第十章 传热过程分析与换热器的热计算 在详细讨论了在详细讨论了导热、对流、辐射导热、对流、辐射三种热量传递方式的特点和计三种热量传递方式的特点和计算方法以后，本章将综合应用这些知识来分析一些典型工程传热问算方法以后，本章将综合应用这些知识来分析一些典型工程传热问题。题。本章将从四个方面展开讨论：本章将从四个方面展开讨论：1.首先分析与计算通过几种不同几何形状固体壁面的传热过程。首先分析与计算通过几种不同几何形状固体壁面的传热过程。2.然后针对一种典型的实现两种流体热量交换的设备然后针对一种典型的实现两种流体热量交换的设备间壁式间壁式换热器。换热器。3.本书以前一些章节中曾陆续介绍过一些强化或削弱热量传递过程本书以前一些章节中曾陆续介绍过一些强化或削弱热量传递过程的方法，本章第四节将对其进一步归纳与总结。的方法，本章第四节将对其进一步归纳与总结。4.本章最后将对几个复杂的热量传递过程的例子进行综合分析。本章最后将对几个复杂的热量传递过程的例子进行综合分析。本章要点：本章要点：本章要点：本章要点：1.1.着重掌握着重掌握着重掌握着重掌握传热过程的分析和计算（肋壁的传热）传热过程的分析和计算（肋壁的传热）传热过程的分析和计算（肋壁的传热）传热过程的分析和计算（肋壁的传热）2.2.着重掌握临界热绝缘直径的概念和分析计算着重掌握临界热绝缘直径的概念和分析计算着重掌握临界热绝缘直径的概念和分析计算着重掌握临界热绝缘直径的概念和分析计算3.3.着重掌握顺流及逆流的对数平均温差的分析计算着重掌握顺流及逆流的对数平均温差的分析计算着重掌握顺流及逆流的对数平均温差的分析计算着重掌握顺流及逆流的对数平均温差的分析计算4.4.掌握换热器的型式和分类以及换热器的热设计掌握换热器的型式和分类以及换热器的热设计掌握换热器的型式和分类以及换热器的热设计掌握换热器的型式和分类以及换热器的热设计5.5.了解了解了解了解传热的强化和隔热保温技术及有关问题分析传热的强化和隔热保温技术及有关问题分析传热的强化和隔热保温技术及有关问题分析传热的强化和隔热保温技术及有关问题分析本章难点：临界热绝缘直径、对数平均温差的概念和分析计算本章难点：临界热绝缘直径、对数平均温差的概念和分析计算本章难点：临界热绝缘直径、对数平均温差的概念和分析计算本章难点：临界热绝缘直径、对数平均温差的概念和分析计算本章主要内容：本章主要内容：本章主要内容：本章主要内容：第一节第一节第一节第一节 传热过程的分析和计算传热过程的分析和计算传热过程的分析和计算传热过程的分析和计算第二节第二节第二节第二节 换热器的类型换热器的类型换热器的类型换热器的类型第三节第三节第三节第三节 换热器中传热过程平均温差的计算换热器中传热过程平均温差的计算换热器中传热过程平均温差的计算换热器中传热过程平均温差的计算第四节第四节第四节第四节 间壁式换热器的热设计间壁式换热器的热设计间壁式换热器的热设计间壁式换热器的热设计第五节第五节第五节第五节 热量传递过程的控制热量传递过程的控制热量传递过程的控制热量传递过程的控制( ( ( (强化与强化与强化与强化与削弱削弱削弱削弱) )10-1 传热过程的分析与计算 传热过程：一侧的热流体通过固体壁面把热量传给另一侧冷流体的过程。 传热过程分析求解的基本关系为传热方程式，即 式中k为传热系数。1. 1. 通过平壁的传热过程计算通过平壁的传热过程计算 2. 2. 通过圆筒壁的传热过程计算通过圆筒壁的传热过程计算通过圆筒壁的传热过程计算通过圆筒壁的传热过程计算每米管长的传热量：每米管长的传热量：对于多层圆管对于多层圆管 每米管长的传热量：每米管长的传热量：3. 3. 3. 3. 通过肋壁的传热过程计算通过肋壁的传热过程计算通过肋壁的传热过程计算通过肋壁的传热过程计算加肋侧的面积A2肋片表面积A2两肋片之间壁的表面积A2”A2 A1肋化系数肋化系数：肋片越高，肋距越小，肋化系数就越大。