第10章 传热过程分析和换热器计算

章传热过程分析与换热器的热计算2021/5/91

主要内容▲传热过程的分析和计算▲换热器的类型▲传热过程的平均温差及计算▲间壁式换热器的热设计▲热量传递过程的控制(强化和削弱)2021/5/92

基本要求1．掌握传热过程的概念及宏观规律2．掌握传热系数的概念及影响因素，并能计算常见传热过程的传热系数3．了解换热器的分类及主要型式4．能计算不同型式换热器的平均温差，并进行换热器内冷、热流体的温度变化规律分析5．熟记换热器热设计的基本公式，了解换热器热设计的类型及计算方法，并能用平均温差法进行换热器的设计计算6．掌握热量传递过程的控制原理与方法2021/5/93本章要求掌握的内容：定量：传热过程的计算；对数平均温差的计算；间壁式换热器的设计计算及校核计算。定性：掌握传热过程的热阻分析法；传热过程强化与削弱措施。2021/5/9410-1传热过程的分析和计算

传热过程：热量由壁面一侧的流体通过壁面传到另一侧流体中去的过程称传热过程。

传热过程分析求解的基本关系为传热方程式式中K为传热系数（在容易与对流换热表面传热系数想混淆时，称总传热系数）。2021/5/95说明：(1)由于平壁的两侧的面积是相等的，因此传热系数的数值不论对哪一侧来说都是一样的。（2）h1和h2的计算；（3）如果计及辐射时对流换热系数应该采用等效换热系数(总表面传热系数)10.1.1通过平壁的传热单层多层2021/5/96影响传热系数k的数值的主要因素：①冷热流体的物性；②流速；③物体表面的形状和布置；④壁面材料导热系数

当流过壁面的是辐射性气体(二氧华碳、水蒸汽、烟气等),或壁面与周围表面间存在较大温差时,则该侧应按复合换热考虑.2021/5/9710.1.2通过圆管的传热内部对流：圆柱面导热：外部对流：hiho2021/5/98定义：(1)以圆管外侧面积为基准的传热系数k(2)以圆管内侧面积为基准的传热系数ki上式相加，通过圆筒壁的传热量：(10-2)2021/5/99等效电路图(共三个环节串联):从热阻的角度来看2021/5/910总传热热阻=管内热阻+管壁热阻+管外热阻注意：①因Ai≠A0，故不采用单位面积热阻的概念；②管子内、外侧有污垢或包有保温层时，只要增加相应的热阻项即可；③要强化或削弱传热过程，应从热阻最大的环节入手(10-5)2021/5/91110.1.3通过肋壁的传热肋壁面积：稳态下换热情况：肋面总效率2021/5/912(1)肋壁总效率η0式中：2021/5/913以肋侧表面积为基准的肋壁传热系数定义肋化系数：则传热系数2021/5/914肋壁的传热系数：(a)以肋侧总表面积A0为基准的肋壁传热系数为：(10-7a)(b)以光侧表面积Ai为基准的肋壁传热系数为：(10-7b)(c)未加肋时平壁的传热系数为：(10-1)2021/5/915工程上一般都以未加肋时的表面积为基准计算肋壁传热系数所以，只要就可以起到强化换热的效果。由于β值常常远大于1，而使η0β的值总是远大于1，这就使肋化侧的热阻显著减小，从而增大传热系数的值。2021/5/916注意：b.不同的传热系数，在定义时所采用的计算面积不同c.复杂肋管的传热系数应依靠专门的实验来确定2021/5/91710.1.4临界热绝缘直径问题：在圆管外加肋是否一定能增强传热？在圆管外敷设保温层是否一定能削弱传热？(2)加保温层后，导热热阻增大，对流热阻不变，故总热阻增大，传热系数减小，换热削弱(10-7b)(10-1)2021/5/91810.1.4临界热绝缘直径圆管外敷保温层后：可见，保温层使得导热热阻增加，换热削弱；另一方面，降低了对流换热热阻，使得换热增强，那么，综合效果到底是增强还是削弱呢？这要看d/ddo2和d2/ddo22的值2021/5/919可见，确实是有一个极值存在，从热量的基本传递规律可知，应该是极大值。也就是说，do2在do1-dcr之间，是增加的，当do2大于dcr时，降低。or临界热绝缘直径Bi是管道外表面的毕渥数2021/5/920临界热绝缘直径:即:d0<dcr(Bi<2),d0↑→Ф↑;d0=dcr(Bi=2)时,Ф=Фmax;d0>dcr(Bi>2)时,d0↑→Ф↓.2021/5/9212、圆筒壁：(1)加肋时，肋侧对流热阻Rh的下降远远超过导热热阻Rλ的增大幅度，故总热阻下降，换热增强(2)加保温层后，导热热阻Rλ增大，外侧对流热阻

