第十章换热器

1、2010-9-201肋面总效率 h = (A2¢ + A2¢hf ) A2A2¢ >> A2¢ A2 » A2¢h » hf工程应用中，当壁两侧的表面传热系数相差35 倍时，如制冷系统中的水冷冷凝器，可采用低肋化系数的螺纹管；当两侧表面传热系数相差10倍以上时，如蒸汽- 空气加热器，则可选用高肋化系数的肋片管。当换热器两侧的表面传热系数都很低时，如气体换热器，双侧均为气体，可在两侧表面均肋化（如板翅式换热器）。肋壁传热系数ki 、ko 分别表示以光壁面积和以肋壁面积为基准的传热系数，则k =1=1i1 + d +

2、 Ai1 + d + 1 hilAohhohilbhhok =1o1 b + d b + 1 hilhhob = Ao Ai 肋化系数圆管传热系数与面积计算方式有关，当以圆管外壁面面积为基准计算传热系数时，计算式为：k =1od0 1 + d0 ln d0 + 1di hi2ldih0工程计算习惯以外表面为计算基准。管壁设保温层时，应注意临界热绝缘直径。一般，换热器计算还应考虑污垢热阻。10-1 传热过程1 传热方程与传热系数在稳态导热一章，已详细讨论了、圆管、肋壁的传热过程。传热方程式f = A k (t f1 - t f 2 ) = A k D t传热系数（总传热系数）Overal Hea

3、t Transfer Coefficient传热系数 k =11 + d + 1h1 l h2作业（1）10、11、12第十章传热与换热器Heat Transfer and Heat Exchangers2010-9-20210-2 换热器的主要类型及平均温差1 换热器的型式换热器：实现热量从热流体传递到冷流体的装置。 换热器的分类(按照其工作原理)：l 混合式l 蓄热式l 间壁式讨论：l 即使在一般常温下，如果对流换热的表面传热系数较小，辐射换热的损失所占比例就不可忽略。因此，不能认为温度不高，就可以忽略辐射换热影响；l 各种因素中，周围壁面温度tam对车间热损失的影响最大，进一步计算表明，

4、在此条件下， tam降低或升高1ºC，热损失将增加或减少5%以上；l 表面也是以复合换热方式散热，如果周围壁面温度太低，即使室内空气温度较高，也会因辐射散热造成不舒服的感觉。例10-1 冬季一车间外墙内壁温度为tw=10ºC； 内墙内壁温度为tam=16.7ºC；车间内气温tf=20ºC。已知外墙内壁与内墙内壁的系统发射率为e=0.9， 外墙内壁对流换热表面传热系数hc=3.21/(m2.W)。求（1）外墙热流密度；（2）外墙内壁复合换热表面传热系数；热损失中辐射散热所占比例。解：h = es (T 4 - T 4 ) /(t - t ) = 3.21W

5、 /(m2.K )rb amwfwh = h + h = 6.42W /(m2.K )rcq = h(t - t ) = 64.2W / m2fwhr / h = 3.21/ 6.42 = 0.5l 总换热量为对流换热量与辐射换热量之和f = fc + fr = A(hc + hr )(tw - tf )= Ah (tw - tf )复合换热情况下，前述传热计算公式中表面传热系数h应为复合换热表面传热系数。2 复合换热的传热计算l 对流换热与辐射换热同时的换热过程l 通常将辐射换热量折对流换热量，引进辐射换热表面传热系数。h =fr辐射换热量rA(t - t )wf复合换热表面传热系数h为对流

6、换热表面传热系数与辐射换热表面传热系数之和：h = hc + hr讨论l 由定义知b>1，其值取决于肋高与肋间距。l 增加肋高可以加大b ，但会使肋片效率降低， 从而使肋面总效率降低。l 减小肋间距，即加密肋片也可加大b ，但间距过小会增大阻力，一般肋间距应大于两倍边界层最大厚度。l 工程上，常以肋侧表面积为基准计算换热器面积。2010-9-203（2） 肋片管式换热器l 也称为翅片管式换热器，由带肋片的管束 。l 适用于两侧表面传热系数相差较大的场合，如汽车 散热器、家用空调器的蒸发器、冷凝器等。管壳式换热器：管程、壳程3壳程、6管程（1） 管壳式换热器套管式换热器由量同心套管组成，冷

7、、热流体分别在内管和管间夹层中流过。根据冷、热流体的相对方向不同又有顺流及逆流之别。间壁式冷、热流体由壁面隔开，热量传递过程是前面所讨论的传热过程。应用最，型式多样，按照其结构可分为：l 管壳式换热器l 肋片管式换热器l 板式换热器l 板翅式换热器l 螺旋板式换热器10-2 换热器的主要类型及平均温差蓄热式冷、热两种流体依次交替地流过同一换热面（蓄热体）。l 当热流体流过时，换热面吸收并积蓄热流体放出的热量；l 当冷流体流过时，换热面将热量给冷流体。l 通过交替式的吸、放热过程实现冷、热流体间的热量交换。例如：火力发电厂大型锅炉中的蓄热式空气预热器。热量传递过程是非稳态的。10-2 换热器的主

8、要类型及平均温差混合式冷、热流体通过直接接触、互相混合实现热量交换。l 冷、热流体是同一种物质（如冷水和热水、水和水蒸气等）l 冷、热流体虽然不是同一种物质，但混合换热后非常容易分离（如水和空气）的情况， 例如火力发电厂中的大型冷却水塔及空调系统中的中小型冷却水塔、化工厂中的洗涤塔等。2010-9-204（5） 螺旋板式换热器l 换热面由两快平行金属板卷制而成，两个螺旋通道，分别供冷、热流体在其中。l 结构与工艺简单、价格低廉，流通阻力小；但不易 、承压能力低。l 用于制冷系统作冷凝器等。特点：l 由金属板和波纹板形翅片层叠、交错焊接而成， 冷、热流体流向交叉。l 结构紧凑， 体积的换热面积大

