傳熱學(xué)-9-傳熱過程和換熱器-課件

第九章傳熱過程和換熱器1、重點內(nèi)容：

（1）掌握傳熱過程的分析和計算（肋壁的傳熱）（2）掌握臨界熱絕緣直徑的概念和分析計算（3）掌握順流及逆流的對數(shù)平均溫差的分析計算（4）了解換熱器的型式和分類以及換熱器的熱設(shè)計（5）了解傳熱的強化和隔熱保溫技術(shù)及有關(guān)問題分析2、了解內(nèi)容：傳熱的強化和隔熱保溫技術(shù)及有關(guān)問題分析。第九章傳熱過程和換熱器1、重點內(nèi)容：9-1傳熱過程的分析和計算傳熱過程：一側(cè)的熱流體通過固體壁面把熱量傳給另一側(cè)冷流體的過程?；居嬎闶剑▊鳠岱匠淌剑菏街衚為傳熱系數(shù)（在容易與對流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)想混淆時，稱總傳熱系數(shù)）。9-1傳熱過程的分析和計算傳熱過程：一側(cè)的熱流體通過固體壁9-1傳熱過程的分析和計算一通過平壁的傳熱由于平壁的兩側(cè)的面積是相等的，因此傳熱系數(shù)的數(shù)值不論對哪一側(cè)來說都是一樣的。9-1傳熱過程的分析和計算一通過平壁的傳熱由于平9-1傳熱過程的分析和計算二通過圓管的傳熱在穩(wěn)態(tài)條件下，通過各環(huán)節(jié)的熱流量是不變的。hiho內(nèi)部對流：圓柱面導(dǎo)熱：9-1傳熱過程的分析和計算二通過圓管的傳熱在穩(wěn)態(tài)條件下，9-1傳熱過程的分析和計算hiho外部對流：其中：以外表面積為基準的傳熱系數(shù)。9-1傳熱過程的分析和計算hiho外部對流：其中：以外表面9-1傳熱過程的分析和計算hiho其中：以內(nèi)表面積為基準的傳熱系數(shù)?；蛘?-1傳熱過程的分析和計算hiho其中：以內(nèi)表面積為基準的9-1傳熱過程的分析和計算三通過肋壁的傳熱1肋壁傳熱計算式在表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)較小的一側(cè)采用肋壁是強化傳熱的一種行之有效的方法。下面以平壁的一側(cè)為肋壁的較簡單的情況，作為分析肋壁傳熱的對象。9-1傳熱過程的分析和計算三通過肋壁的傳熱在表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)式中，為肋面總效率。式中，為肋面總效率。9-1傳熱過程的分析和計算定義肋化系數(shù)：則傳熱系數(shù)為所以，只要就可以起到強化換熱的效果。肋片越高，肋距越小，肋化系數(shù)就越大。9-1傳熱過程的分析和計算定義肋化系數(shù)：9-1傳熱過程的分析和計算2加肋的目的（1）強化傳熱在冷熱介質(zhì)溫度一定時，要增強傳熱可以加大h1、h2、λ、A1、A2、υ和減小δ。最有效的措施是改變上列某些值后，可減小各項分熱阻中最大的那一個熱阻值。雖然，但，所以加肋側(cè)總熱阻減小，傳熱熱流量增加。（2）調(diào)節(jié)壁面溫度

9-1傳熱過程的分析和計算2加肋的目的（1）強化傳熱（29-1傳熱過程的分析和計算

對于蒸汽加熱的暖氣包，由于蒸汽凝結(jié)換熱系數(shù)h1遠遠大于暖氣包對室內(nèi)空氣自然對流時的h2，使這一傳熱過程中的總熱阻完全決定于h2一側(cè)的換熱熱阻。因此在h2一側(cè)加導(dǎo)熱熱阻較小的肋片是最有效的改進措施。

在表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)較小的一側(cè)采用肋壁是強化傳熱的一種行之有效的方法。

