第7章-传热过程的分析和计算

1、7-1 7-1 复合传热复合传热7-2 7-2 传热过程的分析和计算传热过程的分析和计算7-3 7-3 换热器的型式及平均温度换热器的型式及平均温度7-4 7-4 平均传热温差法热计算平均传热温差法热计算7-5 7-5 传热的增强传热的增强 7-1 7-1 复合传热和表面传热系数复合传热和表面传热系数 物体与周围物体（含气体）进行辐射换热的物体与周围物体（含气体）进行辐射换热的同时，还和其它接触的其它气体进行对流换热。同时，还和其它接触的其它气体进行对流换热。这种既有（表面）辐射换热，又有对流换热的现这种既有（表面）辐射换热，又有对流换热的现象统称为象统称为表面传热表面传热。 为方便讨论，假设

2、对流传热和辐射传热互相为方便讨论，假设对流传热和辐射传热互相独立，不干扰。独立，不干扰。()() () ()crcwfrwfcrwfwfqqqh tth tthhtth tt()rrwfhA tt表面传热系数表面传热系数h，可以通过对流传热系数，可以通过对流传热系数hc和辐射和辐射传热系数传热系数hr精确计算，当工程上有时可估算：精确计算，当工程上有时可估算：室内（无风）热力管道室内（无风）热力管道室内平壁室内平壁室外室外9.400.052wfhtt9.800.070wfhtt11.67h其中，其中，在实际计算中是否必须考虑辐射传热，应视具体在实际计算中是否必须考虑辐射传热，应视具体情况而定。

3、若固体壁面与液体发生对流传热，通情况而定。若固体壁面与液体发生对流传热，通常认为液体对红外辐射是不透明的。故常认为液体对红外辐射是不透明的。故hr=0。若。若气体与固体壁面进行强迫对流传热时，并且温差气体与固体壁面进行强迫对流传热时，并且温差不大，此时可忽略辐射，并认为不大，此时可忽略辐射，并认为h=hc。若气体和。若气体和壁面进行自然对流传热，或传热温差较大时，则壁面进行自然对流传热，或传热温差较大时，则必须考虑辐射传热。必须考虑辐射传热。7-2 传热过程的分析和计算 传热过程分析求解的基本关系为传热过程分析求解的基本关系为传热方程式传热方程式21ffttkA式中式中 为为传热系数传热系数（

4、在容易与对流换热表面传（在容易与对流换热表面传热系数想混淆时，称总传热系数）。热系数想混淆时，称总传热系数）。kv传热过程：传热过程：热量由壁面一侧的流体通过壁面传热量由壁面一侧的流体通过壁面传到另一侧流体中去的过程称传热过程。到另一侧流体中去的过程称传热过程。一、通过平壁的传热一、通过平壁的传热21111hhk 由于平壁的两侧的面由于平壁的两侧的面积是相等的，因此传热系积是相等的，因此传热系数的数值不论对哪一侧来数的数值不论对哪一侧来说都是一样的。说都是一样的。1ft1wt2wt2ft11h21h热阻图热阻图二、通过圆筒壁的传热二、通过圆筒壁的传热在稳态条件下，通过各环节的热流量是不变的在稳

5、态条件下，通过各环节的热流量是不变的。 12()1ln()2wwoil ttdd 11()iifwh d l tt 圆柱面导热：圆柱面导热：22()oowfh d l tt外部对流：外部对流：内部对流：内部对流：hiho以以外表面面积外表面面积为基准的传热系数为：为基准的传热系数为：（工程用）（工程用）12111ln2ffoiiiool ttdhddh d 111ln2ooootoiiioKdddR Ahddh由上面三式得由上面三式得以以内表面面积内表面面积为基准的传热系数为：为基准的传热系数为：111ln2iioitiiiooKdddR Ahdd h 基准面不同时，传热系数不同，但基准面不同

6、时，传热系数不同，但K与与A的乘积相等，的乘积相等，传热热流量相同。传热热流量相同。三、通过肋壁的传热在在表面传热系数较小的表面传热系数较小的一侧采用肋壁一侧采用肋壁是强化传是强化传热的一种行之有效的方热的一种行之有效的方法。下面以平壁的一侧法。下面以平壁的一侧为肋壁的较简单的情况，为肋壁的较简单的情况，作为分析肋壁传热的对作为分析肋壁传热的对象。象。wifiiittAhwowiittA12owofoofwofoh A tthA tt式中，式中， 为肋面总效率。为肋面总效率。ooooiiifofiAhAAhtt11ooowofohA tt所以，只要所以，只要 就可以起到强化换热的效果。就可以起

