第十章—传热和换热器

第1页第十章传热和换热器第一节通过肋壁的传热一、肋片传热计算式1．以平壁的一侧为肋壁，分析肋壁的传热。设肋和平壁为同一种材料，平壁厚度为，导热系数为，肋表面积为2A（'2''22AAA，其中'2A为肋片之间的基部面积，''2A为肋片表面积）。（1）无肋的光壁表面积为1A，光壁侧流体1的表面传热系数为1h，温度为1ft，光壁面温度为1wt。（2）肋壁侧流体2的表面传热系数为2h，温度为2ft，肋基壁面温度为2wt，肋片''2A的平均壁温为mwt,2，设1ft2ft。在稳态情况下，各传热环节的热量为：①光壁换热：)(1111wfttAh②平壁导热：)(211wwttA③肋壁换热：)()(2,2''2222'22fmwfwttAhttAh肋片效率为：222,222''222,2''22)()(fwfmwfwfmwfttttttAhttAh)())((222222''2'22fwfwfttAhttAAh式中，2''2'2AAAf，称为肋片的总效率。整理以上各式，将肋壁传热公式写成两侧流体温差表示的形式，即：12211212211121111AAhAhttAhAAhttffff将上式写为：12111)(ffttAk式中，1k是以光壁面面积1A为基准的传热系数。tf1tw1tw2tf2第2页211111hhk)/(2KmW式中，12AA，称为肋化系数（加肋后的肋壁总面积与光壁面面积之比），1（往往远大于1，所以总可以使大于1）另)(111212222121221211221ffffffttAkAhhttAhAAAhAtt式中，2k是以2A为基准的传热系数。2212111Ahhk)/(2KmW如果壁面的任何一侧有污垢，则导热系数中应加上污垢热阻fR，即导热项的热阻为：对1k：fR对2k：)(fR加肋后，肋片一侧的热阻为：21h，它比无肋的光壁换热热阻21h小（1），因而使换热量增大。2．增加肋片改进换热的效果又与以下因素有关：（1）肋片的高度：须同时考虑与二者的关系，肋高增加会使f下降，但却使表面积增大，。应合理确定肋高，使21h达到一最佳值。（2）肋片间距：①减少肋的间距，可使肋片的数量增多，肋壁的表面积相应增大，能使值增大，有利于减小热阻，增加传热。②减小肋片间距可增强肋间流体的扰动，使表面传热系数2h增大。③肋片间距不应小于热边界层厚度的两倍，以避免肋间流体温度升高，降低传热温差。第3页（3）肋的厚度（4）肋的形状：变截面肋（5）肋的材料：导热系数要大，材料要轻。二、加肋的目的1．强化传热当换热器两侧的表面传热系数相差较大时，肋片应加在热阻大的一侧效果好。传热壁两侧的热阻差相差越大，在热阻大的一侧加肋产生的强化传热的效果越显著。当换热器两侧的表面传热系数都较低时，如气体换热器，则可在两侧都加肋片。2．调节壁面温度在传热壁的低温侧加肋能降低壁面温度。当低温侧热阻壁高温侧热阻大时，在低温侧加肋既能强化传热，又能降低壁面温度。如果低温侧热阻壁高温侧热阻小，则低温侧加肋的主要目的是降低壁面温度。同样，加肋片有时也能使壁温升高。第二节有复合换热时的传热计算复合换热：壁面上除对流换热外，还同时有辐射换热。在分析复合换热时，通常是把辐射换热量按对流换热公式折算成辐射换热表面传热系数，它与对流换热表面传热系数之和即为复合换热表面传热系数。第三节传热的增强和削弱3-1增强传热的方法3-2削弱传热的方法第四节换热器的型式和基本构造换热器的分类1、按工作原理分：间壁式——冷热流体由固体壁隔开，不能相混合；混合式——冷热流体相互混合（直接接触），如冷却塔，浴池等；回热式（蓄热式）——冷热流体交替与固体壁接触，使固体壁周期地吸热和放热，从而将流体的热量传给冷流体。