第十章 传热过程分析与换热器计算

1、 河海大学常州校区u复合传热问题的分析计算复合传热问题的分析计算u对数平均温压的概念及计算对数平均温压的概念及计算u传热过程的强化与削弱措施传热过程的强化与削弱措施u换热器的基本知识和计算过程换热器的基本知识和计算过程第十章第十章 传热过程分析与换热器热计算传热过程分析与换热器热计算重点内容重点内容 河海大学常州校区10-1 传热过程的分析和计算传热过程的分析和计算10-2 换热器的类型换热器的类型 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10-4 间壁式换热器的热设计间壁式换热器的热设计 10-5 传热的强化和隔热保温技术传热的强化和隔热保温技术 河海大学常州校

2、区10-1 传热过程的分析和计算传热过程的分析和计算 河海大学常州校区 河海大学常州校区传热方程式传热方程式 12()ffkA ttkA t （1-11） 传热系数（量纲同传热系数（量纲同 h， 2()Wm ）一、通过平壁的传热一、通过平壁的传热1、通过单层壁的传热、通过单层壁的传热 如图如图 传热系数：传热系数： 12111khh（10-1）即（）即（1-12） 河海大学常州校区二、通过圆管壁的传热二、通过圆管壁的传热 1、单壁、单壁 如图如图 三个传热环节三个传热环节 ()iifiwiAh tt ()1ln()2wiwooittddl ()oowofoA h tt ， ， ， WWW相等，

3、变形为相等，变形为 fiwiiitth Aln2owiwoidttldwofoootth A(2-28)牛顿冷牛顿冷却公式却公式 河海大学常州校区三式相加：三式相加： 111111(ln)(ln)22oooofifoiiioooiiiodAAdttAhldA hAhAldh 0000001111(ln)2iiidddAh ddhA k 0000()()fiffifkA ttk d l tt （10-3） 以管外侧面积为基准的传热系数以管外侧面积为基准的传热系数 111ln2oooiiiokdddh ddh（10-4） 1111ln2ooiiioodkAh Aldh A（10-5） 00iiAd

4、 lAd l 河海大学常州校区2、多层壁（、多层壁（ j层）层） 12()ffkA tt 12121111111111lnlnlnln2joooiiijjjjokddddddh dddddh1111111lnln22ooooooiiioiiiokddddddh ddhh ddh比较单层壁：比较单层壁：（1）多层平壁：）多层平壁：12111jjjkhh（2）多层管壁：）多层管壁：()ofifokA tt 河海大学常州校区三、临界热绝缘直径三、临界热绝缘直径 1、散热量与热绝缘层外径的关系、散热量与热绝缘层外径的关系 00000000()111111lnln22iiiiiiiittl ttddAh

5、ldA hhddh d 0d 001h d（外侧面积增大，对流换热量（外侧面积增大，对流换热量 ） 01ln2idd （绝缘层厚度增大，（绝缘层厚度增大，导热热阻增加，导热热阻增加， ） 上式中：上式中： 河海大学常州校区10-2 河海大学常州校区2、临界绝缘直径、临界绝缘直径 crd的大小的大小 令令 020002000011()()20111ln2iiiil ttdh dddddhddh d 002crddh（10-8） d0dcr,利于保温利于保温d0 4，则可作为纯，则可作为纯顺流顺流或或逆流逆流处理处理修正系数，修正系数，见图见图10-23，10-242、交叉流换热器、交叉流换热器(

6、1)一次一次交叉流换热器交叉流换热器mt计算同样用计算同样用式（式（10-12）， 见见图图10-25，10-26(2) 蛇形管束蛇形管束换热器（换热器（多次多次交叉）交叉）用式（用式（10-11）计算）计算ctfmmtt)( 河海大学常州校区关于关于 的注意事项的注意事项（1 1） 值取决于无量纲参数值取决于无量纲参数 P P和和 R R22111222,ttttPRtttt式中：下标式中：下标1、2分别表示两种流体，上角标分别表示两种流体，上角标 表示进口，表示进口， 表示出口，图表中均以表示出口，图表中均以P为横坐标，为横坐标，R为参量。为参量。（3 3）R R的物理意义：两种流体的热容

