2020年高中物理竞赛—传热学基础09传热过程分析和换热器热计算：换热器的热计算(共29张PPT)
传热学第九章-传热过程分析和换热器热计算-2-PPT课件
式中， tm 不是独立变量，因为它取决于 th,th,tc,tc
以及换热器的布置。另外，根据公式(9-15)可是，一旦
qmh ch和 q mc cc 以及 th,th,tc,tc中的三个已知的话，我
们就可以计算出另外一个温度。因此，上面的两个方程
中共有8个未知数，即
,k,A ,q mch h,q mcc c,以 th ， 及 th ， tc ， tc 中的三
(th tc)Cr(th tc)
(1Cr)t(h tc)
1tth h ttc c 1 tt(1Cr) +
t exp(kA)
t
1exp(kA)
1Cr
+
1 1 11
qmchh qmccc Ch Cc
Cr
C min C max
式①， ②相加： ( t h t c ) ( t h t c ) ( t h t c ) C r ( t h t h )
式①代入下式得：
(th tc)(th tc)(th tc)Cr(th th )
1e
xpC khA (1C Ch c)1e
xpC khA (1Cr)
1Cr
1Cr
上面的推导过程得到如下结果，对于顺流：
当 qmchhqmccc时
Cr
Cmin Cmax
Ch Cc
1exp
CkAh (1Cr
)
1Cr
当 qmchhqmccc时，同样的推导过程可得：
(3)根据换热器的结构，算出相应工作条件下的总传热系数k
(4)已知kA和 ，按传热方程式计算在假设出口温度下的 tm (5)根据4个进出口温度，用热平衡式计算另一个 ，这个值
第九章 传热过程分析与换热器计算
W W W
相等，变形为
三式相加：
do Ao do 1 1 1 1 1 1 Ao t fi t fo ( ln ) ( ln ) Ai hi 2l di Ao ho Ao hi Ai 2l di ho
1 1 d0 d0 d0 1 1 ( ln ) A0 hi di 2 di h0 A0 k0
9-13 （换热器设计计算）
（21）
三、校核计算（变工况计算） ——传热单元数（ε-NTU法）
1、定义换热器的效能ε
则
max t1 ' t1 " , t2 " t2 ' t1 ' t2 '
t ' t "max
t1 ' t2 '
（9-16）
qmc min t ' t "max
（d）
（e）
分离：
d (t ) kdA t
（f ）
取积分：
t x
t '
Ax d (t ) kdA 0 t
ln
t x kAx t '
（g）
t x t ' e kAx
2）整个换热量
（h）
A 0 处的 t
A kAx
d k t x dA k t ' e
2、确定换热器型式、布置换热面 由式（9-12）求 tm 注意修正系数 （＞0.9） 3、计算 k ，（ h ， ） h 若不直接给出 则要用对流换热方法求解 4、由式（9-14）求出 kA A 5、核算两侧流体的流阻，若流阻太大， 改设计方案 例题9-7 p329
传热学上海交通大学-传热过程分析与换热器热计算-精选文档
圆管外敷 1 1 d 1 1 o 1 2 l n ( ) l n (o ) hl d 2 l d 2 l d hl d i i 1 i 2 o 1 o o 2
可见，保温层使得导热热阻增加，换热削弱；另一方面，降低了 对流换热热阻，使得换热赠强，那么，综合效果到底是增强还是 削弱呢？这要看d/ddo2 和d2/ddo22的值
定义肋化系数：
A o A i
ki 1 1 1 hi hoo
则传热系数为
所以，只要 o 1 就可以起到强化换热的效果。
8
4、带保温层的圆管传热——临界热绝缘直径
Ai (t f 1 t f 2 ) A(t f 1 t f 2 ) tfi tfo Φ 1 1 1 1 d 1 1 1 o l n ( ) hi hoo h1 h2 h l d 2 l d h l d i i i o o
第七章小结
1. 一个中心：热辐射定义及性质 2. 两个基本点：理想物体和实际物体
3. 三个理想物体：黑体、白体、透明体
4. 四个重要概念：立体角，选择性吸收，漫灰表面， 5. 黑体辐射函数
