上海海事大學(xué)傳熱學(xué)第八章 傳熱過(guò)程及換熱器

第八章傳熱過(guò)程與換熱器

在詳細(xì)討論了導(dǎo)熱、對(duì)流、輻射三種熱量傳遞方式的特點(diǎn)和計(jì)算方法以后，本章將綜合應(yīng)用這些知識(shí)來(lái)分析一些典型工程傳熱問(wèn)題。本章將從四個(gè)方面展開(kāi)討論：1.首先分析與計(jì)算通過(guò)幾種不同幾何形狀固體壁面的傳熱過(guò)程。2.然后針對(duì)一種典型的實(shí)現(xiàn)兩種流體熱量交換的設(shè)備——間壁式換熱器，詳細(xì)討論其熱力設(shè)計(jì)的方法。3.本書(shū)以前一些章節(jié)中曾陸續(xù)介紹過(guò)一些強(qiáng)化或削弱熱量傳遞過(guò)程的方法，本章將對(duì)其進(jìn)一步歸納與總結(jié)。4.本章最后將對(duì)幾個(gè)復(fù)雜的熱量傳遞過(guò)程的例子進(jìn)行綜合分析。1本章要點(diǎn)：1.著重掌握傳熱過(guò)程的分析和計(jì)算2.著重掌握臨界熱絕緣直徑的概念和分析計(jì)算3.著重掌握順流及逆流的對(duì)數(shù)平均溫差的分析計(jì)算4.掌握換熱器的型式和分類以及換熱器的熱計(jì)算本章難點(diǎn)：臨界熱絕緣直徑、對(duì)數(shù)平均溫差的概念和分析計(jì)算本章主要內(nèi)容：第一節(jié)傳熱過(guò)程的分析和計(jì)算第二節(jié)換熱器的型式及平均溫差第三節(jié)換熱器的熱計(jì)算28-1傳熱過(guò)程的分析與計(jì)算

傳熱過(guò)程：熱流體通過(guò)固體壁面的導(dǎo)熱把熱能傳給冷流體的過(guò)程。傳熱過(guò)程分析求解的基本關(guān)系為傳熱方程式，即式中k為傳熱系數(shù)。一.通過(guò)平壁的傳熱

3二.通過(guò)圓筒壁的傳熱每米管長(zhǎng)的傳熱量：hh4對(duì)于多層圓管

每米管長(zhǎng)的傳熱量：5總的傳熱量：6三.通過(guò)肋壁的傳熱加肋側(cè)的面積A2＝肋片表面積Af＋兩肋片之間壁的表面積A0A2>A1肋化系數(shù)：肋片越高，肋距越小，肋化系數(shù)就越大。hh7肋片與流體的換熱量f

為肋片效率加肋側(cè)與流體的換熱量肋壁總效率A2＝Af＋A08肋壁的導(dǎo)熱熱量加肋側(cè)流體的換熱量不加肋側(cè)與流體的換熱量肋壁的傳熱公式以A1為基準(zhǔn)的肋壁的傳熱系數(shù)9

對(duì)于蒸汽加熱的暖氣包，由于蒸汽凝結(jié)換熱系數(shù)h1遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于暖氣包對(duì)室內(nèi)空氣自然對(duì)流時(shí)的h2，使這一傳熱過(guò)程中的總熱阻完全決定于h2一側(cè)的換熱熱阻。因此在h2一側(cè)加導(dǎo)熱熱阻較小的肋片是最有效的改進(jìn)措施。

在表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)較小的一側(cè)采用肋壁是強(qiáng)化傳熱的一種行之有效的方法。

在冷熱介質(zhì)溫度一定時(shí)，要增強(qiáng)傳熱可以加大h1、h2、λ、A1、A2以及減小δ。最有效的措施是改變上列某些值后，可減小各項(xiàng)分熱阻中最大的那一個(gè)熱阻值。10例1：

一平壁一側(cè)加肋，加肋后面積為A2，肋化系數(shù)=13，肋壁總效率t=0.9。壁的厚度=10mm，材料的導(dǎo)熱系數(shù)=50W/(m·K)，相對(duì)應(yīng)的換熱系數(shù)為h1=200W/(m2

