1、2019/3/16,1,第十章 传热和换热器,传热过程与传热系数,传热的增强与削弱,10-1,10-2,10-5,换热器计算,10-3,换热器简介,10-4,平均温度差,2019/3/16,2,10-1、传热过程与传热系数,热流体通过固体壁把热量传递给冷流体的综合过程，称为传热过程。 一、通过圆筒壁的传热在绪论中讨论了通过平壁的传热过程，即为第二章中介绍的，第三类边界条件下，通过平壁的导热过程。热流量：,热流密度：,2019/3/16,3,在第二章稳态导热中讨论了通过圆筒壁的导热过程,传热系数：,热流量：,热阻：,单位管长的热流密度：,单位管长的热阻：,2019/3/16,4,利用电模拟图，很
2、容易写出通过圆筒壁传热过程的热流量计算式。,热流量：,通过单位管长的热流量：,2019/3/16,5,2、传热系数：,通过 单位管长的热流量： 单位管长的传热系数：,热流量：,式中：A1=d1l ， A2=d2l,传热系数k：要根据基准面(或计算面积)的选择来决定。,2019/3/16,6,注意由于基准面(或计算面积)选择不同，传热系数k也不同。在使用公式或查阅手册时应特别加以注意。,(1)若以园管内表面积A1为基准：,(2)若以园管外表面积A2为基准：,工程应用上，在计算传热系数K时，一般以管外表面积A2为计算面积。,2019/3/16,7,10-2、传热的增强和削弱,传热的基本公式：k(
3、tf1tf2 ) A增强或削弱传热的三条基本途径：改变k (R)、A、t增强传热：(1) 增大传热系数k(或减小传热热阻R)。(2) 扩展传热面A。(3) 加大传热温差t。削弱传热：(1) 减小传热系数k (或增大传热热阻R)(2) 缩小传热面A。(3) 减小传热温差t。有许多具体措施，参看书上P.261265,2019/3/16,8,103、换热器简介,在工业生产中所遇到的换热器是很多的，例如：汽车、拖拉机的散热器 水箱，用于把气缸中的热散发出来；冲天炉的热风炉胆，把空气预热后再送进炉内；电厂锅炉中的受热面、省煤器、空气预热器、凝气器等都是换热器。 换热器是实现二种或二种以上温度不同的流体相
4、互换热的设备。在换热器中，热量由热流体传向冷流体。,2019/3/16,9,一、换热器的种类,在换热器中，以间壁式换热器使用最广泛、最普遍。间壁式换热器的种类很多，本节介绍间壁式换热器的各种类型。,2019/3/16,10,冷热两种流体不直接接触，互不相混进行换热。在间壁式换热器中，冷、热两种流体被金属壁隔开，分别在壁的两侧流过。例如：油冷却器 水冷却油；省煤器高温烟气加热给水；汽车水箱空气冷却气缸缸套中的热水。,二、间壁式换热器的工作原理,2019/3/16,11,三、间壁式换热器的型式和基本构造,2019/3/16,12,1、管壳式换热器：,壳体内有许多管子，管内流一种流体，管外壳体中流另
5、一种流体。按流体在换热器中的流动方式，可分为：顺流、逆流、交叉流、混合流几种。,2019/3/16,13,管壳式换热器,优点：（1）易加工：管道+壳体，结构可靠。（2）易清洗。（3）适应性强、用途广泛：用于高压、有真空度、有压差的情况。例如：锅炉中，管内是高压的水、水蒸气，管外是烟气（1个大气压）。凝气器中，管内是一个气压的冷却水，管外（壳内）是高真空度的蒸汽。 缺点：结构不够紧凑，体积较大。 管壳式换热器在工业上应用最广泛，历史最悠久。,2019/3/16,14,2、肋片管式换热器：,管外流气体，在管子外壁加装肋片，大大增加了气侧的换热面积，强化了传热。用于换热面两侧冷热流体表面传热系数相差
6、较大的情况。 优点：结构紧凑 缺点：肋片侧流动阻力大。,2019/3/16,15,3、板式换热器：,冷热两流体的流道彼此相间隔，冷热流体相间地流过奇、偶数流道。,2019/3/16,16,板式换热器,优点： 传热系数高：最佳可达7000 w/m2.K（水-水）； 阻力较小（相对于高传热系数）。 结构紧凑：2501000 m2/m3； 拆装、清洗方便等。目前广泛应用于供暖采暖、食品、医药、化工等部门。,2019/3/16,17,4、板翅式换热器：,在二块平隔板之间夹一块波纹形导热翅片，焊死，不能有缝隙。波纹板可做成多种形式，其目的是增加流体的扰动，诱导湍流，以增强传热。,2019/3/16,18
