第10章 傳熱過(guò)程分析和換熱器計(jì)算

章傳熱過(guò)程分析與換熱器的熱計(jì)算2021/5/91

主要內(nèi)容▲傳熱過(guò)程的分析和計(jì)算▲換熱器的類(lèi)型▲傳熱過(guò)程的平均溫差及計(jì)算▲間壁式換熱器的熱設(shè)計(jì)▲熱量傳遞過(guò)程的控制(強(qiáng)化和削弱)2021/5/92

基本要求1．掌握傳熱過(guò)程的概念及宏觀規(guī)律2．掌握傳熱系數(shù)的概念及影響因素，并能計(jì)算常見(jiàn)傳熱過(guò)程的傳熱系數(shù)3．了解換熱器的分類(lèi)及主要型式4．能計(jì)算不同型式換熱器的平均溫差，并進(jìn)行換熱器內(nèi)冷、熱流體的溫度變化規(guī)律分析5．熟記換熱器熱設(shè)計(jì)的基本公式，了解換熱器熱設(shè)計(jì)的類(lèi)型及計(jì)算方法，并能用平均溫差法進(jìn)行換熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算6．掌握熱量傳遞過(guò)程的控制原理與方法2021/5/93本章要求掌握的內(nèi)容：定量：傳熱過(guò)程的計(jì)算；對(duì)數(shù)平均溫差的計(jì)算；間壁式換熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算及校核計(jì)算。定性：掌握傳熱過(guò)程的熱阻分析法；傳熱過(guò)程強(qiáng)化與削弱措施。2021/5/9410-1傳熱過(guò)程的分析和計(jì)算

傳熱過(guò)程：熱量由壁面一側(cè)的流體通過(guò)壁面?zhèn)鞯搅硪粋?cè)流體中去的過(guò)程稱(chēng)傳熱過(guò)程。

傳熱過(guò)程分析求解的基本關(guān)系為傳熱方程式式中K為傳熱系數(shù)（在容易與對(duì)流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)想混淆時(shí)，稱(chēng)總傳熱系數(shù)）。2021/5/95說(shuō)明：(1)由于平壁的兩側(cè)的面積是相等的，因此傳熱系數(shù)的數(shù)值不論對(duì)哪一側(cè)來(lái)說(shuō)都是一樣的。（2）h1和h2的計(jì)算；（3）如果計(jì)及輻射時(shí)對(duì)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))10.1.1通過(guò)平壁的傳熱單層多層2021/5/96影響傳熱系數(shù)k的數(shù)值的主要因素：①冷熱流體的物性；②流速；③物體表面的形狀和布置；④壁面材料導(dǎo)熱系數(shù)