Rh减小。传热量的变化应视两者的变化幅度而定。

一般情况下，Rλ的增加幅度超过Rh的减小幅度,故总热阻增大,传热系数减小,换热削弱.

特殊情况：当Rλ的增加幅度小于Rh的减小幅度时,总热阻减小,传热系数反而增大,热损失增加(10-2)2021/5/922

解：每米电线在不同的绝缘层外径｛do｝=0.0051+2｛δ｝m的散热量为：【例】外径为5.1mm的铝线，外包=0.15W/(m·K)的绝缘层。tfo=40ºC，twi≤70ºC。绝缘层表面与环境间的复合传热系数ho=10W/(m2·K)。求：绝缘层厚度δ不同时每米电线的散热量。(P465)取do＝10~70mm，计算结果用图线表示于图中。2021/5/923散热量先增后减，有最大值。一般的动力保温管道很少有必要考虑临界热绝缘直径。增加电线的绝缘层厚度，可增强电流的通过能力。2021/5/92410.2换热器的型式及平均温差换热器：用来使热量从热流体传递到冷流体，以满足规定的工艺要求的装置。

10.2.1换热器的分类按照操作过程2021/5/925间壁式换热器：是指冷热流体被壁面隔开进行换热的热交换器。如暖风机、燃气加热器、冷凝器、蒸发器；间壁式挨热器种类很多，从构造上主要可分为：管壳式、肋片管式、板式、板翅式、螺旋板式等，其中以前两种用得最为广泛。另外，按流体流动方向可有顺流、逆流、交叉流之分。2021/5/926蓄热式换热器：换热器由蓄热材料构成，并分成两半，冷热流体轮换通过它的一半通道，从而交替式地吸收和放出热量，即热流体流过换热器时，蓄热材料吸收并储蓄热量，温度升高，经过一段时间后切换为冷流体，蓄热材料放出热量加热冷流体。一般用于气体，如锅炉中间转式空气预热器，全热回收式空气调节器等。2021/5/927蓄热式换热器2021/5/928混和式换热器混合式换热器：冷热流体直接接触，彼此混合进行换热，在热交换同时存在质交换，如空调工程中喷淋冷却塔，蒸汽喷射泵等；2021/5/929按表面紧凑程度区分紧凑程度可用水力直径dh来区别，或用每立方米中的传热面积即传热面积密度β来衡量。2021/5/930适用于传热量不大或流体流量不大的情形。

1、套管式换热器10.2.2间壁式换热器主要型式

2021/5/931优点结构简单，可利用标准管件。两种流体都可在较高温度和压力下换热，传热系数大。传热面积可根据需要增减。套管式换热器缺点单位换热面积金属耗量大，价格较高。检修、清洗不便。2021/5/9322021/5/9332、壳管式换热器

间壁式换热器的一种主要形式，又称管壳式换热器。传热面由管束组成，管子两端固定在管板上，管束与管板再封装在外壳内。两种流体分管程和壳程。2021/5/9342021/5/935列管式冷凝器实例

10.2换热器的类型2021/5/9361-2型换热器增加管程2021/5/9372-4型换热器进一步增加管程和壳程2021/5/938波纹管换热器波纹换热管

2021/5/939管壳式换热器优点结构坚固，对压力和温度的适用范围大。管内清洗方便，清洁流体宜走壳程。处理量大。缺点传热效率、结构紧凑性、单位换热面积的金属耗量等不如新型换热器。2021/5/940间壁式换热器的又一种主要型式。其主要特点是冷热流体呈交叉状流动。根据换热表面结构的不同又可分为管束式、管翅式及管带式、板翅式等。3、交叉流换热器

