第9章-传热过程分析和换热器计算

第九章传热过程分析与换热器的热计算本章要求掌握的内容：定量：传热过程的计算；对数平均温差的计算；间壁式换热器的设计计算及校核计算。定性：掌握传热过程的热阻分析法；传热过程强化与削弱措施。9-1传热过程的分析和计算•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。•传热过程分析求解的基本关系为传热方程式21ffttkA式中K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）。说明：(1)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。（2）h1和h2的计算；（3）如果计及辐射时对流换热系数应该采用等效换热系数(总表面传热系数)rcthhh9.1.1通过平壁的传热21111hhk单层211111hhkniii多层9.1.2通过圆管的传热内部对流：)(1wifiittldh()1ln()2wiwooittΦdld圆柱面导热：)(2fwooottldh外部对流：hiho1iilhdln()2oiddl1oohld对外侧面积而言得传热系数的定义式由下式表示：ooioiifofidhdddhttl1ln21111ln2ooooiiiokkdddhddh从热阻的角度来看ooioiioAhddlAhkA1ln2111上面三式相加9.1.3通过肋壁的传热肋壁面积：21AAAo稳态下换热情况：)(11wfiittAh)(1wowittA)()()(21fowoooofowofofowoottAhttAhttAhofoAAA)(21肋面总效率000()1111fiffifooiiioooiiioottAttAAhAAhAhAAhioAA111fooiiiookAAhAAh以肋侧表面积为基准的肋壁传热系数定义肋化系数：则传热系数111fiookhh11111fiiooioookAhhhhA工程上一般都以未加肋时的表面积为基准计算肋壁传热系数所以，只要就可以起到强化换热的效果。1o由于β值常常远大于1，而使η0β的值总是远大于1，这就使肋化侧的热阻显著减小，从而增大传热系数的值。00()111fifififiiiioooiooottAttAhAAhAhhA9.1.4临界热绝缘直径ooioiifofidhdddhttlΦ1)ln(211)(2122111)ln(21)ln(211)(ooooioiifofidhdddddhttlΦ圆管外敷保温层后：可见，保温层使得导热热阻增加，换热削弱；另一方面，降低了对流换热热阻，使得换热赠强，那么，综合效果到底是增强还是削弱呢？这要看d/ddo2和d2/ddo22的值21221121)ln(21)ln(211)(ooooioiiodhdddddhd)()(2ofofidttlΦ22222222121)()(ddooofofiodhddttld可见，确实是有一个极值存在，从热量的基本传递规律可知，应该是极大值。也就是说，do2在do1-dcr之间，是增加的，当do2大于dcr时，降低。0dd2odcrodhd2222or2222hdBio2122111)ln(21)ln(211)(ooooioiifofidhdddddhttlΦ临界热绝缘直径Bi是管道外表面的毕渥数解：每米电线在不同的绝缘层外径｛do｝=0.0051+2｛δ｝m的散热量为：【例】外径为5.1mm的铝线，外包=0.15W/(m·K)的绝缘层。tfo=40ºC，twi≤70ºC。绝缘层表面与环境间的复合传热系数ho=10W/(m2·K)。求：绝缘层厚度δ不同时每米电线的散热量。(P465)oo()π(70-40)1111ln()ln220.150.005110fifooioottddldhdd取do＝10~70mm，计算结果用图线表示于图中。散热量先增后减，有最大值。一般的动力保温管道很少有必要考虑临界热绝缘直径。增加电线的绝缘层厚度，可增强电流的通过能力。9.2换热器的型式及平均温差换热器：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。9.2.1换热器的分类螺旋板式板式交叉流换热器管壳式壳管式套管式)(蓄热式混合式间壁式管束式管翅式管带式板翅式按照操作过程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。蓄热式换热器：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。蓄热式换热器混和式换热器混合式换热器：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，蒸汽喷射泵等；3h/d6mmm2紧凑式:700m或非紧凑式按表面紧凑程度区分紧凑程度可用水力直径dh来区别，或用每立方米中的传热面积即传热面积密度β来衡量。3h/d1mmm2层流换热器：3000m或100m3h15/d1mmm2微型换热器：000m或100m适用于传热量不大或流体流量不大的情形。