华科传热学20-08

1、2022-5-231主讲：刘志春主讲：刘志春能源与动力工程学院能源与动力工程学院华中科技大学华中科技大学2022-5-2328-1 传热过程传热过程 8-2 换热器的类型换热器的类型8-3 换热器的传热计算换热器的传热计算 2022-5-2331 通过平壁的传热过程通过平壁的传热过程 传热过程是定义为热流体通过固体壁面把热传热过程是定义为热流体通过固体壁面把热量传给冷流体的综合热量传递过程。量传给冷流体的综合热量传递过程。 tkFQQ为冷热流体之间的传热热流量，为冷热流体之间的传热热流量，W；F为为传热面积，传热面积，m2； 为热流体与冷流体间的为热流体与冷流体间的某个平均温差某个平均温差oC

2、；k为传热系数，为传热系数，W/( oC)。 t2022-5-234tf1 h1 tw1 q tw2 h2 tf2 如图的传热系统由热流体与平壁表如图的传热系统由热流体与平壁表面之间的换热过程、平壁的导热过面之间的换热过程、平壁的导热过程和冷流体与平壁表面的换热过程程和冷流体与平壁表面的换热过程组成。组成。 今设热、冷流体的温度分别为今设热、冷流体的温度分别为tf1和和tf2，换热系数分别为换热系数分别为h1和和h2,平壁的厚度为平壁的厚度为，而平壁两边的温度分别为，而平壁两边的温度分别为tw1和和tw2，于是在稳态条件下通过平壁的热流量于是在稳态条件下通过平壁的热流量可以写为如下的热阻形式：

3、可以写为如下的热阻形式： 222211w1f111 t-tFhttFttFhQfwww2022-5-235222211w1f111 t-tFhttFttFhQfwww)(11 t-t2121f2f1ffttkhhq111)11(hhk为通过平壁传热的传热为通过平壁传热的传热系数，单位为系数，单位为W/(m2)。 2022-5-236对流换热与辐射换热同时存在的换热过程称对流换热与辐射换热同时存在的换热过程称为为复合换热复合换热 。为了计算方便，通常将辐射换热量折合成对为了计算方便，通常将辐射换热量折合成对流换热量，引入辐射表面传热系数流换热量，引入辐射表面传热系数hr rrwfQhF ttQr

4、为辐射换热量。为辐射换热量。 复合表面传热系数等于对流表面传热系数复合表面传热系数等于对流表面传热系数hc与辐射表面传热系数与辐射表面传热系数hr之和之和 2022-5-237总换热量可以写成：总换热量可以写成： crhhhcrcrwfwfQQQhhF tthF tt2 通过圆筒壁的传热通过圆筒壁的传热 该传热系统由热流体与圆筒壁表面之间的换热该传热系统由热流体与圆筒壁表面之间的换热过程、圆筒壁的导热过程和冷流体与圆筒壁表过程、圆筒壁的导热过程和冷流体与圆筒壁表面的换热过程组成。面的换热过程组成。 2022-5-238tf1 h1 Q d1 h2 tf2 d2 今设热、冷流体的温度分别为今设热

5、、冷流体的温度分别为tf1和和tf2，换热系数分别为，换热系数分别为h1和和h2,圆筒壁圆筒壁的内外直径以及长度分别为的内外直径以及长度分别为d1、d2和和l,而圆筒壁内外壁面的温度分别而圆筒壁内外壁面的温度分别为为tw1和和tw2，于是在稳态条件下通，于是在稳态条件下通过圆筒壁的传热热流可以写为如下过圆筒壁的传热热流可以写为如下的热阻形式：的热阻形式： 2222122111w1f11211 t-tlhdttddnlttlhdQfwww2022-5-2392222122111w1f11211 t-tlhdttddnlttlhdQfwww221211f2f11211 t-tlhdddnllhdQ

