傳熱過(guò)程分析與換熱器的熱計(jì)算

1、1第九章第九章 傳熱過(guò)程分析與換熱器的熱計(jì)算傳熱過(guò)程分析與換熱器的熱計(jì)算 9 9.1 .1 傳熱過(guò)程的分析和計(jì)算；傳熱過(guò)程的分析和計(jì)算； 9.2 9.2 換熱器的類型；換熱器的類型； 9.3 9.3 換熱器中傳熱過(guò)程平均溫差的計(jì)算；換熱器中傳熱過(guò)程平均溫差的計(jì)算； 9.4 9.4 熱量傳遞過(guò)程的控制（強(qiáng)化與削弱）；熱量傳遞過(guò)程的控制（強(qiáng)化與削弱）；2 傳熱過(guò)程傳熱過(guò)程：熱量從壁面一側(cè)的流體通過(guò)壁面?zhèn)鞯搅恚簾崃繌谋诿嬉粋?cè)的流體通過(guò)壁面?zhèn)鞯搅硪粋?cè)流體的過(guò)程。一側(cè)流體的過(guò)程。k-傳熱系數(shù)傳熱系數(shù)tf1-tf2-冷熱流體的平均溫差冷熱流體的平均溫差9.1 9.1 傳熱過(guò)程的分析和計(jì)算傳熱過(guò)程的分析和計(jì)

2、算312111khh1/ ()tAk （1 1）通過(guò)平壁的傳熱過(guò)程計(jì)算）通過(guò)平壁的傳熱過(guò)程計(jì)算 說(shuō)明說(shuō)明：如果流過(guò)壁面的流體是含有二氧化碳、水蒸氣等：如果流過(guò)壁面的流體是含有二氧化碳、水蒸氣等三原子氣體的煙氣，一般不僅要考慮對(duì)流傳熱，也要考慮輻三原子氣體的煙氣，一般不僅要考慮對(duì)流傳熱，也要考慮輻射傳熱。射傳熱。4（2 2）通過(guò)圓筒壁的傳熱過(guò)程計(jì)算）通過(guò)圓筒壁的傳熱過(guò)程計(jì)算傳熱過(guò)程包括：管內(nèi)流體到管內(nèi)側(cè)壁面、傳熱過(guò)程包括：管內(nèi)流體到管內(nèi)側(cè)壁面、管內(nèi)側(cè)壁面到外側(cè)壁面、管外側(cè)壁面到管內(nèi)側(cè)壁面到外側(cè)壁面、管外側(cè)壁面到外側(cè)流體三個(gè)環(huán)節(jié)。管子內(nèi)外徑外側(cè)流體三個(gè)環(huán)節(jié)。管子內(nèi)外徑ri、ro （內(nèi)徑和外徑分別為

3、（內(nèi)徑和外徑分別為di、do ）；管子內(nèi)）；管子內(nèi)外側(cè)壁溫分別為外側(cè)壁溫分別為twi、two、管子內(nèi)外流體、管子內(nèi)外流體溫度溫度tfi、tfo 。5將三式相加可得：將三式相加可得：對(duì)外側(cè)面積而言的傳熱系數(shù)為：對(duì)外側(cè)面積而言的傳熱系數(shù)為：6 對(duì)比以上兩式得出以管外側(cè)面積為基準(zhǔn)的傳熱系數(shù)計(jì)算式：對(duì)比以上兩式得出以管外側(cè)面積為基準(zhǔn)的傳熱系數(shù)計(jì)算式： 熱阻形式熱阻形式：傳熱總熱阻傳熱總熱阻管內(nèi)熱阻管內(nèi)熱阻管壁熱阻管壁熱阻管外熱阻管外熱阻7 換熱器換熱器：用來(lái)使熱量從熱流體傳遞到冷流體，以滿足規(guī)：用來(lái)使熱量從熱流體傳遞到冷流體，以滿足規(guī)定的工藝要求的裝置，或稱為定的工藝要求的裝置，或稱為熱交換設(shè)備熱交換