·K)和h2=10W/(m2

·K)，流體溫度tf1=75C和tf2=15C。求以A1為基準(zhǔn)，其單位面積的傳熱量q1，并與不加肋時(shí)的傳熱量q比較。解：q1/q=4347.6/570.3=7.62311例2：墻厚240mm，室內(nèi)空氣的溫度為20C，室外空氣的溫度為-10C；磚墻的導(dǎo)熱系數(shù)=0.95W/(m·K)，室內(nèi)空氣對(duì)墻面的換熱系數(shù)為h1=8W/(m2

·K)，室外空氣的換熱系數(shù)為h2=37W/(m2

·K)（考慮了輻射換熱的因素）。試求冬季室內(nèi)、外空氣通過(guò)磚墻傳遞的熱量和磚墻內(nèi)側(cè)的溫度。（不考慮門(mén)、窗的傳熱影響）121)

增加傳熱面積2)加大傳熱溫差3)提高傳熱系數(shù)a、減少導(dǎo)熱熱阻b、改變流體的流動(dòng)狀態(tài)c、改變流體的物性d、改變換熱面的表面狀況四、增強(qiáng)傳熱的方法和熱絕緣的應(yīng)用1、增強(qiáng)傳熱的方法132、

用熱絕緣層的目的1、節(jié)約燃料。2、滿足工程技術(shù)條件的要求。3、改善勞動(dòng)條件。

3、對(duì)熱絕緣材料的要求

凡導(dǎo)熱性低的材料都可以被用作熱絕緣層。不過(guò)，通常將導(dǎo)熱系數(shù)λ值小于0.12W/（m·K）的材料稱為隔熱材料。熱絕緣材料具有下述性能：（1）導(dǎo)熱性。（2）機(jī)械性能，如抗壓和抗拉強(qiáng)度等。（3）不吸水性和耐高熱的能力。14臨界熱絕緣直徑與熱絕緣層經(jīng)濟(jì)厚度圓管覆蓋熱絕緣材料時(shí)每米管長(zhǎng)的總熱阻為：r1r2rxh1h2λ1λ2(1)+(2)(4)(3)R總,ldxRd2dcr15即當(dāng)時(shí)，熱阻值為最小。單位管長(zhǎng)傳熱量ql為最大值。此時(shí)的dx稱為“臨界熱絕緣直徑”，用dcr表示。

Od2dcrd3dql16熱絕緣層經(jīng)濟(jì)厚度:每年的熱損失與熱絕緣投資最少時(shí)對(duì)應(yīng)的熱絕緣厚度稱為熱絕緣層經(jīng)濟(jì)厚度。Od2dcrd3dql絕緣層厚度R總,l費(fèi)用經(jīng)濟(jì)厚度17注意：1.當(dāng)裸管的外徑d2>

dcr時(shí)，保溫層越厚，保溫效果越好Q當(dāng)裸管的外徑d2<

dcr時(shí)，保溫層厚度要超過(guò)d3后才起作用。2.要考慮較小的λ2的保溫材料，使dcr188-2換熱器的型式及平均溫差一、定義及分類

1.換熱器：把熱量從熱流體傳遞給冷流體的熱力設(shè)備。

2.按換熱器操作過(guò)程分為：間壁式、混合式及蓄熱式(或稱回?zé)崾?三大類。

1）間壁式：冷、熱流體被間壁隔開(kāi)，通過(guò)間壁換熱。2）混合式：冷、熱流體通過(guò)直接接觸換熱。3）回?zé)崾剑豪?、熱流體周期性地流過(guò)固體壁面換熱。

在三類換熱器中以間壁式換熱器應(yīng)用最廣，本節(jié)將對(duì)其結(jié)構(gòu)型式及換熱器中冷、熱流體間的平均溫差的計(jì)算方法作比較詳細(xì)的介紹。19二.間壁式換熱器的主要型式

1）套管式換熱器。這是最簡(jiǎn)單的一種間壁式換熱器，其結(jié)構(gòu)如下圖所示?？偟膩?lái)說(shuō)，這類間壁式換熱器適用于傳熱量不大或流體流量不大的情形。實(shí)際使用時(shí)，為增加換熱面積可采用c所示結(jié)構(gòu)。圖8-3套管式換熱器示意圖間壁式熱交換器管式熱交換器板式熱交換器殼管式熱交換器肋片管式熱交換器套管式熱交換器板翅式熱交換器平行板式熱交換器螺旋板式熱交換器20