5. 五个定律： Stefan-Boltzmann 定律、Planck 定律、 Lambert 定律、Wien 位移定律、 Kirchhoff 定律 6. 六个辐射能表示层次：光谱辐射力、定向辐射力、辐射力 光谱辐射强度、定向辐射强度、辐射强度
1 k K的计算 1 1 公式？ h1 h2
说明： (1) h1和h2的计算；（2）如果计及辐射时对流换热系 数应该采用等效换热系数(总表面传热系数)
单相对流： 膜态沸腾：
h h h t c r
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传热是指物体之间由于温度差异而出现的热量传递的现象。
传热过程分析是研究物体内部和物体之间的热量传递方式和传热速率的科学方法。
而换热器是一种用于加热或冷却流体的设备，通过换热器进行传热过程，可以实现能量的转移和利用。
本文将重点介绍传热过程分析和换热器的热计算。
热传导是一种由于温度梯度引起的分子间能量传递方式。
它主要发生在固体内部或固体与液体/气体之间接触的表面上。
热传导的传热速率与温度差、导热系数和传热距离有关。
可以使用傅里叶热传导定律来计算热传导速率。
对流传热是通过流体的传递热量。
它可以分为自然对流和强制对流。
自然对流是通过密度差异引起的流体运动，而强制对流是通过外部力（例如风扇或泵）的作用引起的流体运动。
对流传热的传热速率与流体的热导率、流体速度、传热表面积和温度差有关。
可以使用牛顿冷却定律或恒定换热表达式来计算对流传热速率。
辐射传热是通过电磁辐射传递热量。
辐射传热不需要介质，可以在真空中传递热量。
辐射传热的传热速率与物体的表面温度、发射率和表面积有关。
可以使用斯特藩-玻尔兹曼定律来计算辐射传热速率。
在换热器的热计算中，需要确定热源和热负荷之间的传热量。
考虑到换热器的热效率，还需要根据实际运行条件计算热量损失。
热计算的基本原则是能量守恒。
以热交换器为例，热交换器是常见的换热器类型之一，用于在两个流体之间交换热量。
热交换器通常由两个平行的管道组成，一个用于热源，一个用于热负荷。
通过选择合适的热交换器类型和优化设计，可以最大限度地提高热交换效率。
热交换器的热计算主要包括确定传热量、计算传热系数和计算温度差。
传热量可以通过两个流体的热容和温度差来计算。
传热系数是一个表示热交换器传热性能的常数，可以根据热交换器类型和流体性质来确定。
温度差可以通过温度测量仪器来测量。
热交换器的热计算还需要考虑热损失。
热损失可以通过热辐射、热传导和热对流来计算。
对于热辐射损失，可以使用斯特藩-玻尔兹曼定律。
传热过程分析与换热器的热计算复习
特征长度 l ：板长
定性温度： tm
1 2
t
tw
适用范围：层流边界层 Re 5.0 105
4、普朗特数的物理意义
2020/7/26
Pr
a
动量扩散率 热量扩散率
12
5、
准则方程式
特征长度
流体外掠平板 Nu 0.664 Re1 2 Pr1 3 板长
管内受迫对流 Nu 0.023 Re0.8 Pr n 内径或 de
2020/7/26
6
实验一 稳态平板法测定绝热材料的导热系数
0 (1 bt )
·(tm2 , m2 ) ·(tm1 , m1 )
tm
1 2
tw高 tw低
m
q
tw高 tw低
q P
t
பைடு நூலகம்
2A
实测值为：t w高、t w低、P
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7
※
※
※
※
※
※
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8
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流体外掠单管
Nu C Ren Pr1 3
外径
流体外掠管束
Nu C Rem
外径
大空间自然对流 Nu CGr Pr n
H或外径
有限空间自然对流
Nu
C Gr
Pr n
H
m
定性温度
1 2
tw
t
1
2
t
' f
t
'' f
1 2
tw
t
1
2 tw t f
1 2
tw
t
1 2
t
w1
t
w
2
传热学第十章传热过程和换热器计算
例题 2
某逆流套管式换热器，刚投入工作时的运行参数为：