9-1傳熱過程的分析和計算對于蒸汽加熱的暖9-1傳熱過程的分析和計算四臨界熱絕緣直徑圓管外加肋片是強化換熱還是消弱傳熱（圓管外加保熱層）取決于增加表面積后所引起的對流換熱熱阻減小的程度及導(dǎo)熱熱阻增加的程度的相對大小。用于強化換熱時的肋片都是用金屬做成，導(dǎo)熱系數(shù)很大，而且肋片所增加的換熱面積的倍數(shù)較高，因而，對流換熱熱阻的減小量大于導(dǎo)熱熱阻的增加量。使總熱阻明顯降低(強化了換熱)。加保溫層時，由于保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)都很小，敷設(shè)保溫層后換熱面積的增加是由于簡單地擴大直徑而致，增加的幅度有限。因而一般是導(dǎo)熱熱阻的增加量大于對流換熱熱阻的減少量，使總熱阻增加(消弱了傳熱)。

9-1傳熱過程的分析和計算四臨界熱絕緣直徑圓管外圓管外敷保溫層后：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（do2較do大），使得換熱增強，那么，綜合效果到底是增強還是削弱呢？這要看d/ddo2和d2/ddo22的值。圓管圓管外敷保溫層后：可見，保溫層使得導(dǎo)熱熱阻增加，換熱削弱；另9-1傳熱過程的分析和計算可見，確實是有一個極值存在。這個散熱量為最大值的臨界直徑dcr稱為臨界熱絕緣直徑。也就是說，do2在do1~dcr之間，是增加的，當do2>dcr時，降低。保溫管道外表面的Bi>2時，增加保溫層厚度可進一步減少熱損失；若Bi<2時，增加保溫層厚度反起到強化換熱的作用。一般保溫動力管道外經(jīng)大于此值，所以很少有必要考慮臨界熱絕緣直徑的問題。

9-1傳熱過程的分析和計算可見，確實是有一9-2換熱器的分類和平均傳熱溫差一、換熱器的分類

換熱器：把熱量從熱流體傳遞給冷流體的熱力設(shè)備。按換熱器操作過程分為：間壁式、混合式及蓄熱式(或稱回熱式)三大類。1）間壁式：冷、熱流體被間壁隔開，通過間壁換熱。2）混合式：冷、熱流體通過直接接觸換熱。3）回熱式：冷、熱流體周期性地流過固體壁面換熱。9-2換熱器的分類和平均傳熱溫差一、換熱器的分類間壁式熱交換器管式熱交換器板式熱交換器殼管式熱交換器肋片管式熱交換器套管式熱交換器板翅式熱交換器平行板式熱交換器螺旋板式熱交換器二、間壁式換熱器的主要形式在三類換熱器中以間壁式換熱器應(yīng)用最廣，本節(jié)將對其結(jié)構(gòu)型式及換熱器中冷、熱流體間的平均溫差的計算方法作比較詳細的介紹。間壁式熱交換器管式熱交換器殼管式熱交換器板翅式熱交換器二、間（1）殼管式換熱器

殼管式換熱器是間壁式換熱器的一種主要形式，又稱管殼式換熱器。（1）殼管式換熱器殼管式換熱器是間壁式換熱器的一種（1）殼管式換熱器為了提高管程流體的流速，在上圖的換熱器中，一端的封頭里加了一塊隔板，構(gòu)成了兩管程的結(jié)構(gòu)，稱為l-2型換熱器(此處l表示殼程數(shù)，2表示管程數(shù))。下圖是一個1-2型換熱器的剖面圖。1-2型換熱器剖面示意圖（1）殼管式換熱器為了提高管程流體的流速，在上圖的換熱器中（1）殼管式換熱器

2-4型換熱器（1）殼管式換熱器2-4型換熱器套管式換熱器是最簡單的一種間壁式換熱器，其結(jié)構(gòu)如下圖所示。總的來說，這類間壁式換熱器適用于傳熱量不大或流體流量不大的情形。實際使用時，為增加換熱面積可采用c所示結(jié)構(gòu)。（2）套管式換熱器套管式換熱器示意圖套管式換熱器是最簡單的一種間壁式換熱器，其結(jié)構(gòu)如（3）交叉流換熱器交叉流換熱器是間壁式換熱器的又一種主要型式。根據(jù)換熱表面結(jié)構(gòu)的不同又可有管束式、管翅式及板翅式等。交叉流換熱器示意圖（3）交叉流換熱器交叉流換熱器是間壁式換熱器的又一種（4）板式換熱器