當(dāng)流過(guò)壁面的是輻射性氣體(二氧華碳、水蒸汽、煙氣等),或壁面與周?chē)砻骈g存在較大溫差時(shí),則該側(cè)應(yīng)按復(fù)合換熱考慮.2021/5/9710.1.2通過(guò)圓管的傳熱內(nèi)部對(duì)流：圓柱面導(dǎo)熱：外部對(duì)流：hiho2021/5/98定義：(1)以圓管外側(cè)面積為基準(zhǔn)的傳熱系數(shù)k(2)以圓管內(nèi)側(cè)面積為基準(zhǔn)的傳熱系數(shù)ki上式相加，通過(guò)圓筒壁的傳熱量：(10-2)2021/5/99等效電路圖(共三個(gè)環(huán)節(jié)串聯(lián)):從熱阻的角度來(lái)看2021/5/910總傳熱熱阻=管內(nèi)熱阻+管壁熱阻+管外熱阻注意：①因Ai≠A0，故不采用單位面積熱阻的概念；②管子內(nèi)、外側(cè)有污垢或包有保溫層時(shí)，只要增加相應(yīng)的熱阻項(xiàng)即可；③要強(qiáng)化或削弱傳熱過(guò)程，應(yīng)從熱阻最大的環(huán)節(jié)入手(10-5)2021/5/91110.1.3通過(guò)肋壁的傳熱肋壁面積：穩(wěn)態(tài)下?lián)Q熱情況：肋面總效率2021/5/912(1)肋壁總效率η0式中：2021/5/913以肋側(cè)表面積為基準(zhǔn)的肋壁傳熱系數(shù)定義肋化系數(shù)：則傳熱系數(shù)2021/5/914肋壁的傳熱系數(shù)：(a)以肋側(cè)總表面積A0為基準(zhǔn)的肋壁傳熱系數(shù)為：(10-7a)(b)以光側(cè)表面積Ai為基準(zhǔn)的肋壁傳熱系數(shù)為：(10-7b)(c)未加肋時(shí)平壁的傳熱系數(shù)為：(10-1)2021/5/915工程上一般都以未加肋時(shí)的表面積為基準(zhǔn)計(jì)算肋壁傳熱系數(shù)所以，只要就可以起到強(qiáng)化換熱的效果。由于β值常常遠(yuǎn)大于1，而使η0β的值總是遠(yuǎn)大于1，這就使肋化側(cè)的熱阻顯著減小，從而增大傳熱系數(shù)的值。2021/5/916注意：b.不同的傳熱系數(shù)，在定義時(shí)所采用的計(jì)算面積不同c.復(fù)雜肋管的傳熱系數(shù)應(yīng)依靠專(zhuān)門(mén)的實(shí)驗(yàn)來(lái)確定2021/5/91710.1.4臨界熱絕緣直徑問(wèn)題：在圓管外加肋是否一定能增強(qiáng)傳熱？在圓管外敷設(shè)保溫層是否一定能削弱傳熱？(2)加保溫層后，導(dǎo)熱熱阻增大，對(duì)流熱阻不變，故總熱阻增大，傳熱系數(shù)減小，換熱削弱(10-7b)(10-1)2021/5/91810.1.4臨界熱絕緣直徑圓管外敷保溫層后：可見(jiàn)，保溫層使得導(dǎo)熱熱阻增加，換熱削弱；另一方面，降低了對(duì)流換熱熱阻，使得換熱增強(qiáng)，那么，綜合效果到底是增強(qiáng)還是削弱呢？這要看d/ddo2和d2/ddo22的值2021/5/919可見(jiàn)，確實(shí)是有一個(gè)極值存在，從熱量的基本傳遞規(guī)律可知，應(yīng)該是極大值。也就是說(shuō)，do2在do1-dcr之間，是增加的，當(dāng)do2大于dcr時(shí)，降低。or臨界熱絕緣直徑Bi是管道外表面的畢渥數(shù)2021/5/920臨界熱絕緣直徑:即:d0<dcr(Bi<2),d0↑→Ф↑;d0=dcr(Bi=2)時(shí),Ф=Фmax;d0>dcr(Bi>2)時(shí),d0↑→Ф↓.2021/5/9212、圓筒壁：(1)加肋時(shí)，肋側(cè)對(duì)流熱阻Rh的下降遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)導(dǎo)熱熱阻Rλ的增大幅度，故總熱阻下降，換熱增強(qiáng)(2)加保溫層后，導(dǎo)熱熱阻Rλ增大，外側(cè)對(duì)流熱阻

Rh減小。傳熱量的變化應(yīng)視兩者的變化幅度而定。

一般情況下，Rλ的增加幅度超過(guò)Rh的減小幅度,故總熱阻增大,傳熱系數(shù)減小,換熱削弱.

特殊情況：當(dāng)Rλ的增加幅度小于Rh的減小幅度時(shí),總熱阻減小,傳熱系數(shù)反而增大,熱損失增加(10-2)2021/5/922

解：每米電線(xiàn)在不同的絕緣層外徑｛do｝=0.0051+2｛δ｝m的散熱量為：【例】外徑為5.1mm的鋁線(xiàn)，外包=0.15W/(m·K)的絕緣層。tfo=40oC，twi≤70oC。絕緣層表面與環(huán)境間的復(fù)合傳熱系數(shù)ho=10W/(m2·K)。求：絕緣層厚度δ不同時(shí)每米電線(xiàn)的散熱量。(P465)取do＝10~70mm，計(jì)算結(jié)果用圖線(xiàn)表示于圖中。2021/5/923散熱量先增后減，有最大值。一般的動(dòng)力保溫管道很少有必要考慮臨界熱絕緣直徑。增加電線(xiàn)的絕緣層厚度，可增強(qiáng)電流的通過(guò)能力。2021/5/92410.2換熱器的型式及平均溫差換熱器：用來(lái)使熱量從熱流體傳遞到冷流體，以滿(mǎn)足規(guī)定的工藝要求的裝置。