7、,板翅式换热器,优点： (1) 结构非常紧凑：可高达4300 m2/m3 (2) 承压能力强：可达100 bar（10 MPa） (3) 传热系数有明显改善：由于两侧都有翅片，用于气-气换热时，可达350 w/m2.K。 缺点： (1) 容易堵塞，清洗困难。 (2) 检修不易。可用于清洁和无腐蚀的流体间换热。,2019/3/16,19,5、螺旋板式换热器：,螺旋通道有一定厚度，冷热两种流体分别在两个螺旋通道中流动，象两盘蚊香重叠在一起。按流体在流道中流动情况的不同，可分为：顺流式、逆流式两种方式,2019/3/16,20,螺旋板式换热器,优点：(1) 结构比较紧凑（单位体积的传热面积约为管壳式
8、的20倍），流动阻力较小。(2) 有“自洁”作用：当流道壁面形成污垢以后，通道截面缩小，流速增加，起到冲刷作用。污垢的形成速度是管壳式的1/10。 缺点：(1) 不易拆洗：污垢形成速度慢，但一旦形成，清洗较困难。(2) 拆修困难。(3) 承压能力低：由于密封不好，故承压能力低。一般用于p 10bar（1MPa）情况。,2019/3/16,21,10-5、平均温度差,在工业生产中遇到的换热器是很多的。如汽车、拖拉机的散热器水箱；用于把气缸中的热散发出来；冲天炉的热风炉胆：把空气预热后再送进炉内；电厂锅炉中的受热面、省煤器、空气预热器、凝汽器等等，都是换热器。换热器是实现二种(或二种以上)温度不同
9、的流体相互换热的设备。在换热器中热量由热流体传向冷流体。目前，应用最广的是间壁式换热器，冷、热二种流体被金属壁隔开，在二侧流过，不直接接触，互不相混进行换热。,2019/3/16,22,k ( tf1- tf2 ) Ak A t这里，假设二侧流体温度始终保持不变，ttf1- tf2const实际上，在换热器中，一定流量的热流体沿程放出热量，温度不断下降；冷流体沿程吸收热量，温度不断上升。而且，冷、热流体间的温差是不断变化的，即：t const。因此，利用传热方程式来计算整个传热面上的热流量时，如何选用传热温差t？必须使用整个传热面上的平均温差 tm,传热过程计算的基本公式,2019/3/16,
10、23,传热方程式的一般形式为：k A tm平均温差如何计算？与流动方式有关。 一、流动方式：(1) 顺流：二种流体流动方向相同且平行。(2) 逆流：二种流体流动方向相反且平行。(3) 叉流(横流)：二种流体流动方向交叉(垂直)(4) 混合流：,2019/3/16,24,假设温度t的角码表示为：“ ” 进口温度，“ ” ” 出口温度。角标表示为：“1”一热流体，“2”一冷流体。,式中：t进口温差，t”出口温差,二、平均温差的计算方法：,l、算术平均温差：,2019/3/16,25,顺 流 逆 流 进口温差：tt1- t2 进口温差：tt1- t2” 出口温差：t”= t1”- t2” 出口温差：
11、t”= t1”-t2,t1,t1”,t2,t2”,t1,t1”,t2”,t2,顺流,逆流,2019/3/16,26,注意顺流时：tmaxt， tmint”，且：t2”t1”，逆流时：tmaxt， tmint”，且：冷流体出口温度可以大于热流体出口温度。选用算术平均温差作为平均传热温差，具有一定的误差，显然是一种近似的方法。当冷、热流体间的温差沿换热面变化不大时，才可近似地采用算术平均温差作为传热温差。工程上取： 时，可用算术平均温差，此时，误差 4，满足工程计算要求。,2019/3/16,27,在对数平均温差的推导过程中，是取微元面上的换热量，然后积分得整个换热面上的换热量。即：考虑了温差沿换
