第九章第九章 传热过程分析与换热器的热计算传热过程分析与换热器的热计算本章要求掌握的内容：本章要求掌握的内容：定量：定量：传热过程的程的计算；算；对数平均温差的数平均温差的计算；算； 间壁式壁式换热器的器的设计计算及校核算及校核计算。算。定性：掌握定性：掌握传热过程的程的热阻分析法；阻分析法；传热过程程 强化与削弱措施。化与削弱措施。9-1 9-1 传热过程的分析和程的分析和计算算 传热过程：程：热量由壁面一量由壁面一侧的流体通的流体通过壁面壁面传到另到另一一侧流体中去的流体中去的过程称程称传热过程。程。 传热过程分析求解的程分析求解的基本关系基本关系为传热方程式方程式式中式中K K为传热系数系数（在容易与（在容易与对流流换热表面表面传热系系数想混淆数想混淆时，称，称总传热系数）。系数）。说明明： (1) (1)由于平壁的两由于平壁的两侧的面的面积是相等的，因此是相等的，因此传热系数的数系数的数值不不论对哪一哪一侧来来说都是一都是一样的的。 （2 2） h h1 1和和h h2 2的的计算；（算；（3 3）如果）如果计及及辐射射时对流流换热系数系数应该采采用等效用等效换热系数系数( (总表面表面传热系数系数) )9.1.1 9.1.1 通通过平壁的平壁的传热单层多多层9.1.2 9.1.2 通通过圆管的管的传热内部内部对流：流：圆柱面柱面导热：外部外部对流：流：hiho对外外侧面面积而言得而言得传热系数的定系数的定义式由下式表示：式由下式表示：从从热阻的角度来看阻的角度来看 上面三式相加上面三式相加9.1.3 9.1.3 通通过肋壁的肋壁的传热肋壁面肋壁面积：稳态下下换热情况：情况：肋面肋面总效率效率以肋以肋侧表面表面积为基准的肋壁基准的肋壁传热系数系数定定义肋化系数：肋化系数：则传热系数系数工程上一般都以未加肋工程上一般都以未加肋时的表面的表面积为基准基准计算肋壁算肋壁传热系数系数所以，只要所以，只要 就可以起到就可以起到强化化换热的效果。的效果。由于由于值常常常常远大于大于1 1，而使，而使0 0的的值总是是远大于大于1 1，这就就使肋化使肋化侧的的热阻阻显著减小，从而增大著减小，从而增大传热系数的系数的值。 9.1.4 9.1.4 临界界热绝缘直径直径圆管外敷保温管外敷保温层后：后：可可见，保温，保温层使得使得导热热阻增加，阻增加，换热削弱；另一方面，降削弱；另一方面，降低了低了对流流换热热阻，使得阻，使得换热赠强，那么，那么，综合效果到底是合效果到底是增增强还是削弱呢？是削弱呢？这要看要看d d /dd/ddo2 o2 和和d d2 2 /dd/ddo2o22 2的的值可可见，确，确实是有一个极是有一个极值存在，从存在，从热量的基本量的基本传递规律可知，律可知，应该是极大是极大值。也就是。也就是说，d do2o2在在d do1o1- d- dcrcr之之间， 是增加的，是增加的，当当d do2o2大于大于d dcrcr时， 降低。降低。or临界界热绝缘直径直径B Bi i 是管道外表面的是管道外表面的毕渥数渥数 解：每米解：每米电线在不同的在不同的绝缘层外径外径d do o=0.0051+2=0.0051+2m m的散的散热量量为：【例例】外径外径为的的铝线，外包，外包 =0.15W/(mK)=0.15W/(mK)的的绝缘层。t tfofo=40C=40C，t twiwi70C70C。绝缘层表面与表面与环境境间的复合的复合传热系数系数h ho o=10W/(m=10W/(m2 2 K)K)。求：。求：绝缘层厚度厚度不同不同时每米每米电线的散的散热量。量。 (P(P465465) )取取do1070mm，计算算结果用果用图线表示于表示于图中。