7、量之比的物理意义：两种流体的热容量之比1122221 1mmttqcRttq c（2 2）P P的物理意义：流体的物理意义：流体2 2的实际温升与理论上所能达到的实际温升与理论上所能达到 的最大温升之比，所以只能小于的最大温升之比，所以只能小于1 1（4 4） 对于管壳式换热器，查图时需要注意流动的对于管壳式换热器，查图时需要注意流动的“程程”数数 河海大学常州校区【例】某换热器，壳侧热流体的进出口温度分别为【例】某换热器，壳侧热流体的进出口温度分别为 300300和和150150，管侧冷流体的进出口温度分别为，管侧冷流体的进出口温度分别为3535和和8585。求该换热器分别布置为纯逆流纯顺流

8、。求该换热器分别布置为纯逆流纯顺流及一次叉流时的平均温差。及一次叉流时的平均温差。【解【解】 （1 1）逆流布置）逆流布置tm=( tmax- tmin)/ln(tmax/tmintm=( tmax- tmin)/ln(tmax/tmin) )=(300-85)-(150-35)/ln(300-85)/(150-35)=159.8 =(300-85)-(150-35)/ln(300-85)/(150-35)=159.8 （2 2） 顺流布置顺流布置tm=( tmax- tmin)/ln(tmax/tmintm=( tmax- tmin)/ln(tmax/tmin) ) = (300-35)-(

9、150-85)/ln(300-35)/(150-85) = (300-35)-(150-85)/ln(300-35)/(150-85) =142.3 =142.3 河海大学常州校区(3) (3) 叉流布置叉流布置P=(t2”-t2)/ (t1-t2)=(85-35)/(300-35)=0.19R=(t1-t1”)/(t2”-t2)=(300-150)/(85-35)=3从图从图10-2510-25（P P480480）查得修正系数）查得修正系数=0=0.97.97，所以，所以tm= ( tmax- tmin)/ln(tmax/tmintm= ( tmax- tmin)/ln(tmax/tmin

10、) ) =0.97 =0.97159.8=155 159.8=155 由上述计算可知，逆流布置的对数温差最大，即由上述计算可知，逆流布置的对数温差最大，即若换热量相同传热系数相同时，逆流式换热器所需若换热量相同传热系数相同时，逆流式换热器所需的换热面积最小。的换热面积最小。t1t2t2”t1” 河海大学常州校区例：为了得到热水，例：为了得到热水，0.361 MPa (ts=140) 的水蒸气在管的水蒸气在管外凝结（如图所示），冷却水在盘管内流动，冷水进换热外凝结（如图所示），冷却水在盘管内流动，冷水进换热器时的温度为器时的温度为25，加热到，加热到95，画出换热器冷热流体的，画出换热器冷热流体

11、的温度变化曲线，并求其对数平均温差。温度变化曲线，并求其对数平均温差。 )C(6 .7445115ln709514025140ln)95140()25140(mt 河海大学常州校区10-410-4间壁式换热器的热设计间壁式换热器的热设计换热器热计算换热器热计算 设计计算设计计算（全新设计，求换热面积（全新设计，求换热面积 A） 校核计算校核计算 （已有设备，求出口温度（已有设备，求出口温度 1t， 2t） 河海大学常州校区一、换热器热计算的基本方程式一、换热器热计算的基本方程式 1、传热方程式、传热方程式 mkA t （10-14） 2、热平衡方程式、热平衡方程式 1 111( )mq c t

12、t （10-15） maxminmaxminlnmttttt（10-12） 2222( )mq c tt 共共4个方程式个方程式 河海大学常州校区2）设计计算（设计工况）设计计算（设计工况）1 1mq c已知， 22mq c， 任意任意3个端温个端温 kA3）校核计算（非设计工况，即变工况）校核计算（非设计工况，即变工况） kA已知， 1 1mq c， 22mq c， 1t， 2t 1t， 2t1）变量数）变量数 kA， 1 1mq c， 22mq c， ， mt9个个 1t， 1t2t， ， 2t（给出（给出5个已知数，有个已知数，有4个方程，可求解）个方程，可求解）分析：分析： 河海大学常

13、州校区二、设计计算二、设计计算平均温差法平均温差法步骤步骤：1、由、由式（式（10-15）求求 2t， 2、确定换热器型式、布置换热面、确定换热器型式、布置换热面由由式（式（10-12）求求 mt注意修正系数注意修正系数 （0.9）3、计算、计算 k，（，（ h已知，） 4、由、由式（式（10-14）求出求出 kAA 5、核算两侧流体的流阻，若流阻太大（流体力学的、核算两侧流体的流阻，若流阻太大（流体力学的知识），知识）， 改设计方案改设计方案1 1mq c已知， 22mq c， kA2t1t1t， ， 1 1112 222( )( )mmq c ttq c tt mkA t maxminma

