工程热力学与传热学15第七章换热器

第七章传热过程和换热器§7-1

概述§7-2传热过程的分析与计算§7-3换热器的种类和基本结构§7-4

间壁式换热器的热计算

1.对数平均温差法

2.有效度－传热单元数法前面各章分别地研究了导热，对流换热和辐射换热过程。了解了它们的换热规律和计算方法，这三种不同的传热方式，实际中经常是同时发生的。工程上最为普遍的热传递过程，是高温流体通过固体壁面把热量传给低温流体的传热过程，热量通过固体壁面属纯导热，壁面两侧流体与壁面之间的换热，通常是对流换热。因此，传热过程实际上包括有多种不同的传热方式。本章将讨论平壁传热过程、肋壁的传热过程及圆管壁的传热过程。同时，也将介绍增强或减弱传热的途径。§7-1

概述实现传热过程的设备称为换热器或热交换器，完整的换热器设计应包括结构，换热量和流动阻力及经济性等的分析计算，本教材主要讨论实际中最常见换热设备的一般热计算。两种计算方法：

1、对数平均温差法2、有效度-传热单元数法（ε-NTU）

在求解传热过程时，由于壁温往往是未知的，因而总是用传热方程式来分析求解传热方程表示为：

Q=kA(tf1-tf2)Wk为传热系数，表示热、冷流体的温差为1℃时，单位时间内单位传热面积所传递的热量，单位为W／（m２·℃)。传热系数是一个与过程有关的物理参数，其大小取决于热、冷流体的物性、流速、固体壁面的形状、尺寸及布置、材料的导热系数等。在传热过程中，热、冷流体的温度将不断变化。因此，当利用传热方程式计算整个传热面积上的传热量时，应使用整个传热面积上的平均温差，记作Δtm，故上式的一般形式应写作Q＝kAΔtmW§7-2

传热过程的分析与计算一、传热过程

1.定义：热流体通过固体壁把热量传给冷流体的过程。从定义可以看出，热量传递由导热（固体壁内），对流换热以及辐射换热组合而成。研究传热过程的目的：增强传热、消弱传热。1.通过平壁的稳态传热过程二、几种典型的传热过程热流体与固体壁左侧换热：固体壁面换热：固体壁右侧与冷流体换热：在传热过程中有：传热热阻：Qtw1

tw2

tf1

tf2

推广：若为多层平壁的传热过程总传热系数：强化传热：1．扩展传热表面2．增大冷热流体温差3．提高流速、以减薄层流底层、层流边界层4．采用机械振动、加电磁场、声波、超声波作用产生流体脉动5．增加流体扰动或使流体旋转6．清除传热表面污垢一般说来，换热设备都用金属制成，其导热系数较大，而厚度较小，故当左右两壁面无污垢或烟炱层，且两侧对流换热热阻又较大时，导热热阻允许忽略不计。此时上式可简化为理论上，降低任一对流热阻均可使传热增强，但应用初等数学运算可以证明，传热系数k的值必比两个对流换热系数中小的一个还小。因此，当两个对流换热系数相差较大时，为增强传热，应设法提高小的那个对流换热系数，但当α１及α２相差不大时应同时予以提高。2.通过肋壁的稳态传热过程在某些情况下，当对流换热系数无法提高时，为增强传热．由传热方程式可知，增大传热面积不失为一种有效途径。因此，当α不易改变时，可在壁面上敷设肋片，增大面积A，以达到降低热阻，增强传热的目的，亦即所谓表面肋化。热流体与固体壁左侧换热：壁的导热：肋侧的对流换热：两侧都肋化：3.通过圆管壁的稳态传热过程通过热流体与圆管内壁的换热量：圆管管壁间的热流量：圆管外壁与冷流体的换热量：式中A2是工程中用最外侧面积hiho因此在传热过程中有：由于对圆管壁来说，面积是随着半径的变化而变化的，所以此时的传热系数有个选择基准面的问题，通常选择外侧面作为基准面。则：推广：对于n层圆管壁的传热过程有三、临界热绝缘直径d2c为了减少管道的散热损失，采用在管道外侧覆盖热绝缘层或称隔热保温层的办法。是否绝缘层越厚保温效果越好呢？函数有一个极值存在