中。散散热量先增后减，有最大量先增后减，有最大值。一般的一般的动力保温管道很少有必要考力保温管道很少有必要考虑临界界热绝缘直径。直径。增加增加电线的的绝缘层厚度，可增厚度，可增强电流的通流的通过能力。能力。9.2 9.2 换热器的型式及平均温差器的型式及平均温差换热器器：用来使：用来使热量从量从热流体流体传递到冷流体，以到冷流体，以满足足规定的工定的工艺要求的装置。要求的装置。 9.2.1 9.2.1 换热器的分器的分类按照操作按照操作过程程v间壁式壁式换热器：器： 是指冷是指冷热流体被壁面隔开流体被壁面隔开进行行换热的的热交交换器。如暖器。如暖风机、燃气加机、燃气加热器、冷凝器、蒸器、冷凝器、蒸发器；器；v间壁式挨壁式挨热器种器种类很多，从构造上主要可分很多，从构造上主要可分为：管壳式、：管壳式、肋片管式、板式、板翅式、螺旋板式等，其中以前两种用肋片管式、板式、板翅式、螺旋板式等，其中以前两种用得最得最为广泛。另外，按流体流广泛。另外，按流体流动方向可有方向可有顺流、逆流、交流、逆流、交叉流之分。叉流之分。蓄蓄热式式换热器：器：换热器由蓄器由蓄热材料构成，并分成两半，冷材料构成，并分成两半，冷热流体流体轮换通通过它的一半通道，从而交替式地吸收和放出它的一半通道，从而交替式地吸收和放出热量，即量，即热流体流流体流过换热器器时，蓄，蓄热材料吸收并材料吸收并储蓄蓄热量，量，温度升高，温度升高，经过一段一段时间后切后切换为冷流体，蓄冷流体，蓄热材料放出材料放出热量加量加热冷流体。一般用于气体，如冷流体。一般用于气体，如锅炉中炉中间转式空气式空气预热器，全器，全热回收式空气回收式空气调节器等。器等。蓄热式换热器蓄热式换热器混和式换热器混和式换热器混合式混合式换热器：冷器：冷热流体流体直接接触，彼此混合直接接触，彼此混合进行行换热，在，在热交交换同同时存在存在质交交换，如空，如空调工程中工程中喷淋冷却塔，蒸汽淋冷却塔，蒸汽喷射射泵等；等；按表面按表面紧凑程度区分凑程度区分紧凑程度可用水力直径凑程度可用水力直径d dh h来区来区别，或用每立方米中的，或用每立方米中的传热面面积即即传热面面积密度密度来衡量。来衡量。适用于适用于传热量不大或流体流量不大的情形。量不大或流体流量不大的情形。 1 1、套管式、套管式换热器器9.2.2 9.2.2 间壁式壁式换热器主要型式器主要型式 优点优点结构简单，可利用标准管件。结构简单，可利用标准管件。两种流体都可在较高温度和两种流体都可在较高温度和压力下换热，传热系数大。压力下换热，传热系数大。传热面积可根据需要增减。传热面积可根据需要增减。套管式换热器套管式换热器缺点缺点单位换热面积金属耗量大，单位换热面积金属耗量大，价格较高。价格较高。检修、清洗不便。检修、清洗不便。2 2、壳管式、壳管式换热器器 间壁式壁式换热器的一种主要形式，又称管壳式器的一种主要形式，又称管壳式换热器。器。传热面由管束面由管束组成，管子两端固定在管板上，管束与管板再封成，管子两端固定在管板上，管束与管板再封装在外壳内。两种流体分装在外壳内。两种流体分管程管程和和壳程。壳程。1-21-2型型换热器器增加管程增加管程2-42-4型型换热器器进一步增加管程和壳程一步增加管程和壳程管壳式换热器管壳式换热器优点优点结构坚固，对压力和温度的结构坚固，对压力和温度的适用范围大。适用范围大。管内清洗方便，清洁流体宜管内清洗方便，清洁流体宜走壳程。走壳程。处理量大。处理量大。缺点缺点传热效率、结构紧凑性、传热效率、结构紧凑性、单位换热面积的金属耗单位换热面积的金属耗量等不如新型换热器。量等不如新型换热器。间壁式壁式换热器的又一种主要型式。其主要特点是冷器的又一种主要型式。