熱工基礎(chǔ)13第十二章

第十二章傳熱過(guò)程與換熱器1本章討論通過(guò)平壁、圓管壁和肋壁等幾種工業(yè)上和日常生活中常見(jiàn)的傳熱過(guò)程及強(qiáng)化或者削弱傳熱過(guò)程的方法,介紹一些工業(yè)上常見(jiàn)的換熱器的基本結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)，并重點(diǎn)討論換熱器的傳熱計(jì)算方法。12-1

傳熱過(guò)程Ftw2tw1d0xtFh1tf1h2tf2FFtw1Rlh1Rh

2Rtw2tf1tf2h1h

2l1.

通過(guò)平壁的傳熱過(guò)程tf1

-

tf

2F

=

R+

R

+

RF

=

Ak

(tf1

-

tf

2=

AkDth1

l

h22k

=11

+

d

+

1傳熱系數(shù)通過(guò)多層平壁的傳熱過(guò)程ntf1

-

tf

2F

=Rh1+

Rli

+

Rh

2i=1f1 f

2=

Ak

(t-t

=

AkDt131n

i

h1h2d

1i=1

lik

=++2.

通過(guò)圓管壁的傳熱過(guò)程1

1 f

1w11h1RF

=

pd

lh

(t

-

t)=

tf1

-

tw1

=

tf1

-

tw11ln

d22pll

d1tw1

-

tw2F

=Rlpd1lh1=

tw1

-

tw

24w

2f

21h2RF

=

pd2lh2

(t

-

t)=

tw2

-

tf

2=

tw2

-

tf

2pd2lh2在穩(wěn)態(tài)情況下，上面三式中的F

是相同的，于是可得12h1

1

d2

1ltf1

-

tf

2

tf1

-

tf

2F

==Rh

+

R

+

R+

ln

+pd1lh1

2pll

d1

pd2lh2上式可以寫成F

=

pd2lko

(tf1

-tf2=

pd2lko

Dto51

11

211d2

1

d2ln

d2k

=d

h

+

2ld

+

h以圓管外壁面積為基準(zhǔn)計(jì)算的傳熱系數(shù)通過(guò)n層圓管的穩(wěn)態(tài)傳熱過(guò)程ntf1

-tf

2F

=1611nln

dpd1lh1i=1

2plil

dipdn+1lh21

li

h2Rh

+

R

+

Ri=1tf1

-tf

2=

i+1

++4.

通過(guò)肋壁的傳熱過(guò)程對(duì)于兩側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)相差較大的傳熱過(guò)程，在表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)較小的一側(cè)壁面上加肋（擴(kuò)大換熱面積）是強(qiáng)化傳熱的有效措施。假設(shè)：1

2h

>

>

h7w11A1h1F

=

A1h1

(tf1

-

t)=

tf1

-

tw1dF

=

tw1

-

tw2A1lF

=

A2￠h2

(tw￠2

-

tf2+

A2￠h2

(tw￠2

-

tf28根據(jù)肋片效率的定義()2

2 w

2f

2f2

2

w2f

2

w2 f

2A

h￠￠t

-

th

==

tw￠￠2

-

tf

2A

￠h

(t￠

-

tt￠

-

tf2f2h2

(tw2￠

-t=

A2hh2

(tw2￠

-t1A2hh2=

tw￠2

-

tf2F

=

(A2￠+

A2￠hfh

=

(A2￠+

A2￠hf9A2

稱為肋面總效率。。一般情況下A2￠>>

A2￠

，A2

?

A2￠

，h

?hf聯(lián)立以上各式，可得1A1h1

A1l

A2hh2tf1

-

tf

2F

=1

+

d+1

1

f

1f

21

1=

Ak

(t-t

=

AkDtk1稱為以光壁表面積為基準(zhǔn)的傳熱系數(shù)，表達(dá)式為111

d

1k

=h

+

l

+

bhh1

2b

=

A210稱A1為肋化系數(shù)。加肋后，肋側(cè)的對(duì)流換熱熱阻是2

2h2A

hhR￠

=，

11

2h2而加肋前為RA

h=

，1Rh

/

Rh￠

=

bh2

2合理選擇肋化系數(shù)b。工程上，通常采用以肋側(cè)表面積A2為基準(zhǔn)的傳熱系數(shù)k2來(lái)計(jì)算F

=

A2

k2

Dt1111dk2

=

1h

b

+

l

b

+

hh1

25.

