第十章 傳熱過程與換熱器

第十章傳熱過程與換熱器

第一節(jié)傳熱過程的分析和計算

２．通過單層平壁的傳熱１．定義：熱流體通過固體壁面把熱量傳給冷流體的過程。熱流體與固體壁左側(cè)有：固體壁面間換熱：

固體壁面與冷流體間換熱：

穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱有：

熱阻圖傳熱方程式單層平壁傳熱熱阻

單位面積熱熱阻

影響Ｋ的因素：流體的物性，流動狀態(tài)，固體壁的形狀、物性。

3．通過圓壁的傳熱hiho

由于對圓壁來說，面積是隨著半徑的變化而變化的，所以此時的傳熱系數(shù)有個選擇基準(zhǔn)面的問題。

a.外側(cè)面積做為基準(zhǔn)面

ｂ．以內(nèi)側(cè)面積作為基準(zhǔn)面的傳熱系數(shù)

以外表面為基準(zhǔn)面的傳熱阻：

在一般工程計算中，選外側(cè)面為基準(zhǔn)的多。

4．臨界熱絕緣直經(jīng)

對于平板，加保溫后，一定能夠降低散熱量（消弱傳熱）對于圓管（球），加保溫層也一定能降低散熱量嗎？以管道為例

為了計算方便，忽略內(nèi)側(cè)的對流熱阻和管壁的導(dǎo)熱熱阻，實際上也是可行的。此時的總熱阻為：管道的散熱量為綜合效果是增加還是減少，不得而知？

從圖可以看出，導(dǎo)熱量隨直徑ｄ２有個最大值。電線：加絕緣層，不僅能絕緣，且能提高散熱量，這是我們希望的，因電流流過電線后發(fā)熱，若熱量不及時排出，電阻變大，阻礙電流但一般動力管道外徑均大于此值。

對于一般的動力管道，加保溫層一般均能起到保溫作用。5.強化傳熱的原則（以平板為例）：

可以提高二側(cè)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)或一側(cè)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，但有個前提條件，經(jīng)濟性問題

從這例子可以看出，強化傳熱，必須從分熱阻下手，抓住分熱阻最大的一項著手，設(shè)法降低此項熱阻。（設(shè)法提高表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)小的一項）一般情況下，氣體的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)遠遠小于液體的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，也就是要強化氣側(cè)的換熱。何時一側(cè)加肋片？何時二側(cè)同時加

用冷卻水冷卻變壓器油的冷油器，實驗測得其總傳熱系數(shù)k如附圖所示。試問：（1）該換熱器的熱阻主要在哪一側(cè)？（2）如兩種流體的流速差不多，你認(rèn)為介質(zhì)甲是水還是油，為什么？

為強化一臺冷油器的傳熱，有人用提高冷卻水流速的辦法，但發(fā)現(xiàn)效果并不顯著，請分析其原因何在？

北方的冬季用熱水散熱器采暖（管內(nèi)熱水加熱空氣），到了深冬只增加熱水流速，能不能顯著增加散熱量？第二節(jié)換熱器的分類及平均溫壓（差）

一、換熱器的分類換熱器：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。按照工作原理分類分為間壁式、混合式及蓄熱式（或稱回?zé)崾剑┤箢悺?/p>

間壁式挨熱器種類很多，從構(gòu)造上主要可分為：管殼式、肋片管式、板式、板翅式、螺旋板式等，其中以前兩種用得最為廣泛。另外，按流體流動方向可有順流、逆流、交叉流之分。間壁式換熱器：是指冷熱流體被壁面隔開進行換熱的熱交換器。如暖風(fēng)機、燃氣加熱器、冷凝器、蒸發(fā)器；混合式換熱器：冷熱流體直接接觸，彼此混合進行換熱，在熱交換同時存在質(zhì)交換，如空調(diào)工程中噴淋冷卻塔、蒸汽噴射泵、電廠冷水塔等；回?zé)崾綋Q熱器：換熱器由蓄熱材料構(gòu)成，并分成兩半，冷熱流體輪換通過它的一半通道，從而交替式地吸收和放出熱量，即熱流體流過換熱器時，蓄熱材料吸收并儲蓄熱量，溫度升高，經(jīng)過一段時間后切換為冷流體，蓄熱材料放出熱量加熱冷流體。一般用于氣體，如鍋爐中間轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器，全熱回收式空氣調(diào)節(jié)器等。二、間壁式換熱器的主要形式

1、套管式（1）按結(jié)構(gòu)來分適用于傳熱量不大或流體流量不大的情形。

2、管殼式管程、殼程、折流擋板進一步增加管程和殼程3、交叉流換熱器（分管束式、管翅式及板翅式）4、板式換熱器

板式換熱器拆卸清洗方便，故適合于含有易污染物的流體的換熱。5、螺旋板式換熱器

換熱器換熱效果較好，缺點是換熱器的密封比較困難。6、熱管換熱器1、順流式換熱器2、逆流式換熱器3、交叉式換熱器4、混合式換熱器（2）按流動方向分三、平均傳熱溫差

對任何形式的換熱器，傳熱方程式中的平均傳熱溫差Δt均是冷熱流體的平均溫差。但是，流動形式不同，冷熱流體溫差沿換熱面的變化規(guī)律也不同。傳熱溫差也不同。傳熱方程式：順流和逆流的區(qū)別：

逆流式：

逆流也有缺點，即熱流體和冷流體的最高溫度集中在換熱器的同一端在相同的進出口溫度條件下順流時：或以順流情況為例，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。逆流時：

順流時：

其它流動形式的對數(shù)平均溫差

對于其它流動形式的換熱器，均是在逆流換熱器的基礎(chǔ)上再乘一修正系數(shù)，即：1－2、1－4等多流程管殼式換熱器的修正系數(shù)