6、在定义通过圆筒壁传热的传热系数时，必须在定义通过圆筒壁传热的传热系数时，必须首先确定传热系数的定义表面。首先确定传热系数的定义表面。 以圆筒壁的外壁面作为计算面积，那么传热以圆筒壁的外壁面作为计算面积，那么传热系数的定义式可以写为系数的定义式可以写为 )(2122ffttlkdQ212211212d1hddndhdk2022-5-2310如果以圆筒壁的内壁面作为计算面积，那么如果以圆筒壁的内壁面作为计算面积，那么传热系数的定义式可以写为传热系数的定义式可以写为 )(2111ffttlkdQ基于圆筒壁内壁面的传热系数的表达式：基于圆筒壁内壁面的传热系数的表达式： 221211f2f11211 t

7、-tlhdddnllhdQ22112111d211hdddndhk2022-5-2311在传热表面加上保温层能够起到减少传热的作在传热表面加上保温层能够起到减少传热的作用。但是在圆筒壁面上增加保温层却有可能导用。但是在圆筒壁面上增加保温层却有可能导致传热量的增大。致传热量的增大。 221211f2f11211 t-tldddnlldQ0 0 d dc c d dR RR Rc c传热过程的总热阻会存在传热过程的总热阻会存在一个极小值一个极小值, ,这就对应着一这就对应着一个传热量的最大值。那么，个传热量的最大值。那么，在对应总热阻极小值的外在对应总热阻极小值的外直径直径d d2 2被称为被称为

8、临界热绝缘临界热绝缘直径直径, ,记为记为d dc c。 2022-5-2312对方程求保温层外直径对方程求保温层外直径d2的导数，并令其为零的导数，并令其为零 01211121)(2212112222212dddndddttldddQff临界热绝缘直径的计算表达式临界热绝缘直径的计算表达式: cdd222对一般动力管道，对一般动力管道， =0.1W/(mK)，ho=9W/(m2K)，dc = 20.1/9 = 0.022 m = 22 mm，一般动力管道外径均大于此值，不必，一般动力管道外径均大于此值，不必考虑临界直径问题。考虑临界直径问题。2022-5-23133 通过肋壁的传热通过肋壁的

9、传热 tfihi twi Ab AfAi two Ao tfo h0图中给出了一侧有肋化表面图中给出了一侧有肋化表面的通过平壁的传热传热过程。的通过平壁的传热传热过程。 ooofowoiwowiiiwifihAttAtthAttQ11o为为肋面效率肋面效率，可以由肋化表面，可以由肋化表面的热平衡关系导出的热平衡关系导出 。2022-5-2314tfihi twi Ab AfAi two Ao tfo h0对于肋化侧有对于肋化侧有 ）（fowoobtthAQ肋面总效率肋面总效率 offboAAAAb为肋基面积；为肋基面积；Af为肋面面积；为肋面面积；AoAbAf为肋侧总面积。为肋侧总面积。 ）（

10、fowoofftthA）（fowooootthA2022-5-2315ooofowoiwowiiiwifihAttAtthAttQ11通过肋壁传热的传热量计算关系式：通过肋壁传热的传热量计算关系式： )()(11fofioofofiiioooiiifofittAkttAkhAAhAttQioAA为为肋化系数肋化系数 ooiihhk111ooiohhk112022-5-2316ioAAooiihhk111从从的表达式可以看出，由于的表达式可以看出，由于值远大于值远大于1，而，而使使0 的值总是远大于的值总是远大于1，这就使肋化侧的热，这就使肋化侧的热阻阻1/ 0 h2显著减小，从而增大传热系数显

11、著减小，从而增大传热系数ki的的值。值。 0 的大小取决于肋高与肋间距。增加的大小取决于肋高与肋间距。增加肋高可以加大肋高可以加大 ，但增加肋高会使肋片效率，但增加肋高会使肋片效率降低，从而使肋面总效率降低。降低，从而使肋面总效率降低。2022-5-2317减小肋间距，即使肋片加密也可以加大减小肋间距，即使肋片加密也可以加大 ，但肋间距过小会增大流体的流动阻力，使肋但肋间距过小会增大流体的流动阻力，使肋间流体的温度升高，降低传热温差，不利于间流体的温度升高，降低传热温差，不利于传热。传热。所以应该合理地选择肋高和肋间距，使所以应该合理地选择肋高和肋间距，使ki具具有最佳值。有最佳值。此外，由于