10.2.1換熱器的分類(lèi)按照操作過(guò)程2021/5/925間壁式換熱器：是指冷熱流體被壁面隔開(kāi)進(jìn)行換熱的熱交換器。如暖風(fēng)機(jī)、燃?xì)饧訜崞?、冷凝器、蒸發(fā)器；間壁式挨熱器種類(lèi)很多，從構(gòu)造上主要可分為：管殼式、肋片管式、板式、板翅式、螺旋板式等，其中以前兩種用得最為廣泛。另外，按流體流動(dòng)方向可有順流、逆流、交叉流之分。2021/5/926蓄熱式換熱器：換熱器由蓄熱材料構(gòu)成，并分成兩半，冷熱流體輪換通過(guò)它的一半通道，從而交替式地吸收和放出熱量，即熱流體流過(guò)換熱器時(shí)，蓄熱材料吸收并儲(chǔ)蓄熱量，溫度升高，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后切換為冷流體，蓄熱材料放出熱量加熱冷流體。一般用于氣體，如鍋爐中間轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器，全熱回收式空氣調(diào)節(jié)器等。2021/5/927蓄熱式換熱器2021/5/928混和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，在熱交換同時(shí)存在質(zhì)交換，如空調(diào)工程中噴淋冷卻塔，蒸汽噴射泵等；2021/5/929按表面緊湊程度區(qū)分緊湊程度可用水力直徑dh來(lái)區(qū)別，或用每立方米中的傳熱面積即傳熱面積密度β來(lái)衡量。2021/5/930適用于傳熱量不大或流體流量不大的情形。

1、套管式換熱器10.2.2間壁式換熱器主要型式

2021/5/931優(yōu)點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可利用標(biāo)準(zhǔn)管件。兩種流體都可在較高溫度和壓力下?lián)Q熱，傳熱系數(shù)大。傳熱面積可根據(jù)需要增減。套管式換熱器缺點(diǎn)單位換熱面積金屬耗量大，價(jià)格較高。檢修、清洗不便。2021/5/9322021/5/9332、殼管式換熱器

間壁式換熱器的一種主要形式，又稱(chēng)管殼式換熱器。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。2021/5/9342021/5/935列管式冷凝器實(shí)例

10.2換熱器的類(lèi)型2021/5/9361-2型換熱器增加管程2021/5/9372-4型換熱器進(jìn)一步增加管程和殼程2021/5/938波紋管換熱器波紋換熱管

2021/5/939管殼式換熱器優(yōu)點(diǎn)結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，對(duì)壓力和溫度的適用范圍大。管內(nèi)清洗方便，清潔流體宜走殼程。處理量大。缺點(diǎn)傳熱效率、結(jié)構(gòu)緊湊性、單位換熱面積的金屬耗量等不如新型換熱器。2021/5/940間壁式換熱器的又一種主要型式。其主要特點(diǎn)是冷熱流體呈交叉狀流動(dòng)。根據(jù)換熱表面結(jié)構(gòu)的不同又可分為管束式、管翅式及管帶式、板翅式等。3、交叉流換熱器

2021/5/941管翅式2021/5/942直片形

U形

L形方形2021/5/943板翅式2021/5/9444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。2021/5/945特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)緊湊,占用空間??；傳熱系數(shù)高；端部溫差小(可達(dá)1℃);熱損失小，熱效率高(≥98%);適應(yīng)性好，易調(diào)整;不易結(jié)垢1,2介質(zhì)3環(huán)行孔道墊圈4板片密封墊圈5激光切焊焊縫6焊接密封流道

2021/5/946優(yōu)點(diǎn)結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕。流體湍動(dòng)程度大，強(qiáng)化傳熱效果好。便于清洗和維修。板式換熱器缺點(diǎn)密封周邊長(zhǎng)，易泄漏。承壓能力低（P<2MPa）。流動(dòng)阻力大，處理量小。2021/5/9475、螺旋板式換熱器：換熱表面由兩塊金屬板卷制而成，2021/5/9482021/5/949螺旋板換熱器的特點(diǎn):