其主要特点是冷热流体流体呈交叉状流呈交叉状流动。根据。根据换热表面表面结构的不同又可分构的不同又可分为管束式、管束式、管翅式管翅式及管及管带式、式、板翅式板翅式等。等。管束式管束式3 3、交叉流、交叉流换热器器 管翅式管翅式板翅式板翅式4 4 板式板式换热器：器：由一由一组几何几何结构相同的平行薄平板叠加所构相同的平行薄平板叠加所组成，冷成，冷热流体流体间隔地在每个通道中流隔地在每个通道中流动，其特点是拆卸清，其特点是拆卸清洗方便，故适用于含有易洗方便，故适用于含有易结垢物的流体垢物的流体。板板式式换换热热器器优点优点结构紧凑、体积小、重量轻。结构紧凑、体积小、重量轻。流体湍动程度大，强化流体湍动程度大，强化传热效果好。传热效果好。便于清洗和维修。便于清洗和维修。板式换热器板式换热器缺点缺点密封周边长，易泄漏。密封周边长，易泄漏。承压能力低（承压能力低（P2MPa）。）。流动阻力大，处理量小。流动阻力大，处理量小。5 5、螺旋板式、螺旋板式换热器器：换热表面由两表面由两块金属板卷制而成，金属板卷制而成，优点优点结构紧凑，单位体积结构紧凑，单位体积传热面积大。传热面积大。两种流体都能以高速流两种流体都能以高速流动，传热效率高。动，传热效率高。螺旋流动，有自冲刷作用，螺旋流动，有自冲刷作用，适于处理粘性和易结垢流体。适于处理粘性和易结垢流体。缺点缺点承压能力差（承压能力差（P1MPa，t500C）损坏后检修困难。损坏后检修困难。螺旋板式换热器9.3.1 9.3.1 简单顺流及逆流流及逆流换热器的器的对数平均温差数平均温差传热方程的一般形式方程的一般形式：流流动形式不同，冷形式不同，冷热流体温差沿流体温差沿换热面的面的变化化规律也不同律也不同. .换热器中冷流体温度沿器中冷流体温度沿换热面是不断面是不断变化的，因此，冷却化的，因此，冷却流体的局部流体的局部换热温差也是沿程温差也是沿程变化的。化的。 9.3 9.3 换热器中器中传热过程程对数平均温差的数平均温差的计算算以以顺流流情况情况为例，作如下假例，作如下假设：（1 1）冷）冷热流体的流体的质量流量量流量q qm2m2、q qm1m1以以及比及比热容容C C2 2,C,C1 1是常数；是常数；（2 2）传热系数是常数；系数是常数；（3 3）换热器无散器无散热损失；失；（4 4）换热面沿流面沿流动方向的方向的导热量可量可以忽略不以忽略不计。要想要想计算沿整个算沿整个换热面的平均温差，面的平均温差，首先需要知道当地温差随首先需要知道当地温差随换热面面积的的变化化, ,然后再沿整个然后再沿整个换热面面积进行平均。行平均。dt1dt2t1t2在假在假设的基的基础上，并已知冷上，并已知冷热流体的流体的进出口温度，出口温度，现在来看在来看图中微元中微元换热面面dAdA一段的一段的传热。温差。温差为：在固体微元面在固体微元面dAdA内，两种流体的内，两种流体的换热量量为: :dt1dt2t1t2对于于热流体流体: :对于冷流体于冷流体: :可可见，当地温差随，当地温差随换热面呈指数面呈指数变化，化，则沿整个沿整个换热面的平面的平均温差均温差为：(1)(1)(2)(2)(3)(3)(2)(2)(2)(2)、(3)(3)(3)(3)代入代入代入代入(1)(1)(1)(1)中中中中对数平均温差数平均温差不不论顺流逆流，流逆流，对数平均温差数平均温差可可统一用下式表示：一用下式表示： 平均温差的另一种更平均温差的另一种更为简单的形式是的形式是算算术平均平均温差温差，即，即3 3 算算术平均与平均与对数平均数平均平均温差的另一种更平均温差的另一种更为简单的形式是算的形式是算术平均温差，即平均温差，即算算术平均温差相当于温度呈直平均温差相当于温度呈直线变化的情况，因此，化的情况，因此，总是大于相是大于相同同进出口温度下的出口温度下的对数平均温差，当数平均温差，当 时，两者的差，两者的差别小于小于4 4；当；当 时，两者的差，两者的差别小于小于2.32.3。 