传热学教案9

第9章传热过程分析与换热器热计算第一章已经讨论过传热过程和传热系数。传热过程分析求解的基本关系为传热方程式(1-11)。即：12()ffkAtt式中k为传热系数(在容易与对流换热表面传热系数相混淆时，称总传热系数）。本节将对通过平壁、圆筒壁的传热系数作进一步分析。肋壁是工程技术领域中广泛用来增强换热的金属壁面，本节将详细讨论通过肋壁的传热系数计算式，并对与此相关的圆管的临界热绝缘直径问题作出相应的分析。1．通过平壁的传热通过平壁的传热在第一章已经讨论过，其传热系数可按式（1－12）计算，即：12111khh（9－1）由于平壁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。式中表面传热系数1h和2h，可以根据具体情况选用以前各章相应的公式来确定。这里补充说明一点：如果通过壁面的流体是含有二氧化碳、水蒸气等三原子气体的烟气，则一般既要考虑对流换热，也要计及辐射换热。例如，锅炉省煤器的烟气侧换热就属于这种情况。这时可采用复合表面传热系数代替上式中的传热系数。2.通过圆管的传热圆管外侧的表面积不相等，所以对内侧和外侧而言的传热系数在数值上是不同的。对管长为l的一段圆管的传热过程来作分析。参看图9-1，管子内半径为ir，外半径为or（内径和外径分别为id和od），管壁材料的导热系数为，管子内、外侧的复合表面传热系数分别为ih和oh，内、外侧壁温分别为wit和wot。传热过程包括管内流体到管内侧壁面、管内侧壁面到外侧壁面、管外侧壁面到外侧流体三个环节。在稳态条件下，通过各环节的热流量是不变的。各环节的温度差可表示如下：fiwiiitthdlln2owiwoidttld图9-1通过圆管的传热wofoootthdl三式相加可导得：111ln2fifooiiioolttdhddhd（9-2）对外侧面积而言的传热系数k的定义式由下式表示：ofifoofifokAttkdltt（9-3）从以上两式的对比中可以得以管外侧面积为基准的传热系数计算式：111ln2oooiiiokdddhddh（9-4）习惯上，工程计算都以管外侧面积为基准，所以式（9-4）中的k就未加下角码“o”从热阻的角度看，式（9-4）可以改写成：1111ln2ooiiioodkAhAldhA（9-5）等式左边是对管外壁而言的传热总热阻，右边三项分别是管内、管壁、管外三个传热环节的热阻。式（9-5）再一次体现了第二章阐述的串联热阻的叠加原则。但是必须注意，由于管子内、外表面积的不同，这里的分析必须对整个表面积进行。在运行过程中，管子内、外侧常会积起各种污垢，所以以上传热系数计算公式中还要增加相应的污垢热阻项。3.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。下面以平壁的一侧未肋壁的较简单的情况，作为分析肋壁传热的对象。参看图9-2所示的一侧为肋壁的平壁。物肋一侧的表面积为iA，肋侧总表面积为oA，它包括肋面突出部分的面积2A及肋与肋间的平壁部分的面积1A两个部分，即21oAAA。肋间壁面与流体的换热量为1owofohAtt，而肋面本身与流体间的换热量为2ofwofohAtt。此处f为肋效率，可按2-4节的公式进行计算。在稳态条件下，通过传热过程各环节的热流量是一样的，于是可以列出以下方程式：图9-2通过肋壁的传热iifiwihAtt（a）iwiwoAtt（b）12owofoofwofoooowofohAtthAtthAtt（c）式中，12/ofoAAA称为肋面总效率。从以上三式中消去wiwott和可得：11fifoiiioootthAAhA＋＋于是以肋侧表面积oA为基准的肋壁传热系数为：111foiiiookAhAAh＋＋（9-6）为了与未加肋的平壁传热系数式（9-1）相对比，可以写出以光侧表面积iA为基准的肋壁传热系数的表达式：11111fiiiooiioookAhAhhAhA＋＋＋＋（9-7）式中，/oiAA，称为肋化系数。