傳熱過程和換熱器

傳熱過程和換熱器第1頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月§9-1傳熱過程的分析與計算§9-2換熱器的種類和基本結(jié)構(gòu)§9-3管殼式換熱器的熱計算

1.對數(shù)平均溫差法

2.有效度－傳熱單元數(shù)法§9-5傳熱的強化和削弱第2頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月

§9-1傳熱過程的分析與計算傳熱過程通常由導熱、熱對流、熱輻射組合形成目的：增強傳熱消弱傳熱第3頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月一、通過平壁的傳熱過程通過平壁的傳熱公式增大其中較小的值(減小較大的換熱熱阻)才能有效提高K值第4頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月三、通過圓筒壁的傳熱過程1.傳熱公式hiho工程中用最外側(cè)面積第5頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月2.K的另一種表示方法第6頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月四．臨界熱絕緣半徑r2c為了減少管道的散熱損失，采用在管道外側(cè)覆蓋熱絕緣層或稱隔熱保溫層的辦法。是否絕緣層越厚保溫效果越好呢？第7頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月函數(shù)有一個極值存在

得dc稱為臨界熱絕緣直徑熱絕緣層直徑與dc的關(guān)系對保溫效果的影響分析絕熱第8頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月作業(yè)9-1；9-5；9-9第9頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月§9-2換熱器的基本型式和基本構(gòu)造定義：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統(tǒng)稱換熱器。分類：間壁式、蓄熱式（或稱回熱式）、混合式及熱管式四大類。***第10頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月第11頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月第12頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月第13頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月一、間壁式換熱器的分類按流動方向分：順流、逆流、交叉流、混流第14頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月按表面結(jié)構(gòu)形式分類：殼管式、肋片管式、板翅式、螺旋板式及板式等。殼管式換熱器第15頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月第16頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月1-2型殼管式換熱器第17頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月1-2型換熱器第18頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月1-2型換熱器第19頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月套管式換熱器第20頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月肋片管式換熱器第21頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月螺旋板式換熱器第22頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月螺旋板式換熱器第23頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月板翅式換熱器第24頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月§9-3管殼式換熱器的熱計算

(1-1型殼管式換熱器）

一、換熱器中流體溫度分布第25頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月二、換熱器熱計算換熱器計算的兩個基本公式

熱平衡方程式傳熱方程式熱平衡方程式傳熱方程式計算方法：對數(shù)平均溫差法、有效度-傳熱單元數(shù)（ε-NTU法）法第26頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月假設條件1.換熱器管殼無對外散熱2.換熱管無軸向?qū)?.流體為常物性4.換熱器內(nèi)傳熱系數(shù)k為常量第27頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月

——換熱器進口冷熱液體溫度差

——換熱器出口冷熱流體溫度差順逆流不同1.對數(shù)平均溫差法第28頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月多流程殼管式、交叉流、混流式換熱器的查表P174逆流平均溫差校正系數(shù)：第29頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月設計計算：已知：求:A①求Q

②求th2

③求④求A

第30頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月校核計算：已知:求:1.假設th2已知,求得tc22.求3.由所得Q再算th2與假設比較，若差別大假設后再算。第31頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月例題：某1-1型殼管式換熱器利用水的余熱預熱空氣。熱水以50kg/h的流量流過管內(nèi)，進口溫度為80℃，出口溫度為45℃；空氣在管外從相反的方向流過，空氣流量727.86kg/h，進口溫度為25℃。冷熱流體的比熱為cph=4.18kJ/(kg*℃)，cpc=1.005kJ/(kg*℃)。管內(nèi)、外表面的對流換熱系數(shù)各為500W/(m2·℃)和50W/(m2·℃)，管的內(nèi)直徑和外直徑分別為100mm和120mm，管子材料的導熱系數(shù)為36W/(m*℃)。試求所需的換熱面積。第32頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月解:Q=mhcph(th1-th2)=50/3600×4.18×1000×（80-45）=2032W

tc2=tc1+Q/(mccpc)=25+2032/(727.86/3600*1005)=35℃

=[（80-35）-（45-25）]/ln[(80-35)/(45-25)]=30.8℃第33頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月

=44W/(m2*℃）A=Q/(k△tm）=2032/（44×30.8）=1.5m2第34頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月作業(yè)9-16換熱器設計或校核計算9-17換熱器設計計算第35頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月2.有效度-傳熱單元數(shù)法(ε-NTU法)(Heatexchangereffectiveness-Numberofheattransferunits)對于校核問題，可避免試算，無需假設流體出口溫度；必須是二流體的熱容量mcp和傳熱系數(shù)k在整個換熱面上基本不變的情況下才適用。

第36頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月參數(shù)定義熱容比C換熱器有效度ε傳熱單位數(shù)NTU第37頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月①熱容比C:

二流體的熱容量mcp之比:

C＝(mcp)min/(mcp)max

(9-18)

當mhcph>mccpc

時：C＝(mcp)c/(mcp)h

當mhcph<mccpc

時：C＝(mcp)h/(mcp)c第38頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月②換熱器有效度ε：換熱器的實際傳熱量與最大可能的傳熱量之比。或直接定義為熱容量小的流體進出口溫度差與熱、冷流體進口溫度差的比值。

<1

（9-19）

Q=ε(mcp)min(th1-tc1)第39頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月③傳熱單位數(shù)NTU:

它與熱容比C和有效度ε共同確定換熱器的性能，定義為:NTU＝kA/(mcp)min(9-20a)