14、xminlnmttttt 河海大学常州校区对于对于校核计算（已知校核计算（已知 ，及两个进口温度，及两个进口温度，求求 ）(1)(1)先假设一个流体的出口温度，按热平衡式计算先假设一个流体的出口温度，按热平衡式计算另一个出口温度另一个出口温度（2 2）根据）根据4 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（3 3）根据换热器的结构，算出相应工作条件下的总传热系）根据换热器的结构，算出相应工作条件下的总传热系数数k k（4 4）已知）已知kAkA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（5 5）根据）根据4 4个进出口温度，用热平衡式计算另一个个进

15、出口温度，用热平衡式计算另一个 ，这，这个值和上面的个值和上面的 ，都是在假设出口温度下得到的，因此，都是在假设出口温度下得到的，因此，都不是真实的换热量都不是真实的换热量（6 6）比较两个）比较两个 值，满足精度要求，则结束，否则，重新假定出口温值，满足精度要求，则结束，否则，重新假定出口温度，重复度，重复(1)(6)(1)(6)，直至满足精度要求。，直至满足精度要求。1 122,mmA qc qc12tt，mtmt1211 111( )mq c tt 2222( )mq c tt mkA t maxminmaxminlnmttttt三、校核计算三、校核计算（变工况计算）（变工况计算） 河海

16、大学常州校区二、传热单元数（二、传热单元数（-NTU法）法） 1、定义换热器的效能、定义换热器的效能 1122max1212max ,tttttttttt（10-16） 则则 minmaxmq ctt 注意注意式（式（10-15）热平衡热平衡 121 122mmttq cq c 12minmq ctt（10-17） 表示换热器的实际换热效果与最大可能的表示换热器的实际换热效果与最大可能的换热效果之比换热效果之比 河海大学常州校区 2、推导、推导的表达式的表达式 以纯顺流为例以纯顺流为例 设设 1 122mmq cq c，则，则 12tt 1112tttt（a） 根据热平衡根据热平衡式（式（9-

17、15） 1 1112222( )( )mmq c ttq c tt1 1221122( )mmq cttttqc( b )（a）（）（b）相加：）相加： 1 112121222( )( )1( )mmq cttttttq c1 112122211mmq cttttq c （c） max12tttt1112tttt（a） 河海大学常州校区1 12211mmttq cq c顺流顺流 1212exp()kAtttekAttt其中其中 1 12211mmq cqc，代入上式得：，代入上式得： 1 11 1221 1221 exp11mmmmmq ckAq cq cq cq c(e) 河海大学常州校区

18、同理，设同理，设 1 122mmq cq c，则，则 12tt ，可得，可得 22221 1221 11 exp11mmmmmq ckAq cq cq cq c(f) 综上两式可得：综上两式可得： minminmaxminmax1 exp11mmmmmq ckAq cq cq cq c(g) 河海大学常州校区令令 minmkAq cNTU (10-18) 无量纲无量纲 22()()Wmmkg sJkg上式成为上式成为 minmaxminmax1 exp11mmmmq cq cq cq cNTU(10-19) 河海大学常州校区类似可推导逆流时，得：类似可推导逆流时，得： minmaxminmin

19、maxmax1 exp11exp1mmmmmmq cq cq cq cq cq cNTUNTU(10-20) 河海大学常州校区特例：特例：1）某侧流体（蒸发器、冷凝器等）发生相变，）某侧流体（蒸发器、冷凝器等）发生相变，则则 1t或或 20t（式（式（10-19）、（）、（10-20）只适用于纯顺流或逆流布置的换热器）只适用于纯顺流或逆流布置的换热器） 1maxmq ct 或或 max2()mq ct maxmq c即即 minmax0mmq cq c于是于是 1 exp NTU(10-21) 同时适合顺、逆流同时适合顺、逆流 河海大学常州校区2）当）当 1 122mmq cq c时，即时，即

20、 minmax1.0mmq cq c则则 顺流顺流 ： 1 exp22NTU(10-22) 逆流逆流 ： NTU1+NTU(10-23) 说明：说明： 的大小计算的大小计算 1）可用以上各式计算，但只适用于纯顺流、逆流）可用以上各式计算，但只适用于纯顺流、逆流 布置的换热器布置的换热器2）复杂流动可查）复杂流动可查图图10-3010-353）计算）计算 （不需要出口温度（不需要出口温度 1t， 2t） 河海大学常州校区3、 NTU法进行校核计算的步骤法进行校核计算的步骤 1） 1 12 212mmkAq cq ctt已知、 、2）算出）算出NTU和和 minmaxmmq cq c，（，（NTU

