第10章_传热过程分析与换热器的热计算

1、第10章 传热过程分析与换热器的热计算1第第1010章章 传热过程分析与换热器的热计算传热过程分析与换热器的热计算10.1 10.1 传热过程的分析与计算传热过程的分析与计算10.2 10.2 换热器的类型换热器的类型10.3 10.3 换热器中传热过程平均温差与计算换热器中传热过程平均温差与计算10.4 10.4 间壁式换热器的热计算间壁式换热器的热计算10.5 10.5 热量传递过程的控制（强化与削弱）热量传递过程的控制（强化与削弱）第10章 传热过程分析与换热器的热计算210.1 传热过程的分析和计算传热过程的分析和计算回顾：传热过程的定义指热量从壁面一侧的流体通过壁面传到壁面另一侧流体

2、的过程。 举例： 围护结构内外侧空气的传热； 换热器内外流体间的传热； 管道系统； 等等。第10章 传热过程分析与换热器的热计算3)(21ffttkA本节重点：讨论不同形状传热表面的传热系数。 平壁、圆筒壁、肋壁10.1.1 通过平壁的传热过程计算通过平壁的传热过程计算1. 单层平壁. 多层平壁21111hhk传热方程式211111hhkniii第10章 传热过程分析与换热器的热计算4几点说明：（1）导热系数（2）表面传热系数h10.1.2 通过圆筒壁的传热过程计算通过圆筒壁的传热过程计算1. 单层圆筒壁 假定圆筒壁的长度为 。该传热过程包括串联的三个环节。（1）以圆筒壁外侧壁面面积为基准的传

3、热系数（工程上常用）rcthhhlhioiooioihdddddhk1ln211l第10章 传热过程分析与换热器的热计算52. 多层圆筒壁共同推导！说明：（1）导热系数（2）表面传热系数h（3）在运行过程中，圆筒壁（圆管）内外侧常会积起各种污垢，传热系数计算式中需增加相应的污垢热阻。（2） 以圆筒壁内侧壁面面积为基准的传热系数oioioiiiddhdddhk1ln211ooiooioiiRhdddddRhk1ln2)1(1oooioioihddddddddhk1ln2ln211111第10章 传热过程分析与换热器的热计算6例题例题 蒸气管道的外径为80mm，壁厚3mm，外侧保有厚40mm的水泥

4、珍珠岩保温层。管内蒸气温度为150，环境温度为20，保温层外表面对环境的复合表面传热系数为7.6W/(m2K)，管内蒸气的表面传热系数为116W/(m2K)，钢管壁的导热系数为46.2 W/(mK)。求每米管长的热损失。分析：该问题属于多层圆筒壁的传热问题。 热损失计算式为 且 关键为保温层导热系数的计算 保温层两侧温度需假设，采用迭代方法计算。oooioioihddddddddhk1ln2ln211111)(21ffottldk2)(000105. 00651. 011wowtt第10章 传热过程分析与换热器的热计算7 对于输送水或压力较高的水蒸汽的保温管道，管内介质的对流换热热阻一般比保温

5、层的热阻要小得多，另金属管道壁的热阻相比其他的热阻也要小很多，尤其是保温层的热阻，因而可取管壁温度等于管内介质的平均温度，取保温层与金属管道壁交界处的温度等于管内介质的平均温度。CttRRttRRRRRRRWKmldhRWKmddlRWKmddlRWKmldhRfiwwfioooiiii1500)(037348. 0,/ )(2168. 01)10160(6 . 711/ )(9191. 080160ln112. 021ln21/ )(000268. 07480ln12 .4621ln21/ )(03708. 01)1074(1161112113213231234213212231第10章 传

6、热过程分析与换热器的热计算8 保温层外表面的温度可以先假定为30，以后再修正，直至两次计算的热损失的相对误差小于工程误差为止。 解： 取 假设Ctw1501Ctwo 30K)W/(m.tt.wow2110745502301500001050065102000105006510WttldkKmWhddddddddhkfofiooooioioi08.73)20150(1)10160(1183. 1)()/(1183. 11316. 07438. 0000135. 001864. 016 . 7180160ln07455. 02101607480ln2 .4621016074160116111ln2

7、ln2113233111第10章 传热过程分析与换热器的热计算9WWttldkKmWhddddddddhkK)W/(m.tt.Cdhttfofiooooioioiwowolofowo46.73%5%52. 0%10046.7308.7346.7346.73)30150(1)10160(1242. 1)()/(1242. 11316. 07391. 0000135. 001864. 016 . 7180160ln07503. 02101607480ln2 .4621016074160116111ln2ln211075030213.39150000105006510200010500651013.