实际换热器一般都是器一般都是处于于顺流和逆流之流和逆流之间，或者有，或者有时是是逆流，有逆流，有时又是又是顺流。流。对于于这种复种复杂情况，我情况，我们当然也可以当然也可以采用前面的方法采用前面的方法进行分析，但数学推行分析，但数学推导将非常复将非常复杂，实际上，上，逆流的平均温差最大，因此，人逆流的平均温差最大，因此，人们想到想到对纯逆流的逆流的对数平均数平均温差温差进行修正以行修正以获得其他情况下的平均温差。得其他情况下的平均温差。 _小于小于1 1的修正系数。的修正系数。 按逆流布置的按逆流布置的对数平均温差；数平均温差； 图10-2310-2310-2410-24给出了管壳式出了管壳式换热器和交叉流式器和交叉流式换热器的器的 。9.3.2 9.3.2 复复杂布置布置时换热器平均温差的器平均温差的计算算对于其它的叉流式于其它的叉流式换热器，其器，其传热公式中的平均温度的公式中的平均温度的计算关系式算关系式较为复复杂，工程上常常采用修正，工程上常常采用修正图表来完成表来完成其其对数平均温差的数平均温差的计算。具体的做法是：算。具体的做法是：（a a）由）由换热器冷器冷热流体的流体的进出口温度，按照逆流方式出口温度，按照逆流方式计算出相算出相应的的对数平均温差；数平均温差；（b b）从修正）从修正图表由两个无量表由两个无量纲数数查出修正系数出修正系数(c) (c) 最后得出叉流方式的最后得出叉流方式的对数平均温差数平均温差图10-23 110-23 12 2、1 14 4等多流程管壳式等多流程管壳式换热器的修正系数器的修正系数 图510 24、28等多流程管壳式换热器的修正系数图10-24 210-24 24 4、2 28 8等多流程管壳式等多流程管壳式换热器的修正系数器的修正系数 图10-25 10-25 交叉流，两种流体各自都不混合交叉流，两种流体各自都不混合时的修正系数的修正系数 图10-26 10-26 一次交叉流，一种流体混合、一种流体不混合一次交叉流，一种流体混合、一种流体不混合时的修正系数的修正系数 关于关于 的注意事的注意事项（1 1） 值取决于无量取决于无量纲参数参数 P P和和 R R式中：下式中：下标1 1、2 2分分别表示两种流体，上角表示两种流体，上角标 表示表示进口，口， 表示出口，表示出口，图表中均以表中均以P P为横坐横坐标，R R为参量。参量。（3 3）R R的物理意的物理意义：两种流体的：两种流体的热容量之比容量之比（2 2）P P的物理意的物理意义：流体：流体2 2的的实际温升与理温升与理论上所能达到上所能达到 的最大温升之比，所以只能小于的最大温升之比，所以只能小于1 1（4 4） 对于管壳式于管壳式换热器，器，查图时需要注意流需要注意流动的的“程程”数数9.3.3 9.3.3 各种流各种流动形式的比形式的比较(1)(1)顺流和逆流是两种极端情况，在相同的流和逆流是两种极端情况，在相同的进出口温度下，出口温度下，逆流的逆流的 最大，最大，顺流流则最小；最小；(2)(2)顺流流时 ，而逆流，而逆流时， 则可能大于可能大于 ，可，可见，逆流布置逆流布置时的的换热最最强。InOutInOut(3) (3) 一台一台换热器的器的设计要考要考虑很多因素，而不很多因素，而不仅仅是是换热的的强弱。比如，逆流弱。