第十章传热与换热器精选文档.ppt

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1、第十章传热与换热器第十章传热与换热器本讲稿第一页，共五十二页第一节第一节 通过肋壁的传热通过肋壁的传热 已知：稳态，未加肋侧的参数为：A1、tw1、h1、tf1；肋壁厚、导热系数；加肋侧的参数为：肋基温度tw2、h2、tf2、总表面积A2=A2/+A2/，其中：A2/：未肋化部分的面积，A2/：肋片的全表面积。A2/A2/h2 tftw2A1 tw1 h1 tf1 加肋侧换热量：=h2A2/（tw2-tf2）+f被肋化面积=h2A2/（tw2-tf2）+fh2A2/（tw2-tf2）本讲稿第二页，共五十二页第一节第一节 通过肋壁的传热通过肋壁的传热 于是有：=h2A2（tw2-tf2）另肋壁的

2、导热传热量为：=A1（tw1-tw2）/未加肋侧的换热量为：=h1A1（tf1-tw1）联立上式，消去tw1、tw2即有：进一步整理：=h2（A2/+fA2/）（tw2-tf2）若令：我们称之为肋壁总效率。其物理意义为：本讲稿第三页，共五十二页第一节第一节 通过肋壁的传热通过肋壁的传热 K1称为以A1面为基准为传热系数。=A2/A1，称为肋化系数，显然1，且有1。上式可写成：=k1A1（tf1-tf2）W 其中：本讲稿第四页，共五十二页第一节第一节 通过肋壁的传热通过肋壁的传热 若以A2作为传热基准面，k2为以A2面为基准为传热系数，则有：本讲稿第五页，共五十二页第一节第一节 通过肋壁的传热通

3、过肋壁的传热 肋壁总效率以肋化系数的影响因素较多，下面看看肋片间距与肋高的影响，进而对传热系数k的影响：1.肋片间距肋片间距s：s单位长度内肋片的数量A2热阻R2k1s增强肋片间流体的扰动h2k1s的下降是有限的，s必须大于最厚热边界层厚度的2倍。2.肋片高度肋片高度l：lf，但当l肋片面积A2/A2，必存在某一高l，使有极大值，从而使热阻R2有极小值，k1最有利。另外，肋片应加在对流换热系数较小的一侧，且不必过分追求高等使此侧热阻变得很小，只要使两侧热阻大小相当即可。工程上有时将肋片加在对流换热系数大的一侧，其主要目的就再不是为了强化传热。若h大的一侧为温度低的流体，其目的可能是为有效地降低

4、壁温，如锅炉中的水冷壁等。本讲稿第六页，共五十二页第二节第二节 有复合换热时的传热计算有复合换热时的传热计算 实际的传热过程多由二种或三种方式组成的复合换热，如室内辐射采暖板的表面与室内既有对流换热，又有辐射换热：对流换热量：qc=hc（tw-tf）W/m2式中：Tam为周围环境参与辐射换热的物体温度。若引入温差（tw-tf），将辐射换热的计算式也用牛顿冷却公式的形式表示，则有：式中：hr称为辐射换热表面传热系数。辐射换热量：本讲稿第七页，共五十二页第二节第二节 有复合换热时的传热计算有复合换热时的传热计算 于是总换热量：q=qc+qr=（hc+hr）（tw-tf）=h（tw-tf）上式在工程

5、计算时被大量采用。它有时使计算大大简化，且h在暖通计算中常可由手册查得。一般对室内表面换热：hr/h5060%，而室外因风速影响：hr/h1015%左右。另外，当twtf且twtam，或当twtf且twh2，且有：h1=nh2，通过推导可得：k/h2=n2k/h1 上式说明k随h2的变化率要比k随h1的变化率大n2倍，说明设法提高h2比提高h1使k值的增加要好得多。二、增强传热的方法二、增强传热的方法1.1.改变流体的流动状态：改变流体的流动状态：1.1.增大流速：增大流速：hu0.8，但u变大，能耗随u3增加。2.2.加扰动物：加扰动物：破坏边界层，使流场形成环流或紊流。一、增强传热的基本途

6、径一、增强传热的基本途径 =KAt本讲稿第九页，共五十二页第三节第三节 传热的增强与削弱传热的增强与削弱二、增强传热的方法二、增强传热的方法2.2.改变流体的物性改变流体的物性1.1.气流中加少量固体细粒：气流中加少量固体细粒：使气流的、c；2.2.蒸汽或气体中喷入液滴：蒸汽或气体中喷入液滴：促使换热向珠状凝结转化；3.3.液体中加少量挥发性强物质：液体中加少量挥发性强物质：促使向泡态沸腾换热转化。3.3.改变换热表面状况改变换热表面状况1.1.增加粗糙度：增加粗糙度：2.2.改变截面形状和大小：改变截面形状和大小：3.3.表面涂层：表面涂层：本讲稿第十页，共五十二页第三节第三节 传热的增强与

