1、第八章 传热过程与换热器,第一节 传热过程,高温流体通过固体壁把热量传给另一侧低温流体的热量传递过程称为总传热过程，简称传热过程。,在工程技术中存在大量的传热过程，,柴油机气缸内的高温燃气通过气缸套壁把热量传给外侧的冷却介质（如冷却水）;,增压柴油机增压后的空气在中间冷却器中被器壁另一侧的介质所冷却；,制冷系统冷凝器中的制冷剂的热量通过管壁传给冷却水等。,例如：,第八章 传热过程与换热器,第一节 传热过程,热量通过固体壁纯属导热，,基本公式（传热方程式）,K - 总传热系数，简称传热系数，W/(m2K) ；,总传热系数是表征传热过程强弱的非物性参数，也是衡量换热器性能优劣的重要指标。,而流体与
2、固体壁面之间则是对流传热（对于液体），,或者是对流与辐射的复合表面传热（对于气体），,因此，传热过程通常包括两种或三种热传递的基本方式。,第八章 传热过程与换热器,第一节 传热过程,包括串联着的3个环节,包括2种或3种热传递基本方式,一维稳态总传热过程通常包括串联着的三个环节：,（1）热流体把热量传给壁面高温侧:,（2）壁面高温侧把热量传给壁面低温侧:,（3）壁面低温侧把热量传给冷流体:,对流传热或表面传热,纯导热,对流传热或表面传热,第八章 传热过程与换热器,第一节 传热过程,K / W,m2K / W,因此，总传热过程的总热阻即为三个串联环节分热阻之和：,若流体与壁面之间既要考虑对流传热，
3、又要计及辐射传热，h1、 h2为表面传热系数，等于对流传热系数hc与辐射传热系数hr之和，即,若流体与壁面之间以对流传热为主，则h1、h2为对流传热系数；,h=hc+hr,第八章 传热过程与换热器,如图8-1所示为通过单层大 平壁的一维稳态传热过程，它 包括串联着的三个环节。,第一节 传热过程,一、通过平壁的传热,图8-1 通过单层大平壁的传热,1、热阻RK或rK：,第八章 传热过程与换热器,2、热流量或热流密度q：,第一节 传热过程,一、通过平壁的传热,第八章 传热过程与换热器,第一节 传热过程,一、通过平壁的传热,3、传热系数K：,第八章 传热过程与换热器,第一节 传热过程,一、通过平壁的
4、传热,4、壁面温度tw1或tw2：,一维稳态传热时，在热流方向上任一段的温差大小与相应热阻成正比，比值即为热流量或热流密度，显然有：,则壁面温度tw1和tw2可按下式计算：,第八章 传热过程与换热器,同样的，多层平壁传热的热流量和传热系数为,第一节 传热过程,一、通过平壁的传热,第八章 传热过程与换热器,二、通过圆筒壁的传热,如图8-2所示为通过单层长圆筒壁的一维径向稳态传热过程。,第一节 传热过程,图8-2 通过圆筒壁的传热,1、热阻Rk：,Alm为对数平均面积，详见后述。,第八章 传热过程与换热器,2、热流量：,二、通过圆筒壁的传热,第一节 传热过程,第八章 传热过程与换热器,上式中， 为
5、圆筒壁厚；,二、通过圆筒壁的传热,第一节 传热过程,2、热流量：,注意，圆筒壁侧面积A=2rl是个变量，故稳态条件下，热流量是个常量，而热流密度q=/A却是变量，因此，工程计算中一般采用热流量。,称为对数平均面积。,第八章 传热过程与换热器,以内表面面积A1为基准的传热系数为,二、通过圆筒壁的传热,第一节 传热过程,3、传热系数K：,由于圆筒壁内外侧的表面积不相等，所以对内侧和对外侧而言的传热系数在数值上是不同的：,第八章 传热过程与换热器,工程应用上，通常以管外侧面积A2为基准，相应传热系数为：,二、通过圆筒壁的传热,第一节 传热过程,3、传热系数K：,第八章 传热过程与换热器,显然，在上述
6、圆筒壁计算公式中，若取A1= A2= Alm =A，则完全适用于平壁的传热。,对于一般的薄壁圆筒，即r2/r1=A2/A1较小时，为便于计算，可用算数平均面积（A1+A2)/2代替对数平均面积Alm。,当r2/r12时，计算误差小于4%。,二、通过圆筒壁的传热,第一节 传热过程,第八章 传热过程与换热器,4、壁面温度tw1或tw2：,二、通过圆筒壁的传热,第一节 传热过程,与平壁传热相仿，显然有：,则壁面温度tw1和tw2可按下式计算：,第八章 传热过程与换热器,例8-1 机舱内有一蒸汽管道，外径为80mm，壁厚3mm，管道外侧包有厚50mm的石棉绳保温层。蒸汽温度tf1=150,舱内环境温度
