No.23 1226 10 传热过程分析和换热器热计算

1、1传热过程分析与传热过程分析与换热器热计算换热器热计算第十章第十章2本章学习的主要目的：本章学习的主要目的： 锻炼分析实际传热问题的能力锻炼分析实际传热问题的能力 锻炼综合应用三种基本传热方式及相关公式的能力锻炼综合应用三种基本传热方式及相关公式的能力 了解换热器的基本知识和设计过程了解换热器的基本知识和设计过程主要内容：主要内容： 10-1 传热过程的分析和计算传热过程的分析和计算 10-2 换热器的型式及平均温差换热器的型式及平均温差 10-3 换热器的热计算换热器的热计算 10-4 传热的强化和隔热保温技术传热的强化和隔热保温技术310-1 传热过程的分析和计算传热过程的分析和计算 对于

2、对于不同的传热过程不同的传热过程，K的计算公的计算公式也不同。式也不同。12()refffkAtt 基本计算式基本计算式(传热方程式传热方程式)平壁平壁圆管圆管肋壁肋壁带保温层的圆管带保温层的圆管refkAt传热过程传热过程41、通过平壁的传热、通过平壁的传热K的计算的计算公式？公式？21111hhk说明说明： (1) h1和和 h2 的计算；（的计算；（2）如果计及辐射时对流换热系）如果计及辐射时对流换热系数应该采用等效换热系数数应该采用等效换热系数(总表面传热系数总表面传热系数)rcthhh单相对流：单相对流：214241)(TTTThr343434rcthhh膜态沸腾：膜态沸腾：(9-3

3、3)(7-22)121212()11ffrefffttkAttAhAAh 52、通过圆管的传热、通过圆管的传热hiho内部对流热阻：内部对流热阻：圆柱面导热热阻：圆柱面导热热阻：外部对流热阻：外部对流热阻：1hiiiRh ldlddRio2)ln( ooholdhR1111ln()2()()()fifooiiioofifooofifoiififottdh ldldhldkA ttkd l ttkd l tt oiooiioohddddhdk1)ln(21传热量：传热量：11ln()2iioiiiookdddhdh drefkAt63、通过肋壁的传热、通过肋壁的传热肋壁面积：肋壁面积：21AAA

4、o稳态下换热情况：稳态下换热情况：1fiwiiitth A wiwoittA 12()()1owofoofwofowofooooh A tthA tttthA ofoAAA)(21肋面肋面总效率总效率肋效率肋效率121wofoooftth AhAA1A2Aitwitwo肋效率肋效率7oooiiffioooiiiffAhAhttAAhAAhtt1)(112121定义定义肋化系数肋化系数： 则传热系数为则传热系数为所以，只要所以，只要 就可以起到强化换热的效果。就可以起到强化换热的效果。ioAA111iiookhh 1orefkAt肋管外表面积与管内面积的比值。11换热器、换热管设计和校核时的重要

5、参数。 热流量为热流量为8可见，保温层使得导热热阻增加，换热削弱；另一方面，降低了可见，保温层使得导热热阻增加，换热削弱；另一方面，降低了对流换热热阻，使得换热赠强，那么，综合效果到底是增强还是对流换热热阻，使得换热赠强，那么，综合效果到底是增强还是削弱呢？这要看削弱呢？这要看d/ddo2 和和d2 /ddo22(0)的值的值4、带保温层的圆管传热、带保温层的圆管传热临界热绝缘直径临界热绝缘直径212111)(hhttAff111ln()2fifooiiioottdhldldhld ooiffihhttA11)(211212121111ln()ln()22fifoooiiiooottddhld

6、ldldhld 圆管外敷保温层后？圆管外敷保温层后？平壁：圆筒壁：肋壁：9可见，确实是有一个极值存在，那么，到底是极大值，还是极小可见，确实是有一个极值存在，那么，到底是极大值，还是极小值呢？从热量传递的基本规律可知，应该是极大值。也就是说，值呢？从热量传递的基本规律可知，应该是极大值。也就是说，d do2o2在在d do1o1 d dcr cr之间，之间， 是增加的，当是增加的，当d do2o2大于大于d dcr cr时，时， 降低。降低。21221121)ln(21)ln(211)(ooooioiiodhdddddhd2()()fifool ttd22222222121)()(ddooof

7、ofiodhddttld0dd2odcrodhd2222or2222hdBio10、大电流电线外所包的绝缘层，是否不利于电线散热？11、为什么在给圆管加保温材料的时候需要考虑临界热绝缘直径的问题而平壁不需要考虑？请推导出圆筒壁临界热绝缘直径的计算公式。（15分）取决于增加表面积后引起的对流换热热阻减小和导热热阻增加的相对大小。导热热阻：换热热阻：A1hA12主要内容：主要内容： 10-1 10-1 传热过程的分析和计算传热过程的分析和计算 10-2 10-2 换热器的型式及平均温差换热器的型式及平均温差 10-3 10-3 换热器的热计算换热器的热计算 10-4 10-4 传热的强化和隔热保温

