传热学-9-传热过程和换热器-课件

第九章传热过程和换热器1、重点内容：

（1）掌握传热过程的分析和计算（肋壁的传热）（2）掌握临界热绝缘直径的概念和分析计算（3）掌握顺流及逆流的对数平均温差的分析计算（4）了解换热器的型式和分类以及换热器的热设计（5）了解传热的强化和隔热保温技术及有关问题分析2、了解内容：传热的强化和隔热保温技术及有关问题分析。第九章传热过程和换热器1、重点内容：9-1传热过程的分析和计算传热过程：一侧的热流体通过固体壁面把热量传给另一侧冷流体的过程。基本计算式（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）。9-1传热过程的分析和计算传热过程：一侧的热流体通过固体壁9-1传热过程的分析和计算一通过平壁的传热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。9-1传热过程的分析和计算一通过平壁的传热由于平9-1传热过程的分析和计算二通过圆管的传热在稳态条件下，通过各环节的热流量是不变的。hiho内部对流：圆柱面导热：9-1传热过程的分析和计算二通过圆管的传热在稳态条件下，9-1传热过程的分析和计算hiho外部对流：其中：以外表面积为基准的传热系数。9-1传热过程的分析和计算hiho外部对流：其中：以外表面9-1传热过程的分析和计算hiho其中：以内表面积为基准的传热系数。或者9-1传热过程的分析和计算hiho其中：以内表面积为基准的9-1传热过程的分析和计算三通过肋壁的传热1肋壁传热计算式在表面传热系数较小的一侧采用肋壁是强化传热的一种行之有效的方法。下面以平壁的一侧为肋壁的较简单的情况，作为分析肋壁传热的对象。9-1传热过程的分析和计算三通过肋壁的传热在表面传热系数式中，为肋面总效率。式中，为肋面总效率。9-1传热过程的分析和计算定义肋化系数：则传热系数为所以，只要就可以起到强化换热的效果。肋片越高，肋距越小，肋化系数就越大。9-1传热过程的分析和计算定义肋化系数：9-1传热过程的分析和计算2加肋的目的（1）强化传热在冷热介质温度一定时，要增强传热可以加大h1、h2、λ、A1、A2、υ和减小δ。最有效的措施是改变上列某些值后，可减小各项分热阻中最大的那一个热阻值。虽然，但，所以加肋侧总热阻减小，传热热流量增加。（2）调节壁面温度

9-1传热过程的分析和计算2加肋的目的（1）强化传热（29-1传热过程的分析和计算

对于蒸汽加热的暖气包，由于蒸汽凝结换热系数h1远远大于暖气包对室内空气自然对流时的h2，使这一传热过程中的总热阻完全决定于h2一侧的换热热阻。因此在h2一侧加导热热阻较小的肋片是最有效的改进措施。

在表面传热系数较小的一侧采用肋壁是强化传热的一种行之有效的方法。

9-1传热过程的分析和计算对于蒸汽加热的暖9-1传热过程的分析和计算四临界热绝缘直径圆管外加肋片是强化换热还是消弱传热（圆管外加保热层）取决于增加表面积后所引起的对流换热热阻减小的程度及导热热阻增加的程度的相对大小。用于强化换热时的肋片都是用金属做成，导热系数很大，而且肋片所增加的换热面积的倍数较高，因而，对流换热热阻的减小量大于导热热阻的增加量。使总热阻明显降低(强化了换热)。加保温层时，由于保温材料的导热系数都很小，敷设保温层后换热面积的增加是由于简单地扩大直径而致，增加的幅度有限。因而一般是导热热阻的增加量大于对流换热热阻的减少量，使总热阻增加(消弱了传热)。

9-1传热过程的分析和计算四临界热绝缘直径圆管外圆管外敷保温层后：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（do2较do大），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。圆管圆管外敷保温层后：可见，保温层使得导热热阻增加，换热削弱；另9-1传热过程的分析和计算可见，确实是有一个极值存在。这个散热量为最大值的临界直径dcr称为临界热绝缘直径。也就是说，do2在do1~dcr之间，是增加的，当do2>dcr时，降低。保温管道外表面的Bi>2时，增加保温层厚度可进一步减少热损失；若Bi<2时，增加保温层厚度反起到强化换热的作用。一般保温动力管道外经大于此值，所以很少有必要考虑临界热绝缘直径的问题。