第三節(jié) 換熱器的熱計算

分為設(shè)計計算和校核計算。換熱器熱計算的基本公式為傳熱方程式:熱平衡方程式：1、換熱器計算的平均溫差法平均溫差法用作設(shè)計計算時步驟：初步布置換熱面，計算出相應(yīng)的傳熱系數(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Δtm。由冷、熱流體的4個進、出口溫度確定平均溫差，計算時要注意保持修正系數(shù)Ψ具有合適的數(shù)值。由傳熱方程求出所需要的換熱面積A，并核算換熱面兩側(cè)有流體的流動阻力。如流動阻力過大，改變方案重新設(shè)計。

（1）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（2）根據(jù)4個進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)工作條件下的總傳熱系數(shù)k（4）已知k、A和Φ，按傳熱方程式計算在假設(shè)出口溫度下的Δtm（5）根據(jù)4個進出口溫度，用熱平衡式計算另一個Φ，這個值和上面的Φ，都是在假設(shè)出口溫度下得到的，因此，不是真實的換熱量（6）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)~(5)，直至滿足精度要求。對于校核計算具體計算步驟：

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，

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。2、換熱器設(shè)計時的綜合考慮3、換熱器的結(jié)垢及污垢熱阻式中：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)。

對于兩側(cè)均已結(jié)垢的管殼式換熱器，以管子外表面為計算依據(jù)的傳熱系數(shù)可以表示成：

管殼式換熱器的部分污垢熱阻可以在有關(guān)表中查得。（2）污垢熱阻的計算

溫度為t0的原油以質(zhì)量流量qm（kg/s）流入一內(nèi)徑為D的架空管道。已知管外空氣的溫度為tf，管內(nèi)原油與空氣間的傳熱系數(shù)（基于管內(nèi)壁面積）為k（W/（m2

K)）。假定t0、tf、qm、k及原油的比熱c（J/(kg·K)）等物性參數(shù)均為常數(shù)。試分析原油溫度t沿流動方向x的變化規(guī)律。

在井口處采用套管式換熱器利用熱水加熱產(chǎn)出的高含蠟原油。熱水進、出口溫度分別為90℃、45℃，熱水流量是0.7kg/s，比熱為4.18kJ/(kg

℃)；產(chǎn)出原油的溫度為35℃，加熱后原油溫度為60℃，原油比熱為2.56kJ/(kg

℃)，忽略換熱器的熱損失。問：（1）該換熱器是順流還是逆流？（2）該井的原油產(chǎn)量是多少？（3）水和油之間的換熱量是多少？（4）該換熱器的對數(shù)平均溫差是多少？

一個儲存水果的房間的墻是由紅磚、軟木板兩層材料構(gòu)成，厚度分別為70mm、50mm，紅磚的導(dǎo)熱系數(shù)為0.4W/(m

K)，軟木板的導(dǎo)熱系數(shù)為0.044W/(m

K)，其中一面墻的高與寬為3m及6m。冬天，室內(nèi)溫度為2℃，室外為-10℃，室內(nèi)墻壁與環(huán)境之間的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為6W/(m2

K)，室外刮大風(fēng)時表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為60W/(m2

K)。計算通過這面墻散失的熱量以及墻的傳熱系數(shù)。

熱水在兩根相同的管道內(nèi)以相同的流速流動，管外分別采用空氣冷卻和水冷卻。經(jīng)過一段時間后，兩管內(nèi)產(chǎn)生相同厚度的水垢。問水垢的產(chǎn)生對哪一根管道的傳熱系數(shù)影響大？為什么？

用對數(shù)平均溫度法來核核換熱器，因需要迭代，所以計算量很大，而且對計算結(jié)果的準(zhǔn)確性也有一定的誤差，在這種情況下，采用效能（有效度）---傳熱單元數(shù)數(shù)，即ε－NTu法。a.熱容量：

4效能（有效度）---傳熱單元數(shù)數(shù)，即ε－NTu法幾個參數(shù)b.熱容比Ｃ

c.效能（有效度）ε

若d.傳熱單元數(shù)NTU物意：反映換熱器綜合技術(shù)經(jīng)濟性能的指標(biāo)。A－投資成本；Ｋ－運行成本

以順流為例：

若：

逆流：

特例(1)

（２）

順流：

逆流：

用于設(shè)計計算時，用對數(shù)平均溫差和ε－NTu法，工作量差不多。用于核計算時，用ε－NTu法較方便，工作量少些。

二種方法的優(yōu)缺點例題：有一套管式換熱器，熱液體的進出口溫度為200℃和150℃冷液體的進出口溫度為100℃和170℃，試求△tm和NTU。解：（１）從而此套管式換熱器為逆流式套管換熱器

（2）根據(jù)：

可得：

或者第四節(jié) 傳熱的強化和隔熱保溫技術(shù)

保證設(shè)備安全。強化傳熱的目的縮小設(shè)備尺寸；提高熱效率；有源技術(shù)和無源技術(shù)1．強化傳熱的原則及方法若二側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)相差不大時，兩側(cè)同時強化。

a．提高流速（紊流）；

b．設(shè)法使液體產(chǎn)生擾動或渦流；

c．采用機械振動。原則：針對分熱阻最大的一側(cè)。方法：若兩側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)相差較大，則應(yīng)強化小的一側(cè)一、增強傳熱的方法

溫差是增加傳熱的驅(qū)動力，可使熱流量增加。采用逆流方式布置換熱面。（1）加大傳熱溫差Δt考慮問題全面：流動阻力、合理的流動速度、經(jīng)濟性（2）減小傳熱面總熱阻Rt從減小導(dǎo)熱熱阻、