7、到强化换热的效果。ofoAAA)(21定义定义肋化系数：肋化系数： ioAA111iooKhh 1o则以内表面为基准的肋壁则以内表面为基准的肋壁传热系数传热系数为为四、临界热绝缘半径四、临界热绝缘半径 对于平壁，加保温层后，一定能降低散热量对于平壁，加保温层后，一定能降低散热量（削弱传热）；对于圆筒壁，叫保温层后呢？（削弱传热）；对于圆筒壁，叫保温层后呢？211121111lnln2222olioorrRhrrrhr 为了减少管道的散热损失，采用在管道外侧覆为了减少管道的散热损失，采用在管道外侧覆盖热绝缘层或称隔热保温层的办法。热流体通过管盖热绝缘层或称隔热保温层的办法。热流体通过管道壁和绝缘

8、层传热给冷流体传热过程的热阻为道壁和绝缘层传热给冷流体传热过程的热阻为 为了计算方便，忽略内侧的对流热阻和管壁的为了计算方便，忽略内侧的对流热阻和管壁的导热热阻，实际上也是可行的。此时的总热阻为：导热热阻，实际上也是可行的。此时的总热阻为：211ln22oloorRrhr管道的散热量为管道的散热量为1211ln22wfooottrlrhr l 不考虑其他参数的变化，仅仅考虑绝热层厚度不考虑其他参数的变化，仅仅考虑绝热层厚度的变化，当厚度加大时（的变化，当厚度加大时（ro），），R，Rh。1211ln22wfohootttrRRlrhr l RhRtRRor2r总的热阻总的热阻Rt先减小后增大；

9、先减小后增大；热流量热流量则先增大后减小。则先增大后减小。 对应热流量对应热流量最大值的最大值的绝热层外半径绝热层外半径ro称为称为临界绝临界绝缘半径缘半径，以，以roc表示表示ocr根据根据 ，可解得，可解得0oddrocrh当当roroc，; 当当r2roroc，电线：电线：加绝缘层，不仅加绝缘层，不仅能绝缘能绝缘，且能，且能提高散热提高散热量量，这是我们希望的，因电流流过电线后发热，这是我们希望的，因电流流过电线后发热，若热量不及时排出，电阻变大，阻碍电流。若热量不及时排出，电阻变大，阻碍电流。一般的动力管道一般的动力管道：外径均大于临界绝缘半径，：外径均大于临界绝缘半径，起到降低散热的

10、效果。起到降低散热的效果。 7-4 换热器的分类及平均传热温差换热器的分类及平均传热温差换热器换热器：用来使热量从热流体传递到冷流体，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。以满足规定的工艺要求的装置。一、换热器的分类一、换热器的分类按照工作原理分类按照工作原理分类分为分为间壁式间壁式、混合式混合式及及蓄热式蓄热式（或称回热式）（或称回热式）三大类。三大类。 v间壁式间壁式换热器换热器：是指冷热流体被壁面隔开进行：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间壁式挨热器种类很多，从构

11、造上主要可分为：间壁式挨热器种类很多，从构造上主要可分为：管壳式、肋片管式、板式、板翅式、螺旋板式管壳式、肋片管式、板式、板翅式、螺旋板式等，其中以前两种用得最为广泛。另外，按流等，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。体流动方向可有顺流、逆流、交叉流之分。 v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、蒸汽喷射泵、电厂冷水塔等；中喷淋冷却塔、蒸汽喷射泵、电厂冷水塔等；v回热式回热式换热器换热器：换热器由蓄热材料构成，并分

12、成：换热器由蓄热材料构成，并分成两半，冷热流体轮换通过它的一半通道，从而交两半，冷热流体轮换通过它的一半通道，从而交替式地吸收和放出热量，即热流体流过换热器时，替式地吸收和放出热量，即热流体流过换热器时，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，蓄热材料放出热量加热冷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，如锅炉中间转式空气预热流体。一般用于气体，如锅炉中间转式空气预热器，全热回收式空气调节器等。器，全热回收式空气调节器等。 二、间壁式换热器的主要形式二、间壁式换热器的主要形式 （1）按结构来分）按结构来分 1