4、設(shè)備。9.2 9.2 換熱器的類型換熱器的類型分類分類：間壁式間壁式：冷、熱流體由壁面間隔開(kāi)來(lái)而分：冷、熱流體由壁面間隔開(kāi)來(lái)而分別位于壁面的兩側(cè)。別位于壁面的兩側(cè)。混合式：冷、熱流體直接接觸、互相混混合式：冷、熱流體直接接觸、互相混合。合。蓄熱式（回?zé)崾剑豪?、熱流體依次交替蓄熱式（回?zé)崾剑豪洹崃黧w依次交替地流過(guò)同一換熱表面。地流過(guò)同一換熱表面。按表面緊湊程度分為：緊湊式和非緊湊式換熱器。按表面緊湊程度分為：緊湊式和非緊湊式換熱器。8（1 1）間壁式換熱器的主要形式）間壁式換熱器的主要形式1 1、套管式換熱器、套管式換熱器適用于傳熱量不大或流體流量不大的情形。適用于傳熱量不大或流體流量不大

5、的情形。92 2、管殼式換熱器、管殼式換熱器 間壁式換熱器的一種主要形式。如化工廠中的加熱器、間壁式換熱器的一種主要形式。如化工廠中的加熱器、冷卻器及壓縮機(jī)的中間冷卻器等。冷卻器及壓縮機(jī)的中間冷卻器等。10113 3、交叉流換熱器、交叉流換熱器 根據(jù)換根據(jù)換熱面結(jié)構(gòu)的熱面結(jié)構(gòu)的不同可分為：不同可分為：管束式、管管束式、管翅式、管帶翅式、管帶式及板翅式式及板翅式等。等。124 4、板式換熱器、板式換熱器 由一組幾何結(jié)構(gòu)相同的平行薄平板疊加組成，兩相鄰平板由一組幾何結(jié)構(gòu)相同的平行薄平板疊加組成，兩相鄰平板之間用特殊設(shè)計(jì)的密封墊片隔開(kāi)，形成一個(gè)通道，冷、熱流體之間用特殊設(shè)計(jì)的密封墊片隔開(kāi)，形成一個(gè)通

6、道，冷、熱流體間隔地在每個(gè)通道中流動(dòng)。拆卸方便、適宜含有易污染物的流間隔地在每個(gè)通道中流動(dòng)。拆卸方便、適宜含有易污染物的流體換熱。體換熱。135 5、螺旋板式換熱器、螺旋板式換熱器 換熱表面由兩塊金屬板卷制而成，冷、熱流體在螺旋狀的換熱表面由兩塊金屬板卷制而成，冷、熱流體在螺旋狀的通道中流動(dòng)。換熱效果好、換熱器的密封困難。通道中流動(dòng)。換熱效果好、換熱器的密封困難。14（2 2）提高換熱器緊湊性的途徑）提高換熱器緊湊性的途徑 提高換熱器的緊湊程度，以縮小體積、減輕重量是換熱器提高換熱器的緊湊程度，以縮小體積、減輕重量是換熱器研究的重要目標(biāo)。研究的重要目標(biāo)。a a、減小管徑減小管徑；b b、采用、

7、采用板式結(jié)構(gòu)板式結(jié)構(gòu)；c c、采用各種、采用各種肋化表面肋化表面（擴(kuò)展表面）；（擴(kuò)展表面）；d d、采用、采用絲網(wǎng)狀材料絲網(wǎng)狀材料。 還應(yīng)考慮流動(dòng)阻力、換熱表還應(yīng)考慮流動(dòng)阻力、換熱表面結(jié)垢與污染可能性、制造成本面結(jié)垢與污染可能性、制造成本等。等。159.3 9.3 換熱器中傳熱過(guò)程平均溫差的計(jì)算換熱器中傳熱過(guò)程平均溫差的計(jì)算（1 1）簡(jiǎn)單順、逆流換熱器平均溫差的計(jì)算）簡(jiǎn)單順、逆流換熱器平均溫差的計(jì)算1 1、順流換熱器、順流換熱器 當(dāng)利用傳熱方程式當(dāng)利用傳熱方程式來(lái)計(jì)算整個(gè)傳熱面上的來(lái)計(jì)算整個(gè)傳熱面上的熱流量時(shí)，必須使用整熱流量時(shí)，必須使用整個(gè)傳熱面積上的平均溫個(gè)傳熱面積上的平均溫差（或稱平均溫