得

d2c称为临界热绝缘直径临界绝热直径公式还可以改写为：上式中Bi是管道外表面的毕渥数。热绝缘层直径与d2c的关系对保温效果的影响分析保温增加传热量保温需要指出的是，如半径r1较小，α会随r1而变，又如管外流体为自然对流，则α还与温差tw2－tf有关。在这种情况下，斯帕罗认为式(7-12a)应修正为:对于Re＝4000～40000的强迫绕流圆管的情况，m＝0.382，n＝0；对于管外为自然对流的水平圆管，m＝n＝0.25。§7-3换热器的基本型式和基本构造

换热器：用来实现热流体和冷流体间热量交换的装置。按照换热器的工作原理，可分为间壁式、混合式（直接接触式）、回热式（蓄热式）。

混合式：换热器内冷、热流体直接接触、互相混合来实现热量交换。

蓄热式：冷、热两种流体依次交替地流过换热器的同一换热面（蓄热体）实现非稳态的热量交换。

间壁式：换热器内冷、热流体由壁面隔开，热量由热流体到冷流体传递过程是由热流体与壁面间的对流换热、壁的导热、壁面与冷流体间的对流换热三个环节组成的传热过程。

在以上三种类型的换热器中间壁式换热器的用量最大，是占主导地位的换热器型式。间壁式换热器的主要型式：套管式换热器示意图（1）套管式换热器

由内外管套在一起构成，结构简单、牢固可靠、可串并联使用，传热面积有限，传热量小。（2）

管壳式换热器

由管子和外壳构成。管壳式换热器结构牢固可靠、耐高温高压。壳管式换热器（3）

肋片管式换热器

由带肋片的管束构成的换热装置。

肋片管式换热器适用于管内液体和管外气体之间的换热，且两侧表面传热系数相差较大的场合。

肋片管式换热器（4）

板翅式换热器由金属板和波纹板形翅片层叠、交错焊接而成。板翅式换热器结构紧凑、传热系数高。（5）

板式换热器

由若干片压制成型的波纹状金属板叠加而成。板式换热器传热系数高、阻力相对较小、结构紧凑。（6）螺旋板式换热器

由两块金属板卷制而成。螺旋板式换热器传热性能较好、制造工艺简单，但承压、密封性能较差。间壁式换热器中冷、热流体的相对流动方向在冷、热流体进口温度相同、流量相同、换热面面积相同的情况下，流动型式影响冷、热流体的出口温度、换热温差、换热量以及换热器内的温度分布。

换热器的热计算分为两种类型：

(1)设计计算：根据换热条件和要求，设计一台新换热器，为此需要确定换热器的类型、结构及换热面积。主要涉及到求解换热器的传热面积。

换热器计算的两种方法：

1.平均温差法；

2.有效度-传热单元数法(

-

NTU法)

(2)校核计算：核算已有换热器能否满足换热要求，一般需要计算流体的出口温度、换热量及流动阻力等。主要涉及到求解冷热流体的出口温度。§7-4

间壁式换热器的热计算一、对数平均温差法

1、换热器传热计算的基本公式：（1）热平衡方程式符号规则：下标：1---进口；2---出口。下标：h----热流体；c----冷流体。（2）传热方程式中：对数平均温差2、换热器中流体温度分布

3.简单顺流及逆流换热器的对数平均温差传热方程的一般形式为：这个方程对于传热过程是通用的，但是当温差Δt沿整个壁面不是常数时，Δt应为对数平均温差Δtm，即：顺流和逆流的区别在于：顺流：逆流：或者我们也可以将对数平均温差写成如下统一形式：（顺流和逆流都适用）4、对于多流程壳管式、交叉流、混流式换热器的查相关图线逆流平均温差校正系数：