即加肋后的总表面积与该侧未加肋时的表面积之比。往往远大于1，而且总可以使o远大于1，使外侧的换热热阻从1oh降低到1ooh，从而使传热量增大。值得指出，在工程传热计算中，为了表征一种强化传热表面相对于光滑表面的优越性，一般都是以未加肋时的表面积（或轧制肋片前的胚管面积）作为计算总传热系数及热流量的面积的。4.临界热绝缘直径现在来讨论与圆管外加肋片以强化换热有一定关系的圆管外加保温层的问题。圆管外加肋片增加了外表面积，从而有利于增强传热，但在增加表面积（即减小表面换热热阻）的同时也增加了导热热阻。类似地，在圆管外敷设保温层也同时具有减小表面对流换热热阻及增加导热热阻两种相反的作用。那么，为什么后一种情况下传热过程一般地是被削弱了，或者加肋片有没有可能使传热过程削弱而加保温层反而使散热增加呢？对这一问题的回答取决于增加表面积后所引起的对流换热热阻减小的程度及导热热阻增加的程度的相对大小。对于加肋片的情形，肋片都用金属做成，导热系数很大，而且肋片所增加的换热面积的倍数较高．因而使总的热阻明显降低。但是，保温材料的导热系数都很小，敷设保温层后换热面积的增加是由于简单地扩大直径而致，增加的幅度有限，因而一般地使总热阻增加。所以，表面上看来截然相反的两件事——肋片强化换热、保温层削弱换热，其内部却有这样辩证的关系(图9.3)，而且在一定条件下肋片与保温层的作用还可能互相转化，也就是说加保温层一定能起到减小热损失的作用吗？下面加以分析。对于管外加保温层的情况，设圆管内径为id，外径为od，管壁导热系数为，加保温层后管的外径为xd，保温层的导热系数为ins，则通过圆筒壁的总热阻为：1111lnln22oxliiiinsooxddRhdddhd从总热阻的表达式可以看出，加保温层后导热热阻1ln2xinsodd增加，而对流换热热阻1oxhd减小。那么，总热阻是否存在极值呢？上式对xd求导，并另其导热等于零，则有：211102lxinsxoxdRdddhd由上式解得2insxodh，将其定义为临界热绝缘直径，记为crd，则2inscrodh，也即存在临界热绝缘直径，若管子外径大于临界热绝缘直径，则加保温层后肯定能起到减小热损失的作用，但是若管子外径小于临界热绝缘直径，那么，有可能加保温层不但不能减小热损失，反而使热损失增加。对一般动力管道来说，是否有必要考虑临界热绝缘直径问题呢？取保温层的导热系数等于0.1W/(m.K)，表面传热系数为9W/(m2.K)，算得22crdmm，一般动力管道外径都大于临界热绝缘直径，所以很少有必要考虑。9-2换热器的型式及对数平均温差一.换热器1.定义：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统称换热器。2.分类：按换热器操作过程可将其分为问壁式、混合式及蓄热式(或称回热式)三大类。①间壁式换热器：冷、热流体由壁面间隔开来而分别位于壁面的两侧。②混合式换热器：冷、热两种流体通过直接接触、互相混合来实现换热。火力发电厂中的冷却塔、化工厂中的洗涤塔等属于这—类。这种换热器在应用上常受到冷热两种流体不能混合的限制。③蓄热式换热器：冷、热两种流体依次交替地流过同一换热表面而实现热量交换的设备称为蓄热式换热器。在这种换热器中，固体壁面除了换热以外还起到蓄热的作用：高温流体流过时，固体壁面吸收并积蓄热量，然后释放给接着流过的低温流体。显然，这种换热器的热量传递过程是非稳态的。在空气分离装置、炼铁高炉及炼钢平炉中常用这类换热器来预冷或预热空气。二.间壁式换热器的主要型式1.套管式换热器这是最简单的一种间壁式换热器，依两种流体的流动方向不同而又有顺流布置及逆流布置之别(图9－5a、b)。实际使用时，为增加换热面积可采用如图9－5c所示结构。总的来说，这类间壁式换热器适用于传热量不大或流体流量不大的情形。