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，兩相鄰平板之間用特殊設(shè)計的密封墊片隔開，形成一個通道，冷、熱流體間隔地在每個通道中流動。為強化換熱并增加板片的剛度，常在平板上壓制出各種波紋。板式換熱器中冷、熱流體的流動有多種布置方式，圖示為1-1型板式換熱器的逆流布置，這里的1-1型表示冷、熱流體都只流過一個通道。板式換熱器拆卸清洗方便，故適合于含有易污染物的流體(如牛奶等有機流體)的換熱。（4）板式換熱器板式換熱器由一組幾何結(jié)構(gòu)相同的平行（4）板式換熱器

（4）板式換熱器螺旋板式換熱器的換熱表面是由兩塊金屬板卷制而成，冷、熱流體在螺旋狀的通道中流動，這種換熱器換熱效果較好，缺點是換熱器的密封比較困難。

（5）螺旋板式換熱器螺旋板式換熱器的換熱表面是由兩塊金屬板卷制而成，（按流動方向分類：1.順流式2.逆流式3.叉流式3.叉流式4.混合流式（雜流式）按流動方向分類：1.順流式2.逆流式3.叉流式3按流程分類：單流程：雙流程：多流程：按流程分類：單流程：三、平均溫差的計算1.簡單順、逆流換熱器平均溫差的計算

在換熱器中，熱流體沿程放出熱量溫度不斷下降；冷流體沿程吸收熱量而溫度不斷上升。當利用傳熱方程式來計算整個傳熱面上的熱流量時，必須使用整個傳熱面積上的平均溫差(又稱平均溫壓)，記為Δtm。據(jù)此，傳熱方程式的一般形式應(yīng)為:這個過程對于傳熱過程是通用的。三、平均溫差的計算1.簡單順、逆流換熱器平均溫差的計算tAtAtAtAtAtAtAtA（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）換熱面沿流動方向的導(dǎo)熱量可以忽略不計。以順流情況為例，作如下假設(shè)：對數(shù)平均溫差tA（1）冷、熱流體的質(zhì)量流量qm2、qm1以及比熱容以順流情不論順流還是逆流，對數(shù)平均溫差可統(tǒng)一用以下計算式表示：

平均溫差的另一種更為簡單的形式是算術(shù)平均溫差，即不論順流還是逆流，對數(shù)平均溫差可統(tǒng)一用以下計算式9-3換熱器的熱計算任務(wù)：設(shè)計計算和校核計算工具：基本公式為傳熱方程式:熱平衡方程式：9-3換熱器的熱計算任務(wù)：設(shè)計計算和校核計算傳熱方程式:熱（1）初步布置換熱面，計算出相應(yīng)的傳熱系數(shù)。（2）根據(jù)給定條件，由熱平衡式求出進、出口溫度中的那個待定的溫度。（3）由冷、熱流體的4個進、出口溫度確定平均溫差，計算時要注意保持修正系數(shù)具有合適的數(shù)值。（4）由傳熱方程求出所需要的換熱面積，并核算換熱面兩側(cè)有流體的流動阻力。（5）如流動阻力過大，改變方案重新設(shè)計。設(shè)計計算時步驟如下：（1）初步布置換熱面，計算出相應(yīng)的傳熱系數(shù)。設(shè)計計算時校核計算具體計算步驟：（1）先假設(shè)一個流體的出口溫度，按熱平衡式計算另一個出口溫度；（2）根據(jù)4個進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k、A和

，按傳熱方程式計算在假設(shè)出口溫度下的?tm；（5）根據(jù)4個進出口溫度，用熱平衡式計算另一個

，這個值和上面的

，都是在假設(shè)出口溫度下得到的，因此，都不是真實的換熱量；（6）比較兩個

值，滿足精度要求，則結(jié)束，否則，重新假定出口溫度，重復(fù)(1)~(6)，直至滿足精度要求。校核計算具體計算步驟：（1）先假設(shè)一個流