1-2、1-4等型多流程壳管式换热器的校正系数

2-4、2-8等型多流程壳管式换热器的校正系数

一流体混合、一流体非混合的单流程交叉流式换热器的校正系数

5.对数平均温差法计算步骤设计计算：已知：求:A①求Q

②求th2

③求④求A

例题：某1-1型壳管式换热器利用水的余热预热空气。热水以50kg/h的流量流过管内，进口温度为80℃，出口温度为45℃；空气在管外从相反的方向流过，空气流量727.86kg/h，进口温度为25℃。冷热流体的比热为cph=4.18kJ/(kg*℃)，cpc=1.005kJ/(kg*℃)。管内、外表面的对流换热系数各为500W/(m2·℃)和50W/(m2·℃)，管的内直径和外直径分别为100mm和120mm，管子材料的导热系数为36W/(m*℃)。试求所需的换热面积。解:Q=mhcph(th1-th2)=50/3600×4.18×1000×（80-45）=2032W

tc2=tc1+Q/(mccpc)=25+2032/(727.86/3600*1005)=35℃

=[（80-35）-（45-25）]/ln[(80-35)/(45-25)]=30.8℃

=44W/(m2*℃）A=Q/(k△tm）=2032/（44×30.8）=1.5m2校核计算：已知:求:1.假设th2已知,求得tc22.求3.由所得Q再算th2与假设比较，若差别大假设后再算。二、有效度-传热单元数法(

-

NTU法)（Heatexchangereffectiveness-Numberofheattransferunits）对于校核问题，可避免试算，无需假设流体出口温度；必须是二流体的热容量mcp和传热系数k在整个换热面上基本不变的情况下才适用。

1、基本定义：①热容比C:

二流体的热容量mcp之比:C＝(mcp)min/(mcp)max

当mhcph>mccpc

时：C＝(mcp)c/(mcp)h

当mhcph<mccpc

时：C＝(mcp)h/(mcp)c②换热器有效度ε：换热器的实际传热量与最大可能的传热量之比。或直接定义为热容量小的流体进出口温度差与热、冷流体进口温度差的比值。

<1

Q=ε(mcp)min(th1-tc1)当冷流体的温度变化大，则：当热流体的温度变化大，则：③传热单位数NTU:

它与热容比C和有效度ε共同确定换热器的性能，定义为:NTU＝kA/(mcp)min

如mhcph＞mccpc，则NTU＝kA/mccpc

如mhcph＜mccpc，则NTU＝kA/mhcph

传热单位数NTU为——无量纲量，其值大则换热器的有效度ε高。物理意义：因NTU中包含k和A，而它们分别代表换热器的运行费用和初投资，故NTU是一个反映换热器综合技术经济性能的指标。

2、三个参数：热容比C、有效度ε和传热单元数NTU之间的数学关系逆流顺流建立一个ε、C和NTU的关系式；根据已知的冷热流体进口温度、m、cp、k、A，定出C和NTU，代入关系式解出ε后，就可利用ε消去或解出未知的流体出口温度，而这些温度在采用对数平均温差法计算时是需要假设和试算的。

ε-NTU法的优点3、用ε-NTU法计算的步骤已知：th1、tc1、

(cp)h、

(

cp)c、A、

k求：tc2（

th2）解：1.比较两种流体热容量大小2.计算C和NTU3.计算ε4.根据ε的定义式解出tc2（

th2）5.

例题9-4

逆流式油冷器中，油的进口温度th1＝130℃，流量mh＝0.5kg/s，比热容cph＝2220J/(kg·℃）。冷却水的进口温度tc1＝15℃，流量mc＝0.3kg/s，比热容cpc＝4182Ｊ／(kg·℃）。换热面积A＝2.4m２，传热系数k＝330W/(m2·℃)

。求油冷器的有效度ε和二流体的出口温度th2和tc2。

解：（1）因油和水的热容量各为:mhcph＝0.5×2220＝1110Ｊ/（s·℃）；

mccpc＝0.3×4182＝1255Ｊ/（s·℃）故热容比为Ｃ＝mhcph/mccpc＝1110/1255＝0.884

（2）

NTU＝kA/mhcph＝330×2.4/1110＝0.714

（3）解上式，得油的出口温度：th2＝80.9℃又由Q＝mccpc(tc2－tc1)＝mhcph（th1－th