9、，但 困难，不易检修，适用于清洁无腐蚀性流体间的换热。l 使用领域：低温回热器、空调系统能量回收。（4） 板翅式换热器单程多程板式换热器的特点：l 传热系数高、阻力相对较小；l 结构紧凑、体积设备换热能力大；l 使用灵活性大，拆装方便等。已广泛应用于采暖、空调系统及食品、， 化工等部门。板式换热器：组装式（3） 板式换热器l 由若干片压制成型的波纹状金属薄板叠加而成， 板四角开有角孔；l 相邻板片之间用特制的密封垫片隔开，使冷、热流体分别由一个角孔流入，间隔地在板间沿着由垫片和波纹所设定的流道，然后在另一对角线角孔流出。2010-9-20tx d(tx )Axòt '= -m

10、k ò0 dAtx tx = t¢exp(-m kAx ) t ¢ = t¢ exp(-mkA)-mkA = ln ( t ¢ / t¢)整个换热面的平均温差= 1At dAòtmxA0= 1Aòt exp(-mkA )dA¢xA0t¢( e- m kA -1)= -mkA5对顺流换热器，Ax处元传热面dA的换热量dF = -qm1c1dt1 dF = qm2c2dt2 dF = kdAtxd( tx ) = d(t1 - t2 )Ax= -æ 1 +1 ödF = -mdF

11、ç q c q c ÷è m1 1m 2 2 ød( tx ) = -mkdADtxò x d(tx ) = -mk ò x dAtAt 'tx02顺流及逆流换热器的对数平均温差换热器的传热计算公式：F = kA(tf1 - tf2 ) = kADtmDtm 为换热器的传热平均温差。确定换热器传热平均温差是平均温差法计算换热器的首要任务。假设：（1） 两侧流体的质量流量 m1、 m2与比热容c1、c2沿换热面保持常数；（2） 传热系数沿换热面为常数；（3） 换热器无散热损失；（4） 忽略换热器壁面沿方向的轴向导热，不考虑处流体

12、的动能和位能变化。间壁式换热器中冷、热流体的相对方向型式影响冷、热流体的出口温度、换热温差、换热量以及换热器内的温度分布。（6） 热管式换热器由多根热管。热管式空气预热器示意图热管式换热器具有较高的传热性能，但热管的 工艺较复杂，热管的密封性、问题需重点考虑。空气烟气2010-9-206交叉流，两侧流体都不混合时的温差系数壳侧2程，管侧4，8，12，×××的温差系数壳侧1程，管侧2，4，6，×××的温差系数3 复杂布置时换热器平均传热温差计算简单多程交叉流，只要折流一方的折流次数多于4次，就可以按纯逆流或纯顺流来计算。对于复杂的多程交

13、叉流Dtm = y Dtm ctf(Dtm )为冷、热流体温度相同情况下逆流时ctf的对数平均温差；y为小于1的系数，y = f ( P, R)P = t2¢ - t2¢R = t '1 - t1¢t1¢ - t2¢t2¢¢ - t2¢顺流与逆流比较（ 1 ） 顺流时冷流体的终温永远低于热流体的终温，而逆流时冷流体的终温可以高于热流体终温；（ 2 ）计计算算证证明明， 当冷、热流体温度相同时，逆流的顺流逆流平均温差大于顺流；（3）逆流时换热面冷、热两端温差大，热应力较大。t = t¢(Dt

14、62; / Dt¢ -1) = Dt¢ - Dt ¢mln (Dt¢¢ / Dt¢)ln (Dt¢ / Dt ¢)为顺流换热器的平均温差表，称为对数平均温差（log mean temperature difference），简写为LMTD对于逆流换热器，可以得出形式相同的对数平均 温差表。统一统一Dt = Dtmax - Dtmin mln (Dt/ Dt)maxmin如果 Dtmax Dtmin £ 2 ， Dt » Dtmax + Dtminm22010-9-207例10-3 按例题10-2

15、的温度条件，计算一次交叉、热流体不混合而冷流体混合时的平均温差。解：按题意，属于图10-14（p.288）的情况，图中“2”为热流体，“1”为冷流体。P = t2 "- t2 ' = 0.6R = t1 '- t1 " = 0.333t1 '- t2 't2 "- t2 '：=0.95Dtm = yDtcf = 0.95 ´144.3 = 137 C讨论： =0.95，说明接近于逆流。如果太小，说明与逆流相比差别较大，不利于换热。工程上， 一般应使0.80。若按算术平均值计算Dtm = (Dt '+ Dt

16、") / 2 = 150°C讨论：l 本例题逆流比顺流温差大16%，意味着完成同样的换热量，逆流换热面积可减少16%。因此，一般情况下换热器应尽量采用逆流布置；l 本例题中，顺流时两端温差之比大于2，按算术平均值计算误差太大，而逆流情况下，可以用算术平均值，误差在4%以内。例10-2 试比较逆流与顺流的对数平均温差。已知热流体由300ºC冷却至150ºC，冷流体由50ºC被加热至100ºC。解：对顺流Dt ' = t1 '- t2 ' = 250 C Dt " = t1 "- t2 " = 50 CDt = Dt '- Dt " = 124 3 Cm ln(Dt '/ Dt ")若按算术平均值计算 Dtm = (Dt '+ Dt ") / 2 = 150 C对逆流Dt ' = t '- t " = 200 C Dt " = t "- t ' = 100 C1212Dt = Dt '- Dt " = 144.3 Cm ln(Dt '/ Dt ")（2） 若有一侧发生相变