傳熱效率高(總傳熱系數(shù)最高可達(dá)3300Kcal/m2.h.，傳熱效率為列管式換熱器的1～3倍。)，節(jié)能效果好，體積小、價(jià)格便宜，使用可靠等。適用氣－氣、液－液、氣－液對(duì)流傳熱，以及用于蒸氣冷凝和液體蒸發(fā)傳熱。但密封較困難.2021/5/950優(yōu)點(diǎn)結(jié)構(gòu)緊湊，單位體積傳熱面積大。兩種流體都能以高速流動(dòng)，傳熱效率高。螺旋流動(dòng)，有自沖刷作用，適于處理粘性和易結(jié)垢流體。缺點(diǎn)承壓能力差（P<1MPa，t<500oC）損壞后檢修困難。螺旋板式換熱器2021/5/9516.管束式換熱器2021/5/9527.熱管換熱器2021/5/9532021/5/954

換熱器中流體的流程及流向

流程:用i—j表示

i—?dú)こ虜?shù)；j—管程數(shù)

流向：順流—冷熱兩種流體平行而同向流動(dòng)逆流—冷熱兩種流體平行而反向流動(dòng)交叉流—冷熱兩種流體空中垂直相交流動(dòng)混合流—上述幾種流向的混合10.2換熱器的類(lèi)型2021/5/95510.2.3提高換熱器緊湊性的途徑減小管徑;采用板式結(jié)構(gòu)(減小當(dāng)量直徑);采用肋化表面;采用絲網(wǎng)狀材料10.2.4殼管式換熱器的近期發(fā)展螺旋折流板換熱器,折流桿換熱器10.2換熱器的類(lèi)型2021/5/95610.3.1簡(jiǎn)單順流及逆流換熱器的對(duì)數(shù)平均溫差傳熱方程的一般形式：流動(dòng)形式不同，冷熱流體溫差沿?fù)Q熱面的變化規(guī)律也不同.換熱器中冷流體溫度沿?fù)Q熱面是不斷變化的，因此，冷卻流體的局部換熱溫差也是沿程變化的。10.3換熱器中傳熱過(guò)程對(duì)數(shù)平均溫差的計(jì)算2021/5/957以順流情況為例，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(wú)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,然后再沿整個(gè)換熱面積進(jìn)行平均。dt1dt2t1t22021/5/958在假設(shè)的基礎(chǔ)上，并已知冷熱流體的進(jìn)出口溫度，現(xiàn)在來(lái)看圖中微元換熱面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:dt1dt2t1t2對(duì)于熱流體:對(duì)于冷流體:2021/5/959可見(jiàn)，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：2021/5/960(1)(2)(3)(2)、(3)代入(1)中對(duì)數(shù)平均溫差2021/5/9612.逆流換熱器在微元面dA中:其他均同順流2021/5/962不論順流逆流，對(duì)數(shù)平均溫差可統(tǒng)一用下式表示：

平均溫差的另一種更為簡(jiǎn)單的形式是算術(shù)平均溫差，即2021/5/9633算術(shù)平均與對(duì)數(shù)平均平均溫差的另一種更為簡(jiǎn)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(xiàn)變化的情況，因此，總是大于相同進(jìn)出口溫度下的對(duì)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％。2021/5/964

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(duì)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(duì)純逆流的對(duì)數(shù)平均溫差進(jìn)行修正以獲得其他情況下的平均溫差。_____小于1的修正系數(shù)。

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按逆流布置的對(duì)數(shù)平均溫差；

圖10-23～10-24給出了管殼式換熱器和交叉流式換熱器的。10.3.2復(fù)雜布置時(shí)換熱器平均溫差的計(jì)算2021/5/965對(duì)于其它的叉流式換熱器，其傳熱公式中的平均溫度的計(jì)算關(guān)系式較為復(fù)雜，工程上常常采用修正圖表來(lái)完成其對(duì)數(shù)平均溫差的計(jì)算。具體的做法是：（a）由換熱器冷熱流體的進(jìn)出口溫度，按照逆流方式計(jì)算出相應(yīng)的對(duì)數(shù)平均溫差；（b）從修正圖表由兩個(gè)無(wú)量綱數(shù)查出修正系數(shù)(c)最后得出叉流方式的對(duì)數(shù)平均溫差2021/5/966圖10-231－2、1－4等多流程管殼式換熱器的修正系數(shù)

