传热学第十章传热过程和换热器计算.ppt

第十章第十章 传热过程分析与换热器热计算传热过程分析与换热器热计算传热过程：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。（两个流体通过壁面的换热过程。）体中去的过程。（两个流体通过壁面的换热过程。）【传热过程是传热学中【传热过程是传热学中特指特指的概念】的概念】传热方程式：传热方程式：式中：式中：K为传热系数为传热系数(总传热系数总传热系数)。对于不同的传热过程，。对于不同的传热过程，K的计算公式不同。的计算公式不同。10.1 传热过程的分析和计算传热过程的分析和计算1.通过平壁的传热通过平壁的传热说明说明：(1)h1和和h2的计算；（的计算；（2）如果计及辐射，换热系）如果计及辐射，换热系数应该采用等效换热系数数应该采用等效换热系数(总表面传热系数总表面传热系数)一、传热方程中的总传热系数一、传热方程中的总传热系数2.通过圆管的传热通过圆管的传热hiho说明说明：也可以以内表面为基准。也可以以内表面为基准。3.带保温层的金属圆管传热带保温层的金属圆管传热 临界热绝缘直径临界热绝缘直径圆管外敷保温层后：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；降低对流可见，保温层使得导热热阻增加，换热削弱；降低对流换热热阻，使得换热增强，那么，综合效果到底是增强换热热阻，使得换热增强，那么，综合效果到底是增强还是削弱呢？还是削弱呢？可见，确实是有一个极值存在。也就是说，可见，确实是有一个极值存在。也就是说，do2在在do1 dcr之之间，间，是增加的，当是增加的，当do2大于大于dcr时，时，降低。降低。or4.通过肋壁的传热（定性分析）通过肋壁的传热（定性分析）A1A2Ai本质上，在圆管外设置肋片和敷设保温层，都使对流换热热阻降低而导热热阻增加。但是，一般情况下，保温层使导热热阻增加较多，而使换热热阻降低较少，从而，使总热阻增加，起到削弱传热的效果；而设置肋片使导热热阻增加较少，而换热热阻降低较多，从而，使总热阻下降，起到强化传热的作用。二、传热方程中的平均传热温差二、传热方程中的平均传热温差实际传热过程中，通常，两个流体的温度随着传热的流程实际传热过程中，通常，两个流体的温度随着传热的流程都在变化，如下图：都在变化，如下图：如何计算平均传热温差？平均传热温差与传热器的形式有关！如何计算平均传热温差？平均传热温差与传热器的形式有关！严格上，仅在严格上，仅在dA时成立时成立10.2 换热器的型式换热器的型式1换热器的定义：换热器的定义：用于使热量从热流体传递到冷流体，以满足规定工艺要求的装置。2 换热器的分类：换热器的分类：混合式：混合式：换热器内冷、热流体换热器内冷、热流体直接接触直接接触、互相混合来实现、互相混合来实现 热量交换。热量交换。蓄热式蓄热式：冷、热两种流体依次：冷、热两种流体依次交替地流过换热器交替地流过换热器的同一的同一 换热面（蓄热体）实现非稳态的热量交换。换热面（蓄热体）实现非稳态的热量交换。间壁式：间壁式：换热器内冷、热流体换热器内冷、热流体由壁面隔开由壁面隔开，热量由热流体，热量由热流体 到冷流体传递过程是由热流体与壁面间的对流换到冷流体传递过程是由热流体与壁面间的对流换 热、壁的导热、壁面与冷流体间的对流换热三个热、壁的导热、壁面与冷流体间的对流换热三个 环节组成的传热过程。环节组成的传热过程。（应用最广泛）（应用最广泛）3 间壁式换热器的主要型式间壁式换热器的主要型式(1)套管式换热器：套管式换热器：最简单的一种间壁式换热器，流体有顺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流和逆流两种，适用于传热量不大或流体流量不大的情形(2)管壳式换热器：管壳式换热器：最主要的一种间壁式换热器，传热面由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。两种流体分壳内。两种流体分管程管程和和壳程。壳程。(3)交叉流换热器：交叉流换热器：间壁式换热器的又一种主要形式。其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。束式、管翅式和板翅式三种。