8、391)10160(6 . 708.732032331112113第10章 传热过程分析与换热器的热计算1010.1.3 通过肋壁的传热过程计算通过肋壁的传热过程计算 肋壁定义依附于基础表面的扩展表面 采用肋壁的目的强化传热，一般在表面传热系数较小的壁面侧采用肋壁 分析如图所示的肋壁传热过程。 该传热过程包括串连着的三个环节。 1. 以肋侧总表面积为基准的肋壁传热系数 式中： 为肋面总效率ofoooioioifAAAhAAAAhk21111o第10章 传热过程分析与换热器的热计算11 2. 以无肋的平壁面积为基准的肋壁传热系数 （工程上常采用） 式中： 为肋化系数。 分析： 往往远大于1，而且

9、总可以使 远大于1，使原换热热阻 降到 ，从而使传热量增大。ioooifAAhhk111oooh1oh110.1.4 临界热绝缘直径 以例10-1为例。 4321RRRRttRttfofifofildhRddlRddlRldhRoooiii1,ln21,ln21,14113121第10章 传热过程分析与换热器的热计算12 保温层厚度增加，do增大，R1和R2不变，R3增大，R4减小，总热阻R存在极值，实践表明，R存在极小值，存在最大值，将极值对应的do称谓临界热绝缘直径，其值可通过上式对do求导得到。思考：一般保温动力管道很少考虑临界绝缘直径的问题。原因？oinsochhd221第10章 传热

10、过程分析与换热器的热计算1310.2 10.2 换热器的类型换热器的类型10.2.1 10.2.1 换热器的分类换热器的分类1.换热器的定义：用来使热量从热流体传递到冷流体，以 满足规定的工艺要求的装置。2.换热器的分类：（1）按换热器操作过程分间壁式（recuperators）：冷热流体由壁面隔开，如冷凝器、蒸发器、空气加热器等混合式（direct contact heat exchanger）：冷热流体直接接触、互相混合，如冷却塔等蓄热式（regenerator）或称回热式：冷热流体交替流过同一换热面，如空气预热器等（2）按表面的紧凑程度紧凑式：dh6mm或700m2/m3非紧凑式概念：水

11、力半径流动截面积的4倍除以湿周长dh 传热面积密度每立方米体积中的传热面积第10章 传热过程分析与换热器的热计算14第10章 传热过程分析与换热器的热计算1510.2.2 10.2.2 间壁式换热器的主要型式间壁式换热器的主要型式1.套管式换热器（doublepipe heat exchanger） 最简单的一种间壁式换热器，流体有顺流和逆流两种。第10章 传热过程分析与换热器的热计算162. 管壳式换热器（shell and tube heat exchanger）管程：一种流体从封头进口流进管子里，再经封头流出，此条路径为管程。壳程：另一种流体从外壳的连接管进入换热器，在壳体与管子之间流动

12、，此条路径为壳程。1（壳程）-2（管程）型第10章 传热过程分析与换热器的热计算173. 交叉流换热器（cross flow heat exchanger） 其主要特点是冷热流体呈交叉状流动。第10章 传热过程分析与换热器的热计算184. 板式换热器（plate heat exchanger） 由一组几何结构相同的平行薄平板叠加所组成，两相邻平板之间用特殊设计的密封垫隔开，形成一个通道，冷热流体间隔地在每个通道中流动。5. 螺旋板式换热器（spiral plate heat exchanger） 其换热面系由两块金属板卷制而成，冷、热流体在螺旋状的通道中流动。第10章 传热过程分析与换热器的热

13、计算1910.3.1 简单顺、逆流换热器的平均温差的计算简单顺、逆流换热器的平均温差的计算1. 顺流换热器（parallel flow heat exchanger） （1）平均温差 的引入？ 参照下图。热流体沿程放出热量温度不断下降，冷流体沿程吸热温度上升，且冷热流体之间的温差沿程是不断变化的。 传热方程式则为： （2） 顺流时平均温差的推导 假设：（1）冷热流体的质量流量以及比热容在整个换热面上是常数；(2) 传热系数在整个换热面上是常数；（3）换热器无散热损失；（4）换热面沿流动方向的导热量可以忽略不计。10.3 换热器中传热过程平均温差的计算换热器中传热过程平均温差的计算mtmtkA第

14、10章 传热过程分析与换热器的热计算20第10章 传热过程分析与换热器的热计算21研究图中微元换热面dA一段的传热。在微元面积dA两侧热、冷流体的温差为：)(21attt(b) ddtAk)(dd111ctcqm通过微元面积dA的热量为：热流体放出的热量为：同理，对于冷流体则有)(dd222dtcqm将式(a)微分，并利用式(c)和式(d)的关系，可得)(dd11ddd221121ecqcqtttmm将式(b)代入式(e)得tdAddkt第10章 传热过程分析与换热器的热计算22分离变量得)(dAtdfktxxAttkt0dAtd)(tlngkAtxx积分得(h)exp(txxkAt即，积分结

