(13)第十二章

( tm )cf 为冷 、 热流体进 、出口温度相同情况下逆流时 为冷、 热流体进、
′′ ′ t2 t2 P= ′ t1′ t2 t '1 t1′′ R= ′′ ′ t2 t2
1壳程，2、4、6、8 … 管程的 ψ 值 壳程，
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m
m cf
（2）换热器传热计算的平均温差法： 换热器传热计算的平均温差法： 换热器传热计算的基本公式： 换热器传热计算的基本公式：
′′ ′ Φ = qm 2 c p 2 ( t 2 t 2 )
3个方程有8个独立变量，只要知道其中5个变量， 个方程有8个独立变量，只要知道其中5个变量， 可求其它3 可求其它3个。 1）设计计算： 设计计算： 根据生产任务的要求， 给定冷、 根据生产任务的要求 ， 给定冷 、 热流体的质量流 个进出口温度中的3 量 qm1、qm 2 和4个进出口温度中的3个，需确定换热器 的型式、结构， 的型式、结构，计算传热系数k及换热面积A。
β = A2 A1 称为肋化系数。 称为肋化系数 肋化系数。
10
1 ′ 而加肋前为 Rh2 = ， Rh2 / Rh2 = βη A1h2
′ 加肋后， 加肋后，肋侧的对流换热热阻是 Rh2 =
1 A2η h2
，
合理选择肋化系数β。
工程上， 工程上 ， 通常采用以肋侧表面积 A2为基准的传热 系数k2来计算
求出未知的进、出口温度， 求出未知的进、出口温度，并求出换热量Φ ； (c)由4个进、出口温度及流动型式求平均温差 (c)由 个进、
′′ ′ Φ = qm 2 c p 2 ( t 2 t 2 )
Φ = qm1c p1 ( t1′ t1′′)
tm
；
(d) 由式 Φ = kAtm求出所需的换热面积A ;
i =1 n
tf1 tf 2 = n di +1 1 1 1 +∑ ln + π d1lh1 i =1 2πλi l di π d n +1lh2
6
4. 通过肋壁的传热过程
对于两侧表面传热系数相差较大的传热过程， 对于两侧表面传热系数相差较大的传热过程 ， 在 表面传热系数较小的一侧壁面上加肋（扩大换热面积） 表面传热系数较小的一侧壁面上加肋 （ 扩大换热面积 ） 是强化传热的有效措施。假设： 是强化传热的有效措施。假设：
hr =
A ( t w tf )
Φr
h = hc + hr
Φ = Φc + Φr = ( hc + hr ) A ( tw tf ) = hA ( tw tf )
12
1212-2
1. 换热器的分类
换热器
换热器： 换热器 ： 用来实现热量从热流体传递到冷流体的 装置。 装置。 按照换热器的工作原理， 按照换热器的工作原理，可分为 混合式： 换热器内冷、 热流体直接接触、 混合式 ： 换热器内冷 、 热流体直接接触 、 互相混 合来实现热量交换。 合来实现热量交换。 蓄热式： 蓄热式 ： 冷 、 热两种流体依次交替地流过换热器 的同一换热面（蓄热体）实现非稳态的热量交换。 的同一换热面（蓄热体）实现非稳态的热量交换。 间壁式： 换热器内冷、 热流体由壁面隔开， 间壁式 ： 换热器内冷 、 热流体由壁面隔开 ， 热量 由热流体到冷流体传递过程是由热流体与壁面间的对 流换热、壁的导热、 流换热 、 壁的导热 、 壁面与冷流体间的对流换热三个 环节组成的传热过程。 环节组成的传热过程。
第十二章 传热过程与换热器
本章讨论通过平壁、 本章讨论通过平壁 、 圆管壁和肋壁等 几种工业上和日常生活中常见的传热过程 及强化或者削弱传热过程的方法, 及强化或者削弱传热过程的方法,介绍一些 工业上常见的换热器的基本结构与特点， 工业上常见的换热器的基本结构与特点 ， 并重点讨论换热器的传热计算方法。 并重点讨论换热器的传热计算方法。
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（3） 板式换热器 由若干片压制成型的波纹状金属板叠加而成， 由若干片压制成型的波纹状金属板叠加而成 ， 传 热系数高、阻力相对较小、 热系数高、阻力相对较小、结构紧凑 。
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（4） 板翅式换热器 由金属板和波纹板形翅 片层叠、交错焊接而成， 片层叠、交错焊接而成，结 构紧凑。 构紧凑。
（5）螺旋板式换热器 由两块平行金属板 卷制而成，工艺简单、 价格低廉 ， 流通阻力小 。
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Φ = kAtm Φ = qm1c p1 ( t1′ t1′′)
设计计算步骤：
(a) 根据给定的换热条件，如流体性质、温度和压 根据给定的换热条件，如流体性质、 力范围等， 选择换热器类型， 布置换热面， 力范围等 ， 选择换热器类型 ， 布置换热面 ， 计算换热 面两侧对流换热的表面传热系数 h1、h2 及传热系数k； (b) 根据给定条件，由式 根据给定条件，
h1 > > h 2
7
tf1 t w1 Φ = A1h1 ( tf1 tw1 ) = 1 tw1 t w2 A1h1 Φ= δ A1λ ′ ′ ′′ ′′ Φ = A2 h2 ( tw 2 tf 2 ) + A2 h2 ( tw 2 tf 2 )