比如，逆流时冷冷热流体的最高温度均出流体的最高温度均出现在在换热器的同一器的同一侧，使得，使得该处的壁温特的壁温特别高，可能高，可能对换热器器产生生破坏，因此，破坏，因此，对于高温于高温换热器，又是需要故意器，又是需要故意设计成成顺流。流。xTIn OutxTIn Out冷凝冷凝蒸蒸发(4) (4) 对于有相于有相变的的换热器，如蒸器，如蒸发器和冷凝器，器和冷凝器，发生相生相变的的流体温度不流体温度不变，所以不存在，所以不存在顺流流还是逆流的是逆流的问题。(1)(1)设计计算：算：设计一个新的一个新的换热器，以确定所需的器，以确定所需的换热面面积(2)(2)校核校核计算：算：对已有或已已有或已选定了定了换热面面积的的换热器，在非器，在非设(3)(3) 计工况条件下，核算他能否工况条件下，核算他能否胜任任规定的新任定的新任务。换热器器热计算的基本方程式是算的基本方程式是传热方程式方程式及及热平衡式平衡式9-3 9-3 换热器的器的热计算算9.3.1 两种两种类型的型的设计和两种和两种设计方法方法1.两种两种类型的型的设计和两种和两种设计方法方法对于于设计计算算而言，而言，给定的是定的是 ，以及，以及进出口出口温度中的三个，最温度中的三个，最终求求独立独立变量：量：需要需要给定其中的定其中的5 5个个变量，才可以量，才可以计算另外三个算另外三个变量。量。2 2、两种、两种设计方法方法平均温差法平均温差法、效能效能- -传热单元数元数( ( -NTU-NTU) )法法对于于校核校核计算算而言，而言，给定的一般是定的一般是 ，A A，以及，以及2 2个个进口温度，待求的是口温度，待求的是(1)(1)初步布置初步布置换热面，并面，并计算出相算出相应的的总传热系数系数k k(2)(2)根据根据给定条件，由定条件，由热平衡式求出平衡式求出进、出口温度中的那个、出口温度中的那个待定的温度待定的温度(3)(3)由冷由冷热流体的流体的4 4个个进出口温度确定平均温差出口温度确定平均温差 (4)(4)由由传热方程式方程式计算所需的算所需的换热面面积A A，并核算并核算换热面流体面流体的流的流动阻力阻力(5)(5)如果流如果流动阻力阻力过大，大，则需要改需要改变方案重新方案重新设计。1 1、设计计算算9.3.2 9.3.2 平均温差法：平均温差法：直接直接应用用传热方程和方程和热平衡方程平衡方程进行行热计算。算。（1 1）先假）先假设一个流体的出口温度，按一个流体的出口温度，按热平衡式平衡式计算另一个出口算另一个出口温度；温度；（2 2）根据）根据4 4个个进出口温度求得平均温差出口温度求得平均温差 ；（3 3）根据）根据换热器的器的结构，算出相构，算出相应工作条件下的工作条件下的总传热系数系数k k；（4 4）已知）已知kAkA和和 ，按，按传热方程方程计算在假算在假设出口温度下的出口温度下的传热量；量；（5 5）根据）根据4 4个个进出口温度，用出口温度，用热平衡式平衡式计算另一个算另一个 ，这个个值和上面的和上面的 ，都是在假，都是在假设出口温度下得到的，因此，都不是出口温度下得到的，因此，都不是真真实的的换热量；量；（6 6）比）比较两个两个 值，满足精度要求足精度要求则结束，否束，否则，重新假定出，重新假定出口温度，重复口温度，重复(1)-(6)(1)-(6)，直至，直至满足精度要求。足精度要求。