8、壓），差（或稱平均溫壓），記為記為mtmkA t 16假設(shè)：假設(shè)：（1）冷、熱流體的質(zhì)量流量）冷、熱流體的質(zhì)量流量及比熱容在整個(gè)換熱面上都是及比熱容在整個(gè)換熱面上都是常量；常量；（2）傳熱系數(shù)在整個(gè)換熱面）傳熱系數(shù)在整個(gè)換熱面上不變；上不變；（3）換熱器無(wú)散熱損失；）換熱器無(wú)散熱損失；（4）換熱面中沿管子軸向的）換熱面中沿管子軸向的導(dǎo)熱量可以忽略不計(jì)。導(dǎo)熱量可以忽略不計(jì)。172 2、逆流換熱器、逆流換熱器 無(wú)論順流、逆流，平均溫差無(wú)論順流、逆流，平均溫差統(tǒng)一計(jì)算式為：統(tǒng)一計(jì)算式為：maxmintttt、分 別 代 表 和 兩 者 中 之 大 者 和 小 者 。mt又稱為對(duì)數(shù)平均溫差。又稱為對(duì)數(shù)

9、平均溫差。18（2 2）不同流動(dòng)布置形式的比較）不同流動(dòng)布置形式的比較 在相同的進(jìn)、出口溫度條件下，逆流的平均溫差最大，順在相同的進(jìn)、出口溫度條件下，逆流的平均溫差最大，順流的平均溫差最小。然而，逆流布置時(shí)，熱流體和冷流體的最流的平均溫差最小。然而，逆流布置時(shí)，熱流體和冷流體的最高溫度集中在換熱器的同一端，使得該處的壁溫特別高。高溫度集中在換熱器的同一端，使得該處的壁溫特別高。 對(duì)于工程上常見(jiàn)的流經(jīng)蛇形管束的傳熱，只要管束的曲折對(duì)于工程上常見(jiàn)的流經(jīng)蛇形管束的傳熱，只要管束的曲折次數(shù)超過(guò)次數(shù)超過(guò)4 4次，就可按總體流動(dòng)方向作為純逆流和純順流來(lái)處次，就可按總體流動(dòng)方向作為純逆流和純順流來(lái)處理。理。

10、19解：根據(jù)熱平衡關(guān)系計(jì)算出熱流體的出口溫度，然后按照順解：根據(jù)熱平衡關(guān)系計(jì)算出熱流體的出口溫度，然后按照順流與逆流的方式布置，計(jì)算相應(yīng)的平均溫差。流與逆流的方式布置，計(jì)算相應(yīng)的平均溫差。例例9-4 9-4 在一臺(tái)螺旋板式換熱器中，熱水流量為在一臺(tái)螺旋板式換熱器中，熱水流量為2000kg/h2000kg/h，冷水，冷水流量為流量為3000kg/h3000kg/h；熱水進(jìn)口溫度；熱水進(jìn)口溫度 8080，冷水進(jìn)口溫度，冷水進(jìn)口溫度 1010 。如果要求將冷水加熱到。如果要求將冷水加熱到 3030 ，試求順流和逆流時(shí)的，試求順流和逆流時(shí)的平均溫差。平均溫差。1t2t2t1 1112222q()q()

11、mmc ttc tt在本題給定溫度范圍內(nèi)，水的比熱容在本題給定溫度范圍內(nèi)，水的比熱容c1=c2=4200J/(kg Kc1=c2=4200J/(kg K）20 逆流布置比順流時(shí)平均溫差大逆流布置比順流時(shí)平均溫差大12.3%12.3%，說(shuō)明，在同樣的傳，說(shuō)明，在同樣的傳熱量和同樣的傳熱系數(shù)下，只要將順流系統(tǒng)改成逆流系統(tǒng)，就熱量和同樣的傳熱系數(shù)下，只要將順流系統(tǒng)改成逆流系統(tǒng)，就可以減少可以減少12.3%12.3%的換熱面積。的換熱面積。219.4 9.4 熱量傳遞過(guò)程的控制（強(qiáng)化與削弱）熱量傳遞過(guò)程的控制（強(qiáng)化與削弱） 傳熱強(qiáng)化的研究主要集中在對(duì)流傳熱與輻射傳熱；而傳遞傳熱強(qiáng)化的研究主要集中在對(duì)流