7、tf2=20。若管内蒸汽的表面传热系数h1=120W/(m2K)，管外保温层与环境间的表面传热系数h2=12W/(m2K)，钢管热导率1=53.6 W/(mK)，保温材料热导率2=0.15W/(mK)，试求以管外侧面积为基准的传热系数以及每米长的热损失。,第一节 传热过程,解：由题意，tf1=150, tf2=20，d1=0.08-0.0032=0.074md2=0.08+0.052=0.18m，h1=120W/(m2K)，h2=12W/(m2K)1=53.6W/(mK)，2=0.15W/(mK),第八章 传热过程与换热器,第一节 传热过程,以管外侧面积为基准的传热系数为：,第八章 传热过程与
8、换热器,每米管长的热损失为：,第一节 传热过程,第八章 传热过程与换热器,三、通过肋壁的传热,为简单起见，下面以一侧为肋壁的平壁为例进行分析,第一节 传热过程,第三章第二节已经指出，所谓肋壁就是在基础壁面上敷设了肋片。,增大传热面积,减小传热热阻,增强传热或降低壁温等目的,实现,第八章 传热过程与换热器,三、通过肋壁的传热,如图8-3所示为大平壁右侧加装肋片后的一部分，无肋一侧表面积为A1，肋侧总面积A2为肋片之间的基础面积A0与肋片面积Af之和，即A2=A0+Af,第一节 传热过程,图8-3 通过肋壁的传热,相应，肋侧壁面和流体之间的传热量也可分为两部分，即肋基面积A0的传热量和肋片面积Af
9、的传热量。,第八章 传热过程与换热器,当肋壁传热处于稳态时，两侧流体之间的传热量可表示为：,三、通过肋壁的传热,第一节 传热过程,上式中的 ，称为肋壁效率。,对于高肋，因为A0Af ，所以A2Af，此时tf， 即肋壁效率可由肋片效率f代替。,第八章 传热过程与换热器,三、通过肋壁的传热,第一节 传热过程,1、热阻Rk：,2、热流量：,第八章 传热过程与换热器,以左侧面积A1为基准的肋壁传热系数为：,三、通过肋壁的传热,第一节 传热过程,而以右侧面积A2为基准的肋壁传热系数为：,工程计算中，通常以肋侧面积A2为基准。,3、传热系数K：,=A2/A1称为肋化系数,第八章 传热过程与换热器,上式中，
10、=A2/A1称为肋化系数，即壁面肋化后的面积A2与肋化前的面积A1的比值，显然，1 。,三、通过肋壁的传热,第一节 传热过程,右侧壁面的表面传热热阻：加肋后1/h2t加肋前1/h2,一般情况下，虽然肋壁效率t1，但肋化系数1，因而总能使t1，因此，肋化后与肋化前相比，表面传热热阻将减小，从而使传热系数提高，传热量增大。,注意：把选得过大而使1/h2t1/h1是没有必要的,因为当1/h2t1/h1以后，1/h1就成了最大项分热阻，此时再减小1/h2t，增强传热的效果将不明显。,第八章 传热过程与换热器,四、传热的强化与削弱,所谓增强传热是指分析影响传热的各种因素，采取某些技术措施以提高换热设备的
11、热流量或热流密度，使得设备紧凑、重量减轻、节省材料，这也是节约能源的有效措施。,第一节 传热过程,例如，增加锅炉过热器的加热热流量，可提高其出口水蒸汽的温度；,又如，增加柴油机气缸壁散热热流量，则可降低气缸壁的温度，保证安全。,1、传热的强化（P153）,第八章 传热过程与换热器,由传热基本公式,可以看出，增强传热的基本途径有三条，即：,四、传热的强化与削弱,第一节 传热过程,1、传热的强化（P153）,（1）增加传热面积A,（2）增大传热温差t,（3）提高传热系数K,第八章 传热过程与换热器,四、传热的强化与削弱,第一节 传热过程,1、传热的强化（P153）,（1）增加传热面积A,这里不是指
12、单纯地增大传热面积，而是指通过改进传热面结构，合理地提高设备单位体积的传热面积，从而使换热设备高效紧凑。,例如：采用肋壁、肋片管、波纹管、板翅式传热面等。,第八章 传热过程与换热器,（2）增大传热温差t=tf1-tf2,提高热流体温度tf1或降低冷流体温度tf2。,换热器一般尽可能采用逆流方式。（详见本章第二节）,第一节 传热过程,1、传热的强化（P153）,如：提高热水采暖的热水温度；冷凝器中的冷却水采用深井水代替自来水等。,各种流动方式中，逆流时的平均温差tm最大；在复杂流的情况下应尽量选用修正系数接近于1的流动方式,第八章 传热过程与换热器,（2）增大传热温差t=tf1-tf2,第一节
