传热分析-2015春

1、第十章 传热和换热器航空航天热物理研究所20152015年年4 4月月 10-1 传热过程的分析和计算传热过程的分析和计算)(21ffttkA 式中：式中：k k为传热系数为传热系数。l 传热有三种形式：传热有三种形式：导热导热：微观粒子热运动；：微观粒子热运动；对流对流：流体宏观运动，流过壁面；：流体宏观运动，流过壁面；辐射辐射：依靠电磁波传递能量；：依靠电磁波传递能量；l 本章将三种模式放在一起研究。本章将三种模式放在一起研究。l 绪论已经学过传热过程的绪论已经学过传热过程的传热方程式传热方程式 21111hhkl h h1 1和和h h2 2 由前述公式来计算由前述公式来计算l 复合换热

2、：将复合换热：将辐射换热量按牛顿冷却冷却公式辐射换热量按牛顿冷却冷却公式表示。表示。三热阻串联，通过平壁的传热系数可由下式计算：三热阻串联，通过平壁的传热系数可由下式计算：1. 1. 求出辐射换热量求出辐射换热量 r rtAhthhAtAhtAhtcrrcrc)(convectionc 4. 4. radiationr tAhrrtAhrr/3. 3. 由上式求出由上式求出2. 2. 将将 r r写成牛顿冷却公式形式写成牛顿冷却公式形式rcthhh一、一、 通过平壁的传热通过平壁的传热44()rfwA TT 物理问题物理问题l： 为为管长管长d1，d2：圆管内径，外径圆管内径，外径；tf1，t

3、f2：管内、外流体温度管内、外流体温度；tw1，tw2：管内、外壁温度管内、外壁温度；h1，h2：管内、外侧复合表面传热系数管内、外侧复合表面传热系数；：管壁导热系数管壁导热系数； ：热流量热流量。 二、二、 通过圆管的传热通过圆管的传热 三个传热过程，三个热阻串联三个传热过程，三个热阻串联：f1f2211122()111ln2ttdh Aldh A 选用不同的计算面积会有相应的传热系数选用不同的计算面积会有相应的传热系数12()ffkA tt f1f2211122()111ln2l ttdh ddh d 传热公式传热公式对对外侧面积外侧面积而言（即以管外侧面积为基准）的传热系数的而言（即以管

4、外侧面积为基准）的传热系数的计算式为：计算式为：21221211ln211hdddddhk 习惯上，工程计算都以管外侧面积为基准。习惯上，工程计算都以管外侧面积为基准。若以若以管内侧面积管内侧面积为基准，则传热系数为：为基准，则传热系数为：21212111ln211ddhdddhk选用不同的计算面积会有相应的传热系数选用不同的计算面积会有相应的传热系数一侧有肋的平壁。在稳态条件下，通过传热过程各环节的热一侧有肋的平壁。在稳态条件下，通过传热过程各环节的热流量流量 相等，于是可以列出以下方程式：相等，于是可以列出以下方程式：11f1w1()h Att )()()(f2w222f2w22f2f2w

5、222ttAhttAhttAh 式中，式中， =(A2+ fA2)/Ao称为称为肋面总肋面总 效率效率。从以上三式得：。从以上三式得：22111f2f111AhAAhtt 三、三、 通过肋壁的传热通过肋壁的传热1w1w2()A tt 22121212111hAAAAhk 相应的，以相应的，以光侧表面面积光侧表面面积A1为基准的传热系数为：为基准的传热系数为：111112122111hhAhAhkV 肋化系数肋化系数 =A2/A1，加肋后的总表面积与该侧未加肋时的加肋后的总表面积与该侧未加肋时的表面积之比。表面积之比。V 一般一般11，1 1。V h h2 2-当量表面传热系数当量表面传热系数，

6、把肋部分换热折算到表面把肋部分换热折算到表面 传热系数的增加中传热系数的增加中。 于是以于是以肋侧面积肋侧面积A2为基准得肋壁传热系数为：为基准得肋壁传热系数为： 10-2 10-2 换热器的类型换热器的类型按工作原理分类按工作原理分类：混合式、回热式、间壁式混合式、回热式、间壁式l 混合式混合式(Direct-contact Heat Exchange)(Direct-contact Heat Exchange)：冷热流体直接接触冷热流体直接接触彼此混合换热彼此混合换热。混合式换热器效率最高，由于两种流体混混合式换热器效率最高，由于两种流体混合，应用受限制。合，应用受限制。除氧器、除氧器、冷