2021/5/941管翅式2021/5/942直片形

U形

L形方形2021/5/943板翅式2021/5/9444板式换热器：由一组几何结构相同的平行薄平板叠加所组成，冷热流体间隔地在每个通道中流动，其特点是拆卸清洗方便，故适用于含有易结垢物的流体。2021/5/945特点：结构紧凑,占用空间小；传热系数高；端部温差小(可达1℃);热损失小，热效率高(≥98%);适应性好，易调整;不易结垢1,2介质3环行孔道垫圈4板片密封垫圈5激光切焊焊缝6焊接密封流道

2021/5/946优点结构紧凑、体积小、重量轻。流体湍动程度大，强化传热效果好。便于清洗和维修。板式换热器缺点密封周边长，易泄漏。承压能力低（P<2MPa）。流动阻力大，处理量小。2021/5/9475、螺旋板式换热器：换热表面由两块金属板卷制而成，2021/5/9482021/5/949螺旋板换热器的特点:

传热效率高(总传热系数最高可达3300Kcal/m2.h.，传热效率为列管式换热器的1～3倍。)，节能效果好，体积小、价格便宜，使用可靠等。适用气－气、液－液、气－液对流传热，以及用于蒸气冷凝和液体蒸发传热。但密封较困难.2021/5/950优点结构紧凑，单位体积传热面积大。两种流体都能以高速流动，传热效率高。螺旋流动，有自冲刷作用，适于处理粘性和易结垢流体。缺点承压能力差（P<1MPa，t<500ºC）损坏后检修困难。螺旋板式换热器2021/5/9516.管束式换热器2021/5/9527.热管换热器2021/5/9532021/5/954

换热器中流体的流程及流向

流程:用i—j表示

i—壳程数；j—管程数

流向：顺流—冷热两种流体平行而同向流动逆流—冷热两种流体平行而反向流动交叉流—冷热两种流体空中垂直相交流动混合流—上述几种流向的混合10.2换热器的类型2021/5/95510.2.3提高换热器紧凑性的途径减小管径;采用板式结构(减小当量直径);采用肋化表面;采用丝网状材料10.2.4壳管式换热器的近期发展螺旋折流板换热器,折流杆换热器10.2换热器的类型2021/5/95610.3.1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：流动形式不同，冷热流体温差沿换热面的变化规律也不同.换热器中冷流体温度沿换热面是不断变化的，因此，冷却流体的局部换热温差也是沿程变化的。10.3换热器中传热过程对数平均温差的计算2021/5/957以顺流情况为例，作如下假设：（1）冷热流体的质量流量qm2、qm1以及比热容C2,C1是常数；（2）传热系数是常数；（3）换热器无散热损失；（4）换热面沿流动方向的导热量可以忽略不计。要想计算沿整个换热面的平均温差，首先需要知道当地温差随换热面积的变化,然后再沿整个换热面积进行平均。dt1dt2t1t22021/5/958在假设的基础上，并已知冷热流体的进出口温度，现在来看图中微元换热面dA一段的传热。温差为：在固体微元面dA内，两种流体的换热量为:dt1dt2t1t2对于热流体:对于冷流体:2021/5/959可见，当地温差随换热面呈指数变化，则沿整个换热面的平均温差为：2021/5/960(1)(2)(3)(2)、(3)代入(1)中对数平均温差2021/5/9612.逆流换热器在微元面dA中:其他均同顺流2021/5/962不论顺流逆流，对数平均温差可统一用下式表示：

平均温差的另一种更为简单的形式是算术平均温差，即2021/5/9633算术平均与对数平均平均温差的另一种更为简单的形式是算术平均温差，即算术平均温差相当于温度呈直线变化的情况，因此，总是大于相同进出口温度下的对数平均温差，当时，两者的差别小于4％；当时，两者的差别小于2.3％。2021/5/964

实际换热器一般都是处于顺流和逆流之间，或者有时是逆流，有时又是顺流。对于这种复杂情况，我们当然也可以采用前面的方法进行分析，但数学推导将非常复杂，实际上，逆流的平均温差最大，因此，人们想到对纯逆流的对数平均温差进行修正以获得其他情况下的平均温差。_____小于1的修正系数。

