热工基础 课件12章 传热过程和换热器热计算

《热工基础》第12章传热过程分析和换热器热计算基础PPT模板下载：/moban/行业PPT模板：/hangye/节日PPT模板：/jieri/PPT素材下载：/sucai/PPT背景图片：/beijing/PPT图表下载：/tubiao/优秀PPT下载：/xiazai/PPT教程：/powerpoint/Word教程：/word/Excel教程：/excel/资料下载：/ziliao/PPT课件下载：/kejian/范文下载：/fanwen/试卷下载：/shiti/教案下载：/jiaoan/PPT论坛：

内容010203重点及难点：传热过程分析及计算

换热器的基本概念及热计算传热的强化及隔热保温技术

1、传热过程的分析方法；2、换热器平均温差的计算

§12-1传热过程分析传热过程基本计算式(传热方程式)K是传热系数(总传热系数)。对于不同的传热过程，K的计算公式也不同。定义：热流体通过固体壁面把热量传给冷流体的过程。从定义中可以看出，热量传热有导热（固体壁内），强制对流换热；自然换热；辐射换热。§12-1传热过程分析§12.1.1

通过平壁和圆筒壁的传热过程

1通过平壁的传热平板两侧分别为冷热流体热流体与固体壁左侧有：tf1tf2固体壁面间换热：固体壁面与冷流体间换热：§12-1传热过程分析§12.1.1

通过平壁和圆筒壁的传热过程

稳态导热有：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。§12-1传热过程分析§12.1.1

通过平壁和圆筒壁的传热过程

1通过平壁的传热t1t2t3t4t1t2t3t42多层平壁的导热由热阻分析法：平板两侧分别为冷热流体由热阻分析法：热阻的特点：

串联热阻叠加原则：在一个串联的热量传递过程中，若通过各串联环节的热流量相同，则串联过程的总热阻等于各串联环节的分热阻之和。

因此，稳态传热过程热阻的组成是由各个构成环节的热阻组成，且符合热阻叠加原则。

§12-1传热过程分析§12.1.1

通过平壁和圆筒壁的传热过程

§12-1传热过程分析传热过程基本计算式(传热方程式)K是传热系数(总传热系数)。对于不同的传热过程，K的计算公式也不同。定义：热流体通过固体壁面把热量传给冷流体的过程。从定义中可以看出，热量传热有导热（固体壁内），强制对流换热；自然换热；辐射换热。§11-1传热过程分析2通过圆管的传热hiho内部对流：圆柱面导热：外部对流：§12-1传热过程分析§12.1.1

通过平壁和圆筒壁的传热过程

§11-1传热过程分析hiho2通过圆管的传热§12-1传热过程分析

由于对圆壁来说，面积是随着半经的变化而变化的，所以此时的传热系数有个选择基准面的问题。传热过程:a.外侧面积做为基准面的传热系数2通过圆管的传热§12-1传热过程分析ｂ．以内侧面积作为基准面的传热系数ｃ．单位长度的传热系数Ke2通过圆管的传热§12-1传热过程分析单位长度的传热热阻以外表面为基准面的传热热阻：注意：在一般工程计算中，选外侧面为基准的多。2通过圆管的传热§12-1传热过程分析§12.1.2

传热过程的强化

强化传热的途径传热过程

A

K强化传热的实质设法减小传热总热阻，增大传热系数。强化传热（以平板为例）：提高h1或提高h2均可以提高K值，但有个前提条件即经济性指标的问题§12.1.2

传热过程的强化

由于壁厚较薄，导热系数又较大，导热项可忽略

从上面的例子可以看出，强化传热必须从分热阻下手，也即从抓住分热阻最大的一项着手，设法降低此项热阻。（上例应设法提高换热系数h1的一项）。一般情况下，气体的对流换热系数远远小于液体的对流换热系数，也就是要强化气侧的换热。我们以下面的例子来说明这一问题§12.1.2

传热过程的强化

§12.1.2

传热过程的强化

强化传热的原则和强化对流换热的手段强化的原则：是分析传热过程的各个环节，抓住其中的主要矛盾即热阻大的一侧进行强化。当传热过程两侧

时，且数值都比较小，可对两侧同时强化。强化对流换热行之有效的手段：1）对于单相换热而言，主要是破坏或减薄边界层，或增加流体的扰动；2）扩展表面：它有两种作用，一是增加换热面积，二是提高对流换热系数。§12.1.2

