第十章 传热过程与换热器

第十章传热过程与换热器

第一节传热过程的分析和计算

２．通过单层平壁的传热１．定义：热流体通过固体壁面把热量传给冷流体的过程。热流体与固体壁左侧有：固体壁面间换热：

固体壁面与冷流体间换热：

稳态导热有：

热阻图传热方程式单层平壁传热热阻

单位面积热热阻

影响Ｋ的因素：流体的物性，流动状态，固体壁的形状、物性。

3．通过圆壁的传热hiho

由于对圆壁来说，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。

a.外侧面积做为基准面

ｂ．以内侧面积作为基准面的传热系数

以外表面为基准面的传热阻：

在一般工程计算中，选外侧面为基准的多。

4．临界热绝缘直经

对于平板，加保温后，一定能够降低散热量（消弱传热）对于圆管（球），加保温层也一定能降低散热量吗？以管道为例

为了计算方便，忽略内侧的对流热阻和管壁的导热热阻，实际上也是可行的。此时的总热阻为：管道的散热量为综合效果是增加还是减少，不得而知？

从图可以看出，导热量随直径ｄ２有个最大值。电线：加绝缘层，不仅能绝缘，且能提高散热量，这是我们希望的，因电流流过电线后发热，若热量不及时排出，电阻变大，阻碍电流但一般动力管道外径均大于此值。

对于一般的动力管道，加保温层一般均能起到保温作用。5.强化传热的原则（以平板为例）：

可以提高二侧的表面传热系数或一侧的表面传热系数，但有个前提条件，经济性问题

从这例子可以看出，强化传热，必须从分热阻下手，抓住分热阻最大的一项着手，设法降低此项热阻。（设法提高表面传热系数小的一项）一般情况下，气体的表面传热系数远远小于液体的表面传热系数，也就是要强化气侧的换热。何时一侧加肋片？何时二侧同时加

用冷却水冷却变压器油的冷油器，实验测得其总传热系数k如附图所示。试问：（1）该换热器的热阻主要在哪一侧？（2）如两种流体的流速差不多，你认为介质甲是水还是油，为什么？

为强化一台冷油器的传热，有人用提高冷却水流速的办法，但发现效果并不显著，请分析其原因何在？

北方的冬季用热水散热器采暖（管内热水加热空气），到了深冬只增加热水流速，能不能显著增加散热量？第二节换热器的分类及平均温压（差）

一、换热器的分类换热器：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。按照工作原理分类分为间壁式、混合式及蓄热式（或称回热式）三大类。

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。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；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、电厂冷水塔等；回热式换热器：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。二、间壁式换热器的主要形式

1、套管式（1）按结构来分适用于传热量不大或流体流量不大的情形。

2、管壳式管程、壳程、折流挡板进一步增加管程和壳程3、交叉流换热器（分管束式、管翅式及板翅式）4、板式换热器

板式换热器拆卸清洗方便，故适合于含有易污染物的流体的换热。5、螺旋板式换热器

换热器换热效果较好，缺点是换热器的密封比较困难。6、热管换热器1、顺流式换热器2、逆流式换热器3、交叉式换热器4、混合式换热器（2）按流动方向分三、平均传热温差

对任何形式的换热器，传热方程式中的平均传热温差Δt均是冷热流体的平均温差。但是，流动形式不同，冷热流体温差沿换热面的变化规律也不同。传热温差也不同。传热方程式：顺流和逆流的区别：

逆流式：

逆流也有缺点，即热流体和冷流体的最高温度集中在换热器的同一端在相同的进出口温度条件下顺流时：或以顺流情况为例，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。逆流时：

顺流时：

其它流动形式的对数平均温差

对于其它流动形式的换热器，均是在逆流换热器的基础上再乘一修正系数，即：1－2、1－4等多流程管壳式换热器的修正系数

第三节 换热器的热计算

分为设计计算和校核计算。换热器热计算的基本公式为传热方程式:热平衡方程式：1、换热器计算的平均温差法平均温差法用作设计计算时步骤：初步布置换热面，计算出相应的传热系数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Δtm。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Ψ具有合适的数值。由传热方程求出所需要的换热面积A，并核算换热面两侧有流体的流动阻力。如流动阻力过大，改变方案重新设计。