1 简单顺流、逆流换热器的平均传热温差简单顺流、逆流换热器的平均传热温差10.3 平均传热温差平均传热温差顺流和逆流的区别在于：顺流和逆流的区别在于：顺流：顺流：逆流：逆流：或者我们也可以将对或者我们也可以将对数平均温差写成如下数平均温差写成如下统一形式统一形式(顺流和逆顺流和逆流都适用流都适用)(1)顺流和逆流是两种极端情况，在相同的进出口温度下，逆顺流和逆流是两种极端情况，在相同的进出口温度下，逆流的流的 最大，顺流的最大，顺流的 则最小；则最小；(2)顺流时顺流时 ，而逆流时，而逆流时，则可能小于则可能小于 。InOutInOut2 算术平均温差算术平均温差平均温差的一种最简单的形式是算术平均温差，即平均温差的一种最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，算术平均温差相当于温度呈直线变化的情况，当当 时，两者的差别小于时，两者的差别小于4；当当 时，两者的差别小于时，两者的差别小于2.3。通常，对逆流的对通常，对逆流的对数平均温差进行修数平均温差进行修正以获得其他复杂正以获得其他复杂流动方式下的平均流动方式下的平均温差。温差。教程中图教程中图10-2310-26分别给出了管壳式换热器和交叉流式分别给出了管壳式换热器和交叉流式换热器的换热器的 。式中：下标式中：下标h、c分别表示两种流体，上角标分别表示两种流体，上角标 表示进口，表示进口，表示出口，图表中均以表示出口，图表中均以P为横坐标，为横坐标，R为参量。为参量。值取决于无量纲参数值取决于无量纲参数 P和和 R：1壳程，壳程，2、4、6、8 管程的管程的 值值 y10.4 换热器的传热计算换热器的传热计算换热器的传热计算分为两种类型：换热器的传热计算分为两种类型：设设计计计计算算：根根据据换换热热条条件件和和要要求求，设设计计一一台台新新换换热热器器，为为此此需要确定换热器的类型、结构及换热面积需要确定换热器的类型、结构及换热面积。校校核核计计算算：核核算算已已有有换换热热器器能能否否满满足足换换热热要要求求，一一般般需需要要计计算流体的出口温度、换热量及流动阻力等。算流体的出口温度、换热量及流动阻力等。换热器计算的两种方法：换热器计算的两种方法：平均温差法平均温差法和和效能效能-传热单元数法传热单元数法。换热器的参数：换热面积换热器的参数：换热面积A、两侧流体的质量流量、两侧流体的质量流量 、进口温度进口温度 ，出口温度，出口温度 ，和换热量，和换热量。换热器传热计算的平均温差法：换热器传热计算的平均温差法：换热器传热计算的基本公式：换热器传热计算的基本公式：3个方程有个方程有8个独立变量，只要知道其中个独立变量，只要知道其中5个变量，可求其它个变量，可求其它3个。个。1）设计计算（了解）：）设计计算（了解）：根根据据生生产产任任务务的的要要求求，给给定定冷冷、热热流流体体的的质质量量流流量量 和和进进出出口口4个个温温度度中中的的3个个，需需确确定定换换热热器器的的型型式式、结结构构，计计算算传传热系数热系数k及换热面积及换热面积A。1)设计计算步骤设计计算步骤：(a)根据给定的换热条件，如流体性质、温度和压力范围根据给定的换热条件，如流体性质、温度和压力范围 等，选择换热器类型，布置换热面，计算换热面两侧对等，选择换热器类型，布置换热面，计算换热面两侧对 流换热的表面传热系数流换热的表面传热系数 及传热系数及传热系数k；(b)根据给定条件，由式根据给定条件，由式求出未知的进、出口温度求出未知的进、出口温度及换热量及换热量；(c)由进、出口由进、出口4个温度及流动型式求平均温差个温度及流动型式求平均温差 ；(d)由式由式 求出所需的换热面积求出所需的换热面积A;(e)计算换热器的流动阻力，如果阻力过大，会加大设备的计算换热器的流动阻力，如果阻力过大，会加大设备的 投资和运行费用，须改变方案，重新设计。投资和运行费用，须改变方案，重新设计。2）校核计算：）校核计算：已知换热器的换热面积已知换热器的换热面积A、两侧流体的质量流量、两侧流体的质量流量 、进口、进口温度温度 等等5个参数，需计算热、冷流体的出口温度个参数，需计算热、冷流体的出口温度 和换热和换热量量。