15、果为 可见，温差随换热面作负指数变化，则沿整个换热面的平均温差可由式（h）导得，为)( 1)exp(t)dAexp(t1 dAt1x0 xx0ikAkAkAAAtxAAmttAAx 时，按式(g)得)(tlnjkAt 第10章 传热过程分析与换热器的热计算23)()exp(tkkAt 将式(j)、式(k)代入式(i)得tlnt1-ttlnt tttttm此温差通常称作对数平均温差 （logarithmic mean temperature difference，LMTD）2. 逆流换热器推导（略）。结果如下，同逆流。tlnt tttm第10章 传热过程分析与换热器的热计算24顺流和逆流的区别在

16、于：顺流和逆流的区别在于：顺流顺流逆流逆流2121tttttt 2112tttttt 对数平均温差写成如下统一形式(顺流和逆流都适用)。minmaxminmaxtlnttttm第10章 传热过程分析与换热器的热计算253. 算术平均温差 相当于假定冷热流体的温度按照线性变化时的平均温度。2minmaxttt算术算术平均温差与对数平均温差的比较当 ，两者的差别小于4%。0 . 2/minmaxtt第10章 传热过程分析与换热器的热计算2610.3.2 10.3.2 其他复杂布置时平均温差的计算其他复杂布置时平均温差的计算在上面所介绍的间壁式换热器的5种主要型式中，套管式换热器及螺旋板式换热器的平

17、均温差可以方便地按逆流或顺流布置的公式来计算。其他型式的换热器的平均温差可以采用下式计算：ctfmmtt)(是小于1的修正系数。图10-23 10-26分别给出了管壳式换热器和交叉流式换热器的 。10.3.3 10.3.3 不同流动布置形式的比较不同流动布置形式的比较（1）在相同的进、出口温度条件下，逆流的平均温差最大，顺流的平均温差最小。（2）逆流换热器，冷热流体的高温集中在换热器的同一端，对于高温换热器，应该注意避免。（3）换热器发生相变的情况。此类换热器无所谓顺流和逆流。第10章 传热过程分析与换热器的热计算27（4）蛇形管束的传热，只要管束的曲折次数超过4次，就可按总体流动方向作为纯逆

18、流和纯顺流来处理。第10章 传热过程分析与换热器的热计算28例题例题 在一台螺旋板式换热器中，热水流量为2000kg/h，冷水流量为3000kg/h；热水进口温度为80，冷水进口温度为10。如果要求将冷水加热到30，试求顺流和逆流时的平均温差。 分析：分析： 热平衡方程式 对数平均温差 思考：思考：温度沿程变化（逆流）：温差大的一侧，曲线斜率大？ )()(22221111ttcqttcqmm tlnt tttm第10章 传热过程分析与换热器的热计算29第10章 传热过程分析与换热器的热计算3010.4 10.4 间壁式换热器的热设计间壁式换热器的热设计10.4.1 两种类型的设计和两种设计方法

19、两种类型的设计和两种设计方法1. 两种类型的设计(1)设计计算（design calculation）：设计一个新的换热器，以确定所需的换热面积。(2)校核计算（performance calculation）：对已有或已选定了换热面积的换热器，在非设计工况条件下，核算他能否胜任规定的换热任务。换热器热计算的基本方程式是传热方程式及热平衡方程式：mtkA)()(22221111ttcqttcqmm 第10章 传热过程分析与换热器的热计算31两种类型的设计中的变量情况。设计计算：给定的是 和4个进、出口温度中的3个温度 求解的是 和校核计算：给定的是 ， 和2个进口温度 求解的是出口温度kAAA

20、2211,cqcqmm2211,cqcqmm21,tt 21,tt2. 两种设计方法（1）平均温差法：直接利用传热方程计算传热量（校核计算）或传热面积（设计计算）。（2）传热单元数法：引入换热器的效能（effectiveness of heat exchanger）和传热单元数（number of heat exchanger），进行设计计算和校核计算。10.4.2 换热器热计算的平均温差法换热器热计算的平均温差法1. 设计计算步骤第10章 传热过程分析与换热器的热计算32（1）初步布置换热面，并计算出相应的总传热系数k。（2）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。（3）