7、削弱传热的增强与削弱三、削弱传热的方法三、削弱传热的方法1.热绝缘热绝缘1.真空热绝缘：真空热绝缘：如保温瓶胆；2.多层热绝缘：多层热绝缘：3.外包热绝缘材料：外包热绝缘材料：2.改变表面状况改变表面状况1.表面涂层：表面涂层：如用选择性材料作太阳集热器的涂层；2.附加抑制对流的元件：附加抑制对流的元件：3.在保温材料的表面或内部加憎水剂：在保温材料的表面或内部加憎水剂：本讲稿第十一页，共五十二页第四节第四节 换热器的型式和基本构造换热器的型式和基本构造 按工作原理可将换热器分成三类按工作原理可将换热器分成三类1.1.间壁式换热器：间壁式换热器：冷热流体被一壁面隔开；最常见。2.2.混合式换热

8、器：混合式换热器：冷热流体直接混合换热；3.3.回热式换热器：回热式换热器：冷热流体交替流过换热器。间壁式换热器从构造上又分管壳式、肋片管式、板式、板翅式、螺旋板式等。管壳式按流体在管程和管壳的流动方式又可分为顺流式、逆流式、横流（交叉流）式、混和流式等。管壳式结构坚固、易制造、适应性强，应用历史已悠久。板式传热效率高、阻力小、结构紧凑、金属耗量低、清洗维护方便，但造价较高。本讲稿第十二页，共五十二页管壳式换热器管壳式换热器 本讲稿第十三页，共五十二页管壳式换热器管壳式换热器 本讲稿第十四页，共五十二页管壳式换热器管壳式换热器 本讲稿第十五页，共五十二页肋片管式换热器肋片管式换热器 本讲稿第十

9、六页，共五十二页肋肋片片管管式式换换热热器器 本讲稿第十七页，共五十二页板式换热器板式换热器 本讲稿第十八页，共五十二页板式换热器板式换热器 本讲稿第十九页，共五十二页板板式式换换热热器器 本讲稿第二十页，共五十二页板翅式换热器板翅式换热器 本讲稿第二十一页，共五十二页板翅式换热器基本原理图板翅式换热器基本原理图 本讲稿第二十二页，共五十二页板翅式换热器的各种翅片板翅式换热器的各种翅片 本讲稿第二十三页，共五十二页螺旋板式换热器螺旋板式换热器 本讲稿第二十四页，共五十二页螺旋板式换热器螺旋板式换热器 本讲稿第二十五页，共五十二页螺旋板式换热器螺旋板式换热器 本讲稿第二十六页，共五十二页螺螺旋旋

10、板板式式换换热热器器 本讲稿第二十七页，共五十二页螺旋板式换热器螺旋板式换热器 本讲稿第二十八页，共五十二页螺旋板式换热器螺旋板式换热器 本讲稿第二十九页，共五十二页螺旋板式换热器螺旋板式换热器 本讲稿第三十页，共五十二页第五节第五节 平平 均均 温温 差差 t1/t2/t2/t1/t/t/t/t/t1/t2/t1/t2/txdt1dt2t1/t1/t1/t1/t2/t2/t2/t2/顺流逆流=kAt t即为温差dxdA本讲稿第三十一页，共五十二页第五节第五节 平平 均均 温温 差差对数平均温差（简称LMTD）tm的导出：设t1为热流体温度，t1/为热流体进口温度，t1/为热流体出口温度；t2

11、为冷流体温度，t2/为冷流体进口温度，t2/为冷流体出口温度；t t/为为热热流体流体进口侧进口侧的温差的温差顺流时：t/=t1/-t2/逆流时：t/=t1/-t2/tt/为为热热流体流体出口侧出口侧的温差的温差顺流时：t/=t1/-t2/逆流时：t/=t1/-t2/在x处取微元距离dx，此时对应微元面积dA的传热量d为：d=kx（t1-t2）xdA 即：本讲稿第三十二页，共五十二页第五节第五节 平平 均均 温温 差差假设：传热系数k在整个换热面不变，即kx=k；换热器的散热损失忽略不计；换热器换热时无相变产生；忽略沿换热面轴向的导热；Mc：流体的热容量。可用大写C表示。其物理意义：质量流量M

12、的流体温度升高1所需热量。此时假定流体的热容也为常数。令平均温差为tm，则传热方程变为：=kAtm 由式有：要求tm，则先要求出tx随x或A的关系。本讲稿第三十三页，共五十二页第五节第五节 平平 均均 温温 差差以逆流为例：热流体在dA的放热量：d=-M1c1dt1 （此时dt1为负）冷流体在dA的吸热量：d=M2c2dt2 （此时dt2为正）上两式可写成：据：d（t1-t2）x=dtx=dt1-dt2=-d（1/M1c1+1/M2c2）又据式：d=ktxdA 代入上式有：dtx=-ktx（1/M1c1+1/M2c2）dA 整理得：当x=0时，Ax=0，tx=t/，故上式dA由0Ax，dtx由