2)殼管式換熱器。這是間壁式換熱器的一種主要形式．又稱管殼式換熱器?；S中的加熱器、冷卻器，電廠中的冷凝器、冷油器以及壓縮機(jī)的中間冷卻器等都是殼管式換熱器的實(shí)例。圖8-4是一種最簡(jiǎn)單的殼管式換熱器的示意圖。一種流體(圖中冷流體)從封頭進(jìn)口流進(jìn)管子,再經(jīng)封頭流出。這條路徑稱為管程。另一種流體從外殼上的連接管進(jìn)入換熱器，在殼體與管子之間流動(dòng)，這條路徑稱為殼程。圖8-4簡(jiǎn)單的殼管式換熱器示意圖21l-2型換熱器(此處l表示殼程數(shù)，2表示管程數(shù))。圖8-5所示是一個(gè)1-2型換熱器的剖面圖。圖8-5

1-2型換熱器剖面示意圖223）交叉流換熱器。它是間壁式換熱器的又一種主要型式。根據(jù)換熱表面結(jié)構(gòu)的不同又可有管束式、管翅式及板翅式等的區(qū)別，如圖8-6所示圖8-6交叉流換熱器示意圖23

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所組成，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、熱流體間隔地在每個(gè)通道中流動(dòng)。為強(qiáng)化換熱并增加板片的剛度，常在平板上壓制出各種波紋。板式換熱器中冷、熱流體的流動(dòng)有多種布置方式，圖9-7所示為1-1型板式換熱器的逆流布置，這里的1-1型表示冷、熱流體都只流過(guò)一個(gè)通道。板式換熱器拆卸清洗方便，故適合于含有易污染物的流體(如牛奶等有機(jī)流體)的換熱。圖8-7板式換熱器示意圖245）螺旋板式換熱器。螺旋板式換熱器的換熱表面是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)，圖8-8所示是其兩個(gè)方向的截面示意圖。這種換熱器換熱效果較好，缺點(diǎn)是換熱器的密封比較困難。圖9-8螺旋板式換熱器25按流動(dòng)方向分類：1、順流式2、逆流式3、叉流式4、混合流式（雜流式）26按流程分類：?jiǎn)瘟鞒蹋弘p流程：多流程：27三.簡(jiǎn)單順流及逆流換熱器的對(duì)數(shù)平均溫差

在換熱器中，熱流體沿程放出熱量溫度不斷下降；冷流體沿程吸收熱量而溫度不斷上升。當(dāng)利用傳熱方程式來(lái)計(jì)算整個(gè)傳熱面上的熱流量時(shí)，必須使用整個(gè)傳熱面積上的平均溫差(又稱平均溫壓)，記為Δtm。據(jù)此，傳熱方程式的一般形式應(yīng)為:Φ=KAΔtm

換熱器中流體的溫度分布

tAtAtAtA28設(shè)t1′，t1〃，qm1和c1分別表示熱流體的進(jìn)出口溫度、流量和比熱容；t2′，t2〃，qm2和c2分別表示冷流體的進(jìn)出口溫度、流量和比熱容。（四個(gè)假設(shè)書(shū)中：P159）熱流體放出的熱量冷流體吸收的熱量對(duì)數(shù)平均溫差公式推導(dǎo)29″30對(duì)微元面積dA，傳熱方程為31對(duì)數(shù)平均溫差tA△t′△t″32對(duì)逆流換熱過(guò)程tA對(duì)數(shù)平均溫差△t′△t″33tAtmaxtmin34叉流和混合流（殼管式換熱器與交叉流式換熱器）逆流時(shí)的對(duì)數(shù)平均溫差其他復(fù)雜布置時(shí)流換熱器平均溫差的計(jì)算計(jì)算P、R值，查圖表定e4。各種流動(dòng)形式的比較在各種流動(dòng)形式中，順流和逆流可以看作是兩種極端情況。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。而其他各種流動(dòng)形式介與順流和逆流之間。逆流的缺點(diǎn)是：熱流體和冷流體的最高溫度集中在換熱器的同一端，使得該處的溫度特別高，這是應(yīng)該避免的。35例：已知一換熱器，熱流體進(jìn)口溫度t1’=300℃,出口溫度為t1’’=210℃