12、肋化侧的几何结构一般比较复杂，此外，由于肋化侧的几何结构一般比较复杂，其表面传热系数的确定常常是比较困难的，其表面传热系数的确定常常是比较困难的，多为实验研究的结果。多为实验研究的结果。 2022-5-2318换热器：用来将高温流体的热量传递给低温换热器：用来将高温流体的热量传递给低温流体的装置流体的装置换热器应用换热器应用石油化工：石油化工：石化行业中，各种换热器占设备石化行业中，各种换热器占设备总投资的总投资的40%40%以上。以上。 2022-5-2319交通运输行业：交通运输行业： 动力机车发动机工作时产动力机车发动机工作时产生的大量热量也是依靠换热器散失到环境生的大量热量也是依靠换热

13、器散失到环境中去的中去的动力工程行业：动力工程行业：无论是火力发电厂还是核无论是火力发电厂还是核电厂，要实现将低品位的热能向高品位的电厂，要实现将低品位的热能向高品位的电能的转化，其中必不可少的环节便是大电能的转化，其中必不可少的环节便是大量的换热器量的换热器2022-5-2320航空航天行业：航空航天行业：航空发动机的叶片、火箭发航空发动机的叶片、火箭发射冷却装置等是航空航天领域应用换热器的射冷却装置等是航空航天领域应用换热器的典型实例典型实例 2022-5-2321换热器分类换热器分类换热器通常分为四类：间壁式、回热式换热器通常分为四类：间壁式、回热式(蓄热蓄热式式)、混和式和热管式。、混

14、和式和热管式。间壁式：冷热流体由壁面隔开而分别位于壁面间壁式：冷热流体由壁面隔开而分别位于壁面两侧，应用最广两侧，应用最广回热式：冷热流体依次交替流过同一换热表面回热式：冷热流体依次交替流过同一换热表面而实现换热。壁面除了换热以外还起蓄热作用。而实现换热。壁面除了换热以外还起蓄热作用。2022-5-2322混合式：冷热流体通过直接接触，相互混合来混合式：冷热流体通过直接接触，相互混合来实现换热。应用受冷热流体不能直接接触的限实现换热。应用受冷热流体不能直接接触的限制。制。热管式：热管是一个封闭的装有某种工作流体热管式：热管是一个封闭的装有某种工作流体的金属壳体。当蒸发段受热时，芯网中的液体的金

15、属壳体。当蒸发段受热时，芯网中的液体蒸发成气体。蒸汽在管内中空部分流到管子另蒸发成气体。蒸汽在管内中空部分流到管子另一端，将热量传递给冷凝段。蒸汽在冷凝段中一端，将热量传递给冷凝段。蒸汽在冷凝段中被冷却，重新变为液体，渗透到芯网中，然后被冷却，重新变为液体，渗透到芯网中，然后由于毛细作用从芯网中流回蒸发段，完成工作由于毛细作用从芯网中流回蒸发段，完成工作流体的循环。流体的循环。 2022-5-23232022-5-2324热管是20世纪60年代发展起来的具有特别高的导热性能的传热元件。管壳采用金属管，内壁帖附丝网状吸液蕊，以利用毛细力使工作液体在吸液蕊内不受热管位置的限制而移动。管壳两端封死，

16、在封死前先将管内抽成真空，灌入适量的工作液，2022-5-2325工作时，加热段的工作液被热管外的热流体加热，吸取潜热蒸发，其蒸气经过保温段流向散热段。在散热段，工作液蒸气放出潜热，凝结为液体。工作液蒸气液化释放出来的潜热通过管壁传递给热管外面的冷流体。集聚在散热段吸液蕊汇总的凝结液借助吸液蕊毛细力的作用返回到加热段再吸热蒸发。工作液的这种循环就把热量从加热段传递到了散热段。2022-5-2326例题:美国阿拉斯加输油管线中热管的设置情况大致如图。该地区大部分为永久冻土层，但随季节的变化表面层土壤在夏天会部分融化而下沉，冬天则因结冰而隆起。为防止输油管加热土壤而将其搁置于地面之上。为减少冻土层

