工程热力学与传热学第13章传热与换热器.ppt

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1、Chapter 13Heat Transfer and Heat Exchangers1第第1313章章 传热和换热器传热和换热器主要内容：主要内容：13-1 13-1 传热过程的分析和计算传热过程的分析和计算 13-2 13-2 换热器的种类及平均温差换热器的种类及平均温差 13-3 13-3 换热器的热计算原理换热器的热计算原理 13-4 13-4 传热的强化和保温技术传热的强化和保温技术21 1、通过平壁的传热、通过平壁的传热K的计算公式？的计算公式？13-1 13-1 传热过程的分析和计算传热过程的分析和计算tw1tw2tf2tf1213例题：已知墙厚例题：已知墙厚240mm，室内空气

2、温度为，室内空气温度为20，室，室外气温为外气温为-10，砖墙的导热系数为（，砖墙的导热系数为（m），室），室内空气对墙面的对流换热系数内空气对墙面的对流换热系数1=8 W/（m2），），室外空气对墙面的对流换热系数室外空气对墙面的对流换热系数 2=22 W/（m2），试求此时室内、外空气的传热量），试求此时室内、外空气的传热量和砖墙内侧的温度。和砖墙内侧的温度。42 2、通过圆筒壁的传热、通过圆筒壁的传热K的计算公式？的计算公式？13-1 13-1 传热过程的分析和计算传热过程的分析和计算5例题：内、外直径分别为例题：内、外直径分别为180mm和和220mm的矿井冷媒输送管的矿井冷媒输送管道

3、，管外包一层厚道，管外包一层厚120mm的保温层。冷媒管道的导热系数的保温层。冷媒管道的导热系数1=40W/（m），保温层的导热系数），保温层的导热系数2（m），管内），管内冷媒冷媒tf1=-15，周围空气的温度，周围空气的温度tf2=25，两侧的对流换，两侧的对流换热系数热系数1=100 W/（m2），），2=8.5 W/（m2）。试）。试求单位管长的传热量和保温层外表面的温度。求单位管长的传热量和保温层外表面的温度。613-2 13-2 换热器的种类及平均温差换热器的种类及平均温差1 1、换热器的定义：、换热器的定义：能将热流体的热量传给冷流体的设备。能将热流体的热量传给冷流体的设备。2

4、2、换热器的分类：、换热器的分类：三种类型换热器三种类型换热器7换热器的应用广泛，日常生活中取暖用的暖气散热片、换热器的应用广泛，日常生活中取暖用的暖气散热片、汽轮机装置中的凝汽器和航天火箭上的油冷却器等，都汽轮机装置中的凝汽器和航天火箭上的油冷却器等，都是换热器。它还广泛应用于化工、石油、动力和原子能是换热器。它还广泛应用于化工、石油、动力和原子能等工业部门。它的主要功能是保证工艺过程对介质所要等工业部门。它的主要功能是保证工艺过程对介质所要求的特定温度，同时也是提高能源利用率的主要设备之求的特定温度，同时也是提高能源利用率的主要设备之一。一。换热器既可是一种单独的设备，如加热器、冷却器换热

5、器既可是一种单独的设备，如加热器、冷却器和凝汽器等；也可是某一工艺设备的组成部分，如氨合和凝汽器等；也可是某一工艺设备的组成部分，如氨合成塔内的热交换器。成塔内的热交换器。83 3、间壁式换热器的主要型式、间壁式换热器的主要型式套管式换热器套管式换热器 最简单的一种间壁式换热器，流体有顺流和逆流两种，适用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于传热量不大或流体流量不大的情形顺流顺流逆流逆流13-2 13-2 换热器的种类及平均温差换热器的种类及平均温差93 3、间壁式换热器的主要型式、间壁式换热器的主要型式 壳管式换热器壳管式换热器 最主要的一种间

6、壁式换热器，传热面由管束组成，管子两端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。两种流体分管程管程和和壳程壳程13-2 13-2 换热器的种类及平均温差换热器的种类及平均温差10增加管程增加管程进一步增加管程和壳程进一步增加管程和壳程3 3、间壁式换热器的主要型式、间壁式换热器的主要型式 壳管式换热器壳管式换热器13-2 13-2 换热器的种类及平均温差换热器的种类及平均温差11 间壁式换热器的又一种主要形式。其主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。交叉流要特点是冷热

7、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。换热器又分管束式、管翅式和板翅式三种。(b)(b)板翅式交叉流换热器板翅式交叉流换热器紧凑式换热器紧凑式换热器(a)(a)管束式交叉流换热器管束式交叉流换热器3 3、间壁式换热器的主要型式、间壁式换热器的主要型式 交叉流换热器交叉流换热器13-2 13-2 换热器的种类及平均温差换热器的种类及平均温差12 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。有