復(fù)合換熱復(fù)合換熱通常指對(duì)流換熱與輻射換熱同時(shí)存在的換熱過(guò)程。工程上一般將輻射換熱量折合成對(duì)流換熱量進(jìn)行計(jì)算，為此引進(jìn)輻射換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)r12w

fFrh

=A(t

-

t

)F

=Fc

+Fr

=

(hc

+

hrh

=

hc

+

hrA(tw

-

tf

=

hA(tw

-

tf12-2

換熱器13換熱器：用來(lái)實(shí)現(xiàn)熱量從熱流體傳遞到冷流體的裝置。1.

換熱器的分類按照換熱器的工作原理，可分為混合式：換熱器內(nèi)冷、熱流體直接接觸、互相混合來(lái)實(shí)現(xiàn)熱量交換。蓄熱式：冷、熱兩種流體依次交替地流過(guò)換熱器的同一換熱面（蓄熱體）實(shí)現(xiàn)非穩(wěn)態(tài)的熱量交換。間壁式：換熱器內(nèi)冷、熱流體由壁面隔開(kāi)，熱量由熱流體到冷流體傳遞過(guò)程是由熱流體與壁面間的對(duì)流換熱、壁的導(dǎo)熱、壁面與冷流體間的對(duì)流換熱三個(gè)環(huán)節(jié)組成的傳熱過(guò)程。按照結(jié)構(gòu)間壁式換熱器可分為（1）

管殼式換熱器由管子和外殼構(gòu)成的換熱裝置套管式換熱器示意圖14（2）

肋片管式換熱器由帶肋片的管束構(gòu)成的換熱裝置，適用于管內(nèi)液體和管外氣體之間的換熱，且兩側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)相差較大的場(chǎng)合。15（3）

板式換熱器由若干片壓制成型的波紋狀金屬板疊加而成，傳熱系數(shù)高、阻力相對(duì)較小、結(jié)構(gòu)緊湊。16（4）

板翅式換熱器由金屬板和波紋板形翅片層疊、交錯(cuò)焊接而成，結(jié)構(gòu)緊湊。（5）螺旋板式換熱器由兩塊平行金屬板卷制而成，工藝簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉，流通阻力小。17間壁式換熱器中冷、熱流體的相對(duì)流動(dòng)方向在冷、熱流體進(jìn)口溫度相同、流量相同、換熱面面積相同的情況下，流動(dòng)型式影響冷、熱流體的出口溫度、換熱溫差、換熱量以及換熱器內(nèi)的溫度分布。182.

換熱器的傳熱計(jì)算換熱器的傳熱計(jì)算分為兩種類型：設(shè)計(jì)計(jì)算：根據(jù)換熱條件和要求，設(shè)計(jì)一臺(tái)新?lián)Q熱器，為此需要確定換熱器的類型、結(jié)構(gòu)及換熱面積。校核計(jì)算：核算已有換熱器能否滿足換熱要求，一般需要計(jì)算流體的出口溫度、換熱量及流動(dòng)阻力等。換熱器計(jì)算的兩種方法：平均溫差法和效能-傳熱單元數(shù)法。平均溫差法：（1）換熱器的傳熱平均溫差：19傳熱過(guò)程的計(jì)算公式：換熱器的傳熱過(guò)程：F

=

kADtF

=

kADtm2mln對(duì)數(shù)平均溫差：Dt=

Dtmax

-

DtminDtmaxDtminDtmaxDtm

?Dtmin

￡

2

時(shí)：Dtmax

+

Dtmin20對(duì)于其它流動(dòng)型式，平均傳熱溫差可以采用下式計(jì)算：cfDtm

=y

(Dtm(Dtmcf為冷、熱流體進(jìn)、出口溫度相同情況下逆流時(shí)的對(duì)數(shù)平均溫差；y

為小于1的修正系數(shù)，其數(shù)值可查閱換熱器設(shè)計(jì)手冊(cè)的線算圖。如：P

=

t2￠-

t2￠t1￠-

t2￠R=

t

'1

-

t1￠t2￠-

t2￠1殼程，2、4、6、8

…管程的y

值21（2）換熱器傳熱計(jì)算的平均溫差法：換熱器傳熱計(jì)算的基本公式：F

=

kADtmF

=

qm1cp1

(t1￠-

t1￠F

=

qm

2cp

2

(t2￠-

t2￠3個(gè)方程有8個(gè)獨(dú)立變量，只要知道其中5個(gè)變量，可求其它3個(gè)。1）設(shè)計(jì)計(jì)算：根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)的要求，給定冷、熱流體的質(zhì)量流量qm1、q和m42個(gè)進(jìn)出口溫度中的3個(gè)，需確定換熱器的型式、結(jié)構(gòu)，計(jì)算傳熱系數(shù)k及換熱面積A。22設(shè)計(jì)計(jì)算步驟：根據(jù)給定的換熱條件，如流體性質(zhì)、溫度和壓力范圍等，選擇換熱器類型，布置換熱面，計(jì)算換熱面兩側(cè)對(duì)流換熱的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h1、及h2傳熱系數(shù)k；根據(jù)給定條件，由式F