13、、套管式、套管式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。 二、间壁式换热器的主要形式二、间壁式换热器的主要形式（1）按结构来分）按结构来分 1、套管式、套管式 2、管壳式、管壳式 管程、壳程、折流挡板管程、壳程、折流挡板二、间壁式换热器的主要形式二、间壁式换热器的主要形式 （2）按结构来分）按结构来分 1、套管式、套管式 2、管壳式、管壳式 是间壁式换热器的一种主要形式，又称间壁式是间壁式换热器的一种主要形式，又称间壁式换热器。换热器。二、间壁式换热器的主要形式二、间壁式换热器的主要形式（2）按结构来分）按结构来分 1、套、套 管式管式 2、 管壳式管壳式

14、二、间壁式换热器的主要形式二、间壁式换热器的主要形式（2）按结构来分）按结构来分 1、套、套 管式管式 2、 管壳式管壳式 side) (shell ,inBToutBT,side) (tube,inAToutAT,进一步增加管程和壳程进一步增加管程和壳程圆环折流板圆缺折流板圆缺折流板3、交叉流换热器、交叉流换热器（ 分管束式、管翅式及板翅式）分管束式、管翅式及板翅式）二、间壁式换热器的主要形式二、间壁式换热器的主要形式 4、板式换热器、板式换热器二、间壁式换热器的主要形式二、间壁式换热器的主要形式 板 式 换 热板 式 换 热器拆卸清洗方器拆卸清洗方便，故适合于便，故适合于含有易污染物含有易

15、污染物的流体的换热。的流体的换热。5、螺旋板式换热器、螺旋板式换热器二、间壁式换热器的主要形式二、间壁式换热器的主要形式换热器换热效果较好，缺点是换热器的密封比较困难。换热器换热效果较好，缺点是换热器的密封比较困难。6、热管换热器、热管换热器二、间壁式换热器的主要形式二、间壁式换热器的主要形式二、间壁式换热器的主要形式二、间壁式换热器的主要形式（2）按流动方向分）按流动方向分1、顺流式换热器、顺流式换热器2、逆流式换热器、逆流式换热器3、交叉式换热器、交叉式换热器4、混合式换热器、混合式换热器Cold fluidHot fluidCold fluidHot fluid换热器分类小结换热器分类小

16、结 一、换热器的分类一、换热器的分类二、间壁式换热器的分类二、间壁式换热器的分类（2）按流动方向分）按流动方向分（1）按结构来分）按结构来分 1、套、套 管式管式 2、 管壳式管壳式 3、交叉流换热器、交叉流换热器（管束式、管翅式及板翅式）（管束式、管翅式及板翅式） 4、板式换热器、板式换热器 5、螺旋板式换热器、螺旋板式换热器 6、热管换热器、热管换热器 1、回热式（蓄、回热式（蓄 热式）换热器热式）换热器 2、混合式换热器、混合式换热器 3、间壁式换热器、间壁式换热器 1、顺流式换热器、顺流式换热器2、逆流式换热器、逆流式换热器3、交叉式换热器、交叉式换热器4、混合式换热器、混合式换热器三

17、、平均传热温差三、平均传热温差传热方程式传热方程式：mtkA 对任何形式的换热器，传热方程式中的平均传对任何形式的换热器，传热方程式中的平均传热温差热温差tt均是冷热流体的平均温差。但是，流动均是冷热流体的平均温差。但是，流动形式不同，冷热流体温差沿换热面的变化规律也不形式不同，冷热流体温差沿换热面的变化规律也不同。传热温差也不同。同。传热温差也不同。顺流和逆流的区别：顺流和逆流的区别：v平均传热温差：平均传热温差： 顺流时：顺流时： 逆流式：逆流式： 或或v在相同的进出口温度条件下，在相同的进出口温度条件下，v逆流也有逆流也有缺点缺点，即热流体和冷流体的最高温度，即热流体和冷流体的最高温度

18、集中在换热器的同一端集中在换热器的同一端21tt21tt21ttmcmptt cpAA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计。量可以忽略不计。 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，现在来看图现在来看图9-139-13中微元

19、换热中微元换热面面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: :1 1111 11ddddmmq 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: :121 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(txx

20、kAtx0 xx0)dAexp(t1 dAt1xAAmkAAAt1 12211mmq cq c1-)exp(t)dAexp(t1x0kAkAkAAtxAmxxkAttlnkAt tlnAAx)exp(tkAt tttttttm tlnttlnt1-ttlnt对数平均温差对数平均温差 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一用以下可统一用以下计算式表示，计算式表示，tmax、 tmin指的是同一端的温度差：指的是同一端的温度差： minmaxminmaxlntttttm 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术平均算术平均温差温差，当，当tm