肋片与流体的换热量肋片与流体的换热量 f为肋片效率为肋片效率加肋侧与流体的换热量加肋侧与流体的换热量肋壁总效率肋壁总效率肋壁的导热热量加肋侧流体的换热量不加肋侧与流体的换热量肋壁的传热公式肋壁的传热公式以以A1为基准的肋壁的传热系数为基准的肋壁的传热系数 对于蒸汽加热的暖气包，由于蒸汽凝结换热系数对于蒸汽加热的暖气包，由于蒸汽凝结换热系数h h1 1远远大远远大于暖气包对室内空气自然对流时的于暖气包对室内空气自然对流时的h h2 2，使这一传热过程中的总，使这一传热过程中的总热阻完全决定于热阻完全决定于h h2 2一侧的换热热阻。因此在一侧的换热热阻。因此在h h2 2一侧加导热热阻一侧加导热热阻较小的肋片是最有效的改进措施。较小的肋片是最有效的改进措施。 在表面传热系数较小的一侧采用肋壁是强化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。的一种行之有效的方法。 在冷热介质温度一定时，要增强传热可以加大h1、h2、A1、A2以及减小。最有效的措施是改变上列某些值后，可减小各最有效的措施是改变上列某些值后，可减小各项分热阻中最大的那一个热阻值。项分热阻中最大的那一个热阻值。例例1： 一平壁一侧加肋，加肋后面积为A2，肋化系数=13，肋壁总效率tot。壁的厚度=10mm，材料的导热系数=50W/(mK)，相对应的换热系数为h1=200W/(m2 K)和h2=10W/(m2 K) ，流体温度tf1=75C和tf2=15 C。求以A1为基准，其单位面积的传热量q1，并与不加肋时的传热量q比较。解：解：q1/ / /例例2：墙厚240mm，室内空气的温度为20 C ，室外空气的温度为-10 C ；砖墙的导热系数W/(mK)，室内空气对墙面的换热系数为h1=8W/(m2 K) ，室外空气的换热系数为h2=37W/(m2 K) （考虑了辐射换热的因素）。试求冬季室内、外空气通过砖墙传递的热量和砖墙内侧的温度。（不考虑门、窗的传热影响）4. 4. 临界热绝缘直径临界热绝缘直径临界热绝缘直径临界热绝缘直径( (与热绝缘层经济厚度与热绝缘层经济厚度与热绝缘层经济厚度与热绝缘层经济厚度) )在圆管外覆盖一层热绝缘材料时在圆管外覆盖一层热绝缘材料时则每米管长的总热阻为：则每米管长的总热阻为：(1)+(2)(4)(3)R总,ldROd2dcrd3dql 即当即当时，热阻值为最小。单位管长传热量时，热阻值为最小。单位管长传热量ql为最大值。为最大值。此时的此时的dx称为称为“临界热绝缘直径临界热绝缘直径”，用，用dcr表示。表示。 注意：注意： dcr时，保温层越厚，保温效果越好时，保温层越厚，保温效果越好Q dcr时，保温层厚度要超过时，保温层厚度要超过d3后才起作用。后才起作用。2的保温材料，使的保温材料，使dcr热绝缘层经济厚度热绝缘层经济厚度热绝缘层经济厚度热绝缘层经济厚度: :每年的热损失与热绝缘投资最少时对应的热每年的热损失与热绝缘投资最少时对应的热每年的热损失与热绝缘投资最少时对应的热每年的热损失与热绝缘投资最少时对应的热绝缘厚度称为热绝缘层经济厚度。绝缘厚度称为热绝缘层经济厚度。绝缘厚度称为热绝缘层经济厚度。绝缘厚度称为热绝缘层经济厚度。Od2dcrd3dql绝缘层厚度R总,l费用经济厚度经济厚度例：例：例：例：有一外径为有一外径为有一外径为有一外径为mm的管道要作保温处理。现有两种隔热材料，其的管道要作保温处理。现有两种隔热材料，其的管道要作保温处理。现有两种隔热材料，其的管道要作保温处理。