17、在冬、夏期间的变化从而保证管线几何位置的稳定，在支柱中安装了内径为38mm 、长1020mm 的热管。2022-5-2327求：试据这一用途分析：热管的冷凝段与蒸发段各应置于何处？热管为什么能起到使冻土层稳定的作用，冬季与夏季作用有否不同？解：严寒地区的永久冻土层的热稳定性对建筑物和其他基本建设是一个重要的问题，热管的蒸发段置于地下，冷凝段置于支撑梁的顶上，冬天地下温度比地面上高，热管起作用，吸收冻土层的热量散失到大气中，使冻土层更加结实；夏天，大气温度高于冻土层，热管不起作用。2022-5-2328主要讨论间壁式换热器主要讨论间壁式换热器 按其按其流动特征流动特征可以分为可以分为顺流式、逆流

18、式和岔顺流式、逆流式和岔流式流式换热器。换热器。按其按其几何结构几何结构可可分为套管式换热分为套管式换热器、管壳式换热器、管壳式换热器、板式换热器器、板式换热器以及板翅、管翅以及板翅、管翅等紧凑式换热器等紧凑式换热器 顺流顺流逆流逆流Cold fluidHot fluid2022-5-2329Shell & TubeShell & Tube2022-5-23302022-5-2331根据目的不同，换热器的传热计算分为两种根据目的不同，换热器的传热计算分为两种类型：设计计算与校核计算。类型：设计计算与校核计算。设计计算是根据生产任务给定的换热条件和设计计算是根据生产任务给定的换热条件和要求，设计

19、一台新的换热器，为此需要确定要求，设计一台新的换热器，为此需要确定换热器的型式、结构及换热面积。换热器的型式、结构及换热面积。校核计算是对已有的换热器进行核算，看其校核计算是对已有的换热器进行核算，看其能否满足一定的换热要求，一般需要计算流能否满足一定的换热要求，一般需要计算流体的出口温度、换热量以及流动阻力等。体的出口温度、换热量以及流动阻力等。 2022-5-2332换热器的传热计算一般采用两种方法：平均温换热器的传热计算一般采用两种方法：平均温差法和效能差法和效能- -传热单元数法。传热单元数法。1 传热计算的基本方程式传热计算的基本方程式 换热器跟据能量守恒和传热原理进行计算。换热器跟

20、据能量守恒和传热原理进行计算。假定换热器的热流体进、出口温度假定换热器的热流体进、出口温度 ；冷流体进、出口温度分别为冷流体进、出口温度分别为 ，热流，热流体的质量流量为体的质量流量为m1比热为比热为cp1，而冷流体的，而冷流体的质量流量为质量流量为m2比热为比热为cp2，传热系数为，传热系数为K，传热面积为传热面积为F 11tt 、22tt 、2022-5-2333换热器的传热方程换热器的传热方程 mtkFQmt为冷热流体之间的一个平均温度差为冷热流体之间的一个平均温度差 如果我们不考虑换热器向外界的散热，那么如果我们不考虑换热器向外界的散热，那么按照换热器冷热流体的热平衡按照换热器冷热流体

21、的热平衡 换热器的热平换热器的热平衡方程衡方程 )()(22221111ttcmttcmQpp 可以改写成如下形式：可以改写成如下形式：)()(222111ttCttCQ C1、C2分别为热、冷流体的热容量。分别为热、冷流体的热容量。 2022-5-23342 对数平均温差法对数平均温差法 对数平均温差对数平均温差以套管式换热器顺流流动为例求解平均温差以套管式换热器顺流流动为例求解平均温差 顺流顺流逆流逆流1t2t 1t 2ttA1t 2t 1t2ttA2022-5-2335取微元传热面积为取微元传热面积为dA,通通过微元面积热流体的温过微元面积热流体的温度变化为度变化为dt1；冷流体的；冷流