8、易结垢的流体。3 3、间壁式换热器的主要型式、间壁式换热器的主要型式 板式换热器板式换热器13-2 13-2 换热器的种类及平均温差换热器的种类及平均温差13 换热表面由两块金属板卷制而成，优点：换热效果好；缺点：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。密封比较困难。3 3、间壁式换热器的主要型式、间壁式换热器的主要型式 螺旋板式换热器螺旋板式换热器13-2 13-2 换热器的种类及平均温差换热器的种类及平均温差14混合式（接触式）换热器混合式（接触式）换热器火力发电厂，化工场的洗涤塔等火力发电厂，化工场的洗涤塔等13-2 13-2 换热器的种类及平均温差换热器的种

9、类及平均温差回热式换热器回热式换热器1516174 4、简单顺流及逆流换热器的对数平均温差、简单顺流及逆流换热器的对数平均温差为什么需要对数平均温差为什么需要对数平均温差以下面的以下面的顺流套管式换热器顺流套管式换热器为例给出推导过程为例给出推导过程主要假设：主要假设：（1 1）冷热流体的质量流量）冷热流体的质量流量 、比热容比热容c ch h,c,cc c以及传热系数都是常数；以及传热系数都是常数；（2 2）换热器无散热损失；（）换热器无散热损失；（3 3）换热面沿流动方向的导热量忽略不计。）换热面沿流动方向的导热量忽略不计。要想计算沿整个换热面的平均温差，首先需要知道当地温差随换热面积要想

10、计算沿整个换热面的平均温差，首先需要知道当地温差随换热面积的变化，即的变化，即 ，然后再沿整个换热面积进行平均，然后再沿整个换热面积进行平均13-2 13-2 换热器的种类及平均温差换热器的种类及平均温差18在前面假设的基础上，并已知冷热流体的进出口温度，现在来看在前面假设的基础上，并已知冷热流体的进出口温度，现在来看下图中微元换热面下图中微元换热面dAdA一段的传热。一段的传热。AAAxdAO热流体：冷流体：传热量：当地温差：13-2 13-2 换热器的种类及平均温差换热器的种类及平均温差19可见，当地温差随换热面呈指数变化，则沿整个换热面的平均温差为：可见，当地温差随换热面呈指数变化，则沿

11、整个换热面的平均温差为：13-2 13-2 换热器的种类及平均温差换热器的种类及平均温差20(1)(1)(2)(2)(3)(3)(2),(3)(2),(3)代入代入代入代入(1)(1)对数平对数平对数平对数平均温差均温差均温差均温差13-2 13-2 换热器的种类及平均温差换热器的种类及平均温差21顺流：顺流：逆流：逆流：二者完全一样AAAxdAO13-2 13-2 换热器的种类及平均温差换热器的种类及平均温差22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：或者我们也可以将或者我们也可以将对数平均温差写成对数平均温差写成统一形式统一形式(顺流和逆顺流和逆流都适用流都适用

12、)13-2 13-2 换热器的种类及平均温差换热器的种类及平均温差235 5 算术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，两者的差别小于时，两者的差别小于4 4；当；当 时，两者的时，两者的差别小于差别小于2.32.3。13-2 13-2 换热器的种类及平均温差换热器的种类及平均温差2413-3换热器的热计算换热器的热计算:设计计算和校核计算设计计算和校核计算(1)设计计算：设计一个新的换热器，以确定所需的

13、换热面积设计计算：设计一个新的换热器，以确定所需的换热面积(2)校核计算：对已有或已选定了换热面积的换热器，在非设校核计算：对已有或已选定了换热面积的换热器，在非设计计工况条件下，核算他能否胜任规定的新任务。工况条件下，核算他能否胜任规定的新任务。换热器热计算的基本方程式是传热方程式及热平衡式换热器热计算的基本方程式是传热方程式及热平衡式13-3 13-3 换热器的热计算原理换热器的热计算原理25强化传热强化传热，是指从分析影响传热的各种因素出发，采取，是指从分析影响传热的各种因素出发，采取某些技术措施提高换热设备单位传热面积的传热量，使某些技术措施提高换热设备单位传热面积的传热量，使设备趋于

14、紧凑、重量轻、节省金属材料以及降低动力消设备趋于紧凑、重量轻、节省金属材料以及降低动力消耗等。耗等。削弱传热削弱传热，是指采取隔热保温措施降低换热设备热损失，是指采取隔热保温措施降低换热设备热损失，以达节能、安全防护及满足工艺要求等目的。以达节能、安全防护及满足工艺要求等目的。13-4 13-4 传热的强化和保温技术传热的强化和保温技术26强化传热的目的：强化传热的目的：缩小设备尺寸、提高热效率、保证设备安全缩小设备尺寸、提高热效率、保证设备安全削弱传热的目的：削弱传热的目的：减少热量损失减少热量损失不同的传热方式，强化和削弱传热的手段不同，本节主要针对不同的传热方式，强化和削弱传热的手段不同