现有两种隔热材料，其一一一一A:A:的导热系数为的导热系数为的导热系数为的导热系数为w/(mw/(m0 0c);c);其二其二其二其二B:B:的导热系数为的导热系数为的导热系数为的导热系数为w/(mw/(m0 0c)c)。已知。已知。已知。已知管的换热系数为管的换热系数为管的换热系数为管的换热系数为w/(mw/(m0 0c)c)。试问选择哪一种材料合适？。试问选择哪一种材料合适？。试问选择哪一种材料合适？。试问选择哪一种材料合适？用热绝缘层的目的用热绝缘层的目的1. 节约燃料。2. 满足工程技术条件的要求。3. 改善劳动条件。对热绝缘材料的要求对热绝缘材料的要求 凡导热性低的材料都可以被用作热绝缘层。不过，通常将导热系数值小于 （mK）的材料称为隔热材料。热绝缘材料具有下述性能： （1）导热性。 （2）机械性能，如抗压和抗拉强度等。 （3）不吸水性和耐高热的能力。10-2 换热器的类型 一、换热器的分类一、换热器的分类 1.1.换热器：换热器：把热量从热流体传递给冷流体的热力设备。把热量从热流体传递给冷流体的热力设备。 2.2.按换热器操作过程分为：按换热器操作过程分为：间壁式、混合式及蓄热式间壁式、混合式及蓄热式( (或称回或称回 热式热式) )三大类。三大类。 1）间壁式：冷、热流体被间壁隔开，通过间壁换热。）间壁式：冷、热流体被间壁隔开，通过间壁换热。2）混合式：冷、热流体通过直接接触换热。）混合式：冷、热流体通过直接接触换热。3）回热式：冷、热流体周期性地流过固体壁面换热。）回热式：冷、热流体周期性地流过固体壁面换热。 在三类换热器中以间壁式换热器应用最广，本节将对其结构在三类换热器中以间壁式换热器应用最广，本节将对其结构型式及换热器中冷、热流体间的平均温差的计算方法作比较详型式及换热器中冷、热流体间的平均温差的计算方法作比较详细的介绍。近年发展起来的热管换热器是一种有相变的间壁式细的介绍。近年发展起来的热管换热器是一种有相变的间壁式换热器，其工作原理具有一定特点第十章中有专门介绍。换热器，其工作原理具有一定特点第十章中有专门介绍。二、间壁式换热器的主要形式二、间壁式换热器的主要形式 1）套管式换热器套管式换热器。这是最简单的一种间壁式换热器，其结构如下图所示。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。实际使用时，为增加换热面积可采用c所示结构。图图9-3套管式换热器示意图套管式换热器示意图间壁式热交换器间壁式热交换器管式热交换器板式热交换器壳管式热交换器壳管式热交换器肋片管式热交换器肋片管式热交换器套管式热交换器套管式热交换器板翅式热交换器板翅式热交换器平行板式热交换器平行板式热交换器螺旋板式热交换器螺旋板式热交换器 2)管壳式换热器管壳式换热器。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9-4是一种最简单的壳管式换热器的示意图。一种流体(图中冷流体)从封头进口流进管于里，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。图图9-4简单的壳管式换热器示意图简单的壳管式换热器示意图 为了提高管程流体的流速，在图9-4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l-2型换热器(此处l表示壳程数，2表示管程数)。图9-5所示是一个1-2型换热器的剖面图。图图9-59-51-21-2型换热器剖面示意图型换热器剖面示意图 3）交叉流换热器交叉流换热器。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9-6所示图图9-69-6交叉流换热器示意图交叉流换热器示意图 4）板式换热器板式换热器。