；冷流體進(jìn)口溫度t2’=100℃,出口溫度為t2’’=200℃

。求換熱器在順流布置和逆流布置時(shí)的對(duì)數(shù)平均溫差，試說(shuō)明哪一種布置換熱效果好。300210100200200300210100順流：逆流：368-3換熱器的熱計(jì)算

基本概念及公式1.設(shè)計(jì)計(jì)算：設(shè)計(jì)一個(gè)新的換熱器，以確定換熱器所需的換熱面積。2.校核計(jì)算：對(duì)已有的或巳選定了換熱面積的換熱器。在非設(shè)計(jì)工況條件下核算它能否勝任規(guī)定的換熱任務(wù)。3.基本原理為傳熱方程式及熱平衡方程式：Φ=KAΔtm4.換熱器熱計(jì)算的方法有兩類：平均溫差法及傳熱單元數(shù)法。37一.換熱器熱計(jì)算的平均溫差法

所謂平均溫差法，就是直接應(yīng)用式傳熱方程式及熱平衡方程式進(jìn)行熱計(jì)算的方法。1.)平均溫差法用作設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)步驟如下：(1)初步布置換熱面，并計(jì)算出相應(yīng)的傳熱系數(shù)k。(2)根據(jù)給定條件，由熱平衡式求出進(jìn)、出口溫度中的那個(gè)待定的溫度。(3)由冷、熱流體的4個(gè)進(jìn)、出口溫度確定平均溫差Δtm，計(jì)算時(shí)要注意保持修正系數(shù)φ具有合適的數(shù)值。(4)由傳熱方程式求出所需的換熱面積A，并核算換熱兩側(cè)流體的流動(dòng)阻力。(5)如流動(dòng)阻力過(guò)大，改變方案重新設(shè)計(jì)。38

2.)平均溫差法用作校核計(jì)算時(shí)步驟如下：(1)先假設(shè)一個(gè)流體的出口溫度,按熱平衡方程求出另一個(gè)流體的出口溫度。(2)根據(jù)4個(gè)進(jìn)、出口溫度求得平均溫差Δtm。(3)根據(jù)換熱器的結(jié)構(gòu)、算出相應(yīng)工作條件下傳熱系數(shù)k的值。(4)已知KA和Δtm，按傳熱方程式求出Q值。因?yàn)榱黧w的出口溫度是假設(shè)性的，因此求出的Q值未必是真實(shí)的數(shù)值。(5)根據(jù)4個(gè)進(jìn)、出口溫度，用熱平衡式求得另一個(gè)Q值，同理，這個(gè)Q值也是假設(shè)性的。(6)比較步驟(4)和(5)中求得的兩個(gè)Q值。一般來(lái)說(shuō)，兩者總是不同的。這說(shuō)明步驟(1)中假設(shè)的溫度值不符合實(shí)際。再重新假設(shè)一個(gè)流體的出口溫度，重復(fù)以上步騾(1)至(6)，直到由步驟(4)和(5)求得的兩個(gè)Φ值彼此接近時(shí)為止。至于兩者接近到何種程度方稱滿意，則由所要求的計(jì)算精確度而定。一般認(rèn)為兩者之差應(yīng)小于2％～5％。39二.換熱器熱計(jì)算的效能-傳熱單元數(shù)法（ε-NTU法）1、三個(gè)重要參數(shù)（1）換熱器的效能ε按下式定義：（2）傳熱單元數(shù)按下式定義：效能ε表示換熱器的實(shí)際換熱效果與最大可能的換熱效果之比；已知ε后，換熱器交換的熱流量Q即可根據(jù)兩種流體的進(jìn)口溫度確定：（3）熱容比：402、

ε、NTU和C的函數(shù)關(guān)系幾種特殊情況：（1）流體之一有相變，C→0：（2）逆流時(shí)兩流體的熱容量幾乎相等，C→1：（3）順流時(shí)兩流體的熱容量幾乎相等，C→1：41

3.用效能-傳熱單元數(shù)（ε-NTU法）計(jì)算換熱器的步驟根據(jù)ε及N