8、技术传热的强化和隔热保温技术1310-2 换热器的型式及平均温差换热器的型式及平均温差1、换热器的定义：、换热器的定义：用来使热量从热流体传递到冷流体，以满足规用来使热量从热流体传递到冷流体，以满足规 定工艺要求的装置，定工艺要求的装置，工程中应用广泛。工程中应用广泛。2、换热器的分类：、换热器的分类：螺旋板式板式交叉流换热器管壳式壳管式套管式)(蓄热式混合式间壁式板翅式管翅式管束式三种类型换热器三种类型换热器简介简介14混合式（接触式）换热器冷却塔153、间壁式换热器的主要型式、间壁式换热器的主要型式套管式换热器套管式换热器 最简单的一种间壁式换热器，流体有顺流和逆流两种，适最简单的一种间壁

9、式换热器，流体有顺流和逆流两种，适用于传热量不大或流体流量不大的情形用于传热量不大或流体流量不大的情形顺流顺流逆流逆流Cold fluidHot fluidCold fluidHot fluidxTThTcT1T2xTTh (Hot)Tc (cold)T1T216优点优点结构简单，可利用标准管件。结构简单，可利用标准管件。两种流体都可在较高温度和压力下换两种流体都可在较高温度和压力下换热，传热系数大。热，传热系数大。传热面积可根据需要增减。传热面积可根据需要增减。套管式换热器套管式换热器缺点缺点单位换热面积金属耗量大，价格较高。单位换热面积金属耗量大，价格较高。检修、清洗不便。检修、清洗不便。

10、173、间壁式换热器的主要型式、间壁式换热器的主要型式 管壳式换热器管壳式换热器 最主要的一种间壁式换热器，传热面由管束组成，管子两最主要的一种间壁式换热器，传热面由管束组成，管子两端固定在管板上，管束与管板再封装在外壳内。两种流体分端固定在管板上，管束与管板再封装在外壳内。两种流体分管管程程和和壳程。壳程。outBT,side) (shell ,inBTside) (tube ,inAToutAT,好朋友是另一个自己，拥有一个好的伙伴，人生才不至于走得太孤单。18增加管程增加管程inAT,outAT,outBT,inBT,inAT,inBT,outBT,outAT,进一步增加管程和壳程进一步

11、增加管程和壳程3、间壁式换热器的主要型式、间壁式换热器的主要型式 壳管式换热器壳管式换热器壳程和管程说明：壳程和管程说明：2- 4型换热器型换热器壳程壳程管程管程19壳管式换热器壳管式换热器优点优点结构坚固，对压力和温度的适用范围结构坚固，对压力和温度的适用范围大。大。管内清洗方便，管内清洗方便，清洁流体宜走壳程。清洁流体宜走壳程。处理量大。处理量大。缺点缺点传热效率、结构紧凑性、单位换热面积传热效率、结构紧凑性、单位换热面积的金属耗量等不如新型换热器。的金属耗量等不如新型换热器。20 间壁式换热器的又一种主要形式。其间壁式换热器的又一种主要形式。其主要特点是冷热流体呈交叉状流动。交叉主要特点

12、是冷热流体呈交叉状流动。交叉流换热器又分管束式、管翅式和板翅式三流换热器又分管束式、管翅式和板翅式三种。种。(b) 板翅式交叉流换热器板翅式交叉流换热器紧凑式换热器紧凑式换热器(a) 管束式交叉流换热器管束式交叉流换热器3、间壁式换热器的主要型式、间壁式换热器的主要型式 交叉流换热器交叉流换热器21 由一组几何结构相同的平行薄平板叠加所组成，冷热流体由一组几何结构相同的平行薄平板叠加所组成，冷热流体间隔地在每个通道中流动，其特点是拆卸清洗方便，故适用于间隔地在每个通道中流动，其特点是拆卸清洗方便，故适用于含有易结垢的流体。含有易结垢的流体。3、间壁式换热器的主要型式、间壁式换热器的主要型式 板