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，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9-7所示为1-1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。板式换热器拆卸清洗方便，故适合于含有易污染物的流体(如牛奶等有机流体)的换热。图图9-7 9-7 板式换热器示意图板式换热器示意图 5）螺旋板式换热器螺旋板式换热器。螺旋板式换热器的换热表面是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9-8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。三、提高换热器紧凑性的途径三、提高换热器紧凑性的途径 缩小体积、减轻重量缩小体积、减轻重量四、管壳式换热器的近期发展四、管壳式换热器的近期发展图图10-12-8 10-12-8 螺旋板式换热器螺旋板式换热器按流动方向分类：按流动方向分类：按流动方向分类：按流动方向分类：1.顺流式顺流式2.逆流式逆流式3.叉流式叉流式4.混合流式（杂流式）混合流式（杂流式）按流程分类：按流程分类：按流程分类：按流程分类：单流程：单流程：双流程：双流程：多流程：多流程：10-3 10-3 10-3 10-3 换热器中传热过程平均温差的计算换热器中传热过程平均温差的计算换热器中传热过程平均温差的计算换热器中传热过程平均温差的计算 1. 1. 简单顺、逆流换热器平均温差的计算简单顺、逆流换热器平均温差的计算 在换热器中，热流体沿程放出热量温度不断下降；冷流体沿程吸收在换热器中，热流体沿程放出热量温度不断下降；冷流体沿程吸收热量而温度不断上升。当利用传热方程式来计算整个传热面上的热流热量而温度不断上升。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量时，必须使用整个传热面积上的平均温差( (又称平均温压又称平均温压) )，记为，记为ttm m。据此，传热方程式的一般形式应为。据此，传热方程式的一般形式应为: : =kAt=kAtm m tAtAtAtA 设设t t1 1，t t1 1，q qm1m1和和c c1 1分别表示热流体的进出口温度、流量和分别表示热流体的进出口温度、流量和比热容；比热容； t t2 2，t t2 2，q qm2m2和和c c2 2分别表示冷流体的进出口温度、流分别表示冷流体的进出口温度、流量和比热容。（四个假设书中：量和比热容。（四个假设书中：P P 324324）热流体放出的热量热流体放出的热量冷流体吸收的热量冷流体吸收的热量对数平均温差公式推导对数平均温差公式推导对数平均温差公式推导对数平均温差公式推导对微元面积对微元面积dA，传热方程为，传热方程为对数平均温差对数平均温差对逆流换热过程对逆流换热过程对逆流换热过程对逆流换热过程tA对数平均温差对数平均温差tAt”t叉流和混合流叉流和混合流叉流和混合流叉流和混合流 （壳管式换热器与交叉流式换热器）（壳管式换热器与交叉流式换热器）（壳管式换热器与交叉流式换热器）（壳管式换热器与交叉流式换热器）逆流时的对数平均温差2. 2. 其他复杂布置时流换热器平均温差的计算其他复杂布置时流换热器平均温差的计算计算计算P P、R R 值，查图表定值，查图表定e3. 3. 各种流动形式的比较各种流动形式的比较 在各种流动形式中，顺流和逆流可以看作是两种极端情况。在相同的进、在各种流动形式中，顺流和逆流可以看作是两种极端情况。在相同的进、出口温度条件下，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。