§10-3 换热器与平均温度差

1、Heat Transfer传热学传热学 建筑环境与设备工程专业主干课程之一建筑环境与设备工程专业主干课程之一 ! 建筑环境与设备工程专业主干课程之一建筑环境与设备工程专业主干课程之一 !第十章第十章 传热和换热器传热和换热器Chapter10 The Heat Transfer and Heat ExchangerL o g oL o g o建筑工程系 The Department of Construction Engineering10-3 换热器与平均温度差换热器与平均温度差换热器换热器：蓄热式蓄热式（用来使热量从热流体传递到用来使热量从热流体传递到冷流体，以满足规定的工艺要求的装置。冷

2、流体，以满足规定的工艺要求的装置。分为分为间壁式间壁式、混合式混合式及回热式）及回热式）三大类。三大类。 L o g oL o g o建筑工程系 The Department of Construction Engineeringv 间壁式间壁式换热器：换热器： 是指冷热流体被壁面隔开进是指冷热流体被壁面隔开进行换热的热交换器。如暖风机、燃气加热器、冷行换热的热交换器。如暖风机、燃气加热器、冷凝器、蒸发器；凝器、蒸发器；v 间壁式换热器种类很多，从构造上主要可分为：间壁式换热器种类很多，从构造上主要可分为：管壳式、肋片管式、板式、板翅式、螺旋板式等，管壳式、肋片管式、板式、板翅式、螺旋板式等，

3、其中以前两种用得最为广泛。另外，按流体流动其中以前两种用得最为广泛。另外，按流体流动方向可有顺流、逆流、交叉流之分。方向可有顺流、逆流、交叉流之分。 L o g oL o g o建筑工程系 The Department of Construction Engineeringv混合式混合式换热器：冷热流体直接接触，彼此混合进换热器：冷热流体直接接触，彼此混合进行换热，在热交换同时存在质交换，如空调工程行换热，在热交换同时存在质交换，如空调工程中喷淋冷却塔等；中喷淋冷却塔等；v回热式回热式换热器：换热器由蓄热材料构成，即热流换热器：换热器由蓄热材料构成，即热流体流过换热器时，蓄热材料吸收并储蓄热量

4、，温体流过换热器时，蓄热材料吸收并储蓄热量，温度升高，经过一段时间后切换为冷流体，蓄热材度升高，经过一段时间后切换为冷流体，蓄热材料放出热量加热冷流体。一般用于气体，如全热料放出热量加热冷流体。一般用于气体，如全热回收式空气调节器等。回收式空气调节器等。 L o g oL o g o建筑工程系 The Department of Construction Engineering适用于传热量不大或流体流量不大的情形。适用于传热量不大或流体流量不大的情形。 （1）套管式换热器）套管式换热器一、间壁式换热器主要型式一、间壁式换热器主要型式 L o g oL o g o建筑工程系 The Depart

5、ment of Construction Engineering2、壳管式换热器、壳管式换热器 这是间壁式换热器的一种主要形式，又这是间壁式换热器的一种主要形式，又称管壳式换热器。称管壳式换热器。L o g oL o g o建筑工程系 The Department of Construction Engineering1-2型换热器型换热器L o g oL o g o建筑工程系 The Department of Construction Engineering 它是间壁式换热器的又一种主要型式。它是间壁式换热器的又一种主要型式。根据换热表面结构的不同又可有根据换热表面结构的不同又可有管束式、

6、管束式、管翅式管翅式及及板翅式板翅式等的区别等的区别 。3 3、交叉流换热器、交叉流换热器 L o g oL o g o建筑工程系 The Department of Construction EngineeringL o g oL o g o建筑工程系 The Department of Construction Engineering二、简单顺流及逆流换热器的对数平均温差二、简单顺流及逆流换热器的对数平均温差传热方程的一般形式传热方程的一般形式：mtkA 这个过程对于传热过程是通用的，下面推导简这个过程对于传热过程是通用的，下面推导简单顺流及逆流换热器的平均温差计算式。单顺流及逆流换热器的