22、体的温度变化为温度变化为dt2；热、冷；热、冷流体的温度分别为流体的温度分别为t1和和t2而温度差则为而温度差则为t。 传热方程传热方程: : (1) tkdAdQ热平衡方程热平衡方程 111dtcmdQp(2) 222dtcmdQpAtt1dt2dtAd1t2t 1t 2t1t2t2022-5-2336(3) d11dd)d(221121Qcmcmtttpp111dtcmdQp222dtcmdQp代入公式（代入公式（1） (1) tkdAdQ(4) )(2121kdAttttd221111ppcmcmAtt1dt2dtAd1t2t 1t 2t1t2t2022-5-2337在整个换热面上积分（

23、在整个换热面上积分（4）式得到：）式得到： (4) )(2121kdAttttd(5) 12kAttn212211,tttttt 111dtcmdQp222dtcmdQpQttcmcmpp212211112121ttnttkAQAtt1dt2dtAd1t2t 1t 2t1t2t2022-5-2338用相同的办法可以导出套管换热器在逆流情用相同的办法可以导出套管换热器在逆流情况下的相同的对数平均温差表达式，只是进况下的相同的对数平均温差表达式，只是进出口温度差不同，即出口温度差不同，即 212211,tttttt 故不管顺流和逆流，平故不管顺流和逆流，平均温差都可表示为：均温差都可表示为：min

24、maxminmaxlntttttmAtt1dt2dtAd1t2t 1t 2t1t2t2022-5-2339分析表明，对各种布置的壳管式及交叉流式换分析表明，对各种布置的壳管式及交叉流式换热器，其平均温差都可以用下式计算：热器，其平均温差都可以用下式计算：ctfmtt)(其中其中( t)ctf是将给定的冷热流体的进出口温度布是将给定的冷热流体的进出口温度布置成逆流时的对数平均温差；修正系数置成逆流时的对数平均温差；修正系数 1，可以查图。查图时注意：可以查图。查图时注意： 值取决于两个无量值取决于两个无量纲参数纲参数P和和R，定义为：，定义为： 22112122ttttRttttP其中下标其中下

25、标1，2表示两种流体，上标表示两种流体，上标和和表示进表示进口和出口。口和出口。2022-5-2340 利用对数平均温差进行换热器热计算利用对数平均温差进行换热器热计算 换热器热计算的基本公式为：换热器热计算的基本公式为：传热方程：传热方程：mtkAQ热平衡方程：热平衡方程：)()(22221111ttcmttcmQpp 上面方程，上面方程，8个变量个变量(即即k, A, m1cp1, m2cp2和和4个个进出口温度进出口温度)中，必须给定中，必须给定5个才能确定其中个才能确定其中3个，进而计算出个，进而计算出Q。对设计计算，给定的是对设计计算，给定的是m1cp1, m2cp2和和4个进出口个

26、进出口温度中的温度中的3个，计算另一个温度、换热量个，计算另一个温度、换热量Q以及以及传热性能量传热性能量KA 2022-5-2341设计计算步骤：设计计算步骤：根据已知三个温度，利用换热器热平衡方程根据已知三个温度，利用换热器热平衡方程计算出另一个待定温度，并计算出传热量计算出另一个待定温度，并计算出传热量Q；确定换热器的结构及流动型式，由冷热流体确定换热器的结构及流动型式，由冷热流体的四个进、出口温度及流动型式确定的四个进、出口温度及流动型式确定tm m ；初步布置换热面，并计算相应的传热系数初步布置换热面，并计算相应的传热系数K；由传热方程式计算换热面积，并计算换热器由传热方程式计算换热