传热过程的强化

通过肋壁的传热肋片效率A1A2Aitwitwo设左侧面积为Ai，肋侧总表面积为A。＝A1＋A2。则有肋间壁面与流体的换热量为而肋面本身与流体的换热量则为193、通过肋壁的传热肋壁面积：稳态下换热情况：A1A2Aitwitwo肋面总效率光面侧对流传热：通过壁的导热：加肋片侧对流传热：§11.1.2

传热过程的强化

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。3、通过肋壁的传热

通过环肋及三角形截面直肋的导热

为了减轻肋片重量、节省材料，并保持散热量基本不变，需要采用变截面肋片，环肋及三角形截面直肋是其中的两种。对于变截面肋片来讲，由于从导热微分方程求得的肋片散热量计算公式相当复杂，因此，人们仿照等截面直肋。利用肋片效率曲线来计算方便多了，书中图11－3和11－4分别给出了三角形直肋和矩形剖面环肋的效率曲线。3、通过肋壁的传热图11－33、通过肋壁的传热图11－43、通过肋壁的传热对于平壁，加保温层后，一定能够降低散热量（消弱传热）;对于圆管壁，加保温层后也一定能降低散热量吗？§12.1.3

传热过程的削弱1）临界热绝缘直径§12.1.3

传热过程的削弱1）带保温层的圆管传热——临界热绝缘直径前述过程的传热：§11.1.3

传热过程的削弱1）带保温层的圆管传热——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，使得换热赠强，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§11.1.3

传热过程的削弱or可见，确实是有一个极值存在，那么，到底是极大值，还是极小值呢？§12.1.3

传热过程的削弱1）临界热绝缘直径rQrRRλRhRt下图为Rλ、Rh、Rt和散热Φ随r变化的示意图对以上二图可以看出，导热量随半径（或直径d02）的增大而必有个最大值§12.1.3

传热过程的削弱从热量的基本传递规律可知，应该是极大值。也就是说：（1）do2在do1

～dcr之间，是增加的，

（2）do2大于dcr时，降低。§12.1.3

传热过程的削弱1）临界热绝缘直径

对于电线来说，加一绝缘层后，能提高散热量，这也是我们所希望的，因电流流过电线后发热，如果这些热量不及时排出，会妨碍电流的正常流动。（作用：１.绝缘;２.提高散热)。但对于一般的动力管道，加保温层一般均能起到保温作用。一般动力管道的外直径均大于此值从而起到降低散热的效果。若取遮热板的原理及其应用对于两个无限大平面组成的封闭系统，其换热量为:欲使降低：1.改变表面的温度或黑度

2.加遮热板§12.1.3传热过程的削弱为简单起见，假设，则上式变为现在在两面之间插入一块发射率仍为的遮热板，这样就组成了两个换热系统，如图11-5所示.遮热板一般采用薄金属板。一是因为金属的导热系数较大，从而整个薄板上温度一致；二是金属表面的黑度较小，可更有效地降低换热量。加遮热板后，对整个系统不能起到加上或移出热量的作用，而仅仅是在热流途增加热阻以减少换热量。§12.1.3传热过程的削弱图11-5遮热板稳态时有:图11-5遮热板§12.1.3传热过程的削弱与没有插入遮热屏前比较，插入后增加了三个热阻，即二个表面辐射热阻，一个空间辐射热阻，可见，与没有遮热板时相比，辐射换热量减小了一半。实际上，金属板的黑度远远小于二板的黑度，从而降低的效果更加明显。

§12.1.3传热过程的削弱网络图为：§12.1.3传热过程的削弱§12-2换热器的基本概念§12.2.1

概述

换热器的定义：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2换热器的分类：三种类型换热器简介§12.2.1概述

回热式（蓄热式）换热器工作原理:烟气和空气交替地流过受热面（蓄热元件）放热和吸热。大型电站锅炉均采用回转式空气预热器间壁式换热器的主要型式——套管式换热器

最简单的一种间壁式换热器，流体有顺流和逆流两种，适用于传热量不大或流体流量不大的情形§12.2.1概述套管式:最简单的间壁式换热器，依两种流体的流动方向又分顺流和逆流布置。§12.2.1概述套管式:最简单的间壁式换热器，依两种流体的流动方向又分顺流和逆流布置。§12.2.1概述间壁式换热器的主要型式——

管壳式换热器

最主要的一种间壁式换热器，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.§12.2.1概述间壁式换热器的主要型式——