7、平均温差计算式。流动形式不同，冷热流体温差沿换热面的变化规律流动形式不同，冷热流体温差沿换热面的变化规律也不同也不同. .L o g oL o g o建筑工程系 The Department of Construction Engineering以以顺流顺流情况为例，作如下假设情况为例，作如下假设：（1 1）冷热流体的质量流量）冷热流体的质量流量q qm2m2、q qm1m1以及比热容以及比热容C C2 2,C,C1 1是常数；是常数；（2 2）传热系数是常数；）传热系数是常数；（3 3）换热器无散热损失；）换热器无散热损失；（4 4）换热面沿流动方向的导热）换热面沿流动方向的导热量可以忽略不

8、计。量可以忽略不计。L o g oL o g o建筑工程系 The Department of Construction Engineering 在前面假设的基础上，并已知冷热流体在前面假设的基础上，并已知冷热流体的进出口温度，的进出口温度，现在来看图中微元换热面现在来看图中微元换热面dAdA一段的传热。温差为：一段的传热。温差为： ddtAkchchttttttddd在固体微元面在固体微元面dAdA内，两种流体的换热量为内，两种流体的换热量为: :L o g oL o g o建筑工程系 The Department of Construction Engineering1 1111 11dd

9、ddmmq c ttq c 2222221ddddmmq cttq c 对于热流体对于热流体: :对于冷流体对于冷流体: :L o g oL o g o建筑工程系 The Department of Construction Engineering121 12211dddddmmtttq cq c ddtAktdAddktdAtdktxxAttkt0dAtdxxkAttln可见，当地温差随换热面呈指数变化，则沿整个换热面的平可见，当地温差随换热面呈指数变化，则沿整个换热面的平均温差为：均温差为：)exp(txxkAtx0 xx0)dAexp(t1 dAt1xAAmkAAAt1 12211mmq

10、 cq cL o g oL o g o建筑工程系 The Department of Construction Engineering1-)exp(t)dAexp(t1x0kAkAkAAtxAmxxkAttlnkAt tlnAAx)exp(tkAt tttttttm tlnttlnt1-ttlnt对数平均温差对数平均温差L o g oL o g o建筑工程系 The Department of Construction Engineering 不论顺流还是逆流，不论顺流还是逆流，对数平均温差对数平均温差可统可统一用以下计算式表示：一用以下计算式表示： minmaxminmaxlntttttm

11、平均温差的另一种更为简单的形式是平均温差的另一种更为简单的形式是算算术平均温差术平均温差，即：，即：2minmax,tttm算术L o g oL o g o建筑工程系 The Department of Construction Engineering三、各种流动型式的比较三、各种流动型式的比较在相同的进、出口温度条件下：在相同的进、出口温度条件下：逆流的平均温差最大；逆流的平均温差最大；顺流的平均温差最小；顺流的平均温差最小；交叉流适中。交叉流适中。 因此，因此，换热器应当尽量布置成逆流，而尽可能避换热器应当尽量布置成逆流，而尽可能避免作顺流布置。免作顺流布置。L o g oL o g o建

12、筑工程系 The Department of Construction Engineering本章小结本章小结一、增强传热的方法一、增强传热的方法二、隔热保温技术二、隔热保温技术作业：复习、预习作业：复习、预习L o g oL o g o建筑工程系 The Department of Construction Engineeringv 1、对壳管式换热器来说，两种流体在下列情况下，何种走管内，何种走管外？v (1)清洁与不清洁的；(2)腐蚀性大与小的；(3)温度高与低的；(4)流量大与小的。v 答：(1)不清洁流体应在管内，因为壳侧清洗比较困难，而管内可定期折开端盖清洗；(2)腐蚀性大的流体走

