傳熱學(xué)第九章

傳熱學(xué)第九章第一頁，共五十四頁，2022年，8月28日本章的學(xué)習(xí)目的分析實際傳熱問題的能力綜合應(yīng)用三種基本傳熱方式及其相關(guān)公式的能力了解換熱器的基本知識和設(shè)計過程§

9-1傳熱過程的分析和計算

傳熱過程？基本計算式(傳熱方程式)？式中：K是傳熱系數(shù)(總傳熱系數(shù))。對于不同的傳熱過程，K的計算公式也不同。第二頁，共五十四頁，2022年，8月28日1通過平壁的傳熱K的計算公式？說明：(1)h1和h2的計算；（2）如果計及輻射時對流換熱系數(shù)應(yīng)該采用等效換熱系數(shù)(總表面?zhèn)鳠嵯禂?shù))單相對流：膜態(tài)沸騰：(8-24)(6-23)第三頁，共五十四頁，2022年，8月28日2通過圓管的傳熱hiho內(nèi)部對流：圓柱面導(dǎo)熱：外部對流：其中：第四頁，共五十四頁，2022年，8月28日3通過肋壁的傳熱肋壁面積：穩(wěn)態(tài)下?lián)Q熱情況：A1A2Ai肋面總效率第五頁，共五十四頁，2022年，8月28日定義肋化系數(shù)：

則傳熱系數(shù)為所以，只要就可以起到強化換熱的效果。第六頁，共五十四頁，2022年，8月28日4帶保溫層的圓管傳熱——臨界熱絕緣直徑圓管外敷保溫層后：可見，保溫層使得導(dǎo)熱熱阻增加，換熱削弱；另一方面，降低了對流換熱熱阻，使得換熱贈強，那么，綜合效果到底是增強還是削弱呢？這要看d/ddo2和d2/ddo22的值第七頁，共五十四頁，2022年，8月28日可見，確實是有一個極值存在，那么，到底是極大值，還是極小值呢？從熱量的基本傳遞規(guī)律可知，應(yīng)該是極大值。也就是說，do2在do1~dcr之間，是增加的，當(dāng)do2大于dcr時，降低。or第八頁，共五十四頁，2022年，8月28日§

