對于前者我們曾經(jīng)提到過對數(shù)平均溫差(LMTD)的公式，但是沒有給出推導(dǎo)。下面我們就來看看LMTD的推導(dǎo)過程dthdtcthtc第17頁，共29頁。以順流情況為例，并作如下假設(shè)：（1）冷熱流體的質(zhì)量流量qm2、qm1以及比熱容c2,c1是常數(shù)；(2) 傳熱系數(shù)是常數(shù)；（3）換熱器無散熱損失；（4）換熱面沿流動(dòng)方向的導(dǎo)熱量可以忽略不計(jì)。要想計(jì)算沿整個(gè)換熱面的平均溫差，首先需要知道當(dāng)?shù)販夭铍S換熱面積的變化，即 ，然后再沿整個(gè)換熱面積進(jìn)行平均第18頁，共29頁。在

6、前面假設(shè)的基礎(chǔ)上，并已知冷熱流體的進(jìn)出口溫度，現(xiàn)在來看圖9-13中微元換熱面dA一段的傳熱。溫差為：在固體微元面dA內(nèi)，兩種流體的換熱量為:對于熱流體和冷流體:第19頁，共29頁。可見，當(dāng)?shù)販夭铍S換熱面呈指數(shù)變化，則沿整個(gè)換熱面的平均溫差為：第20頁，共29頁。(1)(2)(3)(1)+(2)+(3)對數(shù)平均溫差第21頁，共29頁。順流：逆流時(shí)：第22頁，共29頁。其他過程和公式與順流是完全一樣，因此，最終仍然可以得到：第23頁，共29頁。順流和逆流的區(qū)別在于：順流：逆流：或者我們也可以將對數(shù)平均溫差寫成如下統(tǒng)一形式(順流和逆流都適用)第24頁，共29頁。5 算術(shù)平均溫差平均溫差的另一種更為簡

7、單的形式是算術(shù)平均溫差，即算術(shù)平均溫差相當(dāng)于溫度呈直線變化的情況，因此，總是大于相同進(jìn)出口溫度下的對數(shù)平均溫差，當(dāng) 時(shí)，兩者的差別小于4；當(dāng) 時(shí)，兩者的差別小于2.3。第25頁，共29頁。6 其他復(fù)雜布置時(shí)換熱器平均溫差的計(jì)算以上所討論的對數(shù)平均溫差(LMTD)只是針對純順流和純逆流情況，而這種情況的出現(xiàn)是比較少的，實(shí)際換熱器一般都是處于順流和逆流之間，或者有時(shí)是逆流，有時(shí)又是順流。對于這種復(fù)雜情況，我們當(dāng)然也可以采用前面的方法進(jìn)行分析，但數(shù)學(xué)推導(dǎo)將非常復(fù)雜，實(shí)際上，逆流的平均溫差最大，因此，人們想到對純逆流的對數(shù)平均溫差進(jìn)行修正以獲得其他情況下的平均溫差。是給定的冷熱流體的進(jìn)出口溫度布置成逆

8、流時(shí)的LMTD，是小于1的修正系數(shù)。圖9-15 9-18分別給出了管殼式換熱器和交叉流式換熱器的 。第26頁，共29頁。關(guān)于的注意事項(xiàng)（1） 值取決于無量綱參數(shù) P和 R式中：下標(biāo)1、2分別表示兩種流體，上角標(biāo) 表示進(jìn)口， 表示出口，圖表中均以P為橫坐標(biāo)，R為參量。（3）R的物理意義：兩種流體的熱容量之比（2）P的物理意義：流體2的實(shí)際溫升與理論上所能達(dá)到 的最大溫升之比，所以只能小于1（4） 對于管殼式換熱器，查圖時(shí)需要注意流動(dòng)的“程”數(shù)第27頁，共29頁。7 各種流動(dòng)形式的比較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 最大，順流則最??；順流時(shí) ，而逆流時(shí)， 則可能大于 ，可見，逆流布置時(shí)的換熱最強(qiáng)。InOutInOut第28頁，共29頁。(3) 那么是不是所有的換熱器都設(shè)計(jì)成逆流形式的就最好呢？不是，因?yàn)橐慌_(tái)換熱器的設(shè)計(jì)要考慮很多因素，而不僅僅是換熱的強(qiáng)弱。比如，逆流時(shí)冷熱流體的最高溫度均出現(xiàn)在