传热过程分析与换热器的热计算

关于传热过程分析与换热器的热计算2023/6/27第1页，讲稿共74页，2023年5月2日，星期三2023/6/27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第2页，讲稿共74页，2023年5月2日，星期三2023/6/27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)第3页，讲稿共74页，2023年5月2日，星期三2023/6/2710.1传热过程的分析和计算传热过程的定义——热量由壁面一侧的热流体通过壁面传到另一侧的冷流体中的过程,称为传热过程传热过程的宏观规律——传热方程式中：k为传热系数(W/m2.K),反映传热过程的强弱为传热热阻第4页，讲稿共74页，2023年5月2日，星期三2023/6/2710.1.1通过平壁的传热过程计算等效电路图(共三个环节串联):10.1传热过程的分析和计算第5页，讲稿共74页，2023年5月2日，星期三2023/6/27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壁面材料导热系数通过平壁的传热量：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.10.1传热过程的分析和计算第6页，讲稿共74页，2023年5月2日，星期三2023/6/2710.1.2通过圆筒壁的传热过程计算10.1传热过程的分析和计算等效电路图(共三个环节串联):第7页，讲稿共74页，2023年5月2日，星期三定义：(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通过圆筒壁的传热量：(10-2)10.1传热过程的分析和计算第8页，讲稿共74页，2023年5月2日，星期三2023/6/27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)10.1传热过程的分析和计算第9页，讲稿共74页，2023年5月2日，星期三2023/6/2710.1.3通过肋壁的传热过程计算

(以平壁一侧装肋的情况为例)基础：肋壁(或肋面)总效率的概念10.1传热过程的分析和计算第10页，讲稿共74页，2023年5月2日，星期三2023/6/27(1)肋壁总效率η0式中：10.1传热过程的分析和计算第11页，讲稿共74页，2023年5月2日，星期三2023/6/27(2)肋壁传热过程分析解得：10.1传热过程的分析和计算第12页，讲稿共74页，2023年5月2日，星期三2023/6/27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)10.1传热过程的分析和计算第13页，讲稿共74页，2023年5月2日，星期三2023/6/27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10.1传热过程的分析和计算第14页，讲稿共74页，2023年5月2日，星期三2023/6/2710.1.4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)10.1传热过程的分析和计算第15页，讲稿共74页，2023年5月2日，星期三2023/6/272、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)10.1传热过程的分析和计算第16页，讲稿共74页，2023年5月2日，星期三2023/6/27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↓.10.1传热过程的分析和计算第17页，讲稿共74页，2023年5月2日，星期三2023/6/2710.2.1换热器的分类1.按操作过程分:间壁式—也称表面式，在工程中最常用混合式—适用于冷热流体为同类介质的场合回热式(蓄热式)—适用于气体与气体间的换热,为非稳态过程换热器—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换热器的类型10.2换热器的类型第18页，讲稿共74页，2023年5月2日，星期三2023/6/272.按表面的紧凑程度分:紧凑式与非紧凑式紧凑式—β≥700m2/m3,或dh≤6mm层流换热器—β＞3000m2/m3,或100μm≤dh≤1mm微型换热器–β＞15000m2/m3,或100μm≤dh≤1mm紧凑程度用当量直径de(dh)或传热面积密度

β来衡量(β---单位体积中的传热面积)(详见P467图10-5)10.2换热器的类型第19页，讲稿共74页，2023年5月2日，星期三2023/6/2710.2.2间壁式换热器的主要型式

套管式管式壳管式*(列管式.最简单,最典型)管束式蛇管式板式板式螺旋板式板翅式夹套式热管换热器见P467-471图10.2换热器的类型第20页，讲稿共74页，2023年5月2日，星期三2023/6/27特点:耐压抗震,不易变形;耐脏耐垢,不易堵塞;

回油顺畅,安全性高;结构灵活,布置方便适用:传热量不大或流体流量不大的情形

1.套管换热器10.2换热器的类型第21页，讲稿共74页，2023年5月2日，星期三2023/6/272.壳管式换热器10.2换热器的类型第22页，讲稿共74页，2023年5月2日，星期三2023/6/2710.2换热器的类型第23页，讲稿共74页，2023年5月2日，星期三2023/6/27列管式冷凝器实例