=

qm1cp1

(t1￠-

t1￠F

=

qm

2cp

2

(t2￠-

t2￠求出未知的進(jìn)、出口溫度，并求出換熱量F

；由4個(gè)進(jìn)、出口溫度及流動(dòng)型式求平均溫差

；23mDt求出所需的換熱面積A

;m(d)

由式F=

kADt(e)計(jì)算換熱器的流動(dòng)阻力，如果阻力過(guò)大，會(huì)加大設(shè)備的投資和運(yùn)行費(fèi)用，須改變方案，重新設(shè)計(jì)。2）校核計(jì)算：已知已有換熱器的換熱面積A、兩側(cè)流體的質(zhì)量流量的出口溫度qm1、,q進(jìn)m口2溫度

等t1￠5,個(gè)t2￠參數(shù)，需計(jì)算熱、冷流體和換t1熱￠,t量2￠F

。計(jì)算步驟：mF

=

kADt(m1

p1

1

1￠

￠=

q

ct

-

tF

=

qm

2cp

2

(t2￠-

t2￠(a)

先假設(shè)一個(gè)流體的出口溫度F24一個(gè)流體的出口溫度；用熱平衡方程式求出換熱量F

￠和另(b)

根據(jù)流體的4個(gè)進(jìn)、出口溫度求平均溫差Dt；m(c)

計(jì)算換熱面兩側(cè)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)得傳熱系數(shù)k；h1

,h，2

進(jìn)而求(d)由式F

=

kA求D出tm換熱量

;

F

￠(e)比較F

與￠

F

￠，如果相差較大,再重新假設(shè)流體出口溫度，重復(fù)上述計(jì)算，直到滿意為止。12-3

傳熱的強(qiáng)化與削弱25傳熱工程技術(shù)是根據(jù)現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)實(shí)踐的需要而發(fā)展起來(lái)的科學(xué)與工程技術(shù)，其主要任務(wù)是按照工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)實(shí)踐的要求來(lái)控制和優(yōu)化熱量傳遞過(guò)程。傳熱工程技術(shù)的兩個(gè)方向：強(qiáng)化傳熱技術(shù)與削弱傳熱技術(shù)（又稱隔熱保溫技術(shù)）。1.

強(qiáng)化傳熱的主要目的26增大傳熱量；減少傳熱面積、縮小設(shè)備尺寸、降低材料消耗；降低高溫部件的溫度，保證設(shè)備安全運(yùn)行；降低載熱流體的輸送功率。2.

削弱傳熱的主要目的減少熱損失，節(jié)約能源；維護(hù)人工低溫環(huán)境，減少外界熱量的傳入；保護(hù)人身安全，免遭熱或冷的傷害，創(chuàng)造溫度適宜的工作和生活環(huán)境。無(wú)論是強(qiáng)化傳熱還是削弱傳熱，一般都是從改變傳熱溫差和改變傳熱熱阻兩方面入手。以換熱器內(nèi)的傳熱過(guò)程為例：m271k

h1h

2lF

=

kADt=

Dtm

=

Dtm

Dtm=R

R

+

R

+

RkA傳熱強(qiáng)化有兩條途徑：（1）加大傳熱溫差Dtm；（2）減小傳熱熱阻Rk。在冷、熱流體進(jìn)、出口溫度相同的情況下，逆流的平均溫差最大，順流的平均溫差最小，因此從強(qiáng)化傳熱的角度出發(fā)，換熱器應(yīng)當(dāng)盡量布置成逆流。28（1）加大傳熱溫差Dtm（2）減小傳熱熱阻Rk多布置換熱面，增加總傳熱面積A，可降低總傳熱熱阻，加大傳熱量。降低污垢熱阻。減小對(duì)流換熱熱阻Rh1、Rh2。如果兩個(gè)熱阻