t1 360C,t1 300C,t2 30C,t2 200C 已知 qm1cp1=2500 W/K, k = 800 W/(m2.K)。运行一年后发现， 在 qm1cp1，qm2cp2，及入口温度不变的情况下，由于积垢使 得冷流体只能加热到162℃. 确定此情况的
(d)由式 kAtm 求出换热量 ;
(e)比较 与 ，如果相差较大，再重新假设流体出口温度， 重复上述计算，直到满意为止。
10.5 传热的强化与削弱（自学）
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，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。
和换热量 。
计算步骤：
(a) 先假设一个流体的出口温度，热平 衡方程式求出换热量 和 另一个流体的 出口温度；
kAtm
qm1cp1 t1 t1
qm2cp2 t2 t2
(b) 根据流体的进、出口4个温度求平均温差 tm ；
(c) 计算换热面两侧的表面传热系数 h1, h，2 进而求得总传热系数k；
tm (tm )ctf
教程中图10-23~10-26分别给出了管壳式换热器和交叉流式 换热器的 。
值取决于无量纲参数 P和 R： P tc tc , th tc
R th th tc tc
式中：下标h、c分别表示两种流体，上角标 ` 表示进口，`` 表示出口，图表中均以P为横坐标，R为参量。
1. 通过平壁的传热
K
1
1
1
h1 h2
KAt
说明： (1) h1和h2的计算；（2）如果计及辐射，换热系 数应该采用等效换热系数(总表面传热系数)
高中物理竞赛讲座9(热学1word)
第八章 热 学第一讲 热学基础一、总述热学是研究和温度有关的热现象所符合的规律。
热学分为热力学和统计热学。
分别是研究热学的二个分支，两种方法。
热力学：通过实验得出一系列的规律，从而得出物质的各项物理量随温度的变化描述。
是从宏观角度表述热学规律的。
统计热学：以分子动理论为基础，利用数学统计方法，得出物理规律。
是从微观的角度 表述热学规律的。
二、温标表示温度的一种方法。
常见的几种温标：1、摄氏温标：规定水在一个标准大气压下的冰点为0度，沸点为100度，中间的温度以水银的体积膨胀为准。
单位C 02、华氏温标：水的冰点为32度，水的沸点为212度，单位：F 0两种温标的换算关系：100180)32(00⨯-=F t t C t 3、热力学温标（理想气体温标）：根据热力学定律得出的与测温物质无关的温标。
单位K 。
15.273+=t T t T ∆=∆，热力学温度是一个基本物理量。
三、内能定义: 物体所有分子动能和分子势能之和。
有关因素: 微观: 分子数、分子运动的剧烈程度、 分子间距 宏观：温度、体积、摩尔数 内能是一个状态量。
任何物体都有内能。
四、热力学第一定律 U Q W ∆=+做功W ：是一个过程量，从相同的初态到相同的未态，经过不同的过程做功是不同的。
通过做功可以实现其它形式的能和内能之间的转化。
热量Q ：也是一个和过程有关的物理量，从相同的初态到相同的未态，经历不同的过程，吸收或释放的热量是不同的。
通过热传递可以实现物体间内能的转移。
热传递的方式物体之间或同一物体的各部分间的热量转移过程叫做热传递。
发生热传递的条件是物体之间或同一物体的不同部分存在着温度差。
热传递的方向，热量总是由高温物体自发地传给低温物体，或从物体的高温部分自发地传到低温部分。
热传递方式有三种：对流、传导和辐射。
（1）对流液体和气体中较热部分与较冷部分间，由于密度的差别，形成循环流动，使温度渐趋均匀一致的过程即为对流。
对流是液体和气体中传热的主要形式，气体对流现象比液体明显。
换热器的传热计算解析
换热器的传热计算解析换热器是一种常用的传热设备，用于在两个流体之间转移热量。
它采用传导、对流和辐射传热方式，通过对热传导方程和对流换热方程的求解，可以得到换热器的传热计算解析。
第一步，确定传热区域和传热方式。
换热器的传热区域通常包括管内和管外两个区域，传热方式根据具体的条件可以分为对流传热、辐射传热和传导传热。
第二步，建立传热方程。
对于传热区域内的热传导，可以根据热传导方程进行计算。
对于对流传热，可以使用牛顿冷却定律或其他适用的换热关系进行计算。
对于辐射传热，可以使用斯蒂芬-玻尔兹曼定律进行计算。
第三步，边界条件的确定。
边界条件包括温度边界条件和流体流动边界条件。