21、由冷热流体的4个进出口温度确定平均温差，计算时要注意修正系数具有合适的数值。 （4）由传热方程式计算所需的换热面积A，并核算换热面流体的流动阻力。（5）如果流动阻力过大，则需要改变方案重新设计。2. 校核计算步骤（1）先假设一个流体的出口温度，按热平衡方程式求出另一个流体的出口温度。（2）根据4个进、出口温度求得平均温差。（3）根据换热器的结构，算出相应工作条件下传热系数的值。（4）已知kA和平均温差，按传热方程式求出传热量，记为ht。（5）用热平衡方程式求得传热量，记为hh。（6）比较步骤（4）和（5）中求得的ht与hh值。两者的误差应小于2%5%。否则重复步骤（1）（6）。第10章 传热过

22、程分析与换热器的热计算33例题例题 流量为39m3/h的30号透平油，在冷油器中从56.9冷却到45。冷油器采用1-2型壳管式结构，管子为铜管，外径为15mm，壁厚1mm。每小时47.1t的河水作为冷却水在管侧流过，进口温度为33。油安排在壳侧。油侧的表面传热系数为450W/(m2K)，水侧的表面传热系数为5850W/(m2K) 。已知30号透平油在运行温度下的物性：密度为879kg/m3，比热为1.95kJ/(kgK)。试求所需传热面积。分析：分析：设计计算计算：计算：（1）据热平衡方程式求出冷却水的出口温度及传热量；（2）计算对数平均温差及修正；（3）计算传热系数（注意：污垢热阻的考虑！注

23、意：污垢热阻的考虑！）； （4）计算所需的传热面积。第10章 传热过程分析与换热器的热计算3410.4.3 换热器热设计的效能传热单元数法换热器热设计的效能传热单元数法1. 换热器效能的定义21max21min222221min1111)()()()()()()(ttttttcqttcqttcqttcqmmmm 换热器最大可能换热量换热器的实际换热量换热器热交换的热量)()(21minttcqm第10章 传热过程分析与换热器的热计算35顺流（推导略）逆流（推导略）maxminmaxmin)()(1)()(1 NTUexp1cqcqcqcqmmmmmin)(NTUcqkAm)()(1 (NTUe

24、xp)()(1 ()()(1 NTUexp1maxminmaxminmaxmincqcqcqcqcqcqmmmmmmNTU称为传热单元数，在一定程度上表征了换热器综合技术经济性能。2. 顺流和逆流时换热器效能的计算第10章 传热过程分析与换热器的热计算36（1）当冷热流体之一发生相变时，相当于 ，即 ，于是上面效能公式可简化为max)(cqm0)()(maxmincqcqmmNTUexp1（2）当两种流体的热容相等时，即 公式可以简化为1)()(maxmincqcqmm2NTU2exp1NTU1NTU顺流：逆流：（顺流及逆流均适用）换热器效能的影响因素)(maxmincqcqNTUfmm（，流

25、动形式，3. 用传热单元数表示的效能计算公式与图线换热器的效能传热单元数关系图参照教材。第10章 传热过程分析与换热器的热计算374.用效能-传热单元数法计算换热器的步骤校核计算（1）假设一个流体的出口温度，利用热平衡式计算另一个流体的出口温度。（2）利用热平衡式计算换热量。（3）利用四个进出口温度计算定性温度，确定物性，并结合换热器结构，计算总传热系数k。（4）利用k, A及冷热流体的水当量计算NTU。（5）据流动形式，水当量之比，NTU查图得出换热器的效能。（6）利用公式计算出换热量。（7）比较步骤（2） 与步骤（6） 中所求的换热量，两者之差小于2%5%。否则重复上述步骤。第10章 传热

26、过程分析与换热器的热计算38例题例题 流量为39m3/h的30号透平油，冷油器的进口油温为58.7。冷油器采用1-2型壳管式结构，管子为铜管，外径为15mm，壁厚1mm。每小时47.1t的河水作为冷却水在管侧流过，进口温度为33。油安排在壳侧。油侧的表面传热系数为450W/(m2K)，水侧的表面传热系数为5850W/(m2K) 。已知30号透平油在运行温度下的物性：密度为879kg/m3，比热为1.95kJ/(kgK)。传热面积为51.5m2，求出出口油温和出口水温。分析：分析：换热器运行中经常会发生运行条件的改变，称为变工况变工况，进口油温的变化是一种可能的变工况，校核计算。计算：计算：（1）计算水当量之比及，进而查图得出效能；（2）计算传热量；（3）由热平衡式分别求出出口油温和出口水温。)()(21minttcqm22221111,cqttcqttmm 第10章 传热过程分析与换热器的热计算3910.4.4 10.4.4 换热器的污垢热阻换热器的污垢