9-1传热过程的分析和计算可见，确实是有一9-2换热器的分类和平均传热温差一、换热器的分类

换热器：把热量从热流体传递给冷流体的热力设备。按换热器操作过程分为：间壁式、混合式及蓄热式(或称回热式)三大类。1）间壁式：冷、热流体被间壁隔开，通过间壁换热。2）混合式：冷、热流体通过直接接触换热。3）回热式：冷、热流体周期性地流过固体壁面换热。9-2换热器的分类和平均传热温差一、换热器的分类间壁式热交换器管式热交换器板式热交换器壳管式热交换器肋片管式热交换器套管式热交换器板翅式热交换器平行板式热交换器螺旋板式热交换器二、间壁式换热器的主要形式在三类换热器中以间壁式换热器应用最广，本节将对其结构型式及换热器中冷、热流体间的平均温差的计算方法作比较详细的介绍。间壁式热交换器管式热交换器壳管式热交换器板翅式热交换器二、间（1）壳管式换热器

壳管式换热器是间壁式换热器的一种主要形式，又称管壳式换热器。（1）壳管式换热器壳管式换热器是间壁式换热器的一种（1）壳管式换热器为了提高管程流体的流速，在上图的换热器中，一端的封头里加了一块隔板，构成了两管程的结构，称为l-2型换热器(此处l表示壳程数，2表示管程数)。下图是一个1-2型换热器的剖面图。1-2型换热器剖面示意图（1）壳管式换热器为了提高管程流体的流速，在上图的换热器中（1）壳管式换热器

2-4型换热器（1）壳管式换热器2-4型换热器套管式换热器是最简单的一种间壁式换热器，其结构如下图所示。总的来说，这类间壁式换热器适用于传热量不大或流体流量不大的情形。实际使用时，为增加换热面积可采用c所示结构。（2）套管式换热器套管式换热器示意图套管式换热器是最简单的一种间壁式换热器，其结构如（3）交叉流换热器交叉流换热器是间壁式换热器的又一种主要型式。根据换热表面结构的不同又可有管束式、管翅式及板翅式等。交叉流换热器示意图（3）交叉流换热器交叉流换热器是间壁式换热器的又一种（4）板式换热器

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，两相邻平板之间用特殊设计的密封垫片隔开，形成一个通道，冷、热流体间隔地在每个通道中流动。为强化换热并增加板片的刚度，常在平板上压制出各种波纹。板式换热器中冷、热流体的流动有多种布置方式，图示为1-1型板式换热器的逆流布置，这里的1-1型表示冷、热流体都只流过一个通道。板式换热器拆卸清洗方便，故适合于含有易污染物的流体(如牛奶等有机流体)的换热。（4）板式换热器板式换热器由一组几何结构相同的平行（4）板式换热器

（4）板式换热器螺旋板式换热器的换热表面是由两块金属板卷制而成，冷、热流体在螺旋状的通道中流动，这种换热器换热效果较好，缺点是换热器的密封比较困难。

（5）螺旋板式换热器螺旋板式换热器的换热表面是由两块金属板卷制而成，（按流动方向分类：1.顺流式2.逆流式3.叉流式3.叉流式4.混合流式（杂流式）按流动方向分类：1.顺流式2.逆流式3.叉流式3按流程分类：单流程：双流程：多流程：按流程分类：单流程：三、平均温差的计算1.简单顺、逆流换热器平均温差的计算

在换热器中，热流体沿程放出热量温度不断下降；冷流体沿程吸收热量而温度不断上升。当利用传热方程式来计算整个传热面上的热流量时，必须使用整个传热面积上的平均温差(又称平均温压)，记为Δtm。据此，传热方程式的一般形式应为:这个过程对于传热过程是通用的。三、平均温差的计算1.简单顺、逆流换热器平均温差的计算tAtAtAtAtAtAtAtA（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。以顺流情况为例，作如下假设：对数平均温差tA（1）冷、热流体的质量流量qm2、qm1以及比热容以顺流情不论顺流还是逆流，对数平均温差可统一用以下计算式表示：

平均温差的另一种更为简单的形式是算术平均温差，即不论顺流还是逆流，对数平均温差可统一用以下计算式9-3换热器的热计算任务：设计计算和校核计算工具：基本公式为传热方程式:热平衡方程式：9-3换热器的热计算任务：设计计算和校核计算传热方程式:热（1）初步布置换热面，计算出相应的传热系数。（2）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。（3）由冷、热流体的4个进、出口温度确定平均温差，计算时要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要的换热面积，并核算换热面两侧有流体的流动阻力。（5）如流动阻力过大，改变方案重新设计。设计计算时步骤如下：（1）初步布置换热面，计算出相应的传热系数。设计计算时校核计算具体计算步骤：（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k、A和

，按传热方程式计算在假设出口温度下的∆tm；（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。校核计算具体计算步骤：（1）先假设一个流