温度边界条件可以根据实际情况进行确定，流体流动边界条件可以根据流体流动的特性进行确定。
第四步，求解传热方程。
对于热传导方程，可以使用数值求解方法（如有限差分法、有限元法等）进行计算。
对于对流传热和辐射传热，可以使用经验公式进行估算或者使用数值方法进行求解。
第五步，计算换热系数。
换热器的传热系数是一个重要的参数，它反映了换热器的传热性能。
传热系数可以通过实验测量或者基于经验公式进行估算。
第六步，进行传热计算解析。
根据所得到的传热方程和边界条件，可以进行传热计算解析。
根据实际需求，可以计算换热器的传热速率、传热效率、温度分布等参数，从而评估和优化换热器的设计。
在进行换热器的传热计算解析时，还需要考虑换热器的结构、材料的热物性、流体流动的特性等因素，以及适用的传热理论和模型。
此外，还需要进行传热计算解析的验证和优化，以确保计算结果的准确性和可靠性。
总之，换热器的传热计算解析是一个复杂的过程，需要根据具体情况确定传热方式、建立传热方程、确定边界条件、求解传热方程、计算传热系数等，从而得到相应的传热计算解析结果。
这些结果可以用于优化换热器的设计和评估换热器的传热性能。
2020高中物理竞赛(热学篇)热力学基础(含真题)绝热方程的推导(共14张PPT)
p
c
Q1 绝热
b
绝热
o V1
d
Q2
a V2 V
二、致冷系数 工质对外作负功 A净 0
整个循环过程 工质从外界吸收热量的总和为Q2 放给外界的热量总和为Q1
p
a
b
A净
d
c
o
V
Q净 Q2 Q1 A净
Q1 Q2 ( A净 )
工质把从低温热源吸收的热量和外界对它所作的功
以热量的形式传给高温热源。
致冷系数
e
从低温处吸收的热量 外界对工质做净功大小
Q2 A净
Q2 Q1 Q2
电冰箱
p
a
b
d
c
V
Q净 Q1 Q2 Q净 A净 0
正循环过程是将吸收的热量中的一部分A净转化为 有用功，另一部分Q2放回给外界
一、热机 热机的效率
热机:通过工质使热量不断转换为功的机器。
热机效率
输出功 吸收的热量
A净 Q1
1
Q2 Q1
奥托循环
工质为燃料与空气的混合 物，利用燃料的燃烧热产 生巨大压力而作功。
o V1 2V1
V
解：（1）根据题意 Ta Td
又根据物态方程 pV M RT
Td
Ta
p1V1 R
M mol
Tc
pcVc R
4 p1V1 R
再根据绝热方程 TcVc
1
4Ta TdVd
p 12p1
c
Vd
( Tc Td
1
) 1Vc
1
4 1.671 .2V1
15.8V1
p1
ab
（2）先求各分过程的功
c
吸收热量的和。
传热过程分析与换热器的热计算优秀课件
——热量由壁面一侧的热流体通过壁面传到 另一侧的冷流体中的过程,称为传热过程
传热过程的宏观规律——传热方程
k A t或 qk t
式中：k 为传热系数(W/m2.K),反映传热过程的强弱 R t k1A (K/W )或 1 k(m 2K/W )为传热热阻
2020/10/19ຫໍສະໝຸດ 10.1 传热过程的分析和计算
10.1.1 通过平壁的传热过程计算
等效电路图(共三个环节串联):
2020/10/19
10.1 传热过程的分析和计算
通过平壁的传热量：
tf1 tf 2
1
1 k(A tf1tf2)k At
h1A A h2A
传热系 k数 h 111 为 h 12 (10 1)
影响传热系数k的数值的主要因素：
①冷热流体的物性；
10.1 传热过程的分析和计算
通过圆筒壁的传热量：
tfi tfo
l(tfi tfo )
(10-2)
1 ln d o/(d i) 1 1ln d o/(d i)1
h i d il 2l h od o l h id i 2
h o d o
定义：(1) 以圆管外侧面积为基准的传热系数 k
k0 ( t A f itf0 ) kd 0 l( tf itf0 )
热设计的类型及计算方法，并能用平均温差 法进行换热器的设计计算 6．掌握热量传递过程的控制原理与方法
2020/10/19
主要内容
▲传热过程的分析和计算 ▲换热器的类型 ▲传热过程的平均温差及计算 ▲间壁式换热器的热设计 ▲热量传递过程的控制(强化和削弱)
2020/10/19
10.1 传热过程的分析和计算
Rh减小。传热量的变化应视两者的变化幅度而定。
传热过程和换热器热计算基础