圖5－102－4、2－8等多流程管殼式換熱器的修正系數(shù)圖10-242－4、2－8等多流程管殼式換熱器的修正系數(shù)

2021/5/967圖10-25交叉流，兩種流體各自都不混合時(shí)的修正系數(shù)

2021/5/968圖10-26一次交叉流，一種流體混合、一種流體不混合時(shí)的修正系數(shù)2021/5/969關(guān)于的注意事項(xiàng)（1）值取決于無(wú)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(duì)于管殼式換熱器，查圖時(shí)需要注意流動(dòng)的“程”數(shù)2021/5/97010.3.3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(jiàn)，逆流布置時(shí)的換熱最強(qiáng)。InOutInOut2021/5/971(3)一臺(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)在換熱器的同一端，使得該處的壁溫特別高，可能對(duì)換熱器產(chǎn)生破壞，因此，對(duì)于高溫?fù)Q熱器，又是需要故意設(shè)計(jì)成順流。xTInOutxTInOut冷凝蒸發(fā)(4)對(duì)于有相變的換熱器，如蒸發(fā)器和冷凝器，發(fā)生相變的流體溫度不變，所以不存在順流還是逆流的問(wèn)題。2021/5/972(5)蛇形管束當(dāng)曲折次數(shù)超過(guò)四次時(shí),可作純順流或純逆流處理2021/5/973

10.4間壁式換熱器的熱設(shè)計(jì)▲換熱器的熱設(shè)計(jì)類(lèi)型

1.設(shè)計(jì)計(jì)算

2.校核計(jì)算▲換熱器熱設(shè)計(jì)的基本方法

1.平均溫差法*

2.傳熱單元數(shù)法▲換熱器的污垢熱阻及對(duì)傳熱的影響▲換熱器的綜合設(shè)計(jì)2021/5/974(1)設(shè)計(jì)計(jì)算：設(shè)計(jì)一個(gè)新的換熱器，以確定所需的換熱面積校核計(jì)算：對(duì)已有或已選定了換熱面積的換熱器，在非設(shè)計(jì)工況條件下，核算他能否勝任規(guī)定的新任務(wù)。換熱器熱計(jì)算的基本方程式是傳熱方程式及熱平衡式10-4換熱器的熱計(jì)算10.4.1兩種類(lèi)型的設(shè)計(jì)和兩種設(shè)計(jì)方法1.兩種類(lèi)型的設(shè)計(jì)和兩種設(shè)計(jì)方法2021/5/975對(duì)于設(shè)計(jì)計(jì)算而言，給定的是，以及進(jìn)出口溫度中的三個(gè)，最終求獨(dú)立變量：需要給定其中的5個(gè)變量，才可以計(jì)算另外三個(gè)變量。2、兩種設(shè)計(jì)方法平均溫差法、效能-傳熱單元數(shù)(-NTU)法對(duì)于校核計(jì)算而言，給定的一般是，A，以及2個(gè)進(jìn)口溫度，待求的是2021/5/9762.換熱器的兩種熱計(jì)算方法平均溫差法(LMTD法)

傳熱單元數(shù)法[效能—傳熱單元數(shù)法(ε-NTU法)]平均溫差法用于校核計(jì)算的步驟見(jiàn)P485(需試算)——常用于設(shè)計(jì)計(jì)算(可直接進(jìn)行計(jì)算)