12、傳熱與輻射傳熱；而傳遞過(guò)程的削弱主要通過(guò)導(dǎo)熱環(huán)節(jié)來(lái)進(jìn)行。過(guò)程的削弱主要通過(guò)導(dǎo)熱環(huán)節(jié)來(lái)進(jìn)行。強(qiáng)化傳熱強(qiáng)化傳熱：是指增加熱傳遞過(guò)程的傳熱量。：是指增加熱傳遞過(guò)程的傳熱量。 增加傳熱面積增加傳熱面積、增加傳熱溫差增加傳熱溫差及及增加傳熱系數(shù)增加傳熱系數(shù)或或?qū)α鱾鲗?duì)流傳熱系數(shù)熱系數(shù)都可以增加傳遞的熱量。都可以增加傳遞的熱量。12111khh1/ ()tAk 設(shè)法減少最設(shè)法減少最大熱阻大熱阻22（1 1）強(qiáng)化傳熱技術(shù)的分類）強(qiáng)化傳熱技術(shù)的分類1 1、從固體側(cè)著手與從流體側(cè)著手的角度來(lái)分類從固體側(cè)著手與從流體側(cè)著手的角度來(lái)分類 可從改變固體表面的結(jié)構(gòu)可從改變固體表面的結(jié)構(gòu)/ /形狀入手，也可以從改變流體的

13、形狀入手，也可以從改變流體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或所受到外力場(chǎng)入手，前者如各種表面換熱的表面，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或所受到外力場(chǎng)入手，前者如各種表面換熱的表面，后者如流體中的插入物以及給流體施加電場(chǎng)、磁場(chǎng)等方法。后者如流體中的插入物以及給流體施加電場(chǎng)、磁場(chǎng)等方法。2 2、從有否使用外部動(dòng)力源的角度來(lái)分類從有否使用外部動(dòng)力源的角度來(lái)分類強(qiáng)化技術(shù)分為強(qiáng)化技術(shù)分為有源技術(shù)有源技術(shù)和和無(wú)源技術(shù)無(wú)源技術(shù)。 無(wú)源技術(shù)又稱無(wú)源技術(shù)又稱被動(dòng)技術(shù)被動(dòng)技術(shù)，是指除了輸送傳熱介質(zhì)的功率外，是指除了輸送傳熱介質(zhì)的功率外不再需要附加動(dòng)力的技術(shù)；有源技術(shù)又稱不再需要附加動(dòng)力的技術(shù)；有源技術(shù)又稱主動(dòng)技術(shù)主動(dòng)技術(shù)，指需要額，指需要額外的動(dòng)力（如機(jī)械

14、力、電磁力等）的技術(shù)。外的動(dòng)力（如機(jī)械力、電磁力等）的技術(shù)。23 無(wú)源技術(shù)無(wú)源技術(shù)包括：包括：（1 1）表面涂層表面涂層，在沸騰換熱表面上增加細(xì)小多孔層，以強(qiáng)化沸，在沸騰換熱表面上增加細(xì)小多孔層，以強(qiáng)化沸騰換熱，在冷凝面上涂以非濕潤(rùn)物質(zhì)以形成部分珠狀凝結(jié)等；騰換熱，在冷凝面上涂以非濕潤(rùn)物質(zhì)以形成部分珠狀凝結(jié)等；（2 2）粗糙表面粗糙表面，對(duì)于單相介質(zhì)，粗糙表面可以增強(qiáng)流體中的擾，對(duì)于單相介質(zhì)，粗糙表面可以增強(qiáng)流體中的擾動(dòng)與混合，對(duì)于沸騰，可增加汽化核心；動(dòng)與混合，對(duì)于沸騰，可增加汽化核心；（3 3）擴(kuò)展表面擴(kuò)展表面，如設(shè)置各種肋片；，如設(shè)置各種肋片；（4 4）各種內(nèi)外螺紋管各種內(nèi)外螺紋管，增加