(2)壳管式换热器。这是间壁式换热器的一种主要形式，又称管壳式换热器。化工厂中的加热器、冷却器，电厂中的冷凝器、冷油器以及压缩机的中间冷却器等都是壳管式换热器的实例。图9－6是一种最简单的壳管式换热器的示意图。它的传热面由管束构成，管子的两端固定在管扳上，管束与管板再封装在外壳内，外壳两端有封头。—种流体(图中冷流体)从封头进口流进管子里，再经封头流出。这条路径称为管程。另一种流体从外壳上的连接管进入换热器，在壳体与管子之间流动，这条路径称为壳程。管程流体和壳程流体互不掺混，只是通过管壁交换热量。在同样流速下，流体横向掠过管子的换热效果要比顺着管面纵向流过时为好，因此外壳内一般装有折流挡板，来改善壳程的换热。为了提高管程流体的流速，在图9-6所示的换热器中，一端的封头里加了一块隔板，构成了两管程的结构，称为1-2型换热器(此处l表示壳程数，2表示管图9-5套管式换热器示意图图9-6简单的壳管式换热器示意图程数)。图9－7所示是—个1-2型换热器的剖面图。图中管束采用U型管。这种结构型式的优点是可以避免因管子受热膨胀引起的热应力。在壳体两端封头里加装必要数量的隔扳，还可以得到4、6、8等多管程的结构。把几个壳程串联起来也能得到多壳程结构。图9-8所示是由两个1－2型换热器串联组成的一个2－4型换热器。(3)交叉流换热器。它是间壁式换热器的又一种主要型式。根据换热表面结构的不同又可有管束式、管翅式及板翅式等的区别，如图9-9所示。锅炉装置中的蒸汽过热器、省煤器、空气预热器是管束式交叉流换热器的例子(图9－9a)。汽车发动机的散热器(图9－9b)属于管翅式，其中换热管(一般为椭圆管或扁管)外布置了多层翅片以强化空气侧的换热。板翅式换热器(图9－9c)广泛应用于低温工程中。在管束式及管翅式换热器中，管内流体在各自管子内流动，管与管间不相互掺混。在管束式换热器中管外流体可以自由掺混，而在如图9－9b所示的管翅式换热器中管外流体由于受翅片的分隔也不能自由掺混。在图9-9c所示结构的板翅式换热器中两种流体都不能自由掺混。交叉流换热器中流体各部分是否可以自由掺混，对于计算换热器的平均温差有—定的影响。在工程技术领域中，常以图9-71-2型换热器剖面示意图图9-82-4型换热器示意图图9-9交叉流换热器示意图单位体积内所包含的换热面积作为衡量换热器紧凑程度的指标，并把这—指标大于700m2/m3的换热器称为紧凑式换热器。板翅式换热器多属于紧凑式，由于其单位体积内的换热量很大，近年来应用日益广泛。(4)板式换热器。板式换热器由一组儿何结构相同的平行薄平板叠加所组成，两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动。为强化换热并增加板片的刚度，常在平板上压制出各种波纹。板式换热器中冷、热流体的流动有多种布置方式，图9－10a所示为1－l型板式换热器的逆流布置，这里的1－1型表示冷、热流体都只流过一个通道。图9－10b所示是板式换热器换热表面的排列情形；图9－10c是这种换热器的一种外形简图。板式换热器拆卸清洗方便，故适合于合有易结垢物的流体(如牛奶等有机流体)的换热。(5)螺旋板式换热器。螺旋板式换热器的换热表面系由两块金属板卷制而成，冷、热流体在螺旋状的通道中流动，图9-11所示是其两个方向的截面示意图。这种换热器换热效果较好，缺点是换热器的密封比较困难。2．简单顺流及逆流换热器的对数平均温差下面考察—个简单而具有典型意义的套管式换热器的工作特点。参看图9－12，热流体沿程放出热量温度不断下降，冷流体沿程吸热而温度上升，且冷、热流体间的温差沿程是不断变化的。因此，当利用传热方程式来计算整个传热面上的热流量时，必须使用整个传热面积上的平均温差(又称平均温压)，记为mt。据此，传热方程式的一般形式应为：图9-10板式换热器示意图图9-11螺旋板式换热器mkAt（9-10）