10.2换热器的类型第24页，讲稿共74页，2023年5月2日，星期三2023/6/27波纹管换热器波纹换热管

10.2换热器的类型第25页，讲稿共74页，2023年5月2日，星期三2023/6/273.交叉流换热器例：板翅式换热器10.2换热器的类型第26页，讲稿共74页，2023年5月2日，星期三2023/6/27直片形U形

L形方形10.2换热器的类型第27页，讲稿共74页，2023年5月2日，星期三2023/6/274.板式换热器10.2换热器的类型第28页，讲稿共74页，2023年5月2日，星期三2023/6/27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

第29页，讲稿共74页，2023年5月2日，星期三2023/6/275.螺旋板式换热器10.2换热器的类型第30页，讲稿共74页，2023年5月2日，星期三2023/6/27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.10.2换热器的类型第31页，讲稿共74页，2023年5月2日，星期三2023/6/276.管束式换热器10.2换热器的类型第32页，讲稿共74页，2023年5月2日，星期三2023/6/277.热管换热器10.2换热器的类型第33页，讲稿共74页，2023年5月2日，星期三2023/6/27第34页，讲稿共74页，2023年5月2日，星期三2023/6/27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换热器的类型第35页，讲稿共74页，2023年5月2日，星期三2023/6/2710.2.3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换热器的类型第36页，讲稿共74页，2023年5月2日，星期三2023/6/2710.3.1、简单顺、逆流换热器平均温差的计算简化假定:

a.冷、热流体的质量流量qm2、qm1及比热容c2、

c1在整个换热面上都是常量；

b.传热系数k在整个换热面上不变；

c.换热器无散热损失；

d.换热面沿流动方向的导热量可忽略不计。

10.3换热器中传热过程平均温差的计算传热方程：Δtm—（对数）平均温压10.3换热器的平均温差第37页，讲稿共74页，2023年5月2日，星期三2023/6/271.顺流换热器在dA中:10.3换热器的平均温差第38页，讲稿共74页，2023年5月2日，星期三2023/6/27或：……=将式(h)沿全换热面积分平均，即可得整个换热面的平均温差Δtm:得截面Ax处的温差Δtx与Ax的关系为:(h)10.3换热器的平均温差第39页，讲稿共74页，2023年5月2日，星期三2023/6/272.逆流换热器在微元面dA中:其他均同顺流第40页，讲稿共74页，2023年5月2日，星期三2023/6/273.平均温压的简化计算

－－用算术平均温差代替对数平均温差条件：10.3换热器的平均温差第41页，讲稿共74页，2023年5月2日，星期三2023/6/2710.3.2其他复杂布置时平均温差的计算

—采用修正系数线算图求解具体计算步骤见P478:(1)以给定的冷热流体的进出口温度,计算按逆流布置时的对数平均温差(Δtm)ctf(2)根据流动型式,根据P、R从相应的线算图中查得修正系数ψ,则:(10-12)各种流动型式换热器的修正系数线算图见P479-48010.3换热器的平均温差第42页，讲稿共74页，2023年5月2日，星期三2023/6/2710.3.3不同流动布置型式平均温差的比较(1)在冷热流体进出口温度一定的条件下,(Δtm)顺最小,(Δtm)逆最大;且逆流布置时热损失对(Δtm)的影响最小(2)其他流动型式的(Δtm)介于顺流与逆流之间,设计中一般要求修正系数ψ大于0.9,至少不能小于0.8;(3)当其中一种流体有相变时,无顺逆流之分;(4)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第43页，讲稿共74页，2023年5月2日，星期三2023/6/27

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.平均温压法*

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10.4间壁式换热器的热设计第44页，讲稿共74页，2023年5月2日，星期三2023/6/27换热器热设计的基本公式热平衡方程:(10-14)10.4间壁式换热器的热设计第45页，讲稿共74页，2023年5月2日，星期三2023/6/271.两种类型的设计

——设计计算与校核计算已知：两个水当量qm1c1和qm2c2、四个进出口温度中的三个求：另一温度值、kA、传热量Φ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Φ

设计计算校核计算10.4.1两种类型的设计和两种设计方法10.4间壁式换热器的热设计第46页，讲稿共74页，2023年5月2日，星期三2023/6/272.换热器的两种热计算方法平均温压法(LMTD法)