21、 minmkAq c）3）根据换热器型式查）根据换热器型式查图图10-30 10-35某一个图某一个图 （注：对于可作纯顺流或逆流处理的换热器亦可用（注：对于可作纯顺流或逆流处理的换热器亦可用 式（式（10-19）、（）、（10-20）等计算）等计算 ）4）由）由式（式（10-17），求，求 12min( )mq ctt 5）热平衡）热平衡式（式（10-15） 1t， 2t k1 1112 222( )( )mmq c ttq c tt 河海大学常州校区4、 换热器的污垢热阻换热器的污垢热阻u一个现实的、重要的、无法回避的问题一个现实的、重要的、无法回避的问题.u换热器的换热器的污垢污垢（fo

22、ulant），通常是指含有），通常是指含有多种杂质、污物及化学成分的工艺流体或多种杂质、污物及化学成分的工艺流体或冷却水在换热表面上逐步沉积形成的一层冷却水在换热表面上逐步沉积形成的一层固态物质固态物质.u水垢的导热热阻大约是碳钢的水垢的导热热阻大约是碳钢的40 50倍，倍，是铝材的是铝材的160 240倍倍. 河海大学常州校区电厂锅炉过热器长期运行以后所形成的垢电厂锅炉过热器长期运行以后所形成的垢. 河海大学常州校区u污垢的种类很多，成分各式各样污垢的种类很多，成分各式各样. 主要有：结晶、颗粒、生物和微生物、主要有：结晶、颗粒、生物和微生物、化学反应、腐蚀和冻结等化学反应、腐蚀和冻结等.u

23、影响因素亦非常复杂影响因素亦非常复杂. 温度、介质的流速和结垢物质的浓度温度、介质的流速和结垢物质的浓度.u污垢形成的机理十分复杂污垢形成的机理十分复杂. . 垢阻的具体数值垢阻的具体数值至今无法作准确预测和至今无法作准确预测和计算，唯一可靠的办法是实际测量计算，唯一可靠的办法是实际测量. . 河海大学常州校区测出相同运行工况下有垢和无垢时换热测出相同运行工况下有垢和无垢时换热器的器的总传热系数，就可以得出污垢热阻总传热系数，就可以得出污垢热阻.u为了最大限度地减少因结垢造成的经济损为了最大限度地减少因结垢造成的经济损失，必须研究并掌握污垢的形成机理，防失，必须研究并掌握污垢的形成机理，防止、

24、抑制措施以及污垢的在线监测和除垢止、抑制措施以及污垢的在线监测和除垢的方法。的方法。u表表10-1、10-2、10-3、10-4给出各种工质污给出各种工质污垢热阻的推荐数值。垢热阻的推荐数值。0f11kkR 河海大学常州校区 10-5 传热的强化和隔热保温技术传热的强化和隔热保温技术强化传热的目的：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。削弱传热的目的：削弱传热的目的：减少热量损失减少热量损失 河海大学常州校区 强化传热强化传热 1. A 2. t3. Rt 4. K减弱减弱传热传热1. A2. t3. Rt4. KttkA tR 河海大

25、学常州校区1、增强传热的方法、增强传热的方法 （1 1）扩展传热面）扩展传热面 扩展传热壁换热系数小的一侧的面积，是增强扩展传热壁换热系数小的一侧的面积，是增强传热中使用最广泛的一种方法，如肋壁、肋片管、传热中使用最广泛的一种方法，如肋壁、肋片管、波纹管、板翅式换热面等，它使换热设备传热系数波纹管、板翅式换热面等，它使换热设备传热系数及单位体积的传热面积增加，能收到高效紧凑的效及单位体积的传热面积增加，能收到高效紧凑的效益。益。 （2 2）改变流动状况）改变流动状况 增加流速、增强扰动、采用旋流及射流等都能增加流速、增强扰动、采用旋流及射流等都能起增强传热的效果，但这些措施将引起流动阻力的起增