7、却塔、冷却塔、喷水减温器、喷水减温器、喷射冷凝器等喷射冷凝器等一、一、 换热器换热器(Heat Exchanger)(Heat Exchanger)的主要形式的主要形式换热器：将热量由热流体传给冷流体的装置换热器：将热量由热流体传给冷流体的装置蓄热式（回热式）蓄热式（回热式）(Regenerative heat exchanger)：换热面交换热面交替地吸收和放出热量替地吸收和放出热量，热流体流过换热器时换热面吸收并贮，热流体流过换热器时换热面吸收并贮存热量；冷流体流过换热器时换热面放出贮存的热量。存热量；冷流体流过换热器时换热面放出贮存的热量。 用于炼焦炉、锅炉、回转式空气预热器用于炼焦炉、

8、锅炉、回转式空气预热器间壁式间壁式(Undirectional Heat Exchange)：冷热流体被壁面隔冷热流体被壁面隔开开, ,热传递过程包括热流体与壁面间对流换热、壁中的导热、热传递过程包括热流体与壁面间对流换热、壁中的导热、壁面与冷流体间的对流换热；有时还包括辐射换热壁面与冷流体间的对流换热；有时还包括辐射换热应用非常广，例如，省煤气、过热器、再热器、应用非常广，例如，省煤气、过热器、再热器、暖风机、暖风机、燃气加热器、冷凝器、蒸发器等燃气加热器、冷凝器、蒸发器等主要形式主要形式管壳式换热器管壳式换热器肋片管式换热器肋片管式换热器板式换热器板式换热器板翅式换热器板翅式换热器螺旋板式

9、换热器螺旋板式换热器间壁式换热器的分类：间壁式换热器的分类：二二. . 间壁式换热器间壁式换热器按流动方向，间壁式换热器可分为按流动方向，间壁式换热器可分为：l 顺流顺流(Parallel Flow )(Parallel Flow )换热器；换热器；l 逆流逆流(Counter Flow)(Counter Flow)换热器；换热器；l 交叉流交叉流(Cross Flow)(Cross Flow)换热器。换热器。 一般交叉四次以上即可认为是顺流或逆流。一般交叉四次以上即可认为是顺流或逆流。 (1).管壳式管壳式(Shell and Tube Heat Exchanger)优点：优点：结构坚固、易

10、于制造、适应性强、处理能力大、结构坚固、易于制造、适应性强、处理能力大、 高温高压下也可应用、清洗方便高温高压下也可应用、清洗方便缺点：缺点：材料消耗大、不紧凑材料消耗大、不紧凑应用：应用：工业上用得最多，历史悠久，占主导地位工业上用得最多，历史悠久，占主导地位l 壳程壳程(Shell Pass)：管外壳内通道：管外壳内通道l 管程管程(Tube Pass)：由管子组成的通道：由管子组成的通道l 壳程数壳程数：流体在壳内流动方向数：流体在壳内流动方向数l 管程数管程数：流体在管内流动方向数：流体在管内流动方向数l 壳管式换热器的命名壳管式换热器的命名 壳程数壳程数-管程数管程数 1-2型型：壳

11、程为：壳程为1，管程为，管程为2； 2-4型型：壳程为：壳程为2，管程为，管程为4。管壳式换热器的命名管壳式换热器的命名（2）肋片管式换热器）肋片管式换热器(3). 板式换热器板式换热器(Plate heat exchanger)板式换热器结构板式换热器结构1 1固定压紧板固定压紧板2 2连接口连接口3 3垫片垫片4 4板片板片5 5活动压紧板活动压紧板6 6下导杆下导杆7 7上导杆上导杆8 8夹紧螺栓夹紧螺栓9 9支柱支柱（4）板翅式换热器）板翅式换热器(5). 螺旋板换热器螺旋板换热器 (Spiral heat exchanger) 由传热方程：由传热方程：tkA 请看下图，请看下图， t

12、 t 是变化的，如何计算？是变化的，如何计算？ 10-3 10-3 平均温度差平均温度差符号规则：符号规则： 下标：下标：1-热流体热流体； 2-冷流体冷流体。 上标：上标：-入口入口； ”-出口出口。 h 冷、热流体的冷、热流体的热容流量热容流量M1c1和和M2c2都是常数都是常数； M ：质量流量：质量流量h k=constant；h 换热器无散热换热器无散热(热流体放热量热流体放热量=冷流体吸热量冷流体吸热量)；h 换热面沿换热面沿流动方向的导热可以忽略不计流动方向的导热可以忽略不计；h 冷、热流体不能既有相变，又有单相介质换热。冷、热流体不能既有相变，又有单相介质换热。假设：假设：某微

13、元段某微元段dA基本公式基本公式1. 1. 传热方程传热方程dk t dA 1 11dM c dt 2. 2. 热流体放热热流体放热3. 3. 冷流体吸热冷流体吸热2 22dM c dt 三个热量相等三个热量相等不论逆流、顺流，对数平均温不论逆流、顺流，对数平均温差可以统一用以下计算式表示：差可以统一用以下计算式表示：minmaxminmaxmlnttttt式中，式中， t tmaxmax代表代表 t t 和和 t t” 两者中之两者中之大者大者，而，而 t tminmin 代表代表两者中指小者两者中指小者。该。该式为确定式为确定平均温差平均温差 t tmm的基本算式的基本算式。1 1 简单顺