13、传热过程,1、传热的强化（P153）,注意，增大传热温差t有局限性：,受到工艺或设备条件的限制，并不是经常可以做到的。,还会使整个热力系统的不可逆性增加，可用能降低。,因此在采用这种方案增强传热时，还应兼顾整个热力系统。,如：柴油机冷却水的进、出口温度通常就不能任意改变。,第八章 传热过程与换热器,（3）提高传热系数K,提高传热系数K是增强传热的重要途径。由前述可知，,第一节 传热过程,1、传热的强化（P153）,故要提高传热系数K也就是要减小传热过程的总热阻，而总热阻等于串联各环节分热阻之和，因此，减小总热阻的关键是找出最大项分热阻并使之减小。,只有减小主要热阻，才能有效地增强传热。,第八章
14、 传热过程与换热器,为了说明问题，下面以单层平壁一维稳态传热为例进行讨论：,第一节 传热过程,1、传热的强化（P153）,（3）提高传热系数K,由此可见，为提高传热系数K，可,或减小表面传热热阻1/h1和1/h2 ，下面分别予以讨论。,减小平壁导热热阻r=/,第八章 传热过程与换热器,减小导热热阻r=/,（a）换热设备中一般都是金属薄壁，热导率较大而壁厚较小，导热热阻很小，常可略去不计。,（b）但一旦结垢，由于垢层值很小，污垢热阻就不能忽略，故传热面要定期清洗。,第一节 传热过程,1、传热的强化（P153）,（3）提高传热系数K,第八章 传热过程与换热器,减小表面传热热阻（或对流传热热阻)rh
15、1=1/h1和rh2=1/h2,忽略导热热阻/后，,上式说明，K值必定小于h1或h2，即：Kh1或h2,第一节 传热过程,1、传热的强化（P153）,（3）提高传热系数K,那么为了提高K值，究竟加大哪一侧的表面传热系数更有效呢？,第八章 传热过程与换热器,例如：金属平壁左侧是强迫对流的热水，h1=1000W/（m2K）,热水传热给平壁右侧自然对流的空气，h2=10W/（m2K）,第一节 传热过程,（3）提高传热系数K,若将h1增大一倍，即h1=2000W/（m2K），则,K值仅为K的1.005倍，几乎没变。,若将h2增大一倍，即h2=20W/（m2K），则,K值达到K值的1.98倍，几乎增大一
16、倍。,此时传热系数为：,第八章 传热过程与换热器,由此可见：,（a）当h1与h2数值相差较大时，增大较小的h值更有效；,（b）当h1与h2数值相差较大时，肋片应装在h值较小侧；,（c）当h1与h2数值相当时，则必须同时增大h1和h2值。,第一节 传热过程,1、传热的强化（P153）,（3）提高传热系数K,第八章 传热过程与换热器,削弱传热恰好与增强传热相反，所谓削弱传热是指采取隔热保温措施，以达到节能、安全防护及满足工艺要求等目的。,第一节 传热过程,2、传热的削弱（P154-155）,四、传热的强化与削弱,由传热方程式=KAt可知，可以通过减小传热面积A、减小传热温差t和降低传热系数K的方法
17、来削弱传热。,工程上广泛应用的削弱传热的主要途径有两条，即,（1）削弱导热,（2）削弱辐射传热,第八章 传热过程与换热器,是指采用热导率小的绝热材料【0.12W/(mK)】作隔热层以增加导热热阻，进而增加传热总热阻，减少传热热流量。,（1）削弱导热,使用过程中应采取防潮措施；,第一节 传热过程,四、传热的强化与削弱,2、传热的削弱（P154-155）,如：冷库、锅炉、空调装置、蒸汽管道等都包有绝热材料。,多孔材料是理想的绝热材料：,当温度升高时，空隙中的空气对流和辐射传热就会加强，也会使材料热导率增大，隔热性能下降。,第八章 传热过程与换热器,绝热材料的种类很多，通常：,在常温和低温条件下，使
18、用效果较好的有软木、玻璃纤维、超细玻璃棉和珍珠岩等。,在低温防潮要求较高的场合，可选择泡沫树脂和泡沫塑料等,在高温防火要求较高的场合，常用的绝热材料有石棉、硅石、硅藻土制品、耐火材料和砖瓦等。,第一节 传热过程,2、传热的削弱（P154-155）,（1）削弱导热,理想的船用绝热材料：,热导率低、易成型、不变形、耐振、防潮、防火、密度小、无怪味,第八章 传热过程与换热器,在平壁上敷设绝热层，随着绝热层厚度的增加，总有传热热阻增大而传热量减少，即总能削弱传热。,第一节 传热过程,2、传热的削弱（P154-155）,（1）削弱导热,临界热绝缘半径r2c：,下面就来具体分析，引入临界热绝缘半径r2c的