（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Δtm（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Φ，按传热方程式计算在假设出口温度下的Δtm（5）根据4个进出口温度，用热平衡式计算另一个Φ，这个值和上面的Φ，都是在假设出口温度下得到的，因此，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)~(5)，直至满足精度要求。对于校核计算具体计算步骤：

污垢增加了热阻，使传热系数减小，这种热阻成为污垢热阻，用Rf表示，

换热器设计是综合性的课题，必须考虑出投资，运行费用，安全可靠等诸多因素。2、换热器设计时的综合考虑3、换热器的结垢及污垢热阻式中：k为有污垢后的换热面的传热系数，k0为洁净换热面的传热系数。

对于两侧均已结垢的管壳式换热器，以管子外表面为计算依据的传热系数可以表示成：

管壳式换热器的部分污垢热阻可以在有关表中查得。（2）污垢热阻的计算

温度为t0的原油以质量流量qm（kg/s）流入一内径为D的架空管道。已知管外空气的温度为tf，管内原油与空气间的传热系数（基于管内壁面积）为k（W/（m2

K)）。假定t0、tf、qm、k及原油的比热c（J/(kg·K)）等物性参数均为常数。试分析原油温度t沿流动方向x的变化规律。

在井口处采用套管式换热器利用热水加热产出的高含蜡原油。热水进、出口温度分别为90℃、45℃，热水流量是0.7kg/s，比热为4.18kJ/(kg

℃)；产出原油的温度为35℃，加热后原油温度为60℃，原油比热为2.56kJ/(kg

℃)，忽略换热器的热损失。问：（1）该换热器是顺流还是逆流？（2）该井的原油产量是多少？（3）水和油之间的换热量是多少？（4）该换热器的对数平均温差是多少？

一个储存水果的房间的墙是由红砖、软木板两层材料构成，厚度分别为70mm、50mm，红砖的导热系数为0.4W/(m

K)，软木板的导热系数为0.044W/(m

K)，其中一面墙的高与宽为3m及6m。冬天，室内温度为2℃，室外为-10℃，室内墙壁与环境之间的表面传热系数为6W/(m2

K)，室外刮大风时表面传热系数为60W/(m2

K)。计算通过这面墙散失的热量以及墙的传热系数。

热水在两根相同的管道内以相同的流速流动，管外分别采用空气冷却和水冷却。经过一段时间后，两管内产生相同厚度的水垢。问水垢的产生对哪一根管道的传热系数影响大？为什么？

用对数平均温度法来核核换热器，因需要迭代，所以计算量很大，而且对计算结果的准确性也有一定的误差，在这种情况下，采用效能（有效度）---传热单元数数，即ε－NTu法。a.热容量：

4效能（有效度）---传热单元数数，即ε－NTu法几个参数b.热容比Ｃ

c.效能（有效度）ε

若d.传热单元数NTU物意：反映换热器综合技术经济性能的指标。A－投资成本；Ｋ－运行成本

以顺流为例：

若：

逆流：

特例(1)

（２）

顺流：

逆流：

用于设计计算时，用对数平均温差和ε－NTu法，工作量差不多。用于核计算时，用ε－NTu法较方便，工作量少些。

二种方法的优缺点例题：有一套管式换热器，热液体的进出口温度为200℃和150℃冷液体的进出口温度为100℃和170℃，试求△tm和NTU。解：（１）从而此套管式换热器为逆流式套管换热器

（2）根据：

可得：

或者第四节 传热的强化和隔热保温技术

保证设备安全。强化传热的目的缩小设备尺寸；提高热效率；有源技术和无源技术1．强化传热的原则及方法若二侧表面传热系数相差不大时，两侧同时强化。

a．提高流速（紊流）；

b．设法使液体产生扰动或涡流；

c．采用机械振动。原则：针对分热阻最大的一侧。方法：若两侧表面传热系数相差较大，则应强化小的一侧一、增强传热的方法

温差是增加传热的驱动力，可使热流量增加。采用逆流方式布置换热面。（1）加大传热温差Δt考虑问题全面：流动阻力、合理的流动速度、经济性（2）减小传热面总热阻Rt从减小导热热阻、