—

按逆流布置的对数平均温差；

图10-23～10-24给出了管壳式换热器和交叉流式换热器的。10.3.2复杂布置时换热器平均温差的计算2021/5/965对于其它的叉流式换热器，其传热公式中的平均温度的计算关系式较为复杂，工程上常常采用修正图表来完成其对数平均温差的计算。具体的做法是：（a）由换热器冷热流体的进出口温度，按照逆流方式计算出相应的对数平均温差；（b）从修正图表由两个无量纲数查出修正系数(c)最后得出叉流方式的对数平均温差2021/5/966图10-231－2、1－4等多流程管壳式换热器的修正系数

图5－102－4、2－8等多流程管壳式换热器的修正系数图10-242－4、2－8等多流程管壳式换热器的修正系数

2021/5/967图10-25交叉流，两种流体各自都不混合时的修正系数

2021/5/968图10-26一次交叉流，一种流体混合、一种流体不混合时的修正系数2021/5/969关于的注意事项（1）值取决于无量纲参数P和R式中：下标1、2分别表示两种流体，上角标`表示进口，‘’表示出口，图表中均以P为横坐标，R为参量。（3）R的物理意义：两种流体的热容量之比（2）P的物理意义：流体2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1（4）对于管壳式换热器，查图时需要注意流动的“程”数2021/5/97010.3.3各种流动形式的比较顺流和逆流是两种极端情况，在相同的进出口温度下，逆流的最大，顺流则最小；顺流时，而逆流时，则可能大于，可见，逆流布置时的换热最强。InOutInOut2021/5/971(3)一台换热器的设计要考虑很多因素，而不仅仅是换热的强弱。比如，逆流时冷热流体的最高温度均出现在换热器的同一端，使得该处的壁温特别高，可能对换热器产生破坏，因此，对于高温换热器，又是需要故意设计成顺流。xTInOutxTInOut冷凝蒸发(4)对于有相变的换热器，如蒸发器和冷凝器，发生相变的流体温度不变，所以不存在顺流还是逆流的问题。2021/5/972(5)蛇形管束当曲折次数超过四次时,可作纯顺流或纯逆流处理2021/5/973

10.4间壁式换热器的热设计▲换热器的热设计类型

1.设计计算

2.校核计算▲换热器热设计的基本方法

1.平均温差法*

2.传热单元数法▲换热器的污垢热阻及对传热的影响▲换热器的综合设计2021/5/974(1)设计计算：设计一个新的换热器，以确定所需的换热面积校核计算：对已有或已选定了换热面积的换热器，在非设计工况条件下，核算他能否胜任规定的新任务。换热器热计算的基本方程式是传热方程式及热平衡式10-4换热器的热计算10.4.1两种类型的设计和两种设计方法1.两种类型的设计和两种设计方法2021/5/975对于设计计算而言，给定的是，以及进出口温度中的三个，最终求独立变量：需要给定其中的5个变量，才可以计算另外三个变量。2、两种设计方法平均温差法、效能-传热单元数(-NTU)法对于校核计算而言，给定的一般是，A，以及2个进口温度，待求的是2021/5/9762.换热器的两种热计算方法平均温差法(LMTD法)

传热单元数法[效能—传热单元数法(ε-NTU法)]平均温差法用于校核计算的步骤见P485(需试算)——常用于设计计算(可直接进行计算)

具体步骤见——常用于校核计算计算步骤与平均温压法大致相似2021/5/977初步布置换热面，并计算出相应的总传热系数k根据给定条件，由热平衡式求出进、出口温度中的那个待定的温度由冷热流体的4个进出口温度确定平均温差由传热方程式计算所需的换热面积A，并核算换热面流体的流动阻力如果流动阻力过大，则需要改变方案重新设计。1、设计计算10.3.2平均温差法：直接应用传热方程和热平衡方程进行热计算。2021/5/978（1）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；（2）根据4个进出口温度求得平均温差；（3）根据换热器的结构，算出相应工作条件下的总传热系数k；（4）已知kA和，按传热方程计算在假设出口温度下的传热量；（5）根据4个进出口温度，用热平衡式计算另一个，这个值和上面的，都是在假设出口温度下得到的，因此，都不是真实的换热量；（6）比较两个值，满足精度要求则结束，否则，重新假定出口温度，重复(1)-(6)，直至满足精度要求。2、校核计算2021/5/9791.换热器效能ε的定义(效能ε的概念与计算是传热单元数法的关键)10.4.3换热器热设计的效能—传热单元数法