21、ax/tmax2时使用，即时使用，即2minmax,tttm算术复杂流时换热器平均传热温差复杂流时换热器平均传热温差ctfmmttv套管式换热器及螺旋板式换热器的平均温差可套管式换热器及螺旋板式换热器的平均温差可以方便的按逆流或顺流布置的公式来计算。但以方便的按逆流或顺流布置的公式来计算。但对于壳管式换热器及交叉流式换热器的平均温对于壳管式换热器及交叉流式换热器的平均温差一般采用以下公式来计算：差一般采用以下公式来计算：v对于其它的叉流式换热器，其传热公式中的平对于其它的叉流式换热器，其传热公式中的平均温度的计算关系式较为复杂，工程上常常采均温度的计算关系式较为复杂，工程上常常采用修正图表来完

22、成其对数平均温差的计算：用修正图表来完成其对数平均温差的计算：由换热器冷热流体的进出口温度，按照逆流方式计算由换热器冷热流体的进出口温度，按照逆流方式计算出相应的对数平均温差；出相应的对数平均温差；从修正图表由两个无量纲数查出修正系数；从修正图表由两个无量纲数查出修正系数；最后得出叉流方式的对数平均温差最后得出叉流方式的对数平均温差22111222ttttPRttt 、mmctftt（）1 12 2、1 14 4等多流程管壳式换热器的修正系数等多流程管壳式换热器的修正系数 2 24 4、2 28 8等多流程管壳式换热器的修正系数等多流程管壳式换热器的修正系数 一次交叉流，两种流体各自都不混合时

23、的修正系数一次交叉流，两种流体各自都不混合时的修正系数 一次交叉流，一种流体混合、一种流体不混合时的修正系数一次交叉流，一种流体混合、一种流体不混合时的修正系数 四、平均温差法计算四、平均温差法计算v分为分为设计计算设计计算和和校核计算校核计算。v换热器热计算的换热器热计算的基本公式基本公式为为mkA t 11112222mpmpq cttq ctt 传热方程式:热平衡方程式：1、换热器计算的平均温差法、换热器计算的平均温差法v平均温差法用作设计计算时步骤：平均温差法用作设计计算时步骤：初步布置换热面，计算出相应的传热系数初步布置换热面，计算出相应的传热系数K。根据给定条件，由热平衡式求出进、

24、出口温度中的那根据给定条件，由热平衡式求出进、出口温度中的那个待定的温度个待定的温度tm。由冷、热流体的由冷、热流体的4个进、出口温度确定平均温差，计个进、出口温度确定平均温差，计算时要注意保持修正系数算时要注意保持修正系数具有合适的数值。具有合适的数值。由传热方程求出所需要的换热面积由传热方程求出所需要的换热面积A，并核算换热面，并核算换热面两侧有流体的流动阻力。两侧有流体的流动阻力。如流动阻力过大，改变方案重新设计。如流动阻力过大，改变方案重新设计。v 对于校核计算具体计算步骤：对于校核计算具体计算步骤：先假设一个流体的出口温度，按热平衡式计算另一个出口先假设一个流体的出口温度，按热平衡式

25、计算另一个出口温度温度根据根据4个进出口温度求得平均温差个进出口温度求得平均温差tm根据换热器的结构，算出相应工作条件下的总传热系数根据换热器的结构，算出相应工作条件下的总传热系数k已知已知k、A和和，按传热方程式计算在假设出口温度下的，按传热方程式计算在假设出口温度下的tm根据根据4个进出口温度，用热平衡式计算另一个个进出口温度，用热平衡式计算另一个 ，这个值，这个值和上面的和上面的 ，都是在假设出口温度下得到的，因此，不是，都是在假设出口温度下得到的，因此，不是真实的换热量真实的换热量比较两个比较两个 值，满足精度要求，则结束，否则，重新假定值，满足精度要求，则结束，否则，重新假定出口温度

