第7章-传热过程的分析和计算-传热学-中国石油大学-华东

§7-1复合传热§7-2传热过程的分析和计算§7-3换热器的型式及平均温度§7-4平均传热温差法热计算§7-5传热的增强§7-1复合传热和表面传热系数物体与周围物体（含气体）进行辐射换热的同时，还和其它接触的其它气体进行对流换热。这种既有（表面）辐射换热，又有对流换热的现象统称为表面传热。为方便讨论，假设对流传热和辐射传热互相独立，不干扰。()()()()crcwfrwfcrwfwfqqqhtthtthhtthtt()rrwfhAtt表面传热系数h，可以通过对流传热系数hc和辐射传热系数hr精确计算，当工程上有时可估算：室内（无风）热力管道室内平壁室外9.400.052wfhtt9.800.070wfhtt11.67h其中，在实际计算中是否必须考虑辐射传热，应视具体情况而定。若固体壁面与液体发生对流传热，通常认为液体对红外辐射是不透明的。故hr=0。若气体与固体壁面进行强迫对流传热时，并且温差不大，此时可忽略辐射，并认为h=hc。若气体和壁面进行自然对流传热，或传热温差较大时，则必须考虑辐射传热。§7-2传热过程的分析和计算•传热过程分析求解的基本关系为传热方程式21ffttkA式中为传热系数（在容易与对流换热表面传热系数想混淆时，称总传热系数）。k传热过程：热量由壁面一侧的流体通过壁面传到另一侧流体中去的过程称传热过程。一、通过平壁的传热21111hhk由于平壁的两侧的面积是相等的，因此传热系数的数值不论对哪一侧来说都是一样的。1ft1wt2wt2ft11h21h热阻图二、通过圆筒壁的传热在稳态条件下，通过各环节的热流量是不变的。12()1ln()2wwoilttdd11()iifwhdltt圆柱面导热：22()oowfhdltt外部对流：内部对流：hiho以外表面面积为基准的传热系数为：（工程用）12111ln2ffoiiioolttdhddhd111ln2ooootoiiioKdddRAhddh由上面三式得以内表面面积为基准的传热系数为：111ln2iioitiiiooKdddRAhddh基准面不同时，传热系数不同，但K与A的乘积相等，传热热流量相同。三、通过肋壁的传热在表面传热系数较小的一侧采用肋壁是强化传热的一种行之有效的方法。下面以平壁的一侧为肋壁的较简单的情况，作为分析肋壁传热的对象。wifiiittAhwowiittA12owofoofwofohAtthAtt式中，为肋面总效率。ooooiiifofiAhAAhtt11ooowofohAtt所以，只要就可以起到强化换热的效果。ofoAAA)(21定义肋化系数：ioAA111iooKhh1o则以内表面为基准的肋壁传热系数为四、临界热绝缘半径对于平壁，加保温层后，一定能降低散热量（削弱传热）；对于圆筒壁，叫保温层后呢？211121111lnln2222olioorrRhrrrhr为了减少管道的散热损失，采用在管道外侧覆盖热绝缘层或称隔热保温层的办法。热流体通过管道壁和绝缘层传热给冷流体传热过程的热阻为为了计算方便，忽略内侧的对流热阻和管壁的导热热阻，实际上也是可行的。此时的总热阻为：211ln22oloorRrhr管道的散热量为1211ln22wfooottrlrhrl不考虑其他参数的变化，仅仅考虑绝热层厚度的变化，当厚度加大时（ro↑），Rλ↑，Rh↓。1211ln22wfohootttrRRlrhrlRhRtRRor2r总的热阻Rt先减小后增大；热流量Φ则先增大后减小。