15、面積與流體的擾動(dòng)來(lái)強(qiáng)化換熱；，增加面積與流體的擾動(dòng)來(lái)強(qiáng)化換熱；（5 5）擾流原件擾流原件，插入管內(nèi)加強(qiáng)流體的擾動(dòng)與混合的附件；，插入管內(nèi)加強(qiáng)流體的擾動(dòng)與混合的附件；（6 6）添加物添加物，在流體中摻入少量異種物質(zhì)小顆粒來(lái)強(qiáng)化換熱；，在流體中摻入少量異種物質(zhì)小顆粒來(lái)強(qiáng)化換熱；（7 7）沖擊傳熱沖擊傳熱，將一股冷氣流對(duì)著被冷卻表面沖擊。，將一股冷氣流對(duì)著被冷卻表面沖擊。24252627 有源技術(shù)有源技術(shù)包括：包括：（1 1）對(duì)換熱介質(zhì)進(jìn)行機(jī)械攪拌對(duì)換熱介質(zhì)進(jìn)行機(jī)械攪拌；（2 2）使換熱面發(fā)生振動(dòng)使換熱面發(fā)生振動(dòng)；（3 3）使換熱流體作振蕩流動(dòng)使換熱流體作振蕩流動(dòng)；（4 4）將電磁場(chǎng)作用于流體將電磁

16、場(chǎng)作用于流體；（5 5）將異種或同種流體噴入換熱借介質(zhì)或從換熱表面抽走將異種或同種流體噴入換熱借介質(zhì)或從換熱表面抽走；28按發(fā)展的歷史分類：按發(fā)展的歷史分類： 對(duì)于無(wú)相變的對(duì)流傳熱，凡是能減薄邊界層、增加流體的對(duì)于無(wú)相變的對(duì)流傳熱，凡是能減薄邊界層、增加流體的擾動(dòng)、促使流體中各部分混合以及增加固體壁面上的速度梯度擾動(dòng)、促使流體中各部分混合以及增加固體壁面上的速度梯度的措施都能強(qiáng)化傳熱。的措施都能強(qiáng)化傳熱。強(qiáng)化沸騰傳熱強(qiáng)化沸騰傳熱的有效措施是的有效措施是增加固體壁增加固體壁面上的汽化核心面上的汽化核心，膜狀凝結(jié)膜狀凝結(jié)則要?jiǎng)t要減薄形成的液膜厚度減薄形成的液膜厚度。29（2 2）隔熱保溫技術(shù)）隔熱保溫技術(shù)使用導(dǎo)熱系數(shù)小的各種絕熱材料來(lái)削弱導(dǎo)熱過(guò)程。使用導(dǎo)熱系數(shù)小的各種絕熱材料來(lái)削弱導(dǎo)熱過(guò)程。 高于環(huán)境溫度的熱力設(shè)備與管道的保溫多采用無(wú)機(jī)的絕熱高于環(huán)境溫度的熱力設(shè)備與管道的保溫多采用無(wú)機(jī)的絕熱材料材料（1 1）多孔型絕熱材料，如微孔硅酸鈣；（）多孔型絕熱材料，如微孔硅酸鈣；（2 2）纖維型絕熱）纖維型絕熱材料，如巖棉；（材料，如巖棉；（3 3）粒狀絕熱材料，如膨脹珍珠巖。）粒狀絕熱材料，如膨脹珍珠巖。 低于環(huán)境溫度的工質(zhì)和容器，關(guān)鍵在于防止外界熱量的傳低于環(huán)境溫度的工質(zhì)和容器，關(guān)鍵在于防止外界熱量的傳入入，材料為聚苯乙烯泡沫塑料、硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料、多層真，材料為聚