13、t/tx积分得：将代入得：本讲稿第三十四页，共五十二页第五节第五节 平平 均均 温温 差差 据式，当Ax=A时，tx=t/，则有：本讲稿第三十五页，共五十二页第五节第五节 平平 均均 温温 差差 工程中，只要误差在允许的范围内，常用算术平均温差来确定实际平均温差：当tmax/tmin2时，tm/=（tmax+tmin）/2 =（t/+t/）/2 此时误差不超过4%。当tmax/tmin1.7时，用算术平均温差取代取代对数平均温差，所引起的误差将不超过2.3%。一般通过计算，算术平均温差tm/总比对数平均温差tm要大，当tmax/tmin5时，若用算术平均温差来取代对数平均温差时，常作如下修正：

14、tm/=tm/=（t/+t/）/2 0.1|t/-t/|注意：注意：前列对数平均温差tm的计算式只适用于顺流和逆流状态，其它较复杂的流动形式不能简单套用。本讲稿第三十六页，共五十二页第五节第五节 平平 均均 温温 差差 工程中计算复杂流的平均温差时，一般采用下列步骤：1.先按逆向流方式算出对数平均温差tm*；2.按辅助变量P、R查图得修正系数t，则：tm=ttm*。其中：t=f(P,R)据不同的流动方式已绘成图。注意：注意：在其它条件相同情况下，采用逆流方式换热比采用顺流方式换热的平均温差大，交叉流等处于两者之间。本讲稿第三十七页，共五十二页第六节第六节 换换 热热 器器 计计 算算 计算常分

15、为两大类：1.1.设计计算：设计计算：据给定的换热条件和换热任务，设计换热器；2.2.校核计算：校核计算：据已有的换热器，验算它能否完成结定的新换热任务。换热器热工计算的基本公式传热方程：传热方程：=kAt 热平衡方程式：热平衡方程式：=M1c1（t1/-t1/）=M2c2（t2/-t2/）令热容 C=Mc，则上式可写成：=C1（t1/-t1/）=C2（t2/-t2/）平均温差：平均温差：t=ttm*本讲稿第三十八页，共五十二页第六节第六节 换换 热热 器器 计计 算算 上列式中，若设有八个变量：、kA、C1、C2、t1/、t2/、t1/、t2/，平均温差描述的是t与四个进出口温度的关系，故传

16、热方程与平均温差可看作是一个方程，而热平衡方程实际上是两个方程。故上述方程相对八变量而言实际上是三个方程。三个方程，八个变量，故必须已知五个变量。根据已知变量条件不同，即有：1.设计计算：一般已知C1、C2以及四个温度中的三个，求、另一温度、kA，以便据kA进行换热器设计；2.校核计算：一般已知kA、C1、C2、t1/、t2/，求出口温度t1/、t2/以及，校核现有的换热器能否完成新的换热任务。上述两类计算均可采用平均温差法（平均温差法（LMTDLMTD法）法）和效能效能-传热单元数传热单元数（-NTU-NTU法）法）进行。本讲稿第三十九页，共五十二页第六节第六节 换换 热热 器器 计计 算算

17、一、平均温差法（一、平均温差法（LMTDLMTD法）法）1.1.平均温差法多用于设计计算，其具体步骤：平均温差法多用于设计计算，其具体步骤：1.据C1、C2及三个温度，由热平衡方程式求另一温度（此温度多为冷热流体的出口温度t1/或t2/）；2.由四温度求t，注意混流时t的求法。同时可由热平衡方程式求出；3.初步构思换热器型式，拟订初步设计方案，并初步确定管程数、布置换热面，然后据所学前面的知识，计算出h1、h2，从而求出传热系数k；4.由=kAt，求出所需的换热面积，校核两侧流体的流动阻力，即压损P1、P2（一般只有A确定后，管长、管径等几何参数才能确定，再才能确定P1、P2）；5.若流动阻力

18、（阻损）较大，则改变设计方案，自3.开始重新进行设计及计算。本讲稿第四十页，共五十二页第六节第六节 换换 热热 器器 计计 算算一、平均温差法（一、平均温差法（LMTDLMTD法）法）2.2.平均温差法用于校核计算，其步骤：平均温差法用于校核计算，其步骤：1.先假设一个出口温度，据热平衡求另一出口温度；2.求出平均温差t；3.据已有换热器的技术资料查出或计算出k、A值；4.据=kAt，计算，因t是在假设出口温度下给出的，故t并不是真实的平均温差，此时也不一定是真实的传热量；5.据热平衡方程=C1（t1/-t1/）=C2（t2/-t2/），求出值，同样此值也带有假设性；6.比较4、5中求得的值，