19、概念。,圆筒壁则不一定，有些小直径管道包上隔热层后散热量反而增加，即反而增强传热。,第八章 传热过程与换热器,第一节 传热过程,图8-4 圆筒壁外的绝热层,临界热绝缘半径r2c：,第八章 传热过程与换热器,如图8-4所示为在圆筒壁外敷设绝热层后的示意图，稳态传热时，传热热流量为：,第一节 传热过程,（1）削弱导热,临界热绝缘半径r2c：,式中，Rt=R+Rh为总热阻，若r1、和h为定值，当绝热层加厚，即r2增大时，导热热阻R将增大而表面传热热阻Rh却减小。,此时，总热阻Rt是增大还是减小取决于R的增大率和Rh的减小率。,第八章 传热过程与换热器,第一节 传热过程,图8-5 临界热绝缘半径,临界
20、热绝缘半径r2c：,如图8-5所示为R、Rh、Rt和传热量随半径r2变化的示意图。,第八章 传热过程与换热器,将热流量公式对r2求导，并令该导数为零：,第一节 传热过程,（1）削弱导热,临界热绝缘半径r2c：,可求得对应于max时的绝热层外半径，称为临界热绝缘半径，并以r2c表示，即：,第八章 传热过程与换热器,（b）当绝热层加厚至r2=r2c时, Rt最小而最大；,（c）若再加厚绝热层，即r2r2c, 则随着r2的增加，从r2=r2c 开始，Rt增大，减小；,第一节 传热过程,对于r1r2c的管子，敷设绝热层总会使总热阻Rt增大而传热量减小。,（1）削弱导热,临界热绝缘半径r2c：,（a）若
21、绝热层外半径也小于r2c（r2r2c),则随着绝热层厚度的增加，Rt减小而增大；,对于r1r2c的小管子，在敷设绝热层后：,由此可知：,第八章 传热过程与换热器,工程上的绝缘电缆就是上述原理的应用实例之一。电缆敷设表皮后，满足r2r2c，因此，表皮层既能起到电绝缘的作用，又能使散热量增大而获得较好的冷却效果。,对于一般的动力保温管道，绝大多数满足r1r2c，所以很少有必要考虑临界热绝缘半径的问题。,第一节 传热过程,（1）削弱导热,临界热绝缘半径r2c：,第八章 传热过程与换热器,如第七章所述，采用遮热板或低发射率表面涂层，都能增加辐射传热热阻，进而增大传热总热阻，减少传热热流量。,（2）削弱
22、辐射传热,第一节 传热过程,四、传热的强化与削弱,2、传热的削弱（P154-155）,（3）实际上，新型绝热材料往往同时削弱导热和辐射传热。,例如，目前应用较广的铝箔隔热层，铝箔表面光洁，对热辐射反射能力强，箔间空气热导率小且不能对流，因此，折算热导率很小，仅为0.0320.041W/(mK)。铝箔隔热层隔热性能好，同时还具有防火、无味、轻便、坚固耐用等优点，如图8-6所示,第八章 传热过程与换热器,第一节 传热过程,图 8-6 铝箔隔热板 1-钢板；2-木隔板；3-平铝箔； 4-空气层；5-波形铝箔；6-空气穴,第八章 传热过程与换热器,第二节 换热器的类型,一、换热器的分类,换热器是高温流
23、体与低温流体进行热量传递的一种热力设备，故又称热交换器。,换热器,回热式,混合式,间壁式,套管式,壳管式,肋管式,板 式,板翅式,平行板式,螺旋板式,按照工作原理、结构等，换热器可分类如下：,第八章 传热过程与换热器,第二节 换热器的类型,一、换热器的分类,按照工作原理，换热器分为回热式、混合式和间壁式三大类,1、回热式换热器（P155-156）,冷、热流体交替流过同一流道,是非稳态热量传递过程，通常在锅炉和炼焦炉中应用较多，也可用作燃气轮机等的空气预热。,流道壁周期地从热流体吸热、向冷流体放热,连续运行中，吸、放热量基本相等,第八章 传热过程与换热器,第二节 换热器的类型,一、换热器的分类,
24、2、混合式换热器（P156）,冷、热流体通过直接接触彼此混合进行热量传递,换热效率很高,如采暖系统的蒸汽喷射泵、空调工程中的喷淋室等。,两种流体需混合，应用上受到一定的限制,第八章 传热过程与换热器,第二节 换热器的类型,一、换热器的分类,3、间壁式换热器（P156）,冷、热流体被一金属壁隔开,船用换热器绝大多数均属于间壁式,下面重点介绍间壁式换热器,如燃油加热器、造水蒸发器、冷凝器、空气冷却器和滑油冷却器等。,互不相混地进行热量传递，属于上节介绍的传热过程,第八章 传热过程与换热器,第二节 换热器的类型,按照流动形式，间壁式换热器可分为顺流、逆流和复杂流三种形式。,1、按流动形式分（P158