[(ε-NTU法),简称传热单元数法]2021/5/9802、顺流和逆流时换热器效能的计算①根据热平衡式得：②并假设则有2021/5/981式①，②相加：整理：由上一节知道①②2021/5/9822021/5/983当时，类似推导可得合并写成2021/5/984令类似的推导可得逆流换热器的效能为称为传热单元数2021/5/985当冷热流体之一发生相变时，即趋于无穷大时，于是上面效能公式可简化为当两种流体的热容相等时，公式可以简化为顺流逆流3、用传热单元数表示的效能计算公式与图线NTU：传热单元数，换热器热设计中的一个无量纲参数，在一点意义上可看成是换热器kA大小的一种度量。2021/5/986对于比较复杂的流动形式，可以参照教材P488-489的线算图来计算效能。顺流逆流2021/5/987三个无因次量：

①换热器的效能ε及其计算计算[式(10-18)——式(10-23)、线算图]②③水当量比:)()(min大小表征换热器换热能力的传热单元数qmckANTU=2021/5/988图10-32单壳程换热器图10-33双壳程换热器2021/5/989(1)计算传热单元数

(2)计算两个水当量之比

(3)根据换热器型从相应线算图中查得效能值.(4)由热程计算传热量

(5)计算两个出口温度

已知：kA、两个水当量、两个进口温度t1’、t2’

求：两个出口温度t1”、t2”、及传热量Φ3.采用传热单元数法计算换热器的步骤

——参见P4892021/5/99010.4.4换热器的污垢热阻2.污垢对传热的影响污垢的存在将使传热系数下降，换热削弱.1.污垢热阻

——换热器运行一段时间后,由于在换热面上积起水垢、污泥、烟灰等覆盖物垢层,或由于换热面与流体的相互作用发生腐蚀而引起的覆盖物垢层所产生的附加热阻.2021/5/9913、处理方法注意：当换热壁面面积不是常量时，应考虑面积变化的影响，即引用总热阻的概念。污垢热阻的参考值见P340表9-1（与水文地质条件等有关,由实验测得）(1)使用中，对冷却水进行预处理，并应定期清洗(2)计算中，在计算式中附加一项经验的热阻，即污垢热阻（污垢系数）Rf(m2.℃/W)2021/5/9922021/5/9932021/5/9944.有污垢时的传热系数管壳式换热器的部分污垢热阻可以在表10-1种查得。

当管壁两侧均结垢时,以管子外表面积为计算依据的传热系数为:(10-25)式中:2021/5/995【例】流量Vl=39m3/h的30号透平油，在冷油器中从t1’＝59.5℃冷却到t1＝45℃。冷油器采用1—2型壳管式结构，管子为铜管，外径为15mm，壁厚1mm。47.7t/h的河水作为冷却水在管侧流过，进口温度为t2’＝33℃。油安排在壳侧。油侧的换热系数ho＝450W/(m2·K)，水侧的换热系数hi＝5850W/(m2.K)。已知30号透平油在运行温度下的物性为l＝879kg/m3,c1＝1.95kJ/(kg·K)。求所需换热面积。【解】

油侧的热流量：

＝qmlcl(t1’-t1)＝lVlcl(t1’-t1)