12、热面而变化的因素，因此比较符合实际情况。(推导见P.269271) 几点说明 (1) 此式对顺流、逆流都适用。 (2) 对叉流、混合流，按逆流计算，再加以修正。,2、对数平均温差：, P.271式(10-11),t 温度修正系数，可在有关手册中查到。,2019/3/16,28,(3) 顺流温差变化显著，且冷流体出口温度低于热流体出口温度。逆流温差变化平缓，且冷流体出口温度不受热流体出口温度限制。所以，在相同的进、出口温度下:tm.逆tm.顺，叉流、混合流的平均温差介于顺、逆二者之间。 工程上的换热器一般都尽可能采用逆流布置。,2019/3/16,29,10 - 6、换热器计算,1、换热器计算的
13、二种类型：(1) 设计计算：根据生产任务给出的换热条件和要求，设计一个满足要求的换热器。即：确定所需要的换热器类型，求出换热面积及换热器的结构参数等。(2) 校核计算：根据已有的换热器校核它是否能满足预定的换热要求。,2019/3/16,30,2、换热器热计算的二种方法：(1) 平均温差法 (2) -NTU法(效能一传热单元数法) 3、换热器热计算(平均温差法)的基本公式：(1) =cMt ，| 吸|=| 放| 即：c1m1(t1-t1”)= c2m2(t2”-t2)(2) =k A tm (3),2019/3/16,31,以利用平均温差法进行设计计算为例 (1) 根据给定一侧流体的流量M1，
14、进出口温度t1、t1”、比热cpl以及另一侧流体的流量M2，进口温度t2、比热cp2，利用热平衡方程式：Mlcl(t1- t1”)M2c2(t2”- t2) ，求得另一侧流体的出口温度t2”和换热量|。 (2) 根据选定的流动型式和冷、热流体的进、出口温度，计算传热平均温差tm。 (3) 初步布置换热面，计算在此情况下的传热系数。 (4) 根据传热计算公式： kAtm，确定换热面A。 (5) 校核两侧流动阻力。流体力学问题如果换热器结构不合理或阻力过大，则应改变换热面布置方案，重复步骤(3)、(4)、(5)。,4、换热器热计算的基本步骤,2019/3/16,32,例题,逆流式换热器，烟气在管内
15、流，水在管外流。已知：烟气进口温度 t1250，出口温度t1”140，Cp11.1 kJ / (kg.K)水的进口温度 t235， 出口温度t2”85，Cp24.18 kJ / (kg.K)，水的流量M22.5 kg /换热器传热系数k70 w/m2.K。试求： （1）烟气流量M1；（2）对数平均温差 tm；（3）换热面积A。,2019/3/16,33,解（1）：求M1 1 2 cp1M1 (t1- t1”)cp2M2 (t2”- t2)1.1M1(250-140)=4.182.5(85-35)M1 4.32 kg /s,t1=250,t1”=140,t2”=85,t2=35,逆流,2019/
16、3/16,34,解（2）：求t mt = t1- t2” = (250-85) = 165 t ”= t1”- t2 = (140-35) = 105t m(t + t ”) / 2(165+105)/2 = 135t m(t - t ”) / ln(t /t ”)132.7,t1=250,t1”=140,t2”=85,t2=35,逆流,2019/3/16,35,kAtmcp2M2 (t2- t2”)4.18 2.5 (85-35)=522.5 kJ A / k t m=522.5103 / (70135)55.2 m2A / k t m=522.5103 / (70132.7)56.2 m2
17、,解（3）：求A,2019/3/16,36,第十章 小结,本章连同第二章的有关内容，阐明了典型壁面传热系数传热过程的计算；叙述了换热器的结构、工作原理及其基本计算方法。主要内容有： 传热过程与传热系数； 增强传热与削弱传热的基本途经； 换热器的结构与工作原理； 换热器的传热计算，重点是：用平均温差法对换热器进行设计计算。,2019/3/16,37,（1）理解传热过程及传热系数。 （3）能应用热阻概念综合分析热量传递过程。 （4）能用对数平均温差法对间壁式换热器进行设计计算。,学习本章的基本要求,2019/3/16,38,作业（P.285286）,习题13 (1)(2)（计算平均温差） 习题15 (1)（用平均温差法进行设计计算）,2019/3/16,39,第十章 完,