9-2換熱器的型式及平均溫差換熱器的定義：用來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2換熱器的分類：三種類型換熱器簡介第九頁，共五十四頁，2022年，8月28日3間壁式換熱器的主要型式套管式換熱器：最簡單的一種間壁式換熱器，流體有順流和逆流兩種，適用于傳熱量不大或流體流量不大的情形順流逆流第十頁，共五十四頁，2022年，8月28日(2)管殼式換熱器：最主要的一種間壁式換熱器，傳熱面由管束組成，管子兩端固定在管板上，管束與管板再封裝在外殼內(nèi)。兩種流體分管程和殼程。第十一頁，共五十四頁，2022年，8月28日增加管程第十二頁，共五十四頁，2022年，8月28日進一步增加管程和殼程第十三頁，共五十四頁，2022年，8月28日(3)交叉流換熱器：間壁式換熱器的又一種主要形式。其主要特點是冷熱流體呈交叉狀流動。交叉流換熱器又分管束式、管翅式和板翅式三種。(c)板翅式交叉流換熱器第十四頁，共五十四頁，2022年，8月28日(4)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，冷熱流體間隔地在每個通道中流動，其特點是拆卸清洗方便，故適用于含有易結(jié)垢物的流體。單位體積內(nèi)所包含的換熱面積作為衡量換熱器緊湊程度的衡量指標(biāo)，一般將大于700m2/m3的換熱器稱為緊湊式換熱器，板翅式換熱器多屬于緊湊式，因此，日益受到重視。第十五頁，共五十四頁，2022年，8月28日(5)螺旋板式換熱器：換熱表面由兩塊金屬板卷制而成，有點：換熱效果好；缺點：密封比較困難。第十六頁，共五十四頁，2022年，8月28日4簡單順流及逆流換熱器的對數(shù)平均溫差傳熱方程的一般形式：這個過程對于傳熱過程是通用的，但是當(dāng)溫差沿整個壁面不是常數(shù)時，比如等壁溫條件下的管內(nèi)對流換熱，以及我們現(xiàn)在遇到的換熱器等。對于前者我們曾經(jīng)提到過對數(shù)平均溫差(LMTD)的公式，但是沒有給出推導(dǎo)。下面我們就來看看LMTD的推導(dǎo)過程dthdtcthtc第十七頁，共五十四頁，2022年，8月28日以順流情況為例，并作如下假設(shè)：（1）冷熱流體的質(zhì)量流量qm2、qm1以及比熱容c2,c1是常數(shù)；(2)傳熱系數(shù)是常數(shù)；（3）換熱器無散熱損失；（4）換熱面沿流動方向的導(dǎo)熱量可以忽略不計。要想計算沿整個換熱面的平均溫差，首先需要知道當(dāng)?shù)販夭铍S換熱面積的變化，即，然后再沿整個換熱面積進行平均第十八頁，共五十四頁，2022年，8月28日在前面假設(shè)的基礎(chǔ)上，并已知冷熱流體的進出口溫度，現(xiàn)在來看圖9-13中微元換熱面dA一段的傳熱。溫差為：在固體微元面dA內(nèi)，兩種流體的換熱量為:對于熱流體和冷流體:第十九頁，共五十四頁，2022年，8月28日可見，當(dāng)?shù)販夭铍S換熱面呈指數(shù)變化，則沿整個換熱面的平均溫差為：第二十頁，共五十四頁，2022年，8月28日(1)(2)(3)(1)+(2)+(3)對數(shù)平均溫差第二十一頁，共五十四頁，2022年，8月28日順流：逆流時：第二十二頁，共五十四頁，2022年，8月28日其他過程和公式與順流是完全一樣，因此，最終仍然可以得到：第二十三頁，共五十四頁，2022年，8月28日順流和逆流的區(qū)別在于：順流：逆流：或者我們也可以將對數(shù)平均溫差寫成如下統(tǒng)一形式(順流和逆流都適用)第二十四頁，共五十四頁，2022年，8月28日5算術(shù)平均溫差平均溫差的另一種更為簡單的形式是算術(shù)平均溫差，即算術(shù)平均溫差相當(dāng)于溫度呈直線變化的情況，因此，總是大于相同進出口溫度下的對數(shù)平均溫差，當(dāng)時，兩者的差別小于4％；當(dāng)時，兩者的差別小于2.3％。第二十五頁，共五十四頁，2022年，8月28日6其他復(fù)雜布置時換熱器平均溫差的計算以上所討論的對數(shù)平均溫差(LMTD)只是針對純順流和純逆流情況，而這種情況的出現(xiàn)是比較少的，實際換熱器一般都是處于順流和逆流之間，或者有時是逆流，有時又是順流。對于這種復(fù)雜情況，我們當(dāng)然也可以采用前面的方法進行分析，但數(shù)學(xué)推導(dǎo)將非常復(fù)雜，實際上，逆流的平均溫差最大，因此，人們想到對純逆流的對數(shù)平均溫差進行修正以獲得其他情況下的平均溫差。是給定的冷熱流體的進出口溫度布置成逆流時的LMTD，是小于1的修正系數(shù)。圖9-15~9-18分別給出了管殼式換熱器和交叉流式換熱器的。第二十六頁，共五十四頁，2022年，8月28日關(guān)于的注意事項（1）值取決于無量綱參數(shù)P和R式中：下標(biāo)1、2分別表示兩種流體，上角標(biāo)`表示進口，``表示出口，圖表中均以P為橫坐標(biāo)，R為參量。（3）R的物理意義：兩種流體的熱容量之比（2）P的物理意義：流體2的實際溫升與理論上所能達到的最大溫升之比，所以只能小于1（4）對于管殼式換熱器，查圖時需要注意流動的“程”數(shù)第二十七頁，共五十四頁，2022年，8月28日7各種流動形式的比較順流和逆流是兩種極端情況，在相同的進出口溫度下，逆流的最大，順流則最?。豁樍鲿r，而逆流時，則可能大于，可見，逆流布置時的換熱最強。InOutInOut第二十八頁，共五十四頁，2022年，8月28日(3)那么是不是所有的換熱器都設(shè)計成逆流形式的就最好呢？不是，因為一臺換熱器的設(shè)計要考慮很多因素，而不僅僅是換熱的強弱。比如，逆流時冷熱流體的最高溫度均出現(xiàn)在換熱器的同一側(cè)，使得該處的壁溫特別高，可能對換熱器產(chǎn)生破壞，因此，對于高溫?fù)Q熱器，又是需要故意設(shè)計成順流(4)對于有相變的換熱器，如蒸發(fā)器和冷凝器，發(fā)生相變的流體溫度不變，所以不存在順流還是逆流的問題。xTInOutxTInOut冷凝蒸發(fā)第二十九頁，共五十四頁，2022年，8月28日§

