传热过程和换热器热计算基础

传热过程和换热器热计算基础

（一）传热过程复合换热：两种或两种以上的基本换热方式同时起作用换热过程。

Eg：室内散热器：对流＋辐射定义：热量从较高温度的流体，经过固体壁面传递给另一侧温度较低的流体，这个过程称为传热过程。一、通过平壁和圆筒壁的传热过程在稳定的传热过程中，单位时间内通过单位面积所传递的热量与固体壁面两侧热、冷流体的温度差成正比，即——分别是热流体的冷流体的温度（℃）；——传热过程的传热系数[W/(m2·℃)]；——传热过程的总热阻[(m2·℃)/W]。

式中：——复合表面传热系数[W/(m2·℃)]；——对流换热表面传热系数[W/(m2·℃)]；——辐射换热表面传热系数[W/(m2·℃)]；复合换热表面传热系数：——系统的发射率（黑度）；——分别是流体和壁面的绝对温度。

1、平壁的传热——传热系数[W/(m2·k)]；是表征传热过程强烈程度的物理量。传热方程：表面传热热阻：

(m2·℃)/W热流密度：多层平壁的传热：

二、圆筒壁的传热每米长圆筒壁的总传热热阻热阻：

热流密度：

每米长多层圆筒壁的总传热热阻：其热流量：

【例1】已知墙厚200mm；室内空气温度为20℃，室外空气的温度为－10℃；砖墙导热系数＝0.95W/(m2·℃)；室内空气对墙面的对流表面传热＝8W/(m2·℃)，室外空气的对流表面传热系数＝22W/(m2·℃)。试求室内外空气通过单位面积系数砖墙传递的热量和砖墙内侧的温度。【练习题】一玻璃窗，尺寸为70cm×45cm，厚度为4mm。室内、外温度分别为：20℃和－8℃；玻璃的导热系数＝0.95W/(m·℃)；内表面的强迫对流表面传热系数＝10W/(m2·℃)，试求通过玻璃的热损失。外表面的对流表面传热系数＝50/(m2·℃)。（二）传热的增强和减弱

一、强化传热所谓强化传热：应用传热学的基本原理去增强传热效果，除了增大传热面积和传热温差，最本质的是设法减小传热总热阻、增大传热系数。因为传热过程的总热阻等于各局部热阻之和，所以为了减小总热阻首先就应减小局部热阻中最大的。例如：两侧分别为蒸汽和空气的金属管壁，若空气侧的换热系数＝30W/(m2·℃)，蒸汽冷凝侧的换热系数＝5000W/(m2·℃)。一般金属管壁的导热系数较大，管壁较薄，所以管壁热阻常可忽略。此时传热系数：：：二、肋强化传热在表面传热系数较小的一侧采用肋壁是一种行之有效的提高传热效果的方法。肋壁就是在壁的光面上增加一些延伸的肋片。

内侧光壁表面积：A1，

加肋侧外壁表面积:温度肋基温度肋面平均温度肋片实际散热量：肋处于肋基温度下的理想散热量：肋片效率：通过肋壁的传热量：式中：——（肋面总效率）肋壁效率。

以光侧表面为基准的肋壁传热系数：式中：——肋化系数，是加肋后的总的选择应使接近为宜。

表面积与该侧未加肋时的表面积之比。一般

1）加大传热温差

2）减小换热面热阻：在热阻大的一侧强化减小导热热阻方法：定期吹灰和清洗换热面清除污垢、水垢、油垢减小对流换热热阻：加肋、增加流速、增加流体扰动减小辐射热阻：增加系统黑度，增加角系数、提高辐射源温度

强化传热的措施：消弱传热的措施：

1）减小传热温差

2）增大换热面热阻：敷设保温层采用表面高反射率的材料，降低表面黑度，减少辐射散热

临界热绝热缘直径限制、消弱传热措施：增大传热热组对于平壁：敷设、加厚热绝缘层总会加大总传热热阻。

对于管道：只有管道外径起到减少单位管长热损失的作用，把此直径称为临界热绝缘直径，用表示。可由求等于零而得到，即

（加绝热层才能减少热损）

超过某一值后包上热绝缘层才能对热绝缘层外径的一阶导数并令之式中：——管道热绝缘层外表面对环境的表面传热系数[W/(m2·K)]；——保温材料的导热系数[W/(m·K)]。（三）换热器的基本概念

、概述

根据作用原理分类：按流体流动的方式：顺流和逆流时：

——换热面两端温差中较大者,——换热面两端温差中较小者,；≤2时，

传热方程式：二、换热器传热计算对数平均温差复杂流动形式的换热器，对数平均温差：修正系数除与流动方式有关外，还与辅助量与有关,查表得到。＝冷流体加热温升/两流体进口温差＝热流体冷却温降/冷流体加热温升

三、污垢系数污垢热阻：（一般查表得到）（m2·℃/W）四、换热器的热计算设计计算、校核计算常用方法：对数平均温差法、效能－传热单元法。1．对数平均温差法设计计算主要步骤（1）根据给定条件，由热平衡式求出进、出口温度中的未知量及传热量（2）选定流动方式，由冷热流体的进、出口温度确定对数平均温差；（3）初步布置传热面，结合流体的质量流量等求出两侧的换热系数并计算出相应的传热系数（4）由传热方程式面积A与其他参数，与初始布置的面积A比较，若不相等重新布置换热面；求出所需的换热则应改变方案重新设计。（5）计算换热器的流动阻力，若流阻过大，2．对数平均温差法校核计算主要步骤（1）假定一种流体的出口温度（或）据热平衡式温度并计算传热两，求出另一流体的出口（2）根据热交换器的流动方式及冷、热流体的进、出口温求得对数平均温差；

（3）根据热校核器的结构，算出相应工作条件下的表面换热系数和传热系数k；（4）计算换热量与1～4步骤，直到计算结果在误差范围内。计算比较，误差<5%，说明假定正确，否则，重复【例2】一台逆流套管式换热器，热流体为120℃的高压热水，流量为12m3/h；冷流体为10℃的空气，流量18000m3/h，经过换热器后被加热到50℃。若总传热系数为60W/(m2·℃)，试求所需的传热面积。【练习2】一台逆流布置的换热器，用热水加热空气，每小时加热空气1600kg，空气温度从20℃升高到70℃，，空气定压比热1.005KJ/(kg.k)。每小时使用105℃的热水1050kg,水的定压比热4.187KJ/(kg.k)。如果总传热系数为46.5W/(m2·℃)，试求所需的传热面积。【练习3】空气冷却器中用水冷却空气，每小时空气量为70