如炼钢热风炉，燃气机空气预热器。2、按结构分（间壁式）：管壳式：结构坚固、制造方便肋片管式：如汽车的水箱第4页板式：以板作为间壁板翅式螺旋板式管壳式换热器构造：传热面由管束构成，管子的两端固定在管板上，管束与管板再封装再外壳内，外壳两端有封头。流体II在管内流动，从进口封头流进管子里，再经出口封头流出。这条路径称为管程。（从管的一端流到另一端称为一个管程）当管子总数及流体流量一定时，管程数分得越多，则管内流速越高。流体I从外壳上的连接管进出换热器，这条路径称为壳程。流体I是在管外流动。在同样流速下，流体横向掠过管子的换热效果要比顺着管子纵向流过时好，因此外壳内一般装有折流挡板，来改善壳程的换热。2-4型换热器示意图第五节平均温度差在非相变换热过程中，流体温度随换热过程而不断变化，所以换热器中各点的传热温差也不断变化，进行传热量计算必须了解换热器的平均传热温差mt。根据平均传热温差mt表示的传热方程式的一般形式为：mtAk一、简单顺流换热器平均温差的计算式在推导平均温差计算式时的假定：1、冷、热流体的质量流量2M和1M及比热容2c和1c在整个换热面上都是常量；2、传热系数在整个传热面上不变；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；5、在换热器中，任一种流体都不能既有相变又有单相介质换热。在换热面xA处，取一段微元换热面积dA分析。第5页在dA两侧，冷、热流体的温度分别为2t及1t，温差为t，即21tttx。（1）通过微元面dA的热流量为：dAtkdx（2）热流体放出这部分热量后温度下降了1dt，则111dtcMd（3）式中，“－”是因热流体流过dA时，1dt为温度降，负值。对冷流体，则有：222dtcMd（4）对式（1）微分，并利用式（3）、（4）的关系，有：ddcMcMdtdttdx22112111)(（5）将式（2）代入式（5）得：dAtktdxx)(分离变量dAkttdxx)(对该式从0到xA积分，已知0xA时，'ttx，xA处，温差为xtxxAttxxdAkttd0')(xxAktt'lnxAkxett'由此可见，温差沿换热面按指数曲线变化。整个换热面的平均温差mt：AxmdAtktAk0)1(''1100AkAkAAxmekAtdAetAdAtAtx在AAx时，''ttx，（根据xxAktt'lnAktt'''ln），则：Akett'''由此，'''ln''')1'''('''ln'ttttttttttm该式称为对数平均温差。二、简单逆流换热器平均温差的计算式同样，经过推导可得到逆流时换热器的平均温差：'''ln'''tttttm在顺流时，'t总是大于''t，在逆流时可能出现'''tt的情况。第6页实际计算中，统一用下式计算：minmaxminmaxlntttttm当2minmaxtt时，可以用算术平均温差来代替对数平均温差，即：2minmaxtttm流体在换热器中的流动形式，除顺流、逆流外，还有其他多种形式。顺流：两种流体作平行且同方向流动。逆流：两种流体作平行且反方向流动。横流式或交叉流：两种流体在相互垂直的方向流动。混合流：是顺流、逆流和交叉流三种流动方式的组合。横流式及混合流式平均温差的确定：先一律按逆流方式计算出对数平均温差，再按流动方式乘以温差修正系数t。t反映了换热器中两流体的流动方式接近逆流的程度，可查图确定t。图中有两个辅助参量P和R。两流体进口温差冷流体的加热度'2'1'2''2ttttP冷流体的加热度热流体的冷却度'2''2''1'1ttttR当R超过了图中的范围时，可用RP和R1分别代替P和R值查图。