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1、第十章 传热和换热器,9-1 通过肋壁的传热 传热过程？基本计算式(传热方程式)？,式中：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。,肋壁面积：,稳态下换热情况：,肋面总效率,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。,10-2 有复合换热时的传热计算,对流与辐射并存的换热称为复合换热,对流换热密度,辐射换热热流密度,当引入温差，用对流换热冷却公式的形式来计算辐射热流密度时，可把上式写成,称为辐射换热表面传热系数,10-3 传热的增强和削弱,1.增强传热的方法1）扩展传热面2）改变流动状况3）使用添加剂改变流体物性4）改变表面状况5）改变换热面
2、的形状和大小6）改变能量传递方式7）靠外力产生振荡，强化传热,2.削弱传热的方法1）覆盖热绝缘材料泡沫热绝缘材料超细粉末热绝缘材料真空热绝缘层2）改变表面状况改变表面的辐射特性附加抑制对流元件,10-4 换热器的型式及基本构造,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,3 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,(2)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
3、壳程。,增加管程,进一步增加管程和壳程,(3)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。,(c)板翅式交叉流换热器,(4)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物的流体。,单位体积内所包含的换热面积作为衡量换热器紧凑程度的衡量指标，一般将大于700m2/m3的换热器称为紧凑式换热器，板翅式换热器多属于紧凑式，因此，日益受到重视。,(5)螺旋板式换热器：换热表面由两块金属板卷制而成，有点：换热效果好；缺点：密封比较困难。,传热方程
4、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。对于前者我们曾经提到过对数平均温差(LMTD)的公式，但是没有给出推导。下面我们就来看看LMTD的推导过程,dt1,dt2,t1,t2,10-5 平均温度差,以顺流情况为例，并作如下假设：（1）冷热流体的质量流量M2、M1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。,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的变化，即，然后再沿整个换热面积进行平均,在前面假设的基础
5、上，并已知冷热流体的进出口温度，现在来看图10-13中微元换热面dA一段的传热。温差为：,在固体微元面dA内，两种流体的换热量为:,对于热流体和冷流体:,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：,(1),(2),(3),(1)+(2)+(3),对数平均温差,顺流：,逆流时：,过程和公式与顺流是完全一样，因此，最终仍然可以得到：,顺流和逆流的区别在于：顺流：逆流：,或者我们也可以将对数平均温差写成如下统一形式(顺流和逆流都适用),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,算术平均温差相当于温度呈直线变化的情况，因此，总是大于相同进出口温度下的对数平均温差
6、，当 时，两者的差别小于4；当 时，两者的差别小于2.3。,9-6 换热器的热计算 换热器热计算分两种情况：设计计算和校核计算(1)设计计算：设计一个新的换热器，以确定所需的换热面积校核计算：对已有或已选定了换热面积的换热器，在非设 计工况条件下，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,式中，不是独立变量，因为它取决于 以及换热器的布置。另外，根据公式，一旦 和 以及 中的三个已知的话，我们就可以计算出另外一个温度。因此，上面的两个方程中共有8个未知数，即需要给定其中的5个变量，才可以计算另外三个变量。对于设计计算而言，给定的是，以及进出口温度中的三个，最