对应热流量Φ最大值的绝热层外半径ro称为临界绝缘半径，以roc表示ocr根据，可解得0oddrocrh当roroc，Φ↓;当r2roroc，Φ↑电线：加绝缘层，不仅能绝缘，且能提高散热量，这是我们希望的，因电流流过电线后发热，若热量不及时排出，电阻变大，阻碍电流。一般的动力管道：外径均大于临界绝缘半径，起到降低散热的效果。§7-4换热器的分类及平均传热温差换热器：用来使热量从热流体传递到冷流体，以满足规定的工艺要求的装置。一、换热器的分类按照工作原理分类分为间壁式、混合式及蓄热式（或称回热式）三大类。间壁式换热器：是指冷热流体被壁面隔开进行换热的热交换器。如暖风机、燃气加热器、冷凝器、蒸发器；间壁式挨热器种类很多，从构造上主要可分为：管壳式、肋片管式、板式、板翅式、螺旋板式等，其中以前两种用得最为广泛。另外，按流体流动方向可有顺流、逆流、交叉流之分。混合式换热器：冷热流体直接接触，彼此混合进行换热，在热交换同时存在质交换，如空调工程中喷淋冷却塔、蒸汽喷射泵、电厂冷水塔等；回热式换热器：换热器由蓄热材料构成，并分成两半，冷热流体轮换通过它的一半通道，从而交替式地吸收和放出热量，即热流体流过换热器时，蓄热材料吸收并储蓄热量，温度升高，经过一段时间后切换为冷流体，蓄热材料放出热量加热冷流体。一般用于气体，如锅炉中间转式空气预热器，全热回收式空气调节器等。二、间壁式换热器的主要形式（1）按结构来分1、套管式适用于传热量不大或流体流量不大的情形。二、间壁式换热器的主要形式（1）按结构来分1、套管式2、管壳式管程、壳程、折流挡板二、间壁式换热器的主要形式（2）按结构来分1、套管式2、管壳式是间壁式换热器的一种主要形式，又称间壁式换热器。二、间壁式换热器的主要形式（2）按结构来分1、套管式2、管壳式二、间壁式换热器的主要形式（2）按结构来分1、套管式2、管壳式side)(shell,inBToutBT,side)(tube,inAToutAT,进一步增加管程和壳程圆环折流板圆缺折流板圆缺折流板3、交叉流换热器（分管束式、管翅式及板翅式）二、间壁式换热器的主要形式4、板式换热器二、间壁式换热器的主要形式板式换热器拆卸清洗方便，故适合于含有易污染物的流体的换热。5、螺旋板式换热器二、间壁式换热器的主要形式换热器换热效果较好，缺点是换热器的密封比较困难。6、热管换热器二、间壁式换热器的主要形式二、间壁式换热器的主要形式（2）按流动方向分1、顺流式换热器2、逆流式换热器3、交叉式换热器4、混合式换热器ColdfluidHotfluidColdfluidHotfluid换热器分类小结一、换热器的分类二、间壁式换热器的分类（2）按流动方向分（1）按结构来分1、套管式2、管壳式3、交叉流换热器（管束式、管翅式及板翅式）4、板式换热器5、螺旋板式换热器6、热管换热器1、回热式（蓄热式）换热器2、混合式换热器3、间壁式换热器1、顺流式换热器2、逆流式换热器3、交叉式换热器4、混合式换热器三、平均传热温差传热方程式：mtkA对任何形式的换热器，传热方程式中的平均传热温差Δt均是冷热流体的平均温差。但是，流动形式不同，冷热流体温差沿换热面的变化规律也不同。传热温差也不同。顺流和逆流的区别：平均传热温差：顺流时：逆流式：或在相同的进出口温度条件下，逆流也有缺点，即热流体和冷流体的最高温度集中在换热器的同一端21tt21tt21ttmcmpttcpAA以顺流情况为例，作如下假设：（1）冷热流体的质量流量qm2、qm1以及比热容C2,C1是常数；（2）传热系数是常数；（3）换热器无散热损失；（4）换热面沿流动方向的导热量可以忽略不计。在前面假设的基础上，并已知冷热流体的进出口温度，现在来看图9-13中微元换热面dA一段的传热。