25、）,二、间壁式换热器的分类,冷、热流体平行且同方向流动，称为顺流；,其中复杂流又可分为平行混合流、一次交叉流、顺流式交叉流逆流式交叉流和混合式交叉流。如图8-7所示。（P159）,冷、热流体平行且反方向流动，称为逆流；,其他流动方式统称为复杂流。,第八章 传热过程与换热器,第二节 换热器的类型,图8-7 流体在换热器中的流动方式,二、间壁式换热器的分类,a）顺流；b）逆流；c)平行混合流；d）一次交叉流； e）顺流式交叉流；f）逆流式交叉流；g）混合式交叉流,1、按流动形式分（P158）,第八章 传热过程与换热器,第二节 换热器的类型,2、按流程次数分（补充）,按照流程次数，间壁式换热器可分为
26、单流程、双流程和多流程三种形式。,流体一次通过全部传热面，即为单流程；,二、间壁式换热器的分类,传热面积被分隔成两个部分，流体依次流过，形成两次回路，即为双流程；,传热面积被分隔成三个部分以上，流体依次流过，造成多次回路，即为多流程。,第八章 传热过程与换热器,第二节 换热器的类型,二、间壁式换热器的分类,3、按结构分,按照结构，间壁式换热器可分为套管式、壳管式、肋管式和板式4种。,（1）套管式换热器（P156）,由两根同心圆管组成：,一种流体在内管中流动，,另一种流体在内外管间环形通道中流动，,如图8-8所示，是一种最简单的换热器。,第八章 传热过程与换热器,第二节 换热器的类型,图8-8
27、套管式换热器示意图,3、按结构分,（1）套管式换热器（P156）,二、间壁式换热器的分类,第八章 传热过程与换热器,第二节 换热器的类型,它通常安装在竖壁上，作锅炉和柴油机装置的燃油加热器用：,3、按结构分,（1）套管式换热器（P156）,二、间壁式换热器的分类,水蒸汽在管内流过，燃油在加热套管间流过，由于水蒸汽凝结表面传热系数远大于油对壁面的表面传热系数，因此，在内管的外侧通常设有轴向肋片以减小油侧的热阻，提高整个加热器的总传热系数。,第八章 传热过程与换热器,第二节 换热器的类型,（2）壳管式换热器（P156-157）,如图8-9所示为1-2型（单壳程、双管程）壳管式换热器的示意图。它的传
28、热面由管束构成，管子两端固定在管板上，管束与管板再封装在大外壳内，外壳两端有封头。一种流体在管外壳内流动（图中为热流体），称为壳程，另一种流体在管内流动（图中为冷流体），称为管程。,3、按结构分,二、间壁式换热器的分类,壳管式换热器是间壁式换热器的一种主要形式。,第八章 传热过程与换热器,第二节 换热器的类型,图8-9 简单的壳管式换热器示意图,3、按结构分,（2）壳管式换热器（P156-157）,第八章 传热过程与换热器,第二节 换热器的类型,3、按结构分,管程流体与壳程流体互不掺混，只是通过管壁交换热量。,（2）壳管式换热器（P156-157）,二、间壁式换热器的分类,流体横向掠过管子的传
29、热效果要比顺着管子纵向流过时为好,为了提高传热效果，一般设有挡板（又称折流板）和隔板。,第八章 传热过程与换热器,第二节 换热器的类型,挡板的作用：（又称折流板）,支撑管束；,减少滞留死区，使流体充分流过全部管面；,改善流体对管子的冲刷角度，从而提高壳侧表面传热系数。,隔板的作用：,将传热面分隔成多部分，构成双管程或多管程，从而提高管程流体流速，提高管内表面传热系数。,3、按结构分,（2）壳管式换热器（P156-157）,（保证A）,（h壳程）,（h管程）,第八章 传热过程与换热器,第二节 换热器的类型,图8-9中，壳程流体从右流到左，称为1壳程，而管程流体先自左向右，经封头转向后再由右向左，
30、称为2管程。因此被称为1-2型壳管式换热器。,图8-10 2-4型换热器示意图,根据结构不同，壳管式换热器还可以有其他多壳程和多管程的形式，图8-10所示为一2-4型换热器。,3、按结构分,（2）壳管式换热器（P156-157）,第八章 传热过程与换热器,第二节 换热器的类型,流体安置原则：（P157）具体情况具体分析,通常把容易结垢沾污壁面的流体布置在管内，以便清洗；,把容易腐蚀金属壁面的流体布置在管内，这样，换热器壳体可以不必采用价格昂贵的耐腐蚀金属；,管子承压能力较大，故高压流体一般布置在管内；,把温度低的流体布置在管外，这样可以减少换热器的热损失；,（2）壳管式换热器,把流量大的流体布