27、面积，并计算换热器两侧的流动阻力；两侧的流动阻力；如果流动阻力过大或者换热面积过大，造成如果流动阻力过大或者换热面积过大，造成设计不合理，增加了系统设备的投资和运行设计不合理，增加了系统设备的投资和运行费用，则应改变设计方案重新计算。费用，则应改变设计方案重新计算。 2022-5-2342对已有或设计好的换热器进行校核计算时，典对已有或设计好的换热器进行校核计算时，典型的情况是已知换热器的热容量型的情况是已知换热器的热容量m1cp1、m2cp2 ，传热性能量传热性能量KA以及冷热流体的进口温度等以及冷热流体的进口温度等5个个参数，计算出换热量参数，计算出换热量Q和冷热流体的出口温度。和冷热流体

28、的出口温度。 校核校核计算步骤：计算步骤：首先假定一个流体的出口温度，按热平衡方首先假定一个流体的出口温度，按热平衡方程求出另一个出口温度；程求出另一个出口温度；由冷热流体的四个进、出口温度及流动型式由冷热流体的四个进、出口温度及流动型式确定确定tm m；根据换热器的结构计算出传热系数根据换热器的结构计算出传热系数K；由传热方程求出换热量由传热方程求出换热量Q Q；2022-5-2343再由换热器热平衡方程计算出冷热流体的出再由换热器热平衡方程计算出冷热流体的出口温度值；口温度值； ；以新计算出的出口温度作为假设温度值，重以新计算出的出口温度作为假设温度值，重复以上步骤至，直至前后两次计算值的

29、复以上步骤至，直至前后两次计算值的误差小于给定数值为止，一般相对误差应控误差小于给定数值为止，一般相对误差应控制在制在1以下。以下。 3 效能效能-传热单元数法传热单元数法 效能效能-传热单元数（传热单元数（NTU）2022-5-2344在某些情况下只能知道换热器冷热流体的进口在某些情况下只能知道换热器冷热流体的进口温度，即使知道了冷热流体的热容流率，以及温度，即使知道了冷热流体的热容流率，以及传热面积和传热系数，还是不能直接得出冷热传热面积和传热系数，还是不能直接得出冷热流体的出口温度。流体的出口温度。 )()()()(21min22221min11maxttCttCttCttCQQ )(2

30、1minmaxttCQ为换热器的最大可能的传热量为换热器的最大可能的传热量 当换热器的效能可以得到时，换热器的传热当换热器的效能可以得到时，换热器的传热量就可以由定义式中得出：量就可以由定义式中得出： maxQQ2022-5-2345在针对顺流式换热器进行对数平均温差的推在针对顺流式换热器进行对数平均温差的推导中得到换热器进出口温差与换热面积、流导中得到换热器进出口温差与换热面积、流体热容流率之间的关系，即公式（体热容流率之间的关系，即公式（5） kAttn12212211,tttttt (7) 2121kAetttt 由换热器热平衡方程由换热器热平衡方程 )()(222111ttCttCQ

31、)(221211ttCCtt 代入公式（代入公式（7）kAeCCtttt )1 (11221222022-5-2346kAeCCtttt )1 (1122122由效能的定义式由效能的定义式 )()()()(21min22221min11maxttCttCttCttCQQ kAeCCCC)(12min1min2122111111CCcmcmpp顺流式换热器的效顺流式换热器的效能计算公式：能计算公式： 2min1min2min1minminexp1CCCCCCCCCkA2022-5-23472min1min2min1minminexp1CCCCCCCCCkA写成更为紧凑的形式，即写成更为紧凑的形式

32、，即 maxminmaxmin11exp1CCCCNTUminCkANTU 称为传热单元数，它表征了换热器的称为传热单元数，它表征了换热器的传热性能与其热传送（对流）性能的对比关传热性能与其热传送（对流）性能的对比关系。系。2022-5-2348传热单元数传热单元数NTU的值越大换热器传热效能越的值越大换热器传热效能越好，但这会导致反映了换热器的投资成本好，但这会导致反映了换热器的投资成本(A)和操作费用和操作费用(k)的增大，从而使换热器的经济的增大，从而使换热器的经济性能变坏。因此，必须进行换热器的综合性性能变坏。因此，必须进行换热器的综合性能分析来确定换热器的传热单元数。能分析来确定换热器的传热单元数。 利用相同的办法也可以导出逆流式换热器的利用相同的办法也可以