15、，本节主要针对对对流换热过程的强化和削弱流换热过程的强化和削弱1 1 强化传热的原则和手段强化传热的原则和手段(1)(1)强化换热的原则：强化换热的原则：哪个环节的热阻大，就对哪个环节采取哪个环节的热阻大，就对哪个环节采取 强化措施。强化措施。13-4 13-4 传热的强化和保温技术传热的强化和保温技术(2)(2)强化手段强化手段:减小层流底层的热阻减小层流底层的热阻27其主要手段有：其主要手段有：提高流体速度，以减薄层流底层；提高流体速度，以减薄层流底层；增加流体的扰动或使流体旋转以破坏层流底层；增加流体的扰动或使流体旋转以破坏层流底层；采用机械振动、声波或超声波产生气流脉动及施加电磁场。采

16、用机械振动、声波或超声波产生气流脉动及施加电磁场。13-4 13-4 传热的强化和保温技术传热的强化和保温技术282 2 隔热保温技术隔热保温技术原则：增大传热热阻原则：增大传热热阻手段：敷设保温层手段：敷设保温层内容：最优保温材料的选择，最佳保温层厚度，先进的保温内容：最优保温材料的选择，最佳保温层厚度，先进的保温结构及工艺，检测技术等。结构及工艺，检测技术等。13-4 13-4 传热的强化和保温技术传热的强化和保温技术29保温材料保温材料 高于环境温度的热力设备与管道的保温多采用无机的高于环境温度的热力设备与管道的保温多采用无机的绝热材料，常用的有：绝热材料，常用的有：(1)多孔型绝热材料

17、，如微孔多孔型绝热材料，如微孔硅酸钙（使用温度小于硅酸钙（使用温度小于650，0.04-0.1W/(mK)）；）；(2)纤维型绝热材料，如岩棉，纤维型绝热材料，如岩棉，0.035-0.047W/(mK)；(3)粒状绝热材料，如膨胀珍珠岩，粒状绝热材料，如膨胀珍珠岩，0.046-0.17W/(mK)。所有这三类保温材料制品之所以导热。所有这三类保温材料制品之所以导热系数比较小，除了材料本身导热系数比较低以外，主系数比较小，除了材料本身导热系数比较低以外，主要还是因为在这些材料中形成了许多聚存空气的细小要还是因为在这些材料中形成了许多聚存空气的细小空间。由于空气的导热系数很小，从而使整体的导热空间

18、。由于空气的导热系数很小，从而使整体的导热性能下降。因而，这些材料的导热系数都不会低于同性能下降。因而，这些材料的导热系数都不会低于同温度下的空气的值，而且在使用中要防止其受潮变湿。温度下的空气的值，而且在使用中要防止其受潮变湿。30对于低于环境温度的工质和容器，关键在于防止外界热量对于低于环境温度的工质和容器，关键在于防止外界热量的传入：有三个档次的绝热材料可供选用。一般性的隔热的传入：有三个档次的绝热材料可供选用。一般性的隔热材料有在大气压下工作的疏松纤维或泡沫多孔材料，如聚材料有在大气压下工作的疏松纤维或泡沫多孔材料，如聚苯乙烯泡沫塑料、硬质聚氨脂泡沫塑料；效果更好些的有苯乙烯泡沫塑料、

19、硬质聚氨脂泡沫塑料；效果更好些的有抽真空至抽真空至10Pa的粉末颗粒绝热材料；效果最佳的是多层真的粉末颗粒绝热材料；效果最佳的是多层真空隔热材料。多层真空绝热村料由低导热系数的玻璃布、空隔热材料。多层真空绝热村料由低导热系数的玻璃布、铝箔之类的材料组成多层遮热板，这些遮热板具有很高的铝箔之类的材料组成多层遮热板，这些遮热板具有很高的反射比。对于多层真空绝热材料，由于气体的导热及表面反射比。对于多层真空绝热材料，由于气体的导热及表面间的辐射已得到有效抑制，各反射层间的辐射已得到有效抑制，各反射层(即遮热扳即遮热扳)间的分隔间的分隔材料的导热系数对隔热性能有重要影响。应当采用导热系材料的导热系数对隔热性能有重要影响。应当采用导热系数尽可能小的材料作为分隔物才能使这种复合结构的绝热数尽可能小的材料作为分隔物才能使这种复合结构的绝热材料的优点得到充分发挥。材料的优点得到充分发挥。保温材料保温材料31