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1、第十章 传热过程分析与换热器的热计算,在详细讨论了导热、对流、辐射三种热量传递方式的特点和计算方法以后，本章将综合应用这些知识来分析一些典型工程传热问题。本章将从四个方面展开讨论：1.首先分析与计算通过几种不同几何形状固体壁面的传热过程。2.然后针对一种典型的实现两种流体热量交换的设备间壁式换热器。3.本书以前一些章节中曾陆续介绍过一些强化或削弱热量传递过程的方法，本章第四节将对其进一步归纳与总结。4.本章最后将对几个复杂的热量传递过程的例子进行综合分析。,本章要点：1.着重掌握传热过程的分析和计算（肋壁的传热）2.着重掌握临界热绝缘直径的概念和分析计算3.着重掌握顺流及逆流的对数平均温差的分
2、析计算4.掌握换热器的型式和分类以及换热器的热设计5.了解传热的强化和隔热保温技术及有关问题分析本章难点：临界热绝缘直径、对数平均温差的概念和分析计算,本章主要内容：第一节 传热过程的分析和计算第二节 换热器的类型第三节 换热器中传热过程平均温差的计算第四节 间壁式换热器的热设计第五节 热量传递过程的控制(强化与削弱),第一节 传热过程的分析与计算,传热过程：一侧的热流体通过固体壁面把热量传给另一侧冷流 体的过程。传热过程分析求解的基本关系为传热方程式，即 式中k为传热系数。1.通过平壁的传热过程计算,2.通过圆筒壁的传热过程计算,每米管长的传热量：,对于多层圆管,每米管长的传热量：,3、通过
3、肋壁的传热,在表面传热系数较小的一侧采用肋壁是强化传热的一种行之有效的方法。下面以平壁的一侧为肋壁的较简单的情况，作为分析肋壁传热的对象。加肋侧的面积Ao肋片表面积A2两肋片之间壁的表面积A1,式中，为肋面总效率。,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。,对于蒸汽加热的暖气包，由于蒸汽凝结换热系数hi远远大于暖气包对室内空气自然对流时的ho，使这一传热过程中的总热阻完全决定于ho一侧的换热热阻。因此在ho一侧加导热热阻较小的肋片是最有效的改进措施。在表面传热系数较小的一侧采用肋壁是强化传热的一种行之有效的方法。,4、临界热绝缘直径,为了减少管道的散热损失，采用在管道外
4、侧覆盖热绝缘层或称隔热保温层的办法。热流体通过管道壁和绝缘层传热给冷流体传热过程的热阻为,管道的散热量为,根据，可解得,这个 成为临界热绝缘直径记为,1.当裸管的外径 d c r时，保温层越厚，保温效果越好 2.当裸管的外径 d c r时，保温层厚度要超过某一厚度后才起作用。3.要考虑较小的的保温材料，使d c r,用热绝缘层的目的1.节约燃料。2.满足工程技术条件的要求。3.改善劳动条件。,对热绝缘材料的要求 凡导热性低的材料都可以被用作热绝缘层。不过，通常将导热系数值小于 0.14W/（mK）的材料称为隔热材料。热绝缘材料具有下述性能：（1）导热性。（2）机械性能，如抗压和抗拉强度等。（3
5、）不吸水性和耐高热的能力。,在设计时进行合理的优化设计使其在满足工艺要求的条件下投资费用最小；在操作中进行最优化操作，对节省传热设备投资，节省能源有着重要的意义。,第二节 换热器的类型,一、换热器的分类 1.换热器：把热量从热流体传递给冷流体的热力设备。2.按换热器操作过程分为：间壁式、混合式及蓄热式(或称回热式)三大类。,1）间壁式：冷、热流体被壁面间隔开，通过壁面换热。2）混合式：冷、热流体通过直接接触换热。3）回热式：冷、热流体周期性地流过固体壁面换热。,在三类换热器中以间壁式换热器应用最广，本节将对其结构型式及换热器中冷、热流体间的平均温差的计算方法作比较详细的介绍。,二、间壁式换热器
6、的主要型式,适用于传热量不大或流体流量不大的情形。,（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，流体流动方式有顺流和逆流两种,（2）壳管式换热器,这是间壁式换热器的一种主要形式，又称管壳式换热器。,列管换热器录像,管程(Tube Pass)：由管子组成的通道 壳程(Shell Pass)：管外壳内通道 管程数：流体在管内流动方向数 壳程数：流体在壳内流动方向数 壳管式换热器的命名 壳程数-管程数1-2型：壳程为1，管程为2；2-4型：壳程为2，管程为4。,按流动方向，间壁式换热器可分为：顺流(Parallel Flow)换热器；逆流(Counter Flow)换热器；交叉流(C