26、强传热的效果，但这些措施将引起流动阻力的增加。增加。 河海大学常州校区a a、增加流速、增加流速 增加流速可改变流态，提高紊流强度。增加流速可改变流态，提高紊流强度。b b、流道中加插入物增强扰动、流道中加插入物增强扰动 在管内或管外加进插入物，如金属丝、在管内或管外加进插入物，如金属丝、金属螺旋环、盘片、麻花铁、翼形物，以及金属螺旋环、盘片、麻花铁、翼形物，以及将传热面做成波纹状等措施都可增强扰动、将传热面做成波纹状等措施都可增强扰动、破坏流动边界层，增强传热。破坏流动边界层，增强传热。 河海大学常州校区c c、采用旋转流动装置、采用旋转流动装置 在流道进口装涡流发生器，使流体在一在流道进口

27、装涡流发生器，使流体在一定压力下从切线方向进入管内作剧烈的旋转定压力下从切线方向进入管内作剧烈的旋转运动，用涡旋流动以强化传热。运动，用涡旋流动以强化传热。d d、采用射流方法喷射传热表面、采用射流方法喷射传热表面 由于射流撞击壁面，能直接破坏边界层，由于射流撞击壁面，能直接破坏边界层，故能强化换热。它特别适用于强化局部点的故能强化换热。它特别适用于强化局部点的传热。传热。 河海大学常州校区（3 3）使用添加剂改变流体物性）使用添加剂改变流体物性 流体热物性中的导热系数和比热对换热流体热物性中的导热系数和比热对换热系数的影响较大。在流体内加入一些添加剂系数的影响较大。在流体内加入一些添加剂可以

28、改变流体的某些热物理性能，达到强化可以改变流体的某些热物理性能，达到强化传热的效果。添加剂可以是固体或液体，它传热的效果。添加剂可以是固体或液体，它与换热的主流体组成气与换热的主流体组成气- -固、液固、液- -固、汽固、汽- -液以液以及液及液- -液混合流动系统。液混合流动系统。 河海大学常州校区a a、气流中添加少量固体颗粒、气流中添加少量固体颗粒 固体颗粒提高了流体的容积比热和它的固体颗粒提高了流体的容积比热和它的热容量，增强气流的扰动程度，固体颗粒与热容量，增强气流的扰动程度，固体颗粒与壁面撞击起到破坏边界层和携带热能的作用，壁面撞击起到破坏边界层和携带热能的作用，增强了热辐射。增强

29、了热辐射。b b、在蒸汽或气体中喷入液滴、在蒸汽或气体中喷入液滴 在蒸汽中加入珠状凝结促进剂；在蒸汽中加入珠状凝结促进剂； 在空气冷却器入口喷入水雾，使气相换在空气冷却器入口喷入水雾，使气相换热变为液膜换热。热变为液膜换热。 河海大学常州校区（4）改变表面状况）改变表面状况a a、增加粗糙度、增加粗糙度b b、改变表面结构、改变表面结构c c、表面涂层、表面涂层 河海大学常州校区（5）改变换热面形状和大小）改变换热面形状和大小（6）改变能量传递方式）改变能量传递方式 由于辐射换热与热力学温度由于辐射换热与热力学温度4 4次方成比例，一次方成比例，一种在流道中放置种在流道中放置“对流对流- -辐

30、射板辐射板”的增强传热方法的增强传热方法正逐步得到重视。正逐步得到重视。 河海大学常州校区（7）靠外力产生振荡，强化换热）靠外力产生振荡，强化换热 用机械或电的方法使传热面或流体产生振动；用机械或电的方法使传热面或流体产生振动； 对流体施加声波或超声波，使流体交替地受到压对流体施加声波或超声波，使流体交替地受到压缩和膨胀，以增加脉动；缩和膨胀，以增加脉动； 外加静电场，对流体加以高电压而形成一个非均外加静电场，对流体加以高电压而形成一个非均匀的电场，静电场使传热面附近电介质流体的混匀的电场，静电场使传热面附近电介质流体的混合作用加强，强化了对流换热。合作用加强，强化了对流换热。 河海大学常州校

31、区2、隔热保温技术、隔热保温技术 绝热技术（隔热保温技术）对于减少热力设绝热技术（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。在新备的热损失、节约能源具有显著经济效益。在新技术领域，绝热技术对于实现某些过程具有特别技术领域，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，机等）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。隔热若无适当的绝热措施，将导致飞行器烧毁。隔热保温技术涉及到电力、冶金、化工、石油、低温、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，目前已发展成为约能源、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。传热学应用技术中的一个重要分支。 河海大学常州校区3 确定传热过程分热阻的威尔逊图解法（自学）确定传热过程分热阻的威尔