管壳式换热器§12.2.1概述间壁式换热器的主要型式——

管壳式换热器典型壳管式换热器外形§12.2.1概述管壳式换热器-典型两流程固定管板式管壳式换热器§12.2.1概述管壳式换热器——

四流程固定管板式管壳式换热器§12.2.1概述管壳式换热器——U形管管壳式换热器§12.2.1概述间壁式换热器的主要型式——交叉流换热器

间壁式换热器的又一种主要形式。其主要特点是冷热流体呈交叉状流动。交叉流换热器又分管束式、管翅式和板翅式三种。(a)管束式交叉流换热器(b)板翅式交叉流换热器——紧凑式换热器§12.2.1概述间壁式换热器的主要型式——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的流体。§12.2.1概述间壁式换热器的主要型式——螺旋板式换热器

换热表面由两块金属板卷制而成，优点：换热效果好；缺点：密封比较困难。§12.2.1概述§12.2.2

平均温差

换热器的传热方程的一般形式：这个过程对于传热过程是通用的，但是当温差沿整个壁面不是常数时，比如等壁温条件下的管内对流换热，以及我们现在遇到的换热器等，当温差

t不是常数时，可采用几何平均温差或对数平均温差(LMTD)。顺流逆流简单顺流及逆流布置的换热器如图为什么需要对数平均温差

§12.2.2

平均温差

简单顺流及逆流换热器的对数平均温差§12.2.2

平均温差

算术平均温差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％。§12.2.2

平均温差

复杂流动布置时换热器平均温差的计算采用对纯逆流的对数平均温差进行修正以获得其他复杂情况下的平均温差。是给定的冷、热流体的进出口温度布置成逆流时的LMTD，是小于1的修正系数。图11-9分别给出了管壳式换热器和交叉流式换热器的。§12.2.2

平均温差

复杂流动布置时换热器平均温差的计算关于的注意事项(1)

值取决于无量纲参数P和

R式中，下标1、2分别表示热流体和冷流体两种流体，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。§12.2.2

平均温差

复杂流动布置时换热器平均温差的计算(2)物理意义：R的物理意义：两种流体的热容量之比P的物理意义：冷流体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(3)

对于管壳式换热器，查图时需要注意流动的“程”数§12.2.2

平均温差

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Δtm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。(3)那么是不是所有的换热器都设计成逆流形式的就最好呢？§12.2.2

平均温差

(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。xTInOutxTInOut§12.2.2

平均温差

例：某换热器，壳侧热流体的进、出口温度分别为80℃和60℃，管侧冷流体的进、出口温度分别为25℃和39℃。求该换热器分别为逆流式和顺流式换热器时的对数平均温差。解（1）逆流时

℃℃（2）顺流时℃℃

从计算可以看出，在相同的条件下，逆流换热器的对数平均温差大于顺流时的温差，也即换热效果逆流强于顺流。§12.2.3污垢系数对换热器而言，随着强化措施的完善，污垢热阻有时会成为传热过程的主要热阻。污垢系数：教材表11-1列出了一般污垢系数的参考值，更详细的知识参阅相关书籍。利用热阻的概念在计算各种形式的换热表面的传热系数k时可方便的将污垢的影响计入。光管污垢管§12.2.3污垢系数光管§12.2.3污垢系数污垢管§12.2.3污垢系数工业换热器中的管内流体的流动一般都是处于旺盛湍流状态，hi与流速u的0.8成正比，因此，可以写成的形式，带入上式：§12.2.3污垢系数如果能保持ho不变，Rw壁面的导热热阻不会变化，Rf在短时间内不会有大的改变，因此，上式右边的前三项可认为是常数，用b表示，物性不变的情况下，可以认为是常数，用m表示，于是上式可变为改变管内流速u，则可以测得一系列的总表面传热系数，然后绘制成图，则是一条直线。§12.2.3污垢系数从这个图中可以获得b，m，和ci，从而，管子内侧的对流换热系数这样就将内部热阻从总传热系数中分离出来，然后，当换热器运行一段时间后，再进行同样过程的测量，可以获得另外一条曲线，则两条曲线截距之差就是污垢热阻，这样又把污垢热阻分离出来了。§12.2.3污垢系数§12.2.4换热器的热计算§12.2.4换热器的热计算§12.2.4换热器的热计算§12.2.4换热器的热计算§12.2.4换热器的热计算§12.2.4换热器的热计算二、换热器计算的效能—传热单元数法换热器的效能（ε）换热器的传热单元数（NTU）§12.2.4换热器的热计算效能-传热单元数法一个理想换热器应该满足如下条件：即热容最小的流体出口温度应该等于另一种流体的入口温度。这要求换热器具有无限大的换热面积或具有无限大的传热系数。但不管怎样，这样的换热器能在给定条件下传递最大的热量，即：§12.2.4