9-3換熱器的熱計算

換熱器熱計算分兩種情況：設(shè)計計算和校核計算(1)設(shè)計計算：設(shè)計一個新的換熱器，以確定所需的換熱面積校核計算：對已有或已選定了換熱面積的換熱器，在非設(shè)計工況條件下，核算他能否勝任規(guī)定的新任務(wù)。換熱器熱計算的基本方程式是傳熱方程式及熱平衡式第三十頁，共五十四頁，2022年，8月28日式中，不是獨立變量，因為它取決于以及換熱器的布置。另外，根據(jù)公式(9-15)可是，一旦和以及中的三個已知的話，我們就可以計算出另外一個溫度。因此，上面的兩個方程中共有8個未知數(shù)，即需要給定其中的5個變量，才可以計算另外三個變量。對于設(shè)計計算而言，給定的是，以及進出口溫度中的三個，最終求對于校核計算而言，給定的一般是，以及2個進口溫度，待求的是第三十一頁，共五十四頁，2022年，8月28日換熱器的熱計算有兩種方法：平均溫差法

效能-傳熱單元數(shù)(-NTU)法平均溫差法：就是直接應(yīng)用傳熱方程和熱平衡方程進行熱計算，其具體步驟如下：對于設(shè)計計算（已知，及進出口溫度中的三個，求）初步布置換熱面，并計算出相應(yīng)的總傳熱系數(shù)k根據(jù)給定條件，由熱平衡式求出進、出口溫度中的那個待定的溫度由冷熱流體的4個進出口溫度確定平均溫差由傳熱方程式計算所需的換熱面積A，并核算換熱面流體的流動阻力如果流動阻力過大，則需要改變方案重新設(shè)計。第三十二頁，共五十四頁，2022年，8月28日對于校核計算（已知，及兩個進口溫度，求）先假設(shè)一個流體的出口溫度，按熱平衡式計算另一個出口溫度根據(jù)4個進出口溫度求得平均溫差根據(jù)換熱器的結(jié)構(gòu)，算出相應(yīng)工作條件下的總傳熱系數(shù)k已知kA和，按傳熱方程式計算在假設(shè)出口溫度下的根據(jù)4個進出口溫度，用熱平衡式計算另一個，這個值和上面的，都是在假設(shè)出口溫度下得到的，因此，都不是真實的換熱量比較兩個值，滿足精度要求，則結(jié)束，否則，重新假定出口溫度，重復(fù)(1)~(6)，直至滿足精度要求。第三十三頁，共五十四頁，2022年，8月28日2效能-傳熱單元數(shù)法(1)換熱器的效能和傳熱單元數(shù)