计算步骤：计算步骤：(a)先先假假设设一一个个流流体体的的出出口口温温度度，热热平平衡衡方方程程式式求求出出换换热热量量 和和另另一一个个流流体体的的出口温度；出口温度；(b)根据流体的进、出口根据流体的进、出口4个温度求平均温差个温度求平均温差 ；(c)计计算算换换热热面面两两侧侧的的表表面面传传热热系系数数 ，进进而而求求得得总总传传热热系系数数k；(d)由式由式 求出换热量求出换热量 ;(e)比比较较 与与 ，如如果果相相差差较较大大，再再重重新新假假设设流流体体出出口口温温度度，重复上述计算，直到满意为止重复上述计算，直到满意为止。10.5 传热的强化与削弱（自学）传热的强化与削弱（自学）传传热热工工程程技技术术的的两两个个方方向向：强强化化传传热热技技术术与与削削弱弱传传热热技技术术（又称隔热保温技术）。（又称隔热保温技术）。传传热热工工程程技技术术是是根根据据现现代代工工业业生生产产和和科科学学实实践践的的需需要要而而发发展展起起来来的的科科学学与与工工程程技技术术，其其主主要要任任务务是是按按照照工工业业生生产产和和科科学学实践的要求来控制和优化热量传递过程。实践的要求来控制和优化热量传递过程。无无论论是是强强化化传传热热还还是是削削弱弱传传热热，一一般般都都是是从从改改变变传传热热温温差差和和改变传热热阻两方面入手。改变传热热阻两方面入手。以换热器内的传热过程为例：以换热器内的传热过程为例：传热强化途径传热强化途径：（1）加大传热温差）加大传热温差 ；（2）减小传热热阻）减小传热热阻 。在在冷冷、热热流流体体进进、出出口口温温度度相相同同的的情情况况下下，逆逆流流的的平平均均温温差差最最大大，顺顺流流的的平平均均温温差差最最小小，因因此此从从强强化化传传热热的的角角度度出出发，换热器应当尽量布置成逆流。发，换热器应当尽量布置成逆流。1）多多布布置置换换热热面面，增增加加总总传传热热面面积积A，可可降降低低总总传传热热热热阻阻，加大传热量加大传热量。2）降低污垢热阻。）降低污垢热阻。3）减减小小对对流流换换热热热热阻阻Rh1、Rh2。如如果果两两个个热热阻阻相相差差较较大大，应应抓住主要矛盾，设法减小其中最大的热阻。抓住主要矛盾，设法减小其中最大的热阻。强化对流换热的方法强化对流换热的方法：（1）加大传热温差加大传热温差（2）减小传热热阻减小传热热阻 1）扩展换热面（加装肋片）扩展换热面（加装肋片）2）改变换热面的形状、大小和位置改变换热面的形状、大小和位置如管内强迫对流湍流换热如管内强迫对流湍流换热用用直直径径小小的的管管子子或或者者用用椭椭圆圆管管代代替替圆圆管管（减减小小当当量量直直径径）都可以取得强化对流换热的效果。都可以取得强化对流换热的效果。再再如如管管外外自自然然对对流流换换热热和和凝凝结结换换热热，管管子子水水平平放放置置时时的的表表面传热系数一般要高于和竖直放置。面传热系数一般要高于和竖直放置。3）改变换热面表面状况改变换热面表面状况如表面粗糙度，可以强化单相流体的湍流换热；如表面粗糙度，可以强化单相流体的湍流换热；在在换换热热表表面面形形成成一一层层多多孔孔层可以强化沸腾换热；层可以强化沸腾换热；在在换换热热面面上上加加工工成成沟沟槽槽或或螺螺纹纹，或或对对换换热热表表面面进进行行处处理理造造成珠状凝结，是强化凝结换热的实用技术；成珠状凝结，是强化凝结换热的实用技术；增加表面黑度强化辐射换热。增加表面黑度强化辐射换热。4）改变流体的流动状况改变流体的流动状况 湍湍流流换换热热强强度度要要大大于于层层流流；对对流流换换热热热热阻阻主主要要集集中中在在边边界界层层；湍湍流流换换热热的的主主要要热热阻阻在在层层流流底底层层。加加大大流流速速实实现现湍湍流流换换热热、增增强强流流体体扰扰动动、破破坏坏边边界界层层及及层层流流底底层层，是是强强化化对对流流换换热热的的主要方法。主要方法。例题例题 1某逆流套管式换热器，用流量为的油将流量为的水从35加热到90。油的比热容为2.1kJ/(kg)，进入换热器的温度为175。假设水的比热容为4.2kJ/(kg)，该换热器的总传热系数为425 W/(m2)。（1）计算该换热器的换热面积；（2）画出换热器冷、热流体温度变化曲线。例题例题 2某逆流套管式换热器，刚投入工作时的运行参数为：已知 qm1cp1=2500 W/K,k=800 W/(m2.K)。运行一年后发现，在 qm1cp1，qm2cp2，及入口温度不变的情况下，由于积垢使得冷流体只能加热到162.确定此情况的（1）热流体出口温度；（2）污垢的热阻。例题例题 3习题6-39（需要迭代计算）作作 业业习题习题10-9习题习题10-13（1-2型壳管式换热器改为逆流换热器）型壳管式换热器改为逆流换热器）