14、、逆流布置时平均温差计算简单顺、逆流布置时平均温差计算 交叉流及其它形式（简单顺流、逆流除外）换热器的平均交叉流及其它形式（简单顺流、逆流除外）换热器的平均温差算法比较麻烦，已经作出了表格，可以直接查表。温差算法比较麻烦，已经作出了表格，可以直接查表。 (1). 先按先按逆流方式逆流方式算出对数平均温差算出对数平均温差( tm)c； (2). 将将( tm)c乘以一个乘以一个修正系数修正系数 ，这样问题就归结为求不，这样问题就归结为求不 同情况下的同情况下的 =f (P,R) 由由P292图即可查得图即可查得 。注意下标。注意下标1 1，2 2。 用用PR和和1/R代替代替P及及R查图得到相同

15、结果查图得到相同结果。2 2 其它复杂布置时平均温差计算其它复杂布置时平均温差计算221221ttPtt流体温升理论最大温升112 2221 1()ttM cRttM c热容量之比 理论分析表明，对工程上常见的流经蛇形管束的传热理论分析表明，对工程上常见的流经蛇形管束的传热（参看上图），（参看上图），只要管束的曲折次数超过只要管束的曲折次数超过4 4次，就可作为纯次，就可作为纯逆流和纯顺流来处理。逆流和纯顺流来处理。4 一般交叉流温压（差）一般交叉流温压（差）介于顺、逆流换热器之间介于顺、逆流换热器之间 0.8l 逆流逆流平均温差最大平均温差最大，换热强，但，换热强，但冷、热流体的最冷、热流体

16、的最高温度集中在换热器同一端，壁面温度高；高温度集中在换热器同一端，壁面温度高；l 顺流顺流平均温差最小平均温差最小，换热弱，但，换热弱，但热流体的最高温度热流体的最高温度与冷流体的最低温度在同一端，壁面温度低；与冷流体的最低温度在同一端，壁面温度低；l 一般交叉流温压（差）一般交叉流温压（差）介于顺、逆流换热器之间介于顺、逆流换热器之间 ( tm)c ( tm)其它其它 ( tm)p3 3、各种流动形式的比较、各种流动形式的比较 1010-4-4 换热器计算换热器计算 一、一、 换热器热计算的基本公式换热器热计算的基本公式4. 4. 传热系数传热系数K K的计算公式的计算公式 （视具体情况而

17、定，需知道布置方式）（视具体情况而定，需知道布置方式）1. 1. 传热方程传热方程mtkA)(1111ttcM 2. 2. 热流体放热热流体放热3. 3. 冷流体吸热冷流体吸热)(2222ttcM 换热器计算：强度、阻力、成本、经济性、热计算换热器计算：强度、阻力、成本、经济性、热计算5. 5. 对数平均温差对数平均温差 （已知（已知4 4个进出口温度）个进出口温度） 变量数（变量数（8个）个）1）热、冷流体热容流量）热、冷流体热容流量M1c1 , M2c2 ；2） t1、t2、t1”、 t2”中任意三个量中任意三个量（另一个可用热方程确（另一个可用热方程确 定，平均温差可用四个温度及布置方式

18、确定）；定，平均温差可用四个温度及布置方式确定）； 3）传热系数）传热系数K（布置方式），传热面积（布置方式），传热面积A，传热量，传热量 。 方程数（方程数（3 3个）个）1 1） 传热方程传热方程；2 2） 热方程：热方程：热流体放热，冷流体吸热热流体放热，冷流体吸热； 已知其中已知其中5个变量才能计算。个变量才能计算。 二二、 换热器热计算的分类换热器热计算的分类(1). (1). 设计计算设计计算(Design Calculation)(Design Calculation)，目的为确定换热器所，目的为确定换热器所需的需的换热面积换热面积。 (2). (2). 校核计算校核计算(Che

19、cking Calculation)(Checking Calculation)，即对已有的或已选，即对已有的或已选定的换热器，在非设计工况条件下核算它能否胜任规定的定的换热器，在非设计工况条件下核算它能否胜任规定的换热任务换热任务。设计计算与校核计算的含义设计计算与校核计算的含义(1). (1). 设计计算设计计算(Design Calculation)(Design Calculation)已知已知：t t1 1、t t2 2、t t1 1”、 t t2 2”中任意三个量及中任意三个量及MM1 1c c1 1 , , MM2 2c c2 2 。间接已知：间接已知：传热量传热量 （根据热方程）（根据热方程）求求：K, AK, A。已知换热量，求布置方式及换热面积。已知换热量