温差为：ddtAkchchttttttddd在固体微元面dA内，两种流体的换热量为:1111111ddddmmqcttqc2222221ddddmmqcttqc对于热流体:对于冷流体:12112211dddddmmtttqcqcddtAktdAddktdAtdktxxAttkt0dAtdxxkAttln可见，当地温差随换热面呈指数变化，则沿整个换热面的平均温差为：)exp(txxkAtx0xx0)dAexp(t1dAt1xAAmkAAAt112211mmqcqc1-)exp(t)dAexp(t1x0kAkAkAAtxAmxxkAttlnkAttlnAAx)exp(tkAt(1)(2)(3)(1)、(2)、(3)相加tttttttmtlnttlnt1-ttlnt对数平均温差不论顺流还是逆流，对数平均温差可统一用以下计算式表示，Δtmax、Δtmin指的是同一端的温度差：minmaxminmaxlntttttm平均温差的另一种更为简单的形式是算术平均温差，当Δtmax/Δtmax≤2时使用，即2minmax,tttm算术复杂流时换热器平均传热温差ctfmmtt套管式换热器及螺旋板式换热器的平均温差可以方便的按逆流或顺流布置的公式来计算。但对于壳管式换热器及交叉流式换热器的平均温差一般采用以下公式来计算：对于其它的叉流式换热器，其传热公式中的平均温度的计算关系式较为复杂，工程上常常采用修正图表来完成其对数平均温差的计算：由换热器冷热流体的进出口温度，按照逆流方式计算出相应的对数平均温差；从修正图表由两个无量纲数查出修正系数；最后得出叉流方式的对数平均温差22111222ttttPRttt、mmctftt（）1－2、1－4等多流程管壳式换热器的修正系数2－4、2－8等多流程管壳式换热器的修正系数一次交叉流，两种流体各自都不混合时的修正系数一次交叉流，一种流体混合、一种流体不混合时的修正系数7-4、平均温差法热计算分为设计计算和校核计算。换热器热计算的基本公式为mkAt11112222mpmpqcttqctt传热方程式:热平衡方程式：1、换热器计算的平均温差法平均温差法用作设计计算时步骤：初步布置换热面，计算出相应的传热系数K。根据给定条件，由热平衡式求出进、出口温度中的那个待定的温度Δtm。由冷、热流体的4个进、出口温度确定平均温差，计算时要注意保持修正系数Ψ具有合适的数值。由传热方程求出所需要的换热面积A，并核算换热面两侧有流体的流动阻力。如流动阻力过大，改变方案重新设计。对于校核计算具体计算步骤：先假设一个流体的出口温度，按热平衡式计算另一个出口温度根据4个进出口温度求得平均温差Δtm根据换热器的结构，算出相应工作条件下的总传热系数k已知k、A和Φ，按传热方程式计算在假设出口温度下的Δtm根据4个进出口温度，用热平衡式计算另一个Φ，这个值和上面的Φ，都是在假设出口温度下得到的，因此，不是真实的换热量比较两个值，满足精度要求，则结束，否则，重新假定出口温度，重复(1)~(6)，直至满足精度要求。2、换热器设计时的综合考虑换热器设计是综合性的课题，必须考虑出投资，运行费用，安全可靠等诸多因素。3、换热器的结垢及污垢热阻污垢增加了热阻，使传热系数减小，这种热阻成为污垢热阻，用Rf表示，式中：k为有污垢后的换热面的传热系数，k0为洁净换热面的传热系数。011kkRf对于两侧均已结垢的管壳式换热器，以管子外表面为计算依据的传热系数可以表示成：如果管子外壁没有肋化，则肋面总效率o=1。管壳式换热器的部分污垢热阻可以在表9-1种查得。oofowioifiRhRAARhk1111