第十章-传热过程分析及换热器计算

河海大学常州校区①复合传热问题的分析计算②对数平均温压的概念及计算③传热过程的强化与削弱措施④换热器的基本知识和计算过程第十章传热过程分析与换热器热计算重点内容河海大学常州校区§10-1传热过程的分析和计算§10-2换热器的类型☆§10-3换热器中传热过程平均温差的计算§10-4间壁式换热器的热设计☆§10-5传热的强化和隔热保温技术河海大学常州校区§10-1传热过程的分析和计算河海大学常州校区河海大学常州校区传热方程式12()ffkAttkAt（1-11）传热系数（量纲同h，2()Wm℃）一、通过平壁的传热1、通过单层壁的传热如图传热系数：12111khh（10-1）即（1-12）河海大学常州校区二、通过圆管壁的传热1、单壁如图三个传热环节()iifiwiAhtt()1ln()2wiwooittddl()oowofoAhtt，，，相等，变形为fiwiiitthAln2owiwoidttldwofoootthA(2-28)牛顿冷却公式河海大学常州校区三式相加：111111(ln)(ln)22oooofifoiiioooiiiodAAdttAhldAhAhAldh0000001111(ln)2iiidddAhddhAk0000()()fiffifkAttkdltt（10-3）——以管外侧面积为基准的传热系数111ln2oooiiiokdddhddh（10-4）1111ln2ooiiioodkAhAldhA（10-5）00iiAdlAdl河海大学常州校区2、多层壁（j层）12()ffkAtt12121111111111lnlnlnln2joooiiijjjjokddddddhdddddh1111111lnln22ooooooiiioiiiokddddddhddhhddh比较单层壁：（1）多层平壁：12111jjjkhh（2）多层管壁：()ofifokAtt河海大学常州校区三、临界热绝缘直径1、散热量与热绝缘层外径的关系00000000()111111lnln22iiiiiiiittlttddAhldAhhddhd0d→001hd↓（外侧面积增大，对流换热量↑）01ln2idd→↑（绝缘层厚度增大，导热热阻增加，↓）上式中：↑河海大学常州校区10-2河海大学常州校区2、临界绝缘直径crd的大小令020002000011()()20111ln2iiiilttdhdddddhddhd002crddh（10-8）d0dcr,利于保温d0dcr,利于散热河海大学常州校区3）动力保温管0.1()Wm已知℃209()hWm℃，则22crd㎜（希望：↓，0crdd）河海大学常州校区四、具有辐射换热的处理方法设某侧，壁面←→气流（含辐射气体CO2;H2O）的辐射换热量440,,0100100gwrgbggbwggTTAqACEEACrrAht，W辐射换热系数等效为rrhAt440100100gwggTCTtgwtTT河海大学常州校区于是，该侧总换热量()crcrcrAhtAhtAhhtW复合换热表面传热系数其中crthAt，2Wm℃tAht1121,211,2121111,222()()111(1)(1)bbsbbrAEEAXEEAhtAXA河海大学常州校区五、通过肋壁的传热过程计算10-7a河海大学常州校区10-7b河海大学常州校区§10-2换热器的类型一、什么是换热器1、换热器——使热量从热流体传递给冷流体，且满足也可以说使两种或者两种以上温度不同的流体以一定方式进行热量交换的设备即换热器.换热器是对导热、对流（包括相变）和辐射的综合运用，也是展示各种强化换热手段的主要舞台.掌握换热器热性能的基本计算方法，学会运用适宜的强化手段，是学习传热课程的主要目的之一.某种规定的技术要求的装置。河海大学常州校区2、换热器的类型河海大学常州校区直接接触式换热器(混和式换热器)冷、热流体直接接触，相互混和传递热量。特点是结构简单，传热效率高。适于冷、热流体允许混和的场合。如冷却塔、除氧器、洗涤塔、文氏管及喷射冷凝器等。河海大学常州校区蓄热式换热器(回流式换热器、蓄热器)借助于热容量较大的固体蓄热体，将热量由热流体传给冷流体。当蓄热体与热流体接触时，从热流体处接受热量，蓄热体温度升高，然后与冷流体接触，将热量传递给冷流体，蓄热体温度下，从而达到换热的目的。特点是结构简单，可耐高温，体积庞大，不能完全避免两种流体的混和。适于高温气体热量的回收或冷却。如回转式空气预热器。河海大学常州校区河海大学常州校区间壁式换热器(表面式换热器、间接式换热器)冷、热流体被固体壁面隔开，互不接触，热量由热流体通过壁面传递给冷流体。形式多样，应用广泛。按用途分1.加热器：用于把流体加热到所需温度，被加热流体在加热过程中不发生相变。2.预热器：用于流体的预热，以提高整套工艺装置的效率。3.过热器：用于加热饱和蒸汽，使其达到过热状态。4.蒸发器：用于加热液体，使其蒸发汽化。5.再沸器：用于加热已被冷凝的液体，使其再受热汽化。为蒸馏过程专用设备。6.冷却器：用于冷却流体，使其达到所需温度。7.冷凝器：用于冷却凝结性饱和蒸汽，使其放出潜热而凝结液化河海大学常州校区按传热面形状和结构分1.管式换热器通过管子壁面进行传热的换热器。按传热管的结构形式可分为管壳式换热器、蛇管式换热器、套管式换热器、翅片管式换热器等。应用最广。2.板式换热器通过板面进行传热的换热器。按传热板的结构形式可分为平板式、螺旋板式、板翅式、热板式换热器等。3.