1、套管式换热器9.2.2间壁式换热器主要型式优点结构简单，可利用标准管件。两种流体都可在较高温度和压力下换热，传热系数大。传热面积可根据需要增减。套管式换热器缺点单位换热面积金属耗量大，价格较高。检修、清洗不便。2、壳管式换热器间壁式换热器的一种主要形式，又称管壳式换热器。传热面由管束组成，管子两端固定在管板上，管束与管板再封装在外壳内。两种流体分管程和壳程。1-2型换热器增加管程side)(shell,inBToutBT,side)(tube,inAToutAT,2-4型换热器进一步增加管程和壳程管壳式换热器优点结构坚固，对压力和温度的适用范围大。管内清洗方便，清洁流体宜走壳程。处理量大。缺点传热效率、结构紧凑性、单位换热面积的金属耗量等不如新型换热器。间壁式换热器的又一种主要型式。其主要特点是冷热流体呈交叉状流动。根据换热表面结构的不同又可分为管束式、管翅式及管带式、板翅式等。管束式3、交叉流换热器管翅式板翅式4板式换热器：由一组几何结构相同的平行薄平板叠加所组成，冷热流体间隔地在每个通道中流动，其特点是拆卸清洗方便，故适用于含有易结垢物的流体。板式换热器优点结构紧凑、体积小、重量轻。流体湍动程度大，强化传热效果好。便于清洗和维修。板式换热器缺点密封周边长，易泄漏。承压能力低（P2MPa）。流动阻力大，处理量小。5、螺旋板式换热器：换热表面由两块金属板卷制而成，优点结构紧凑，单位体积传热面积大。两种流体都能以高速流动，传热效率高。螺旋流动，有自冲刷作用，适于处理粘性和易结垢流体。缺点承压能力差（P1MPa，t500ºC）损坏后检修困难。螺旋板式换热器9.3.1简单顺流及逆流换热器的对数平均温差传热方程的一般形式：mtkA流动形式不同，冷热流体温差沿换热面的变化规律也不同.换热器中冷流体温度沿换热面是不断变化的，因此，冷却流体的局部换热温差也是沿程变化的。9.3换热器中传热过程对数平均温差的计算以顺流情况为例，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。要想计算沿整个换热面的平均温差，首先需要知道当地温差随换热面积的变化,然后再沿整个换热面积进行平均。dt1dt2t1t21t2t1t2t在假设的基础上，并已知冷热流体的进出口温度，现在来看图中微元换热面dA一段的传热。温差为：ddtAk1212dddtttttt在固体微元面dA内，两种流体的换热量为:dt1dt2t1t21t2t1t2t1111111ddddmmqcttqc对于热流体:2222221ddddmmqcttqc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xxkAttlnAAx1-)exp(t)dAexp(t1x0kAkAkAAtxAm(1)kAttln(2))exp(tkAt(3)(2)、(3)代入(1)中tttttttmtlnttlnt1-ttlnt对数平均温差不论顺流逆流，对数平均温差可统一用下式表示：minmaxminmaxlntttttm平均温差的另一种更为简单的形式是算术平均温差，即2minmax,tttm算术3算术平均与对数平均平均温差的另一种更为简单的形式是算术平均温差，即2minmax,tttm算术minmaxminmax,tlnttttm对数算术平均温差相当于温度呈直线变化的情况，因此，总是大于相同进出口温度下的对数平均温差，当时，两者的差别小于4％；当时，两者的差别小于2.3％。2minmaxtt7.1minmaxtt实际换热器一般都是处于顺流和逆流之间，或者有时是逆流，有时又是顺流。对于这种复杂情况，我们当然也可以采用前面的方法进行分析，但数学推导将非常复杂，实际上，逆流的平均温差最大，因此，人们想到对纯逆流的对数平均温差进行修正以获得其他情况下的平均温差。ctfmmtt)(_____小于1的修正系数。—按逆流布置的对数平均温差；ctfmt图10-23～10-24给出了管壳式换热器和交叉流式换热器的。9.3.2复杂布置时换热器平均温差的计算22111222ttttPRttt、mmctftt（）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。具体的做法是：（a）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；（b）从修正图表由两个无量纲数查出修正系数(c)最后得出叉流方式的对数平均温差图10-231－2、1－4等多流程管壳式换热器的修正系数图5－102－4、2－8等多流程管壳式换热器的修正系数图10-242－4、2－8等多流程管壳式换热器的修正系数图10-25交叉流，两种流体各自都不混合时的修正系数图10-26一次交叉流，一种流体混合、一种流体不混合时的修正系数关于的注意事项（1）值取决于无量纲参数P和R式中：下标1、2分别表示两种流体，上角标`表示进口，``表示出口，图表中均以P为横坐标，R为参量。（3）R的物理意义：两种流体的热容量之比22112211mmqcttRttqc（2）P的物理意义