在各种流动形式中，顺流和逆流可看作是两个极端情况，在相同的进出口温度条件下，逆流的平均温差最大，顺流的平均温差最小。顺流时：冷流体的出口温度''2t总是低于热流体的出口温度''1t。逆流时：''2t可以大于''1t。所以，工程上换热器尽可能采用逆流布置。但逆流布置也有缺点，就是高温部分集中在换热器的一端。第7页第六节换热器的热计算设计一台换热器必须进行的全部工作包括：①热计算②结构布置③流动阻力计算④结构强度计算⑤绘图。实际上前四项任务是交叉在一起的，无法单独进行。换热器的热计算根据计算目的不同，分为两种类型：设计计算和校核计算。1．设计计算：设计一个新的换热器，根据生产工艺提出的条件和要求，确定换热器的型式，面积和结构参数。2．校核计算：对已有的换热器，校核它能否满足非设计工况条件下的换热任务。一般是核算流体的出口温度和换热量能否达到要求。3．对于两种计算，所用的公式均为以下三式：WtAkm（传热方程式）WttcM)(''1'111WttcM)('2''222而minmaxminmaxlnttttttm，流动形式）,,(RPft4．在以上三式种的变量为：，k，A，1M，1c，2M，2c，'1t，''1t，'2t，''2t。（mt不是独立变量）5．对设计计算，给定的量为：1M，1c，2M，2c和四个进、出口温度中的三个k，A6．对校核计算，给定的量为：k，A，1M，1c，2M，2c和'1t，'2t，''1t，''2t7．换热器的计算有两种方法：平均温差法和效能—传热单元数法6-1平均温差法一、平均温差法用于设计计算的步骤为：1．确定换热器的型式及部分结构参数；2．根据给定条件，由)(''1'111ttcM)('2''222ttcM进出温度中的那个待定温度；3．由'1t，''1t，'2t，''2tmt4．初步布置换热面，并计算出相应的传热系数k。第8页5．由mtAkA，并核算换热面两侧流体的流动阻力。6．如果流动阻力过大，则应改变方案重新设计。二、平均温差法用于校核计算的步骤为：1．先假定一个流体的出口温度，按照热平衡方程式：)(''1'111ttcM)('2''222ttcM求出另一个出口温度；2．由'1t，''1t，'2t，''2tmt；3．根据换热器的结构，算出相应工作条件下传热系数k；4．已知k、A、mt，由mtAk，因为流体的出口温度是假设性的，因此求出的值未必是真实的数值；5．根据'1t，''1t，'2t，''2t，求出另一个值，同理，这个值也是假设性的；6．比较步骤4和5中的两个值，一般说，二者是不同的，这说明步骤1中假设的温度值是不符合实际。再重新假设一个流体的出口温度，重复以上步骤1~6，直到步骤4和5得到两个值彼此接近为止。[例10-7]设计一卧式管壳式蒸汽——水加热器，水在管内、蒸汽在管外冷凝，水的质量流量为skg/5.3，要求从60℃加热到90℃，蒸汽为Pa5106.1绝对压强下的干饱和蒸汽，凝结水为饱和水。换热器管外径mm19，厚mm1的黄铜管，水侧污垢热阻WKmRf/00017.02。水侧阻力损失要求小于Pa5103.0。求：换热器所需换热面积及主要结构参数（管长、管程、每管程管数、传热面积等），若换热器外壳的热损失为5%，求蒸汽消耗量？解：水：skgM/5.32，'2t=60℃，''2t=90℃；饱和蒸汽：PaP5106.1st=113.3℃一、设定换热器的部分结构参数设换热器为4管程，每管程16根管，共64根管，在垂直列上管子数为8根。二、对数平均温差mt由于加热蒸汽凝结后得到的是饱和水，则st=113.3℃3.53603.113'2'1ttts℃第9页3.23903.113''2''1ttts℃3.363.233.53ln3.233.53'''ln'''