如mhcph＞mccpc，則NTU＝kA/mccpc(9-20b)

如mhcph＜mccpc，則NTU＝kA/mhcph(9-20c)

傳熱單位數(shù)NTU為一無量綱量，其值大則換熱器的有效度ε高。物理意義：因NTU中包含k和A，而它們分別代表換熱器的運行費用和初投資，故NTU是一個反映換熱器綜合技術(shù)經(jīng)濟性能的指標。

第40頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月建立一個ε、C和NTU的關(guān)系式；根據(jù)已知的冷熱流體進口溫度、m、cp、k、A，定出C和NTU，代入關(guān)系式解出ε后，就可利用ε消去或解出未知的流體出口溫度，而這些溫度在采用對數(shù)平均溫差法計算時是需要假設和試算的。

ε-NTU法的優(yōu)點第41頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月逆流殼管式換熱器中的有效率ε、熱容比C和傳熱單元數(shù)NTU之間的關(guān)系式為：順流殼管式換熱器：三個參數(shù)：熱容比C、有效度ε和傳熱單元數(shù)NTU之間的數(shù)學關(guān)系第42頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月對于其他形式的換熱器，也類似可導出ε＝f(C,NTU)

的關(guān)系式。為便于應用，各種型式換熱器的這類函數(shù)關(guān)系式已繪成圖線，圖(9-17)～(９-２2)是幾種典型換熱器的ε-NTU圖。

其他形式換熱器的熱計算第43頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月圖9-17

逆流換熱器的有效度ε

第44頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月圖9-18

順流換熱器的有效度ε

第45頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月用ε-NTU法計算的步驟已知：th1、tc1、

(cp)h、

(

cp)c、A、

k求：tc2（

th2）解：1.比較兩種流體熱容量大小2.計算C和NTU3.計算ε4.由Q=ε(mcp)min(th1-tc1)計算Q5.

計算th2、tc2第46頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月問題能否用ε-NTU法計算換熱器設計計算的題目？課后思考題9－10第47頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月例題9-4

逆流式油冷器中，油的進口溫度th1＝130℃，流量mh＝0.5kg/s，比熱容cph＝2220J/(kg·℃）。冷卻水的進口溫度tc1＝15℃，流量mc＝0.3kg/s，比熱容cpc＝4182Ｊ／(kg·℃）。換熱面積A＝2.4m２，傳熱系數(shù)k＝330W/(m2·℃)。求油冷器的有效度ε和二流體的出口溫度th2和tc2。

第48頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月解：（1）因油和水的熱容量各為:mhcph＝0.5×2220＝1110Ｊ/（s·℃）；

mccpc＝0.3×4182＝1255Ｊ/（s·℃）故熱容比為Ｃ＝mhcph/mccpc＝1110/1255＝0.884

（2）

NTU＝kA/mhcph＝330×2.4/1110＝0.714

（3）解上式，得油的出口溫度：th2＝80.9℃第49頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月又由Q＝mccpc(tc2－tc1)＝mhcph（th1－th2）把各已知值代入后，得

1255（tc2－15）＝1110×(130－80.9)

解上式得冷卻水的出口溫度為tc2＝58.4℃。*若采用順流式油冷器，C和NTU不變，而有效度ε利用式(9-22)為:

可見在相同的C及NTU值下，采用逆流式時的有效度要比采用順流式時為高。第50頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月解上式可得th2＝84.8℃利用計算逆流式時的相同方法可求出冷卻水的出口溫度：1255×（tc2－15）＝1110×（130－84.8）解得:tc2＝54.98℃*

本題也可用查圖法求解。但是，由圖(9-17)及(9-18)查出的兩種情況下的有效度ε的準確度較低。第51頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月幾種特殊情況

①熱容比C=０(相變)

ε＝1－e-NTU(9-23)

第52頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月②C=1（順流）

C=1,兩流體熱容量幾乎相等，此時兩流體溫差始終保持定值

ε＝(1－e－2ＮＴＵ)/２(9-24)第53頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月③C=1（逆流）

ε＝0/0有效度ε為不定值。此時有效度的公式可推得如下形式：

ε=NTU/(NTU+1)第54頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月除熱容比趨于零的情況外，逆流時的ε值總是大于順流時的值。對于其他流動方式的換熱器，其ε值介于順流和逆流之間。

說明第55頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月例題9-5

試以傳熱單元數(shù)法計算例題9-3中二流體的出口溫度th2和tc2。解:(1)因冷、熱二流體的熱容量為

mccpc＝10000/3600×4.19×10３

mhcph＝500/3600×4.19×10３熱容比為C＝（mcp）min/（mcp）max

＝(mhcph)/(mccpc)＝0.5

(2)傳熱單元數(shù)則為ＮＴＵ＝kA/（mcp）min

＝1400×５/[(5000/3600)×4.19×10３]=1.2

第56頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月

（3）由圖(9-19)查得ε＝0.575，即

ε＝(th1－th2）/（th1－tc1)

＝（100－th2）/（100－20)

＝0.575

由上式得th2＝54℃。（4）又因C＝(tc2－tc1）/（th1－th2)

＝(tc2－２０）/（100－54)＝0.5

解上式得tc2＝43℃。第57頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月§9-5

傳熱的強化和削弱增強傳熱:指分析影響傳熱的各種因素，采取某些技術(shù)措施的提高換熱設備單位面積的傳熱量。這不僅可使設備緊湊，重量輕、節(jié)省金屬材料，而且是節(jié)約能源的有效措施。削弱傳熱:是采取隔熱保溫措施，以達