逆流的平均温差最大，顺流的平均温差最小。而其他各种而其他各种流动形式介与顺流和逆流之间。流动形式介与顺流和逆流之间。 逆流的缺点是：热流体和冷流体的最高温度集中在换热器的同一端，使得逆流的缺点是：热流体和冷流体的最高温度集中在换热器的同一端，使得该处的温度特别高，这是应该避免的。该处的温度特别高，这是应该避免的。例：已知一换热器，热流体进口温度例：已知一换热器，热流体进口温度t t1 1=300=3000 0C,C,出口温度出口温度 为为t t1 1 = 210 = 2100 0C C；冷流体进口温度；冷流体进口温度t t2 2=100=1000 0C,C,出口出口温度温度 为为t t2 2=200=2000 0C C。求换热器在顺流布置和逆流布置时。求换热器在顺流布置和逆流布置时的的 对数平均温差，试说明哪一种布置换热效果好。对数平均温差，试说明哪一种布置换热效果好。10-4 间壁式换热器的热设计 一、两种一、两种类型的设计和两种设计方法类型的设计和两种设计方法 两种类型的设计：设计计算、两种类型的设计：设计计算、校核计算校核计算 1.设计计算：设计一个新的换热器，以确定换热器所需的 换热面积。 2.校核计算：对已有的或巳选定了换热面积的换热器。在 非设计工况条件下核算它能否胜任规定的换热任务。 3.基本原理为传热方程式及热平衡方程式： =kAtm 两种设计方法：平均温差法及传热单元数法两种设计方法：平均温差法及传热单元数法二、换热器热设计的平均温差法二、换热器热设计的平均温差法 所谓平均温差法，就是直接应用式(9-14)、(9-15)进行热计算的方法。 1.)1.)平均温差法用作设计计算时步骤如下：平均温差法用作设计计算时步骤如下： (1)初步布置换热面，并计算出相应的传热系数k。 (2)根据给定条件，由热平衡式(9-15)求出进、出口温度中的那个待定 的温度。 (3)由冷、热流体的4个进、出口温度确定平均温差tm，计算时要注 意保持修正系数具有合适的数值。 (4)由传热方程式(9-14)求出所需的换热面积A，并核算换热两侧流体 的流动阻力。 (5)如流动阻力过大，改变方案重新设计。 2.)2.)平均温差法用作校核计算时步骤如下：平均温差法用作校核计算时步骤如下： (1)先假设一个流体的出口温度,按热平衡方程求出另一个流体的出口 温度。 (2)根据4个进、出口温度求得平均温差tm 。 (3)根据换热器的结构、算出相应工作条件下传热系数k的值。 (4)已知kA和tm ，按传热方程式求出值。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4个进、出口温度，用热平衡式求得另一个值，同理，这个 值也是假设性的。 (6)比较步骤(4)和(5)中求得的两个值。一般来说，两者总是不同 的。这说明步骤(1)中假设的温度值不符合实际。再重新假设一个 流体的出口温度，重复以上步骡(1)至(6)，直到由步骤(4)和(5) 求得的两个值彼此接近时为止。至于两者接近到何种程度方称 满意，则由所要求的计算精确度而定。一般认为两者之差应小于 25。三、换热器热设计的效能三、换热器热设计的效能- -传热单元数法传热单元数法 传热单元数和换热器的效能传热单元数和换热器的效能 换热器的效能按下式定义： 传热单元数按下式定义： 效能表示换热器的实际换热效果与最大可能的换热效果之比。已知后，换热器交换的热流量即可根据两种流体的进口温度确定：则： 用效能用效能- -传热单元数（传热单元数（-NTU-NTU法）计算换热器的步骤法）计算换热器的步骤 根据及NTU的定义及换热器两类热计算的任务可知，设计计算是已知求NTU，而校核计算则是由NTU求取 ，如图9-9中箭头所示。它们的计算步骤都与平均温差法中对应计算大致相似。