31、置在管外，流体横向冲刷管束可以使表面传热系数提高；,把粘性大的流体布置在管外，以减少流动阻力、防止管子堵塞,第八章 传热过程与换热器,第二节 换热器的类型,根据上述流体安置原则，柴油机的滑油冷却器中，通常就把粘度大的润滑油布置在管外壳内，而把容易结垢的冷却水布置在管内。,3、按结构分,（2）壳管式换热器（P156-157）,总之，壳管式换热器是间壁式换热器的主要型式，它处理能力大，高温高压场合也可应用，传热表面清洗方便，因此，船上应用较多。,二、间壁式换热器的分类,第八章 传热过程与换热器,第二节 换热器的类型,（3）肋管式换热器（P157）,常用于冷、热流体表面传热系数相差悬殊的场合，肋片装
32、在管外h值较小的一侧，以减小热阻，增强传热。,例如，汽车用的冷却水散热器，管中热流体为水，而管外冷流体为空气，显然h水h空气，空气侧的热阻比水侧大得多，在空气侧加装肋片能减小主要热阻，增强散热。,3、按结构分,二、间壁式换热器的分类,第八章 传热过程与换热器,第二节 换热器的类型,肋管式换热器中，管子有圆管和扁管之分，肋片形式则有多种多样，如图8-11所示，制作或安装时要注意保证肋片与管子外壁接触良好，以免增加热阻，降低传热效果。,肋管式换热器在船上大多用于柴油机增压器后的中间冷却器、制冷与空调装置的中冷器等。,图8-11 肋管式换热器示意图,3、按结构分,（3）肋管式换热器（P157）,第八
33、章 传热过程与换热器,第二节 换热器的类型,（4）板式换热器,板式换热器通常以板作为间壁，其单位体积和单位质量的传热面积较大，结构紧凑，换热效率高，具有广阔的发展前景,板式换热器常见形式有三种：板翅式、平行板式和螺旋板式,3、按结构分,二、间壁式换热器的分类,但是，它对制造、维修和清洗等要求较高。,目前，板式换热器已在轮机工程中应用。,第八章 传热过程与换热器,第二节 换热器的类型,板翅式换热器（P157）,图8-12 板翅式换热器结构示意图,3、按结构分,（4）板式换热器,第八章 传热过程与换热器,第二节 换热器的类型,如图8-12所示为板翅式换热器的结构示意图，它由隔板、翅片和封条等组成的
34、多层基本传热单元叠加而成，常做成逆流式或叉流式。不同的场合可以采用不同的翅片形式。,高效紧凑，轻巧牢固，承压能力可达9.8MPa。,3、按结构分,（4）板式换热器,板翅式换热器（P157）,其缺点是容易堵塞，检修不易，故常用于清洁和腐蚀性低的气气型换热。,第八章 传热过程与换热器,第二节 换热器的类型,图8-13 平行板式换热器示意图,3、按结构分,（4）板式换热器,平行板式换热器（P157-158）,第八章 传热过程与换热器,第二节 换热器的类型,平行板式换热器（P157-158）,如图8-13所示，平行板式换热器由一组几何形状、结构相同的平行薄平板叠加而成，平板角上开有流体通道孔；,3、按
35、结构分,（4）板式换热器,但密封垫片损坏时容易泄露，流道狭窄，不适合大流量传热；不耐高温，一般只适用于150以下的流体。,拆装、清洗方便，适用于含有污垢物的流体传热,相邻平板之间用特殊设计的密封垫片隔开，形成一个通道，冷、热流体间隔地在每个通道中流过；,为强化传热并增加板片的刚度，常在平板上压制出各种波纹,第八章 传热过程与换热器,第二节 换热器的类型,如图8-14所示，螺旋板式换热器由两块金属薄板卷成的等距离螺旋通道、上下盖板和连接管等构成。,一种流体从中心流入，螺旋流动至周边流出，另一种流体则从周边流入，螺旋流动至中心流出，故为逆流式。,图8-14 螺旋板式换热器,3、按结构分,（4）板式
36、换热器,螺旋板式换热器（P158）,第八章 传热过程与换热器,第二节 换热器的类型,螺旋板式换热器流道中污垢的形成速度仅为壳管式的1/10，每立方米体积的传热面积约为壳管式的3倍，且制造方便。,螺旋板式换热器（P158）,3、按结构分,（4）板式换热器,缺点是清洗和检修困难，承压能力低，一般适用于0.98MPa压力以下的流体。,目前，各类换热器都朝着既保证必需的传热面积，又具有最小体积的紧凑式换热器的方向发展。板式换热器、肋管式换热器都属于紧凑式换热器。,第八章 传热过程与换热器,第二节 换热器的类型,三、对数平均温差,流体流经换热器时，无论流动形式如何，热流体在换热器内沿程放热而温度不断下降
37、，冷流体在换热器内沿程吸热而温度不断上升，并且冷、热流体间的温差沿程是不断变化的。,因此，传热方程式中的温差必须采用整个传热面积上的平均温差tm,其一般形式为：,第八章 传热过程与换热器,第二节 换热器的类型,1、顺流和逆流时的对数平均温差,下面以套管式换热器为例推导顺流和逆流时的平均温差计算式,简化假定：（P159）,稳态传热，传热系数K在整个传热面上保持不变；,冷热流体的质量流量qm2、qm1和比热容c2、c1都是常量；,三、对数平均温差,换热器无散热损失，即换热器与环境间绝热；,传热面沿流动方向（即管子轴向）的导热可忽略不计；,流体都不能既有相变的对流传热，又有单相介质的对流传热,第八章