＝879×39×1.95×(56.9-45)/3600

＝798000kJ/h＝221000W冷却水的温升

t2-t2’=/(qm2c2)=798000/(47700×4.19)=4℃于是，冷却水的出口温度为2021/5/996t2’＝33十4＝37℃计算参量P和R：查图10—23得＝0.97,平均温压为℃2021/5/997按表10—1取管内、外侧污垢系数为0.0005m2K/W和0.0002m2K/W，于是总的污垢系数为注：污垢系数有内外之分管壁导热热阻可以忽赂不计实际设计面积可留10％的裕度，取为47.3×1.10=52.0m2。2021/5/998【例】上例如冷油器的进口油温升高到58.7℃，水的流量、进口温度以及油的流量均不变，求出口油温和出口水温。【解】：油和水的温度如升高很多，则需考虑物性变化对k的影响。现在升高甚少，可认为传热系数仍为311W/(m2.K)。此题应采用

—NTU法计算。计算如下：查图得

＝0.54。热流量℃℃2021/5/999

六、平均温差法与

-NTU法的比较设计计算时，两者的工作量差不多，只是平均温差法要求，可以知道流动布置与逆流的差距，有利于改进型式的选择。校核计算时，-NTU法工作量小一些，迭代时对物性参数k的影响也较小；2021/5/910010.4.5换热器的综合设计

应将初投资、运行费用、安全可靠等因素进行综合考虑，以达到最佳的综合技术经济指标为目标基本原则：1、应以最恶劣的运行条件为设计依据；2、设计时应采用一定的安全系数（减小传热系数、表面传热系数或增大换热面积)；3、考虑一些技术经济问题——最优化设计；4、考虑运行中的一些实际问题，如管壳程的安排、管距管径的选择、各换热面间的相互影响、结垢后的清洗问题，……等2021/5/910110.4.1强化传热问题概说

增加k，主流增加温差，常常使不可逆损失增大增大传热面积10-5传热的强化和隔热保温技术强化传热的目的：①缩小设备尺寸；②提高热效率；③保证设备安全。在一定的传热面积与温差下，增加传热系数或对流传热系数的技术，称为强化传热技术。2021/5/9102【例】压缩空气在中间冷却器的管外横掠流过，ho=90W/(m2.K)。冷却水在管内流过，hi=6000W/(m2.K)。冷却管是外径为16mm厚1.5mm的黄铜管。求：(a)此时的传热系数；(b)如管外的对流换热系数增加一倍，传热系数有何变化？(c)如管内的对流传热系数增加一倍，传热系数又作如何变化？2021/5/9103(b)略去管壁热阻，传热系数为(c)略去管壁热阻，传热系数为解：(a)黄铜的导热系数为111W/(m.K)管外的对流换热系数增加一倍，传热系数增加96%管内的对流传热系数增加一倍，传热系数增加不足1%2021/5/9104强化换热的原则：在热阻最大的环节上下功夫一般说来管壁热阻较小，常常要强化对流热阻强化对流换热的原则：

(1)无相变的对流换热：减薄边界层，加强流体混合；

(2)核态沸腾：增加汽化核心

(3)膜状凝结：减薄液膜及加速凝结液膜的排泄

(4)减小污垢热阻：工质的预处理，定期清洗

10.4.2强化换热技术的分类：1、从固体侧着手与从流体侧着手角度分类2021/5/9105无源技术：除输送传热介质所需的功率外，不需附加动力涂层表面粗糙表面

扩展表面

扰流元件

涡流发生器

螺旋管

添加物冲击射流2、从是否使用外部动力源进行分类2021/5/9106有源技术

除输送传热介质所需的功率外，需外加动力对介质进行机械搅拌受热面振动流体振动电磁场介质种加入异物或介质

强化换热的方式的综合评价

应当综合考虑传热效果、流动阻力、成本和运行费用；3、按照发展历史分类2021/5/9107具体措施有：①提高流速；②采用短管；③增加扰动；④采用大λ流体；⑤采用肋管或特殊换热面；⑥采用小管径管子；……等等单相流体对流传热的强化

1.减薄边界层;2.增加扰动,促使流体各部分混合核态沸腾传热的强化——增加汽化核心膜状凝结传热的强化

1、减薄液膜厚度

2、加速凝结液膜的顺利排泄2021/5/9108削弱传热的方法

1、覆盖热绝缘材料。常用的材料日前有：岩棉、泡沫塑料、微孔硅酸切、珍珠岩等。2、改变表面状况。即改变表面的辐射特性及附加抑制对流的元件。3、遮热板2021/5/9109