8
根据肋片效率的定义
′′ ′′ A2 h2 ( tw 2 tf 2 ) tw 2 tf 2 ′′ ηf = = ′′ ′ ′ A2 h2 ( tw 2 tf 2 ) t w 2 tf 2
4
t w 2 tf 2 t w 2 tf 2 Φ = π d 2lh2 ( tw 2 tf 2 ) = = 1 Rh2 π d 2lh2 在稳态情况下， 是相同的， 在稳态情况下，上面三式中的Φ 是相同的，于是可得 t f 1 tf 2 tf 1 tf 2 Φ= = 1 1 1 d2 Rh1 + Rλ + Rh2 + ln + π d1lh1 2πλl d1 π d 2lh2
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2. 换热器的传热计算
换热器的传热计算分为两种类型： 换热器的传热计算分为两种类型： 设计计算：根据换热条件和要求， 设计计算 ： 根据换热条件和要求 ， 设计一台新换热 为此需要确定换热器的类型、结构及换热面积。 器，为此需要确定换热器的类型、结构及换热面积。 校核计算：核算已有换热器能否满足换热要求， 校核计算 ： 核算已有换热器能否满足换热要求 ， 一 般需要计算流体的出口温度、换热量及流动阻力等。 般需要计算流体的出口温度、换热量及流动阻力等。 换热器计算的两种方法：平均温差法和效能换热器计算的两种方法：平均温差法和效能-传热 单元数法。 单元数法。 平均温差法： 平均温差法： （1）换热器的传热平均温差： 换热器的传热平均温差： 传热过程的计算公式： 传热过程的计算公式： Φ = kAt 换热器的传热过程： 换热器的传热过程：
tf2
2
通过多层平壁的传热过程
Φ=
tf 1 tf 2 Rh1 + ∑ Rλi + Rh 2
i =1 n
= Ak ( tf 1 tf 2 ) = Ak t
1 1 n δi 1 +∑ + h1 i =1 λi h2
k=
3
2. 通过圆管壁的传热过程 tf 1 tw1 tf 1 t w1 Φ = π d1lh1 ( tf 1 tw1 ) = = 1 Rh1 π d1lh1 tw1 tw 2 tw1 tw 2 Φ= = 1 d2 Rλ ln 2πλ l d1
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12-3 传热的强化与削弱 12传热工程技术是根据现代工业生产和科学实践的 传热工程技术 是根据现代工业生产和科学实践的 需要而发展起来的科学与工程技术， 需要而发展起来的科学与工程技术 ， 其主要任务是按 照工业生产和科学实践的要求来控制和优化热量传递 过程。 过程。 传热工程技术的两个方向： 强化传热技术与 传热工程技术的两个方向 ： 强化传热技术 与 削弱 传热技术（又称隔热保温技术 隔热保温技术） 传热技术（又称隔热保温技术）。
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按照结构间壁式换热器可分为 （1） 管壳式换热器 由管子和外壳构成的换热装置
套管式换热器示意图
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（2） 肋片管式换热器 由带肋片的管束构成的换热装置， 由带肋片的管束构成的换热装置 ， 适用于管内液 体和管外气体之间的换热， 体和管外气体之间的换热 ， 且两侧表面传热系数相差 较大的场合。 较大的场合。
≈ ηf 。
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联立以上各式， 联立以上各式，可得
Φ=
δ 1 1 + + A1h1 A1λ A2η h2
tf 1 t f 2
= A1k1 ( tf 1 tf 2 ) = A1k1t
k1称为以光壁表面积为基准的传热系数，表达式为 称为以光壁表面积为基准的传热系数，
k1 = 1 δ 1 + + h1 λ βη h2 1
Φ = kAtm
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对数平均温差：tm = tmax tmin 对数平均温差：
tmax ln tmin
tmax + tmin tm ≈ 2
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tmax tmin ≤ 2 时：
对于其它流动型式， 对于其它流动型式 ， 平均传热温差可以采用下式 计算： 计算： t = ψ ( t ) 的对数平均温差； 为小于1的修正系数， 的对数平均温差 ；ψ为小于1的修正系数 ，其数值可查 阅换热器设计手册的线算图。 阅换热器设计手册的线算图。如：
上式可以写成
Φ = π d 2lko ( tf1 tf2 ) = π d 2lko t
ko = 1 d2 1 d2 d2 1 + ln + d1 h1 2λ d1 h2
以圆管外壁面积为基 准计算的传热系数
5
通过n 通过n层圆管的稳态传热过程
Φ=
tf1 tf 2 Rh1 + ∑ Rλi + Rh2
1
12-1 传热过程
1. 通过平壁的传热过程 tf1 tf 2 Φ= Rh1 + Rλ + Rh2