具體步驟見(jiàn)——常用于校核計(jì)算計(jì)算步驟與平均溫壓法大致相似2021/5/977初步布置換熱面，并計(jì)算出相應(yīng)的總傳熱系數(shù)k根據(jù)給定條件，由熱平衡式求出進(jìn)、出口溫度中的那個(gè)待定的溫度由冷熱流體的4個(gè)進(jìn)出口溫度確定平均溫差由傳熱方程式計(jì)算所需的換熱面積A，并核算換熱面流體的流動(dòng)阻力如果流動(dòng)阻力過(guò)大，則需要改變方案重新設(shè)計(jì)。1、設(shè)計(jì)計(jì)算10.3.2平均溫差法：直接應(yīng)用傳熱方程和熱平衡方程進(jìn)行熱計(jì)算。2021/5/978（1）先假設(shè)一個(gè)流體的出口溫度，按熱平衡式計(jì)算另一個(gè)出口溫度；（2）根據(jù)4個(gè)進(jìn)出口溫度求得平均溫差；（3）根據(jù)換熱器的結(jié)構(gòu)，算出相應(yīng)工作條件下的總傳熱系數(shù)k；（4）已知kA和，按傳熱方程計(jì)算在假設(shè)出口溫度下的傳熱量；（5）根據(jù)4個(gè)進(jìn)出口溫度，用熱平衡式計(jì)算另一個(gè)，這個(gè)值和上面的，都是在假設(shè)出口溫度下得到的，因此，都不是真實(shí)的換熱量；（6）比較兩個(gè)值，滿(mǎn)足精度要求則結(jié)束，否則，重新假定出口溫度，重復(fù)(1)-(6)，直至滿(mǎn)足精度要求。2、校核計(jì)算2021/5/9791.換熱器效能ε的定義(效能ε的概念與計(jì)算是傳熱單元數(shù)法的關(guān)鍵)10.4.3換熱器熱設(shè)計(jì)的效能—傳熱單元數(shù)法

[(ε-NTU法),簡(jiǎn)稱(chēng)傳熱單元數(shù)法]2021/5/9802、順流和逆流時(shí)換熱器效能的計(jì)算①根據(jù)熱平衡式得：②并假設(shè)則有2021/5/981式①，②相加：整理：由上一節(jié)知道①②2021/5/9822021/5/983當(dāng)時(shí)，類(lèi)似推導(dǎo)可得合并寫(xiě)成2021/5/984令類(lèi)似的推導(dǎo)可得逆流換熱器的效能為稱(chēng)為傳熱單元數(shù)2021/5/985當(dāng)冷熱流體之一發(fā)生相變時(shí)，即趨于無(wú)窮大時(shí)，于是上面效能公式可簡(jiǎn)化為當(dāng)兩種流體的熱容相等時(shí)，公式可以簡(jiǎn)化為順流逆流3、用傳熱單元數(shù)表示的效能計(jì)算公式與圖線(xiàn)NTU：傳熱單元數(shù)，換熱器熱設(shè)計(jì)中的一個(gè)無(wú)量綱參數(shù)，在一點(diǎn)意義上可看成是換熱器kA大小的一種度量。2021/5/986對(duì)于比較復(fù)雜的流動(dòng)形式，可以參照教材P488-489的線(xiàn)算圖來(lái)計(jì)算效能。順流逆流2021/5/987三個(gè)無(wú)因次量：

①換熱器的效能ε及其計(jì)算計(jì)算[式(10-18)——式(10-23)、線(xiàn)算圖]②③水當(dāng)量比:)()(min大小表征換熱器換熱能力的傳熱單元數(shù)qmckANTU=2021/5/988圖10-32單殼程換熱器圖10-33雙殼程換熱器2021/5/989(1)計(jì)算傳熱單元數(shù)

(2)計(jì)算兩個(gè)水當(dāng)量之比

(3)根據(jù)換熱器型從相應(yīng)線(xiàn)算圖中查得效能值.(4)由熱程計(jì)算傳熱量

(5)計(jì)算兩個(gè)出口溫度

已知：kA、兩個(gè)水當(dāng)量、兩個(gè)進(jìn)口溫度t1’、t2’

求：兩個(gè)出口溫度t1”、t2”、及傳熱量Φ3.采用傳熱單元數(shù)法計(jì)算換熱器的步驟

——參見(jiàn)P4892021/5/99010.4.4換熱器的污垢熱阻2.污垢對(duì)傳熱的影響污垢的存在將使傳熱系數(shù)下降，換熱削弱.1.污垢熱阻