26、，重复出口温度，重复(1)(6)，直至满足精度要求。，直至满足精度要求。2、换热器设计时的综合考虑、换热器设计时的综合考虑 换热器设计是综合性的课题，必须考虑出投资，换热器设计是综合性的课题，必须考虑出投资，运行费用，安全可靠等诸多因素。运行费用，安全可靠等诸多因素。3、换热器的结垢及污垢热阻、换热器的结垢及污垢热阻 污垢增加了热阻，使传热系数减小，这种热阻污垢增加了热阻，使传热系数减小，这种热阻成为污垢热阻，用成为污垢热阻，用Rf表示，表示，式中：式中：k为有污垢后的换热面的传热系数，为有污垢后的换热面的传热系数，k0为洁为洁净换热面的传热系数。净换热面的传热系数。011kkRf对于两侧均已

27、结垢的管壳式换热器，以管子外表对于两侧均已结垢的管壳式换热器，以管子外表面为计算依据的传热系数可以表示成：面为计算依据的传热系数可以表示成：如果管子外壁没有肋化，则肋面总效率如果管子外壁没有肋化，则肋面总效率 o o = 1 = 1。管壳式换热器的部分污垢热阻可以在表管壳式换热器的部分污垢热阻可以在表9-19-1种查得种查得。oofowioifiRhRAARhk1111（2）污垢热阻的计算）污垢热阻的计算 7-5 传热的增强和保温隔热技术传热的增强和保温隔热技术v 强化传热的目的强化传热的目的 缩小设备尺寸；缩小设备尺寸； 提高热效率；提高热效率； 保证设备安全。保证设备安全。v 削弱传热的目

28、的削弱传热的目的 减少热量损失减少热量损失一、增强传热的方法一、增强传热的方法 （1 1）加大传热温差）加大传热温差tt 是增加传热的驱动力，可使热流量增加。采是增加传热的驱动力，可使热流量增加。采用逆流方式布置换热面。用逆流方式布置换热面。 （2 2）减小传热面总热阻）减小传热面总热阻RtRt 从减小导热热阻、对流热阻和辐射热阻着手从减小导热热阻、对流热阻和辐射热阻着手减小最大热阻减小最大热阻效果最好效果最好考虑问题全面：流动阻力、合理的流动速度、经考虑问题全面：流动阻力、合理的流动速度、经济性济性 （3）增大传热面积）增大传热面积a a、延伸体、延伸体b b、增加粗糙度、增加粗糙度c c、

29、改变表面结构、改变表面结构d d、表面涂层、表面涂层二、保温隔热技术二、保温隔热技术v削弱传热的目的削弱传热的目的 减少热损失减少热损失保证流体温度，满足工业要求保证流体温度，满足工业要求保证设备的正常运行保证设备的正常运行减少环境热污染，保证可靠的工作环境减少环境热污染，保证可靠的工作环境保证工作人员的安全保证工作人员的安全削弱传热的方法削弱传热的方法1 1、覆盖热绝缘材料。常用的材料日前有：、覆盖热绝缘材料。常用的材料日前有：岩棉、泡沫塑料、微孔硅酸切、珍珠岩岩棉、泡沫塑料、微孔硅酸切、珍珠岩等。等。 2 2、改变表面状况。即改变表面的辐射特性、改变表面状况。即改变表面的辐射特性及附加抑制

30、对流的元件。及附加抑制对流的元件。 3 3、遮热板、遮热板v绝热技术（隔热保温技术）对于减少热力设备的热损绝热技术（隔热保温技术）对于减少热力设备的热损失、节约能源具有显著经济效益。失、节约能源具有显著经济效益。v在新技术领域，绝热技术对于实现某些过程具有特别在新技术领域，绝热技术对于实现某些过程具有特别重大的意义。例如，各种高速飞行器（如航天飞机等）重大的意义。例如，各种高速飞行器（如航天飞机等）在通过大气层时会产生强烈的气动加热，若无适当的在通过大气层时会产生强烈的气动加热，若无适当的绝热措施，将导致飞行器烧毁。绝热措施，将导致飞行器烧毁。v隔热保温技术涉及到电力、冶金、化工、石油、低温、隔热保温技术涉及到电力、冶金、化工、石油、低温、建筑及航空航天等许多工业部门的过程实施、节约能建筑及航空航天等许多工业部门的过程实施、节约能源、提高经济效益等问题，目前已发展成为传热学应源、提高经济效益等问题，目前已发展成为传热学应用技术中的一个重要分支。用技术中的一个重要分支。7-3 注汽井井筒内的传热计算v井筒内的传热特点v 非稳态过程v 由多个环节构成井筒传热的各项热阻（单位长度）v 管内对流换热热阻 1111dhR122ln21ddRtb233l