換熱其效能的定義是基于如下思想：當(dāng)換熱器無限長，對于一個逆流換熱器來講，則會發(fā)生如下情況a當(dāng)時，，則b當(dāng)時，，則于是，我們可以得到然而，實際情況的船熱量q總是小于可能的最大傳熱量qmax，我們將q/qmax定義為換熱器的效能，并用表示，即第三十四頁，共五十四頁，2022年，8月28日對于一個已存在的換熱器，如果已知了效能和冷熱流體的進口溫差，則實際傳熱量可很方便地求出那么在未知傳熱量，之前，又如何計算？和那些因素有關(guān)？以順流換熱器為例，并假設(shè)，則有根據(jù)熱平衡式得：于是式①，②相加：熱容比①②第三十五頁，共五十四頁，2022年，8月28日式①代入下式得：++第三十六頁，共五十四頁，2022年，8月28日當(dāng)時，同樣的推導(dǎo)過程可得：上面的推導(dǎo)過程得到如下結(jié)果，對于順流：當(dāng)時上面兩個公式合并，可得：第三十七頁，共五十四頁，2022年，8月28日換熱器效能公式中的依賴于換熱器的設(shè)計，則依賴于換熱器的運行條件，因此，在一定程度上表征了換熱器綜合技術(shù)經(jīng)濟性能，習(xí)慣上將這個比值（無量綱數(shù)）定義為傳熱單元數(shù)NTU，即因此，與順流類似，逆流時：第三十八頁，共五十四頁，2022年，8月28日當(dāng)冷熱流體之一發(fā)生相變時，相當(dāng)于，即，于是上面效能公式可簡化為當(dāng)兩種流體的熱容相等時，即

公式可以簡化為順流：逆流：第三十九頁，共五十四頁，2022年，8月28日（，及兩個進口溫度，求）(2)用效能-傳熱單元數(shù)法計算換熱器的步驟a設(shè)計計算顯然，利用已知條件可以計算出，而帶求的k，A則包含在NTU內(nèi)，因此，對于設(shè)計計算是已知，求NTU，求解過程與平均溫差法相似，不再重復(fù)b校核計算由于k事先不知，所以仍然需要假設(shè)一個出口溫度，具體如下：①假設(shè)一個出口溫度，利用熱平衡式計算另一個②利用四個進出口溫度計算定性溫度，確定物性，并結(jié)合換熱器結(jié)構(gòu)，計算總傳熱系數(shù)k③利用k,A計算NTU（，及進出口溫度中的三個，求）第四十頁，共五十四頁，2022年，8月28日④利用NTU計算⑤利用(9-17)計算，利用(9-14)計算另一個⑥比較兩個，是否滿足精度，否則重復(fù)以上步驟從上面步驟可以看出，假設(shè)的出口溫度對傳熱量的影響不是直接的，而是通過定性溫度，影響總傳熱系數(shù)，從而影響NTU，并最終影響值。而平均溫差法的假設(shè)溫度直接用于計算值，顯然-NTU法對假設(shè)溫度沒有平均溫差法敏感，這是該方法的優(yōu)勢。第四十一頁，共五十四頁，2022年，8月28日3換熱器設(shè)計時的綜合考慮換熱器設(shè)計是綜合性的課題，必須考慮出投資，運行費用，安全可靠等諸多因素。4換熱器的結(jié)垢及污垢熱阻污垢增加了熱阻，使傳熱系數(shù)減小，這種熱阻成為污垢熱阻，用Rf表示，式中：k為有污垢后的換熱面的傳熱系數(shù)，k0為潔凈換熱面的傳熱系數(shù)。第四十二頁，共五十四頁，2022年，8月28日對于兩側(cè)均已結(jié)構(gòu)的管殼式換熱器，以管子外表面為計算依據(jù)的傳熱系數(shù)可以表示成：如果管子外壁沒有肋化，則肋面總效率o=1。管殼式換熱器的部分污垢熱阻可以在表9-1種查得。第四十三頁，共五十四頁，2022年，8月28日§