19、一般来说两者总是不相等的，说明1中的假设与实际情况不符。7.再假定一出口温度，重复上述步骤，直至4、5中相等。从上知，用平均温差法进行校核计算时，要多次试算，另外，有时t=f(P,R)随P、R的变化较大，给确定t带来较大误差，针对于此，努谢尔特提出了-NTU法。本讲稿第四十一页，共五十二页第六节第六节 换换 热热 器器 计计 算算 实际传热量：=M1c1（t1/-t1/）=M2c2（t2/-t2/）最大可能的传热量max：将热容小的流体由其进口温度变至另一流体的进口温度（即达到极限温差），故有：max=（Mc）min（t1/-t2/）当M1c1M2c2时，有：二、效能二、效能-传热单元数法（传

20、热单元数法（-NTU-NTU法法）1.1.效能（传热有效度）的定义效能（传热有效度）的定义当M1c1.据热平衡方程式，求另一温度；2.初步拟订设计方案，布置换热面，计算k值；3.据不同情况，由的定义式（即四温度）算出、Cmin/Cmax；4.据、Cmin/Cmax由-NTU图查出NTU值；5.由NTU=kA/Cmin计算A，并验算压损P；6.若P较大，重新确定方案，重复以上步骤，直止满意。从上知，-NTU法应用于设计计算与LMTD法复杂程度差不多，但用LMTD法时，总能看到平均温差的修正系数t的大小与1的差距，即可知所选用的流动形式与逆流相比的差距程度，有助于流动型式的选择，而-NTU法无法做

21、到此点，故设计计算多采用平均温差法（LMTD法）。本讲稿第四十七页，共五十二页第六节第六节 换换 热热 器器 计计 算算二、效能二、效能-传热单元数法（传热单元数法（-NTU-NTU法）法）3.3.-NTU-NTU法应用于校核计算法应用于校核计算 校核计算一般已知kA、C1、C2、t1/、t2/，求出口温度t1/、t2/以及，据=Cmin（t1/-t2/）知，只要求出，一切问题均迎刃而解。其步骤如下：1.据现有换热器的技术资料查出或算得kA值；2.由kA、C1、C2计算NTU=kA/Cmin，Cmin/Cmax；3.由此类换热器的-NTU图及流动方式等查出值；4.据=Cmin（t1/-t2/）

22、计算出换热量；5.由热平衡方程式分别求出t1/和t2/；6.将值与任务值相较，看它能否完成新换热任务。从上步骤知，-NTU法用于校核计算时无须试算，故换热器的校核计算多采用效能-传热单元数法（-NTU法）。本讲稿第四十八页，共五十二页第六节第六节 换换 热热 器器 计计 算算三、需解释的两个问题三、需解释的两个问题1.NTU=kA/C1.NTU=kA/Cminmin：实际代表了换热器的初投资（面积A）及运行费用（k，其大小与流动状况有关），一般kA，运行费用及初始投资，故换热量。2.2.污垢的影响：污垢的影响：运行后换热面上会形成各种污垢，如水垢、油污、烟灰等，构成附加导热热阻，而使k。故必须

23、有以考虑。1/k实=Rf+1/k0 K0：无污垢时的传热系数。亦可采用有效系数的方法考虑：=k实/k0 据不同情况，可经验地选择，一般为0.450.85。本讲稿第四十九页，共五十二页第六节第六节 换换 热热 器器 计计 算算四、设计换热器的注意事项四、设计换热器的注意事项1.任何换热器均应当以最恶劣的运行条件为依据，以确保它能在任何时候均能完成给定的换热任务，另一方面，要校核最轻工况时的负荷，以免失控；2.应考虑加入换热器的安全系数，更加确保完成任务；3.应考虑到技术性与经济性的有机结合；4.应考虑到其它的一些问题：如是否便于清洗、易于加工、便于易损件的更换，外壳散热（吸热）能否尽量减少等；5

24、.换热器的设计是一综合性问题，切忌不顾实际条件片面追求高传热性能，盲目提高传热强度。本讲稿第五十页，共五十二页第七节第七节 换热器性能评价简述换热器性能评价简述 换热器性能评价常有：热力学性能（不可逆损失）、传热性能、阻力性能、机械性能（体积、重量、强度、材质）、可靠性及经济性（投资、运行、维修）等。1.单一性能评价：2.传热量与功率消耗比的评价：3.传热面积与其它性能比的评价；4.能量转换和利用性能比的评价：本讲稿第五十一页，共五十二页第十章第十章 传传 热热 与与 换换 热热 器器作业：作业：P285286 3、6、17（第四版）（第四版）P265266 3、6、18（第五版）（第五版）本讲稿第五十二页，共五十二页