传热单元数法[效能—传热单元数法(ε-NTU法)]平均温压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10.4间壁式换热器的热设计第47页，讲稿共74页，2023年5月2日，星期三2023/6/27

10.4.2换热器热设计的平均温差法(LMTD法)

1.平均温压法用于设计计算的步骤P485

:(1)初步布置换热面,并计算传热系数k;(2)由热平衡式求出第4个温度;(3)计算平均温差(注意保持修正系数具有合适的数值;(4)由传热方程求出所需传热面积A,并核算流动阻力;(5)如流动阻力过大,改变方安重新设计.10.4间壁式换热器的热设计第48页，讲稿共74页，2023年5月2日，星期三2023/6/272.平均温压法用于校核计算的步骤(迭代法):P485(1)假定1个出口温度,按热平衡方程求出另一出口温度;(2)计算平均温差;(3)根据换热器的结构,计算传热系数k;(4)已知kA,△tm,由传热方程求出传热量Φht;(5)根据4个温度,由热平衡方程求出另一传热量Φhb;(6)比较Φht与Φhb(要求两者之差小于2%～5%).10.4间壁式换热器的热设计第49页，讲稿共74页，2023年5月2日，星期三2023/6/271.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]10.4间壁式换热器的热设计第50页，讲稿共74页，2023年5月2日，星期三2023/6/272.效能ε的计算[式(10-19)—式(10-23)]10.4间壁式换热器的热设计第51页，讲稿共74页，2023年5月2日，星期三2023/6/27(3)简化计算式①其中任一流体发生相变时，(qmc)max→∞顺、逆流换热器均有：②两种流体的水当量相等，即(qmc)max=(qmc)min顺流：逆流：不同流动形式换热器的ε—NTU关系图详见P488、489图10.4间壁式换热器的热设计第52页，讲稿共74页，2023年5月2日，星期三2023/6/27三个无因次量：

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:10.4间壁式换热器的热设计第53页，讲稿共74页，2023年5月2日，星期三2023/6/27第54页，讲稿共74页，2023年5月2日，星期三2023/6/27(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)由热班程计算传热量(2)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(需试算)——参见P48910.4间壁式换热器的热设计第55页，讲稿共74页，2023年5月2日，星期三2023/6/2710.4.4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.10.4间壁式换热器的热设计第56页，讲稿共74页，2023年5月2日，星期三2023/6/273、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)10.4间壁式换热器的热设计第57页，讲稿共74页，2023年5月2日，星期三2023/6/27第58页，讲稿共74页，2023年5月2日，星期三2023/6/27第59页，讲稿共74页，2023年5月2日，星期三2023/6/274.有污垢时的传热系数P495.例10-6换热器的设计计算例10-7换热器的校核计算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:10.4间壁式换热器的热设计第60页，讲稿共74页，2023年5月2日，星期三2023/6/2710.4.5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10.4间壁式换热器的热设计第61页，讲稿共74页，2023年5月2日，星期三2023/6/2710.5

热量传递过程的控制(强化与削弱)概说--强化传热的原则和手段强化传热技术及机理热阻分离法---确定传热过程分热阻的的威尔逊图解法隔热保温技术（以自学为主）10.5热量传递过程的控制第62页，讲稿共74页，2023年5月2日，星期三2023/6/27问题：强化传热过程的基本原则是什么？传热的强化主要集中在什么领域？各可采取哪些手段？强化传热的手段可分为哪几类？它们之间的差别何在？具体有哪些手段？传热的削弱主要集中在什么领域？常用的措施有哪些？常用的保温材料有哪些？保温技术包括哪些内容？10.5热量传递过程的控制第63页，讲稿共74页，2023年5月2日，星期三2023/6/27强化对流传热的手段无源技术(被动式技术)

——指除了输送传热介质的功率消耗外不再需要附加动力的强化技术有源技术(主动式技术)

——需要采用附加动力的强化技术对流传热的强化10.5热量传递过程的控制第64页，讲稿共74页，2023年5月2日，星期三2023/6/27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10.5热量传递过程的控制第65页，讲稿共74页，2023年5月2日，星期三2023/6/27

对于换热器，除了强化相应的