特殊形式换热器根据工艺特殊要求而设计的具有特殊结构的换热器。如回转式、热管、同流式换热器等。河海大学常州校区按所用材料分1.金属材料换热器由金属材料加工制成的换热器。常用的材料有碳钢、合金钢、铜及铜合金、铝及铝合金、钛及钛合金等。因金属材料导热系数大，故此类换热器的传热效率高。2.非金属材料换热器有非金属材料制成的换热器。常用的材料有石墨、玻璃、塑料、陶瓷等。因非金属材料导热系数较小，故此类换热器的传热效率较低。常用于具有腐蚀性的物系。河海大学常州校区河海大学常州校区肋片管（翅片管）式换热器空调器中的翅片管组翅片管加热器或冷却器河海大学常州校区套管式热交换器的优点是结构简单，适用于高温、高压流体，特别是小容量流体的传热。适用于易生污垢的流体。主要缺点是流动阻力大，金属消耗量多，而且体积大，占地面积大，故多用于传热面积不大的换热器。河海大学常州校区管壳式换热器的外形列管式换热器(管壳式换热器)管壳式换热器端部的折流结构河海大学常州校区它结构紧凑，单位体积所具有的传热面积较大(40～150m2/m3)，传热效果好，适应性强，操作弹性大，尤其适用于高温、高压和大型装置中，是管式换热器中应用最普遍的换热器。在列管式换热器中，由于管内外流体温度不同，使管束和壳体的受热程度不同，导致它们的热膨胀程度出现差别。若两流体温差较大，就可能由于热应力而引起设备的变形，管子弯曲甚至破裂，严重时从管板上脱落。因此当两流体的温度差超过50℃时，就应从结构上考虑热膨胀的影响，采取相应的热补偿措施。根据热补偿方法的不同，列管式换热器分为三种形式：河海大学常州校区固定管板式换热器它是将两端管板和壳体连接在一起，因而具有结构简单，造价低廉的优点，但由于壳程清洗和检修困难，管外物料应清洁、不易结垢。对温差稍大时可在壳体的适当部位焊上补偿圈(或称膨胀节)，通过补偿圈发生弹性变形(拉伸或压缩)来适应外壳和管束不同的膨胀程度，如图示。这种补偿方法简单但有限，只适用于两流体温差小于70℃，壳程流体压强小于0.6MPa的场合。1.挡板2.补偿圈3.放气嘴河海大学常州校区浮头式换热器它是将一端管板与壳体相连，而另一端管板不与壳体固定连接，可以沿轴向自由浮动，如图示。这种结构不但可完全消除热应力，而且在清洗和检修时整个管束可以从壳体中抽出。因而尽管其结构复杂，造价高，但应用较为普遍。河海大学常州校区U型管式换热器它是将每根管子都弯成U型状，两端固定在同一管板的两侧，管板用隔板分成两室，如图示。这种结构使得每根管子可以自由伸缩，与其它管子和壳体无关，从而解决了热补偿问题。这种换热器结构简单，可用于高温高压，但管程不易清洗，而且因管子需要一定的弯曲半径。河海大学常州校区蛇管式换热器（1）沉浸式蛇管换热器蛇管多以金属管弯绕而成，或制成适应各种容器需要的形状，沉浸在容器中。两种流体分别在管内外流动通过蛇管表面进行换热，如图所示。其优点是结构简单，制造方便，能承受高压，可用耐腐蚀材料制造。缺点是容器内液体湍动程度低，管外对流传热系数小，传热效果可通过增设搅拌提高，此外传热面积有限，主要用于传热量不大的容器中。河海大学常州校区（2）喷淋式蛇管换热器如图示，将蛇管成排地固定在支架上，冷却水由最上层管的喷淋装置中均匀淋下，沿管表面流过，与管内热流体换热。其优点是传热效果较沉浸式好，传热面积大而且可以改变，检修和清洗方便。缺点是喷淋不易均匀。主要用于管内流体的冷却，常设置在室外空气流通处，河海大学常州校区板式换热器工作原理.avi板式换热器传热系数高（由两块相邻扳片构成的波纹流道很狭窄，湍流度极高）、阻力相对较小(相对于高传热系数)、结构紧凑、金属消耗量低、拆装清洗方便、传热面可以灵活变更和组合。河海大学常州校区河海大学常州校区螺旋板式换热器：螺旋流道的冲刷效果好，污垢形成速度低，仅是管壳式的1／10。此外，结构比管壳式紧凑，一般单位体积的传热面积约为管壳式的20倍，达100m2／m3，流动阻力较小。使用板材制造，比管材价廉。缺点是不易清洗,维修难，承压能力低，用于压力10×105Pa以下场合。河海大学常州校区一、简单顺流、逆流换热器特点：顺流：1122''tttt1212'''tttttt逆流：有可能21tt端差't、t大小不一定1212'''''tttttt§10-3换热器中传热过程平均温差的计算12()ffkAttkAt河海大学常州校区（一）、对数平均温差以顺流为例：1、假设条件1）1mq，，2mq1c，2ck，不变2）除传热外，无其它形式换热2、t求变化时的换热量Ф取任意位置xA处dA：12tttdktdA（a）（b）图10-20河海大学常州校区1）~xtA求热流体放热量111mdqcdt，（10dt）（c）冷流体吸热量222mdqcdt，（20dt）（d）111mddtqc，222mddtqc由式（a）推出：12112211()mmdtdtdtddqcqc（e）式（b）代入()dtktdA分离：()dtkdAt（f）常量dktdA图10-2012ttt河海大学常州校区ln'xxtkAt（g）'xkAxtte（h）0A处的t2）整个换热量000''xxAkAAAkAxxxedktdAktedAktk1''(1)(1)kAkAtktekAekkA取积分：'0()xxtAtdtkdAt图10-20河海大学常州校区3）定义平均温差（亦称对数平均温差）mkAt，W（10-10）显见''lnmttttt（l）∴'''1''lnlnln''ttttttkAkAkAtt