7、终求对于校核计算而言，给定的一般是，以及2个进口温度，待求的是,换热器的热计算有两种方法：平均温差法 效能-传热单元数(-NTU)法平均温差法：就是直接应用传热方程和热平衡方程进行热 计算，其具体步骤如下：对于设计计算（已知，及进出口温度中的三个，求）初步布置换热面，并计算出相应的总传热系数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由冷热流体的4个进出口温度确定平均温差 由传热方程式计算所需的换热面积A，并核算换热面流体的流动阻力如果流动阻力过大，则需要改变方案重新设计。,对于校核计算（已知，及两个进口温度，求）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根据4个进
8、出口温度求得平均温差根据换热器的结构，算出相应工作条件下的总传热系数k已知kA和，按传热方程式计算在假设出口温度下的根据4个进出口温度，用热平衡式计算另一个，这个值和上面的，都是在假设出口温度下得到的，因此，都不是真实的换热量比较两个 值，满足精度要求，则结束，否则，重新假定出口温度，重复(1)(6)，直至满足精度要求。,2 效能-传热单元数法(1)换热器的效能和传热单元数 换热其效能的定义是基于如下思想：当换热器无限长，对于一个逆流换热器来讲，则会发生如下情况 a 当 时，则 b 当 时，则于是，我们可以得到然而，实际情况的船热量q总是小于可能的最大传热量qmax，我们将q/qmax定义为换
9、热器的效能，并用 表示，即,对于一个已存在的换热器，如果已知了效能 和冷热流体的进口温差，则实际传热量可很方便地求出那么在未知传热量，之前，又如何计算？和那些因素有关？以顺流换热器为例，并假设，则有根据热平衡式得：于是,式，相加：,热容比,式代入下式得：,+,+,当 时，同样的推导过程可得：,上面的推导过程得到如下结果，对于顺流：当 时,上面两个公式合并，可得：,换热器效能公式中的 依赖于换热器的设计，则依赖于换热器的运行条件，因此，在一定程度上表征了换热器综合技术经济性能，习惯上将这个比值（无量纲数）定义为传热单元数NTU，即因此，与顺流类似，逆流时：,当冷热流体之一发生相变时，相当于，即，
10、于是上面效能公式可简化为,当两种流体的热容相等时，即 公式可以简化为,顺流：,逆流：,（，及两个进口温度，求）,(2)用效能-传热单元数法计算换热器的步骤a 设计计算 显然，利用已知条件可以计算出，而带求的k，A则包含在NTU内，因此，对于设计计算是已知，求NTU，求解过程与平均温差法相似，不再重复b 校核计算 由于k事先不知，所以仍然需要假设一个出口温度，具体如下：假设一个出口温度，利用热平衡式计算另一个 利用四个进出口温度计算定性温度，确定物性，并结合换热器结构，计算总传热系数k 利用k,A计算NTU,（，及进出口温度中的三个，求）,利用NTU计算 利用公式分别计算 比较两个，是否满足精度
11、，否则重复以上步骤,从上面步骤可以看出，假设的出口温度对传热量的影响不是直接的，而是通过定性温度，影响总传热系数，从而影响NTU，并最终影响 值。而平均温差法的假设温度直接用于计算 值，显然-NTU法对假设温度没有平均温差法敏感，这是该方法的优势。,3 换热器设计时的综合考虑 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。4 换热器的结垢及污垢热阻 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，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。,对于两侧均已结构的管壳式换热器，以管子外表面为计算依据的传热系数可以表示成：如果管子外
12、壁没有肋化，则肋面总效率o=1。管壳式换热器的部分污垢热阻可以在表9-1种查得。,思考题：1.肋化系数和肋面总效率的定义.2.3.已知肋化系数后,通过肋面的传热系数的计算方法.4.临界热绝缘直径的物理意义及计算方法.5.换热器有那些主要形式?6.换热器的对数平均温差计算方法7.换热器热计算的基本方法.8.什么是换热器的效能和传热单元数.9.在换热器热计算中,平均温差法和传热单元法各有什么 特点?,10.什么是污垢热阻?工程实际中,怎样减小管路中的污垢 热阻?举几个例子.11.强化传热系数的原则是什么?12.什么是有源强化换热(主动式强化换热)和无源强化换热(被动式强化换热)?13.怎样使用试验数据,用威尔逊图解法求解传热过程分热 阻?14.有那些隔热保温技术.什么是保温效率?,作业：9-3，9-5，9-9，9-10，9-16，9-17，9-20，9-23，9-26，9-29，9-33，9-35，9-39，9-45，9-48，9-50，9-52，9-55,