13、管内，因为更换管束的代价比更换壳体要低，且如将腐蚀性强的流体置于壳侧，被腐蚀的不仅是壳体，还有管子；(3)温度低的流体置于壳侧，这样可以减小换热器散热损失； (4)流量大的流体放在管外，横向冲刷管束可使表面传热系数增加。L o g oL o g o建筑工程系 The Department of Construction Engineeringv2、有一台钢管换热器，热水在管内流动，空气在管束间作多次折流横向冲刷管束以冷却管内热水。有人提出，为提高冷却效果，采用管外加装肋片并将钢管换成铜管。请你评价这一方案的合理性。L o g oL o g o建筑工程系 The Department of Co

14、nstruction Engineeringv答：该换热器管内为水的对流换热，管外为空气的对流换热，主要热阻在管外空气侧，因而在管外加装肋片可强化传热。注意到钢的导热系数虽然小于铜的，但该换热器中管壁导热热阻不是传热过程的主要热阻，因而无需将钢管换成铜管。L o g oL o g o建筑工程系 The Department of Construction Engineeringv3、为了简化工程计算，将实际的复合换热突出一个主要矛盾来反映，将其次要因素加以适当考虑或忽略掉，试简述多孔建筑材料导热、房屋外墙内表面的总换热系数、锅炉炉膛高温烟气与水冷壁之间的换热等三种具体情况的主次矛盾。L o g

15、 oL o g o建筑工程系 The Department of Construction Engineeringv 答：通过多孔建筑物材料的导热,孔隙内虽有对流和辐射,但导热是主要的,所以热量传递按导热过程进行计算,孔隙中的对流和辐射的因素在导热系数中加以考虑。房屋外墙内表面的总换热系数是考虑了对流和辐射两因素的复合,两者所起作用相当,因对流换热计算简便,将辐射的因素折算在对流换热系数中较方便些。锅炉炉膛高温烟气与水冷壁之间的换热,由于火焰温度高达1000以上,辐射换热量很大,而炉膛烟气流速很小,对流换热相对较小,所以一般忽略对流换热部分,而把火焰与水冷壁之间的换热按辐射换热计算。L o g

16、 oL o g o建筑工程系 The Department of Construction Engineeringv4、肋片间距的大小对肋壁的换热有何影响?L o g oL o g o建筑工程系 The Department of Construction Engineeringv答：当肋片间距减小时，肋片的数量增多，肋壁的表面积相应地增大,故肋化系数值增大,这对减小热阻有利;此外适当减小肋片间距可以增强肋片间流体的扰动,使换热系数h相应提高。但是减小肋片的间距是有限的,以免肋片间流体的温度升高,降低了传热的温差。L o g oL o g o建筑工程系 The Department of Co

17、nstruction Engineeringv5、热水在两根相同的管内以相同流速流动，管外分别采用空气和水进行冷却。经过一段时间后，两管内产生相同厚度的水垢。试问水垢的产生对采用空冷还是水冷的管道的传热系数影响较大?为什么?L o g oL o g o建筑工程系 The Department of Construction Engineeringv答：采用水冷时，管道内外均为换热较强的水，两侧流体的换热热阻较小，因而水垢的产生在总热阻中所占的比例较大。而空气冷却时，气侧热组较大，这时，水垢的产生对总热阻影响不大。故水垢产生对采用水冷的管道的传热系数影响较大。L o g oL o g o建筑工程

18、系 The Department of Construction Engineeringv6、一蒸汽冷凝器，内侧为ts=110的干饱和蒸汽，汽化潜热r=2230 ，外侧为冷却水，进出口水温分别为30和80，已知内外侧换热系数分别为104 ，及3000 ，该冷凝器面积A=2m2，现为了强化传热在外侧加肋，肋壁面积为原面积的4倍，肋壁总效率=0.9，若忽略冷凝器本身导热热阻，求单位时间冷凝蒸汽量。L o g oL o g o建筑工程系 The Department of Construction EngineeringL o g oL o g o建筑工程系 The Department of Construction Engineeringv7、用进口温度为12、质量流量为18103kg/h的水冷却从分馏器中得到的80的饱和苯蒸气。使用顺流换热器，冷凝段和过冷段的传热系数均为980W(m2K)。己知苯的汽化潜热为395103J/kg，比热容为1758J/(kgK)。试确定将质量流星为3600kg/h的苯