13、式换热器板式换热器22优点优点结构结构紧凑紧凑、体积小、重量轻。、体积小、重量轻。流体湍动程度大，强化传热效果好。流体湍动程度大，强化传热效果好。便于清洗和维修。便于清洗和维修。缺点缺点密封周边长，易泄漏。密封周边长，易泄漏。承压能力低（承压能力低（P700m2/m3 或dh6mm23 换热表面由两块金属板卷制而成，优点：换热效果好；缺换热表面由两块金属板卷制而成，优点：换热效果好；缺点：密封比较困难。点：密封比较困难。3、间壁式换热器的主要型式、间壁式换热器的主要型式 螺旋板式换热器螺旋板式换热器24优点优点结构紧凑，单位体积传热面积结构紧凑，单位体积传热面积大。大。两种流体都能以高速流动，

14、传两种流体都能以高速流动，传热效率高。热效率高。螺旋流动，有自冲刷作用，适螺旋流动，有自冲刷作用，适于处理粘性和易结垢流体。于处理粘性和易结垢流体。缺点缺点承压能力差（承压能力差（P1MPa，t 90%判断热力管道保温性能优劣的指标66l换热器的定义、类型，及其各自的优缺点；换热器的定义、类型，及其各自的优缺点；l不同表面的不同表面的总表面传热系数总表面传热系数，污垢热阻的概念；，污垢热阻的概念；l对数平均温差对数平均温差(LMTD)，顺流和逆流时的不同顺流和逆流时的不同lLMTD在换热器分析中的应用在换热器分析中的应用l强化传热的原则和手段强化传热的原则和手段l临界热绝缘直径临界热绝缘直径l

15、对于不同的传热方式，分析、计算换热器内的传热量对于不同的传热方式，分析、计算换热器内的传热量l传热方程式传热方程式及及热平衡式热平衡式l 和和 NTU的计算公式，及的计算公式，及 - NTU方法与方法与LMTD方法的优缺点方法的优缺点本章重点：本章重点：67681、在换热器的流体温度变化图中，冷、热流体中热容量小的流体温度变化大还是热容量大的流体温度变化大？为什么？思考题：12qm1cp1 ( t2-t2)即热容量小的流体温度变化大。692、对管壳式换热器而言，两种流体在下列情况下，哪种走管程？哪种走壳程？为什么？1、清洁与不清洁2、腐蚀性大的与小的3、温度高的与低的4、压力大的与小的5、流量

16、大的与小的6、粘度大的与小的1、清洁与不清洁（管）2、腐蚀性大的（管）与小的3、温度高的（管）与低的4、压力大的（管）与小的5、流量大的与小的（管） 6、粘度大的与小的（管）703、为强化一台冷油器的传热，有人用提高冷却水流速的办法，但是发现效果并不显著。试分析原因。 因为油的粘度大，对流换热表面传热系数较小，占整个传热过程热阻的主要部分，应从该侧强化传热。水侧热阻已经很小，再提高流速对整个换热影响不大。714、热水在两根相同的管内以相同的流速流动，管外分别采用空气和水进行冷却。经过一段时间后，两管内产生相同的水垢。试问水垢的产生对采用空冷还是水冷的管道传热系数影响大？为什么？ioifwodd

17、hRRhk111由上式可知，总传热系数的值取决于热阻最小的那项，在水冷中，污垢热阻为最小热阻，故对水冷影响大。725、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。请评价这一方案的合理性。ioifwoddhRRhk111由上式可知，总传热系数的值取决于热阻最小的那项，由于空气侧热阻很大，故加状肋片可以强化传热；而将钢管换成铜管则不必，因为壁面热阻并非主要热阻，即使改后影响也不明显，且增加成本。7313、温度为 60的饱和水蒸汽在铜管外凝结, 凝结换热系数为 8469 W/m2。管内冷却水流量 0.

18、5 kg/s，比热 4.174103 J/kg,对流换热系数 5000 W/m2 。若管内冷却水温度由 20增加到 40,求铜管的传热面积 ( 忽略管壁热阻和污垢热阻, 近似取 di = do )。计算题：7414、为了得到热水，0.361 MPa (ts=140) 的水蒸气在管外凝结（如图所示），其表面传热系数hO=9500 W/m2。冷却水在盘管内流动，流速为0.8m/s，黄铜管外径为18mm，壁厚为1.5mm，导热系数为=132W/(mK)，盘管的弯曲半径为90mm。冷水进换热器时的温度为25 ，加热到95 。试求所需的换热面积及盘管长度 ( 不计管内入口效应修正及温差修正)。饱和蒸气饱和蒸气冷冷却却水水1t1t2t2t53.61 10 Pasp7515、质量流量为 2000kg/h 的变压器油在螺旋盘管中流过;油温从 t1=80 被冷却至 t1= 30 , 其比定压热容cp1=2.093 kJ/(kgK)。进口温度 t2=20 为的冷水在盘管外流动用来冷却变压器油。出口处水温 t2=25 ,水的比定压热容 cp2=4.174kJ/(kgK) 。