38、 传热过程与换热器,第二节 换热器的类型,如图8-15所示为逆流换热器流体温度的沿程变化曲线。图中热流体进出口温度分别为t1和t1，冷流体进出口温度分别为t2和t2。现在讨论通过图中微元传热面dA一段的传热。,1、顺流和逆流时的对数平均温差,三、对数平均温差,图8-15 逆流时平均温差的推导,在dA的两侧，冷热流体的温度分别为t2和t1，其温差为t，即t=t1t2,第八章 传热过程与换热器,第二节 换热器的类型,传热热流量为：,热流体放出热量为：,冷流体吸收热量为：,（a）,（b）,（c）,由式（b）、（c）可得：,（d）,1、顺流和逆流时的对数平均温差,式（d）中,第八章 传热过程与换热器,
39、第二节 换热器的类型,（e）,（f）,对式（d）两边积分,将式（a）代入式（d）并分离变量后有,1、顺流和逆流时的对数平均温差,再对式（f）两边积分,（g）,第八章 传热过程与换热器,第二节 换热器的类型,最后将式（e）除以式（g）可得,（）,1、顺流和逆流时的对数平均温差,由于计算式中出现了对数，故常把tm称为对数平均温差。,式（）也可写成：,式中，tmax代表t 和t两者中较大者，而tmin代表两者中较小者。,（）,第八章 传热过程与换热器,第二节 换热器的类型,对于顺流换热器，如图8-16所示，采用类似的方法同样可以推导得上述对数平均温差表达式。,1、顺流和逆流时的对数平均温差,图8-1
40、6 顺流时平均温差的推导,第八章 传热过程与换热器,第二节 换热器的类型,事实上，算术平均温差相当于假定冷、热流体的温度都是按直线变化时的平均温差，其值总是大于相同进、出口温度下的对数平均温差。,当tmax/tmin2时，两者差别4%,当tmax/tmin1.7时，两者差别2.3%,能满足一般精度要求,特别地，当逆流换热器中t =t=t时，传热热流量即为=KAt,1、顺流和逆流时的对数平均温差,有时工程计算也用算术平均温差，即,第八章 传热过程与换热器,第二节 换热器的类型,2、复杂流的平均温差（P161-162）,（1）由给定冷热流体进出口温度，计算出按逆流布置条件下的对数平均温差（tm）c
41、tf,（2）把求得的假想逆流对数平均温差乘上一个温差修正系数,三、对数平均温差,工程上为应用方便，已将温差修正系数绘制成曲线，参见P161-162图8-158-18。,即可得复杂流的平均温差【（tm）ctf】,第八章 传热过程与换热器,第二节 换热器的类型,图8-17 壳侧1程、管侧2、4、6、8程的值,第八章 传热过程与换热器,第二节 换热器的类型,值除与流动形式有关以外，还与辅助量P、R有关：,2、复杂流的平均温差（P161-162）,R具有两种流体热容量之比的物理意义；,P则代表流体2的实际温升与理论上所能达到的最大温升之比。,因此，R的值可以大于1也可以小于1，但P值必小于1。,其中：
42、,第八章 传热过程与换热器,第二节 换热器的类型,例8-2 某换热器的热流体进、出口温度分别为80和60，冷流体的进、出口温度分别为25和38。试求该换热器分别为套管式逆流换热器和顺流换热器的对数平均温差。若换热器为壳管式，壳侧为热流体、管侧为冷流体，试求1-2型和2-4型壳管式换热器的平均温差。,解：（1）逆流式换热器的对数平均温差为,第八章 传热过程与换热器,第二节 换热器的类型,（2）顺流式换热器的对数平均温差为,（3）对于壳管式换热器,第八章 传热过程与换热器,第二节 换热器的类型,（tm）ctf= tm1=38.40,查P161图8-15得1-2型壳管式换热器的=0.97，故其平均温
43、差为 tm（1-2）=（tm）ctf= 0.9738.40=37.25,查P161图8-16得2-4型壳管式换热器的=0.996，其平均温差为tm（2-4）=（tm）ctf= 0.99638.40=38.25,在冷热流体进、出口温度相同的条件下，以逆流换热器的对数平均温差为最大，顺流换热器的对数平均温差为最小，而其他流动形式换热器的平均温差介于两者之间。由计算可得：,讨论:,（tm1）逆流tm（2-4）tm（1-2）（tm2）顺流,第八章 传热过程与换热器,第二节 换热器的类型,四、各种流动形式的比较,1、顺流和逆流的比较（P163）,在换热器的各种流动形式中，顺流和逆流是两种极端情况。,与顺