7、ross Flow)换热器。一般交叉四次以上即可认为是顺流后逆流。,1-2型换热器,A、固定管板式 优点：结构简单,成本低；缺点：壳程不易机械清洗,可能产生较大的热应力；,B、浮头式换热器结构较为复杂,成本高,消除了温差应力，应用广泛。,C、U型管换热器特点：管内清洗困难,(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(Plate heat exchanger),板式换热器结构1固定压紧板2连接口3垫片4板片5活动压紧板6下导杆7上导杆8夹紧螺栓9支柱,(5)螺旋管(板
8、)换热器(Spiral heat exchanger),(6)翅片式换热器1）翅片式管换热器,静态混合器,2）板翅式换热器,(7)热管换热器 1）由传热管、壳体、隔板构成。2）通过工作液的沸腾气化、蒸气流动、蒸气冷凝实现传热。3）特别适用低温差的传热。,第三节 换热器中传热过程平均温差的计算 1.简单顺、逆流换热器平均温差的计算 在换热器中，热流体沿程放出热量温度不断下降；冷流体沿程吸收热量而温度不断上升。当利用传热方程式来计算整个传热面上的热流量时，必须使用整个传热面积上的平均温差(又称平均温压)，记为tm。据此，传热方程式的一般形式应为:=kAtm,以顺流情况为例，作如下假设：（1）冷热流
9、体的质量流量qm2、qm1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。,设t1，t1，qm1和c1分别表示热流体的进出口温度、流量和比热容；t2，t2，qm2和c2分别表示冷流体的进出口温度、流量和比热容。（四个假设书中：P 475）,热流体放出的热量,冷流体吸收的热量,对数平均温差公式推导,对微元面积dA，传热方程为,对数平均温差,对逆流换热过程,对数平均温差,不论顺流还是逆流，对数平均温差可统一用以下计算式表示：,平均温差的另一种更为简单的形式是算术平均温差，即,3、复杂布置时换热器平均温差的计算 套管式换热器及螺旋
10、板式换热器的平均温差可以方便的按逆流或顺流布置的公式来计算。但对于壳管式换热器及交叉流式换热器的平均温差一般采用以下公式来计算：,4、各种流动型式的比较在相同的进、出口温度条件下：逆流的平均温差最大；顺流的平均温差最小；交叉流适中。因此，换热器应当尽量布置成逆流，而尽可能避免作顺流布置。但逆流也有缺点，即热流体和冷流体的最高温度 集中在换热器的同一端。,第四节 换热器的热计算,分为设计计算和校核计算。换热器热计算的基本公式为,传热方程式:,热平衡方程式：,1、换热器计算的平均温差法平均温差法用作设计计算时步骤如下：（1）初步布置换热面，计算出相应的传热系数。（2）根据给定条件，由热平衡式求出进
11、、出口温度 中的那个待定的温度。（3）由冷、热流体的4个进、出口温度确定平均温 差，计算时要注意保持修正系数 具有合适 的数值。（4）由传热方程求出所需要的换热面积，并核算 换热面两侧有流体的流动阻力。（5）如流动阻力过大，改变方案重新设计。,对于校核计算具体计算步骤：（1）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（2）根据4个进出口温度求得平均温差（3）根据换热器的结构，算出相应工作条件下的总传热系数k,（4）已知k、A和，按传热方程式计算在假设出口温度下的（5）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（6）
12、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)传热单元数和换热器的效能,换热器的效能按下式定义：,换热器交换的热流量：,下面揭示换热器的效能与哪些变量有关。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：,整理：,由上一节知道,带入式得,把上一节中m带入上式得,当qm2c2qm1c1 时，类似推导可得,将合并写成,令,可写成,类似的推导可得逆流换热器的效能为,称为传热单元数,当冷热流体之一发生相变时，即 趋于无穷大时，于是上面效能公式可简化为,当两种流体的热容相等时，公式可以简化为,顺流：,逆流：