——換熱器運(yùn)行一段時(shí)間后,由于在換熱面上積起水垢、污泥、煙灰等覆蓋物垢層,或由于換熱面與流體的相互作用發(fā)生腐蝕而引起的覆蓋物垢層所產(chǎn)生的附加熱阻.2021/5/9913、處理方法注意：當(dāng)換熱壁面面積不是常量時(shí)，應(yīng)考慮面積變化的影響，即引用總熱阻的概念。污垢熱阻的參考值見(jiàn)P340表9-1（與水文地質(zhì)條件等有關(guān),由實(shí)驗(yàn)測(cè)得）(1)使用中，對(duì)冷卻水進(jìn)行預(yù)處理，并應(yīng)定期清洗(2)計(jì)算中，在計(jì)算式中附加一項(xiàng)經(jīng)驗(yàn)的熱阻，即污垢熱阻（污垢系數(shù)）Rf(m2.℃/W)2021/5/9922021/5/9932021/5/9944.有污垢時(shí)的傳熱系數(shù)管殼式換熱器的部分污垢熱阻可以在表10-1種查得。

當(dāng)管壁兩側(cè)均結(jié)垢時(shí),以管子外表面積為計(jì)算依據(jù)的傳熱系數(shù)為:(10-25)式中:2021/5/995【例】流量Vl=39m3/h的30號(hào)透平油，在冷油器中從t1’＝59.5℃冷卻到t1＝45℃。冷油器采用1—2型殼管式結(jié)構(gòu)，管子為銅管，外徑為15mm，壁厚1mm。47.7t/h的河水作為冷卻水在管側(cè)流過(guò)，進(jìn)口溫度為t2’＝33℃。油安排在殼側(cè)。油側(cè)的換熱系數(shù)ho＝450W/(m2·K)，水側(cè)的換熱系數(shù)hi＝5850W/(m2.K)。已知30號(hào)透平油在運(yùn)行溫度下的物性為l＝879kg/m3,c1＝1.95kJ/(kg·K)。求所需換熱面積?！窘狻?/p>

油側(cè)的熱流量：

＝qmlcl(t1’-t1)＝lVlcl(t1’-t1)

＝879×39×1.95×(56.9-45)/3600

＝798000kJ/h＝221000W冷卻水的溫升

t2-t2’=/(qm2c2)=798000/(47700×4.19)=4℃于是，冷卻水的出口溫度為2021/5/996t2’＝33十4＝37℃計(jì)算參量P和R：查圖10—23得＝0.97,平均溫壓為℃2021/5/997按表10—1取管內(nèi)、外側(cè)污垢系數(shù)為0.0005m2K/W和0.0002m2K/W，于是總的污垢系數(shù)為注：污垢系數(shù)有內(nèi)外之分管壁導(dǎo)熱熱阻可以忽賂不計(jì)實(shí)際設(shè)計(jì)面積可留10％的裕度，取為47.3×1.10=52.0m2。2021/5/998【例】上例如冷油器的進(jìn)口油溫升高到58.7℃，水的流量、進(jìn)口溫度以及油的流量均不變，求出口油溫和出口水溫。【解】：油和水的溫度如升高很多，則需考慮物性變化對(duì)k的影響?，F(xiàn)在升高甚少，可認(rèn)為傳熱系數(shù)仍為311W/(m2.K)。此題應(yīng)采用

—NTU法計(jì)算。計(jì)算如下：查圖得

＝0.54。熱流量℃℃2021/5/999

六、平均溫差法與

-NTU法的比較設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，兩者的工作量差不多，只是平均溫差法要求，可以知道流動(dòng)布置與逆流的差距，有利于改進(jìn)型式的選擇。校核計(jì)算時(shí)，-NTU法工作量小一些，迭代時(shí)對(duì)物性參數(shù)k的影響也較??；2021/5/910010.4.5換熱器的綜合設(shè)計(jì)

應(yīng)將初投資、運(yùn)行費(fèi)用、安全可靠等因素進(jìn)行綜合考慮，以達(dá)到最佳的綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)為目標(biāo)基本原則：1、應(yīng)以最?lèi)毫拥倪\(yùn)行條件為設(shè)計(jì)依據(jù)；2、設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采用一定的安全系數(shù)（減小傳熱系數(shù)、表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)或增大換熱面積)；3、考慮一些技術(shù)經(jīng)濟(jì)問(wèn)題——最優(yōu)化設(shè)計(jì)；4、考慮運(yùn)行中的一些實(shí)際問(wèn)題，如管殼程的安排、管距管徑的選擇、各換熱面間的相互影響、結(jié)垢后的清洗問(wèn)題，……等2021/5/910110.4.1強(qiáng)化傳熱問(wèn)題概說(shuō)