2 2、校核、校核计算算1 1、换热器效能的定器效能的定义换热器的效能按下式定器的效能按下式定义：换热器交器交换的的热流量：流量：9.3.3 9.3.3 换热器器热设计效能效能- -传热单元数法元数法2 2、顺流和逆流流和逆流时换热器效能的器效能的计算算根据根据热平衡式得：平衡式得：并假并假设 则有有式式， 相加：相加：整理：整理：由上一由上一节知道知道当当 时，类似推似推导可得可得合并写成合并写成令令类似的推似的推导可得可得逆流逆流换热器的效能器的效能为称称为传热单元数元数当冷当冷热流体之一流体之一发生相生相变时，即，即 趋于无于无穷大大时，于是，于是上面效能公式可上面效能公式可简化化为当两种流体的当两种流体的热容相等容相等时， 公式可以公式可以简化化为顺流流逆流逆流3 3、用、用传热单元数表示的效能元数表示的效能计算公式与算公式与图线NTUNTU：传热单元数，元数，换热器器热设计中的一个无量中的一个无量纲参数，在参数，在一点意一点意义上可看成是上可看成是换热器器kAkA大小的一种度量。大小的一种度量。对于比于比较复复杂的流的流动形式，可以参照教材形式，可以参照教材P488-489P488-489的的线算算图来来计算效能算效能 。顺流流逆流逆流图10-3210-32单壳程壳程换热器器图10-33 10-33 双壳程双壳程换热器器根据根据 及及 的定的定义及及换热器两器两类热计算的任算的任务可知，可知，设计计算是已知算是已知 求求 ，而校核，而校核计算算则是由是由 求取求取 值。它。它们计算步算步骤都与平都与平均温差中均温差中对应计算大致相似，故不再算大致相似，故不再细述。述。4、用效能、用效能传热单元数法（法）元数法（法）计算算换热器的步器的步骤5 5 换热器的器的结垢及垢及污垢垢热阻阻 污垢增加了垢增加了热阻，使阻，使传热系数减小，系数减小，这种种热阻成阻成为污垢垢热阻，用阻，用R Rf f表示，表示，式中：式中：k k为有有污垢后的垢后的换热面的面的传热系数，系数，k0k0为洁净换热面的面的传热系数。系数。4 4 换热器器设计时的的综合考合考虑 换热器器设计是是综合性的合性的课题，必，必须考考虑出投出投资，运行运行费用，安全可靠等用，安全可靠等诸多因素。多因素。对于两于两侧均已均已结构的管壳式构的管壳式换热器，以管子外表器，以管子外表面面为计算依据的算依据的传热系数可以表示成：系数可以表示成：如果管子外壁没有肋化，如果管子外壁没有肋化，则肋面肋面总效率效率 o o = 1 = 1。管壳式管壳式换热器的部分器的部分污垢垢热阻可以在表阻可以在表10-110-1种种查得得。【例例】流流 量量V Vl l= =3 39 9m m3 3/ /h h的的3 30 0号号透透平平油油，在在冷冷油油器器中中从从 t t1 1 冷冷却却到到 t t1 1 4 45 5。冷冷油油器器采采用用 1 12 2型型壳壳管管式式结构构，管管子子为铜管管，外外径径为1 1 5 5m mm m ，壁壁厚厚 1 1 m mm m 。的的河河水水作作为冷冷却却水水在在管管侧流流过，进口口温温 度度为t t2 23 33 3。 油油安安排排在在壳壳侧。油油侧的的换热系系数数h ho o4 45 50 0W W / /( ( m m2 2 K K ) )，水水侧的的换热系系数数 i i5 58 85 50 0W W / / ( ( m m2 2. .K K ) )。已已知知 3 30 0号号透透平平油油在在 运运 行行 温温 度度 下下 的的 物物 性性为 l l 8 8 7 7 9 9 k k g g / /m m3 3, , c c1 11.95kJ/(kgK)1.95kJ/(kgK)。求所需。求所需换热面面积。 