图图9-9 9-9 可作为逆流、顺流处理的情况可作为逆流、顺流处理的情况换热器设计时的综合考虑换热器设计时的综合考虑1 1）换热器设计是个综合性的课题，必须考虑初投资、运行费用、安全可靠等）换热器设计是个综合性的课题，必须考虑初投资、运行费用、安全可靠等因素，而以达到最佳的综合技术经济指标为目标。因素，而以达到最佳的综合技术经济指标为目标。2 2）换热器的热计算仅是这个综合性课题的一个局部组成，其他计算还有流动）换热器的热计算仅是这个综合性课题的一个局部组成，其他计算还有流动阻力计算、材料强度计算及必要的技术经济分析与比较等。阻力计算、材料强度计算及必要的技术经济分析与比较等。四、换热器的污垢热阻四、换热器的污垢热阻1 1）污垢热阻）污垢热阻 R R f f = 1 / k - 1 / k= 1 / k - 1 / k0 0 其中：其中： k k0 0为洁净换热面的传热系数；为洁净换热面的传热系数； k k为有污垢的换热面的传热系数。为有污垢的换热面的传热系数。2 2）传热系数（已结垢的）传热系数（已结垢的） P494 (10-25) P494 (10-25)式式3 3）污垢热阻）污垢热阻R Rf f的参考值（表的参考值（表10-110-1、2 2、3 3）例：有一间壁式油冷却器，壳程为单程，管侧为二程（例：有一间壁式油冷却器，壳程为单程，管侧为二程（1-21-2型管型管壳式结构）。需冷却的油的流量为壳式结构）。需冷却的油的流量为35t/h35t/h，油的，油的t t1 1=58=580 0C C。要求。要求其出口温度不得超过其出口温度不得超过45450 0C C。若用流量为。若用流量为45t/h45t/h的冷却水冷却，其的冷却水冷却，其入口温度入口温度t t2 2=30=300 0C C传热系数传热系数K=340w/(mC)K=340w/(mC)，求换热器最小传热，求换热器最小传热面积。已知油的面积。已知油的C Cp p=1.95kj/(kg =1.95kj/(kg 0 0C),C),水的水的C Cp p=4.18kj/(kg =4.18kj/(kg 0 0C)C)。9-5 热量传递过程的控制（强化强化与削弱削弱）1. 1. 1. 1. 强化传热的原则和强化对流换热的手段强化传热的原则和强化对流换热的手段强化传热的原则和强化对流换热的手段强化传热的原则和强化对流换热的手段2. 2. 2. 2. 确定传热过程分热阻的威尔逊图解法确定传热过程分热阻的威尔逊图解法确定传热过程分热阻的威尔逊图解法确定传热过程分热阻的威尔逊图解法3. 3. 3. 3. 隔热保温技术隔热保温技术隔热保温技术隔热保温技术传热问题的综合分析1. 1. 1. 1. 一个测定热流密度的简单方法一个测定热流密度的简单方法一个测定热流密度的简单方法一个测定热流密度的简单方法2. 2. 2. 2. 肋片的另一作用肋片的另一作用肋片的另一作用肋片的另一作用-改变换热壁面的温度工况改变换热壁面的温度工况改变换热壁面的温度工况改变换热壁面的温度工况3. 3. 3. 3. 轿车后窗玻璃的热分析轿车后窗玻璃的热分析轿车后窗玻璃的热分析轿车后窗玻璃的热分析 第十章第十章小结小结： 1.传热过程：传热过程：传热系数，肋化系数，临界热绝缘直径传热系数，肋化系数，临界热绝缘直径基本概念基本概念 ：2.换热器及其型式、分类，对数平均温差（逆流、顺流）换热器及其型式、分类，对数平均温差（逆流、顺流）基本原理基本原理：传热过程的分析计算传热过程的分析计算传热过程的分析计算传热过程的分析计算临界临界临界临界热绝缘直径的分析计算热绝缘直径的分析计算对数平均温差对数平均温差的分析计算的分析计算基本定律基本定律：相关的计算公式相关的计算公式相关的计算公式相关的计算公式间壁式换热器的热设计间壁式换热器的热设计