9-4傳熱的強化和隔熱保溫技術(shù)強化傳熱的目的：縮小設(shè)備尺寸、提高熱效率、保證設(shè)備安全削弱傳熱的目的：減少熱量損失根據(jù)不同的需求，對于實際傳熱的傳熱過程，有時需要強化，有時則需要削弱。顯然，根據(jù)不同的傳熱方式，強化和削弱傳熱的手段應(yīng)該不同，本節(jié)主要針對對流換熱過程的強化和削弱1強化傳熱的原則和手段(1)強化換熱的原則：哪個環(huán)節(jié)的熱阻大，就對哪個環(huán)節(jié)采取強化措施。舉例：以圓管內(nèi)充分發(fā)展湍流換熱為例，其實驗關(guān)聯(lián)式為：第四十四頁，共五十四頁，2022年，8月28日(2)強化手段:a無源技術(shù)(被動技術(shù))；b有源技術(shù)(主動式技術(shù))a無源技術(shù)(被動技術(shù))：除了輸送傳熱介質(zhì)的功率消耗外，無需附加動力其主要手段有：①涂層表面；②粗糙表面(圖9-28)；③擴展表面(圖9-29)；④擾流元件(圖9-30a)；⑤渦流發(fā)生器(圖9-30b)

；⑥螺旋管(圖9-30c)

；⑦添加物；⑧射流沖擊換熱b有源技術(shù)(主動式技術(shù))：需要外加的動力其主要手段有：①對換熱介質(zhì)做機械攪拌；②使換熱表面振動；③使換熱瘤體振動；④將電磁場作用于流體以促使換熱表面附近流體的混合；⑤將異種或同種流體噴入換熱介質(zhì)或?qū)⒘黧w從換熱表面抽吸走。第四十五頁，共五十四頁，2022年，8月28日對換熱器而言，隨著強化措施的完善，污垢熱阻有時會成為傳熱過程的主要熱阻，因此，需要給換熱器的設(shè)計提供哈里的污垢熱阻的數(shù)據(jù)，這就需要實驗測定，可是實驗測出來的是總表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，那么如何將總的傳熱系數(shù)分成各個環(huán)節(jié)的熱阻呢？下面的威爾遜圖解法提供了一種有效途徑2確定傳熱過程分熱阻的威爾遜圖解法

利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以測定壁面和流體的溫度，從而獲得平均溫差，利用熱平衡方程式獲得熱流量，換熱面積可以根據(jù)設(shè)計情況獲得，這樣就可以通過傳熱方程式計算出總表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。這是威爾遜圖解法的基礎(chǔ)。我們已管殼式換熱器為例，說明如何應(yīng)用威爾遜圖解法獲得各個分熱阻?？偙砻?zhèn)鳠嵯禂?shù)可以表示成：第四十六頁，共五十四頁，2022年，8月28日工業(yè)換熱器中的管內(nèi)流體的流動一般都是處于旺盛湍流狀態(tài)，hi與流速u0.8成正比，因此，可以寫成的形式，帶入上式：第四十七頁，共五十四頁，2022年，8月28日如果能保持ho不變，Rw壁面的導(dǎo)熱熱阻不會變化，Rf在短時間內(nèi)不會有大的改變，因此，上式右邊的前三項可認(rèn)為是常數(shù)，用b表示，物性不變的情況下，可以認(rèn)為是常數(shù)，用m表示，于是上式可變?yōu)楦淖児軆?nèi)流速u，則可以測得一系列的總表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，然后繪制成圖，則是一條直線，如圖(9-31)所示第四十八頁，共五十四頁，2022年，8月28日從這個圖中可以獲得b，m，和ci，從而，管子內(nèi)側(cè)的對流換熱系數(shù)這樣就將內(nèi)部熱阻從總傳熱系數(shù)中分離出來，然后，當(dāng)換熱器運行一段時間后，再進行同樣過程的測量，可以獲得另外一條曲線，則兩條曲線截距之差就是污垢熱阻，這樣又把污垢熱阻分離出來了。威爾遜圖解法的前提是有一側(cè)的換熱熱阻基本保持不變，有時候這格條件很難被滿足，因此，后來人們提出了一種修正威爾遜圖解法。第四十九頁，共五十四頁，2022年，8月28日3隔熱保溫技術(shù)(1)需求背景(2)高于環(huán)境溫度的熱力設(shè)備的保溫多采用無機的絕熱材料(3)低于環(huán)境溫度時，有三個檔次的絕熱材料可供選擇，a一般