增加k，主流增加溫差，常常使不可逆損失增大增大傳熱面積10-5傳熱的強(qiáng)化和隔熱保溫技術(shù)強(qiáng)化傳熱的目的：①縮小設(shè)備尺寸；②提高熱效率；③保證設(shè)備安全。在一定的傳熱面積與溫差下，增加傳熱系數(shù)或?qū)α鱾鳠嵯禂?shù)的技術(shù)，稱(chēng)為強(qiáng)化傳熱技術(shù)。2021/5/9102【例】壓縮空氣在中間冷卻器的管外橫掠流過(guò)，ho=90W/(m2.K)。冷卻水在管內(nèi)流過(guò)，hi=6000W/(m2.K)。冷卻管是外徑為16mm厚1.5mm的黃銅管。求：(a)此時(shí)的傳熱系數(shù)；(b)如管外的對(duì)流換熱系數(shù)增加一倍，傳熱系數(shù)有何變化？(c)如管內(nèi)的對(duì)流傳熱系數(shù)增加一倍，傳熱系數(shù)又作如何變化？2021/5/9103(b)略去管壁熱阻，傳熱系數(shù)為(c)略去管壁熱阻，傳熱系數(shù)為解：(a)黃銅的導(dǎo)熱系數(shù)為111W/(m.K)管外的對(duì)流換熱系數(shù)增加一倍，傳熱系數(shù)增加96%管內(nèi)的對(duì)流傳熱系數(shù)增加一倍，傳熱系數(shù)增加不足1%2021/5/9104強(qiáng)化換熱的原則：在熱阻最大的環(huán)節(jié)上下功夫一般說(shuō)來(lái)管壁熱阻較小，常常要強(qiáng)化對(duì)流熱阻強(qiáng)化對(duì)流換熱的原則：

(1)無(wú)相變的對(duì)流換熱：減薄邊界層，加強(qiáng)流體混合；

(2)核態(tài)沸騰：增加汽化核心

(3)膜狀凝結(jié)：減薄液膜及加速凝結(jié)液膜的排泄

(4)減小污垢熱阻：工質(zhì)的預(yù)處理，定期清洗

10.4.2強(qiáng)化換熱技術(shù)的分類(lèi)：1、從固體側(cè)著手與從流體側(cè)著手角度分類(lèi)2021/5/9105無(wú)源技術(shù)：除輸送傳熱介質(zhì)所需的功率外，不需附加動(dòng)力涂層表面粗糙表面

擴(kuò)展表面

擾流元件

渦流發(fā)生器

螺旋管

添加物沖擊射流2、從是否使用外部動(dòng)力源進(jìn)行分類(lèi)2021/5/9106有源技術(shù)

除輸送傳熱介質(zhì)所需的功率外，需外加動(dòng)力對(duì)介質(zhì)進(jìn)行機(jī)械攪拌受熱面振動(dòng)流體振動(dòng)電磁場(chǎng)介質(zhì)種加入異物或介質(zhì)

強(qiáng)化換熱的方式的綜合評(píng)價(jià)

應(yīng)當(dāng)綜合考慮傳熱效果、流動(dòng)阻力、成本和運(yùn)行費(fèi)用；3、按照發(fā)展歷史分類(lèi)2021/5/9107具體措施有：①提高流速；②采用短管；③增加擾動(dòng)；④采用大λ流體；⑤采用肋管或特殊換熱面；⑥采用小管徑管子；……等等單相流體對(duì)流傳熱的強(qiáng)化

1.減薄邊界層;2.增加擾動(dòng),促使流體各部分混合核態(tài)沸騰傳熱的強(qiáng)化——增加汽化核心膜狀凝結(jié)傳熱的強(qiáng)化

1、減薄液膜厚度

2、加速凝結(jié)液膜的順利排泄2021/5/9108削弱傳熱的方法

1、覆蓋熱絕緣材料。常用的材料日前有：巖棉、泡沫塑料、微孔硅酸切、珍珠巖等。2、改變表面狀況。即改變表面的輻射特性及附加抑制對(duì)流的元件。3、遮熱板2021/5/9109