44、流相比，逆流有下述优点：,（1）当流体物性及进、出口温度相同时，逆流的对数平均温差tm比顺流时大，即：,对于同一台换热器，逆流比顺流时的传热能力大；,传热量一定时，逆流可以减少传热面积，使换热器紧凑轻巧,（tm）逆流（tm）顺流, KA一定, 一定,逆流顺流,（KA）逆流（KA）顺流,第八章 传热过程与换热器,第二节 换热器的类型,（2）顺流时冷流体出口温度总是低于热流体出口温度,（3）逆流时传热面两边的温差较均匀,综上所述，换热器应尽量采用逆流布置，避免采用顺流布置。,四、各种流动形式的比较,1、顺流和逆流的比较（P163）,（4）逆流时最高温度t1和 t2集中在换热器的同一端,但逆流也有缺
45、点：,即顺流时必定t2 t1,而顺流时传热面两边热负荷不均匀,对于高温换热器来说，这是应注意避免的,第八章 传热过程与换热器,第二节 换热器的类型,2、其他情况的比较（P163-164）,tm =（tm）ctf,四、各种流动形式的比较,（1）复杂流可以看作是介于顺流和逆流之间，其平均温差：,复杂流的平均温差tm必定介于顺、逆流之间。,温差修正系数值的大小反映了具体流动接近逆流的程度，一般要求0.91。,第八章 传热过程与换热器,第二节 换热器的类型,（2）当一种流体定温时，顺流和逆流换热器传热能力相同。,图8-18示出了冷凝器和蒸发器中冷热流体之一发生相变时的情形，此时相变流体在整个传热面上保
46、持其饱和温度不变。,四、各种流动形式的比较,图8-18 相变时的温度变化,2、其他情况的比较（P163-164）,第八章 传热过程与换热器,第二节 换热器的类型,（3）对于工程上常见的蛇形管束，经验表明，只要管束的曲折次数超过4次，就可作为纯逆流或纯顺流来处理，见图8-19,四、各种流动形式的比较,图8-19 可作为逆流、顺流处理的情况,2、其他情况的比较（P163-164）,第八章 传热过程与换热器,第三节 间壁式换热器的热计算,间壁式换热器的热计算通常有两种情况：（P164）,设计计算：,校核计算：,基本公式：,传热方程式,热平衡方程式,上述方程式中共有8个变量：,KA、qm1c1 、qm
47、2c2、t1 、t1、t2、t2、,只有在给定5个变量时才能进行计算，qmc称为热容量或水当量,根据需要，确定换热器型式与尺寸；,校核现有换热器的工作情况。,第八章 传热过程与换热器,具体而言：,设计计算：,已知KA、qm1c1 、qm2 c2、t1 、t2,第三节 间壁式换热器的热计算,目前，间壁式换热器常用的热计算方法有两种：,已知qm1c1 、qm2c2、t1 、t1、t2、t2、中的5个,KA或A,校核计算：,t2、t1和,效能传热单元数法（NTU法）,对数平均温差法（LMTD法）,设计计算,校核计算,第八章 传热过程与换热器,对数平均温差法常用于换热器的设计计算，简要步骤如下：,一、
48、对数平均温差法（LMTD法）（P164-165）,（1）由热平衡方程式,求出除A以外的2个未知量,第三节 间壁式换热器的热计算,（2）计算对数平均温差,或（tm）ctf,注意：至少保持0.8，否则应改选其他流动形式。,（3）由传热方程式,求出 A（或KA）,第八章 传热过程与换热器,说明1：具体步骤中还应包括布置传热面、传热系数K的计算、两侧流体流动阻力的核算等内容，详见P164-165。,第三节 间壁式换热器的热计算,说明2：对数平均温差法也可用来进行校核计算，只是对数平均温差法在校核计算时需假定流体的出口温度 t1、t2并进行多次试算才能获得可行的结果，而效能传热单元数法不需要试算，因此，效能传热单元数法用于校核计算似乎更方便。,一、对数平均温差法（LMTD法）（P164-165）,第八章 传热过程与换热器,二、效能传热单元数法（NTU法）,（1）换热器效能,1、三个重要参数（P167）,换热器效能（又称传热有效度）是指实际传热量与最大可能传热量max之比。,所谓最大可能传热量max是指换热器中可能发生的最大温度降（即热流体和冷流体的进口温度之差）下的传热量。因为只有水当量qmc较小的流体才可能有最大温差，所以,