13、,根据 及 的定义及换热器两类热计算的任务可知，设计计算是已知 求，而校核计算则是由 求取 值。它们计算步骤都与平均温差中对应计算大致相似，故不再细述。,3、用效能传热单元数法（法）计算换热器的步骤,4 换热器设计时的综合考虑 换热器设计是综合性的课题，必须考虑投资，运行费用，安全可靠等诸多因素。5 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，这种热阻称为污垢热阻，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。,对于两侧均已结垢的管壳式换热器，以管子外表面为计算依据的传热系数可以表示成：如果管子外壁没有肋化，则肋面总效率o=1。管壳式换热器的部分污垢
14、热阻可以查得。,第五节 传热的强化和隔热保温技术,强化传热的目的：缩小设备尺寸；提高热效率；保证设备安全。削弱传热的目的：减少热量损失,1、增强传热的方法,（1）扩展传热面 扩展传热壁换热系数小的一侧的面积，是增强传热中使用最广泛的一种方法，如肋壁、肋片管、波纹管、板翅式换热面等，它使换热设备传热系数及单位体积的传热面积增加，能收到高效紧凑的效益。,（2）改变流动状况 增加流速、增强扰动、采用旋流及射流等都能起增强传热的效果，但这些措施将引起流动阻力的增加。,a、增加流速 增加流速可改变流态，提高紊流强度。b、流道中加插入物增强扰动 在管内或管外加进插入物，如金属丝、金属螺旋环、盘片、麻花铁、
15、翼形物，以及将传热面做成波纹状等措施都可增强扰动、破坏流动边界层，增强传热。c、采用旋转流动装置 在流道进口装涡流发生器，使流体在一定压力下从切线方向进入管内作剧烈的旋转运动，用涡旋流动以强化传热。d、采用射流方法喷射传热表面 由于射流撞击壁面，能直接破坏边界层，故能强化换热。它特别适用于强化局部点的传热。,（3）使用添加剂改变流体物性 流体热物性中的导热系数和容积比热对换热系数的影响较大。在流体内加入一些添加剂可以改变流体的某些热物理性能，达到强化传热的效果。添加剂可以是固体或液体，它与换热的主流体组成气-固、液-固、汽-液以及液-液混合流动系统。a、气流中添加少量固体颗粒 固体颗粒提高了流
16、体的容积比热和它的热容量，增强气流的扰动程度，固体颗粒与壁面撞击起到破坏边界层和携带热能的作用，增强了热辐射。b、在蒸汽或气体中喷入液滴 在蒸汽中加入珠状凝结促进剂；在空气冷却器入口喷入水雾，使气相换热变为液膜换热。,（4）改变表面状况,a、增加粗糙度；b、改变表面结构；c、表面涂层,（5）改变换热面形状和大小 如用小直径管子代替大直径管子，用椭圆管代替圆管的措施而收到提高换热系数的好处。此外，在凝结换热中尽量采用水平管亦是一例。（6）改变能量传递方式 由于辐射换热与热力学温度4次方成比例，一种在流道中放置“对流-辐射板”的增强传热方法正逐步得到重视。（7）靠外力产生振荡，强化换热 用机械或电
17、的方法使传热面或流体产生振动；对流体施加声波或超声波，使流体交替地受到压缩和膨胀，以增加脉动；外加静电场，对流体加以高电压而形成一个非均匀的电场，静电场使传热面附近电介质流体的混合作用加强，强化了对流换热。,2、确定传热过程分热阻的威尔逊图解法 利用数据采集系统可以测定壁面和流体的温度，从而获得平均温差，利用热平衡方程式获得热流量，换热面积可以根据设计情况获得，这样就可以通过传热方程式计算出总表面传热系数。这是威尔逊图解法的基础。我们已管壳式换热器为例，说明如何应用威尔逊图解法获得各个分热阻。总表面传热系数可以表示成：,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u0.8
18、成正比，因此，可以写成 的形式，带入上式：,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。,从图中可以获得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。,3、隔热保温技术 绝热技术（隔热保温技术）对于减少热力设备的热损失、节约能源具有显著经济效益。在新技术领域，绝热技术对于实现某些过程具有特别重大的意义。例如，各种高速飞行器（如航天飞机等）在通过大气层时会产生强烈的气动加热，若无适当的绝热措施，将导致飞行器烧毁。隔热保温技术涉及到电力、冶金、化工、石油、低温、建筑及航空航天等许多工业部门的过程实施、节约能源、提高经济效益等问题，目前已发展成为传热学应用技术中的一个重要分支。,