【解解】 油油侧的的热流量：流量： q qm ml lc cl l(t(t1 1 - t - t1 1 ) ) l lV Vl lc cl l(t(t1 1 - t - t1 1 ) ) 87987939391.95(56.9-45)1.95(56.9-45)/3600/3600 798000kJ/h798000kJ/h221000221000W W冷却水的温升冷却水的温升 t t2 2 - t- t2 2 = = /( /(q qm m2 2c c2 2)=798000/(47700 4.19)=4 )=798000/(47700 4.19)=4 于是，冷却水的出口温度于是，冷却水的出口温度为 t233十437计算参量算参量 P P 和和 R R ： 查图10231023得得 0.97, 0.97, 平均温平均温压为按表按表101101取管内、外取管内、外侧污垢系数垢系数为2 2K/WK/W和和2 2K/WK/W，于是，于是总的的污垢系数垢系数为注：注： 污垢系数有内外之分垢系数有内外之分 管壁管壁导热热阻可以忽阻可以忽赂不不计 实际设计面面积可留可留1010的裕度，取的裕度，取为2 2。【例例】上例如冷油器的上例如冷油器的进口油温升高到口油温升高到，水的流量、，水的流量、进口温口温度以及油的流量均不度以及油的流量均不变，求出口油温和出口水温。，求出口油温和出口水温。【解解】：油和水的温度如升高很多，：油和水的温度如升高很多，则需考需考虑物性物性变化化对k k的的影响。影响。现在升高甚少，可在升高甚少，可认为传热系数仍系数仍为311W/(m311W/(m2 2.K).K)。此。此题应采用采用 NTU NTU 法法计算。算。计算如下：算如下：查图得得 。热流量流量 六、平均温差法与六、平均温差法与 -NTU -NTU法的比法的比较设计计算算时，两者的工作量差不多，只是平均温差法要，两者的工作量差不多，只是平均温差法要求求 ，可以知道流，可以知道流动布置与逆流的差距，有利于改布置与逆流的差距，有利于改进型型式的式的选择。校核校核计算算时， -NTU-NTU法工作量小一些，迭代法工作量小一些，迭代时对物性参物性参数数 k k 的影响也的影响也较小；小；9.4.1 9.4.1 强化化传热问题概概说l 增加增加k k ，主流主流l 增加温差，常常使不可逆增加温差，常常使不可逆损失增大失增大l 增大增大传热面面积9-5 9-5 传热的的强化和隔化和隔热保温技保温技术强化化传热的目的：的目的：缩小小设备尺寸；尺寸；提高提高热效率；效率；保保证设备安全。安全。在一定的在一定的传热面面积与温差下，增加与温差下，增加传热系数或系数或对流流传热系数系数的技的技术，称，称为强化化传热技技术。【例】【例】 压缩空气在中空气在中间冷却器的管外横掠流冷却器的管外横掠流过，h ho o=90W =90W /(m/(m2 2.K).K)。冷却水在管内流。冷却水在管内流过，h hi i=6000W/(m=6000W/(m2 2.K).K)。冷却管是外。冷却管是外径径为16mm16mm厚的黄厚的黄铜管。求：管。求：(a)(a)此此时的的传热系数；系数；(b)(b)如管外的如管外的对流流换热系数增加一倍，系数增加一倍，传热系数有何系数有何变化？化？(c)(c)如管内的如管内的对流流传热系数增加一倍，系数增加一倍，传热系数又作如何系数又作如何变化？化？(b) (b) 略去管壁略去管壁热阻，阻，传热系数系数为(c) (c) 略去管壁略去管壁热阻，阻，传热系数系数为解：解： (a) (a) 黄黄铜的的导热系数系数为111W/(m.K)111W/(m.K)管外的管外的对流流换热系数增加一倍，系数增加一倍，传热系数增加系数增加96%96%管内的管内的对流流传热系数增加一倍，系数增加一倍，传热系数增加不足系数增加不足1%1%强化化换热的原的原则：在：在热阻最大的阻最大的环节上下功夫上下功夫一般一般说来管壁来管壁热阻阻较小，常常要小，常常要强化化对流流热阻阻强化化对流流换热的原的原则： (1)(1)无相无相变的的对流流换热：减薄：减薄边界界层，加，加强流体混合；流体混合； (2) (2)核核态沸沸腾：增加汽化核心：增加汽化核心 (3) (3)膜状凝膜状凝结：减薄液膜及加速凝：减薄液膜及加速凝结液膜的排泄液膜的排泄 (4) (4)减小减小污垢垢热阻：工阻：工质的的预处理，定期清洗理，定期清洗 9.4.2 强化化换热技技术的分的分类：1 1、从固体、从固体侧着手与从流体着手与从流体侧着手角度分着手角度分类无源技无源技术：除除输送送传热介介质所需的功率外，不需附加所需的功率外，不需附加动力力l 涂涂层表面表面l 粗糙表面粗糙表面l 扩展表面展表面l 扰流元件流元件l 涡流流发生器生器l 螺旋管螺旋管l 添加物添加物l 冲冲击射流射流2 2、从是否使用外部、从是否使用外部动力源力源进行分行分类有源技有源技术 除除输送送传热介介质所需的功率外，需外加所需的功率外，需外加动力力 对介介质进行机械行机械搅拌拌 受受热面振面振动 流体振流体振动 电磁磁场 介介质种加入异物或介种加入异物或介质 强化化换热的方式的的方式的综合合评价价 应当当综合考合考虑传热效果、流效果、流动阻力、成本和运行阻力、成本和运行费用；用；3 3、按照、按照发展展历史分史分类削弱削弱传热的方法的方法 1 1 、覆覆盖盖热绝缘材材料料。常常用用的的材材料料日日前前有有：岩岩棉棉、泡泡沫沫塑塑料、微孔硅酸切、珍珠岩等。料、微孔硅酸切、珍珠岩等。 2 2 、改改变表表面面状状况况。即即改改变表表面面的的辐射射特特性性及及附附加加抑抑制制对流的元件。流的元件。 3 3 、遮、遮热板板9.4.5 9.4.5 隔隔热保温技保温技术(Thermal Insulation and Insulating)(Thermal Insulation and Insulating) 隔隔热保温技保温技术是是强换传热的反的反过程，是程，是传热学的一个学的一个重要分支。重要分支。保温效率保温效率(Insulation Efficiency)(Insulation Efficiency) 是一个判断是一个判断热力管道保温力管道保温优劣的技劣的技术指指标，它以下式定，它以下式定义：式中：式中： 0 0-每每单位位长度裸管的散度裸管的散热量，量，W/mW/m； x x-每每单位位长度包有厚度包有厚x xmmmm保温材料的保温材料的 管子的散管子的散热量，量， W/m W/m。工工业换热器中的管内流体的流器中的管内流体的流动一般都是一般都是处于旺盛湍流状于旺盛湍流状态，h hi i与流速与流速u u0.80.8成正比，因此，可以写成成正比，因此，可以写成 的形式，的形式，带入上式：入上式：总表面表面传热系数可以表示成：系数可以表示成：9.4.4 9.4.4 热阻分离法威阻分离法威尔逊图解法解法上式右上式右边的前三的前三项可可认为是常数，用是常数，用b b表示，物性不表示，物性不变的情况的情况下，下， 可以可以认为是常数，用是常数，用m m表示，于是上式可表示，于是上式可变为改改变管内流速管内流速u u，则可以可以测得一系列的得一系列的总表面表面传热系系数，然后数，然后绘制成制成图，则是是一条直一条直线。威威尔逊图解法解法从从图中可以中可以获得得b b，m m，和，和c ci i，则管子内管子内侧的的对流流换热系数系数这样就将内部就将内部热阻从阻从总传热系数中分离出来。系数中分离出来。当当换热器器运运行行一一段段时间后后，再再进行行同同样过程程的的测量量，可可以以获得得另另外外一一条条曲曲线，则两两条条曲曲线截截距距之之差差就就是是污垢垢热阻阻，这样又把又把污垢垢热阻分离出来了。阻分离出来了。