传热过程和换热器热计算基础前言:在工业生产和日常生活中，传热是一个非常重要的过程。
无论是热运输、能源利用、工业生产还是家庭暖气系统，我们都需要了解传热过程和换热器的热计算基础。
在本文中，我们将详细介绍传热过程的基本概念和传热计算的方法。
一、传热过程的基本概念1、传热的基本概念传热是指能量由高温区域传递到低温区域的过程。
传热过程可以通过三种方式进行传递，分别是传导、对流和辐射。
传导是指热量通过物质的直接接触传递，对流是指热量通过流体（液体或气体）的运动传递，辐射是指热量通过电磁辐射传递。
在实际应用中，这三种传热方式常常同时存在。
例如，热水锅炉中的传热过程包括水的对流传热、锅炉壁的传导传热和辐射传热。
2、传热的基本定律传热过程基于以下两个基本定律，它们是传热计算的基础。
(1)热传导定律热传导定律描述了热量沿着温度梯度的方向从一个物体传递到另一个物体的过程。
热传导定律可以用以下公式表示:q = -kA(dT/dx)其中，q是单位时间内通过单位面积的热流量，k是材料的热传导系数，A是传热的横截面积，dT/dx是温度梯度。
(2)牛顿冷却定律牛顿冷却定律描述了通过对流传热的过程。
它指出，对流换热速率正比于温差和表面积，反比于流体和固体的热阻。
牛顿冷却定律可以用以下公式表示:q=hA(Ts−T∞)其中，q是单位时间内通过单位面积的热流量，h是对流传热系数，A 是传热表面积，Ts是固体表面温度，T∞是流体的温度。
二、换热器的计算基础换热器是用于传递热量的设备，广泛应用于各个行业中。
换热器的设计需要进行热计算，主要包括换热面积的计算和换热系数的计算。
1、换热面积的计算换热面积的计算取决于需要传递的热量流率和温度差。
换热面积可以使用以下公式计算:A=Q/(UΔT)其中，A是换热面积，Q是需要传递的热量流率，U是换热系数，ΔT 是温度差。
2、换热系数的计算换热系数是衡量换热器性能的重要指标之一、换热系数可以通过经验公式、理论公式或实验方法进行计算。
第10章传热过程分析与换热器的热计算
第10章传热过程分析与换热器的热计算10.1热传导过程分析热传导是指热量从高温区传递到低温区的过程。
在实际工程中，热传导可以通过一维、二维或三维的方式进行分析。
10.1.1一维热传导一维热传导指的是在其中一方向上的热传导过程，也称为棒状传热。
一维热传导可以通过傅里叶热传导定律进行分析，该定律表示热流密度与温度梯度成正比。
Q=-λA(ΔT/Δx)其中，Q表示单位时间内通过传导传递的热量，λ为热导率，A为截面积，ΔT为温度差，Δx为传热长度。
10.1.2二维和三维热传导对于二维或三维的热传导过程，可以使用拉普拉斯方程来描述温度分布。
在这种情况下，温度场满足以下方程：∂²T/∂x²+∂²T/∂y²+∂²T/∂z²=0其中，T为温度，x、y、z表示空间坐标。
10.2换热器的热计算方法换热器是实现冷、热介质之间热量传递的设备，其性能的好坏直接影响到整个系统的效率。
换热器的热计算方法有传统的代数计算方法和现代的计算机仿真方法。
10.2.1传统的代数计算方法传统的计算方法主要是基于能量平衡原则进行计算。
首先，需要确定换热器的输入和输出温度，然后根据热平衡方程计算传热量。
Q=mCpΔT其中，Q为传热量，m为质量流量，Cp为比热容，ΔT为温度差。
10.2.2计算机仿真方法现代的计算机仿真方法使用计算流体力学（CFD）或有限元法（FEA）来模拟换热器中的流体流动和传热过程。
这种方法可以更准确地描述复杂的流动和传热现象，如湍流、辐射传热等。
计算机仿真方法的步骤如下：1.确定换热器的几何形状和边界条件，如壁面温度、入口和出口压力等；2.建立数学模型，包括质量守恒、动量守恒和能量守恒方程；3.选择适当的数值方法和网格划分方案；4.迭代求解数学模型，得到流场和温度场的分布结果；5.根据结果评估换热器的性能和效率。
计算机仿真方法具有计算精度高、模型参数可以随时调整、对于复杂流动和传热现象有较好的适应性等优点，但也需要较高的计算资源和时间成本。
第10章传热过程分析和换热器计算
第10章传热过程分析和换热器计算传热是热力学的一个重要分支，它研究热能在物体之间或物体内部的传递过程。
在工程领域，传热分析和换热器计算是非常重要的。
本文将介绍传热过程的分析方法和换热器的计算方法。
传热过程分析的方法主要有传导、对流和辐射三种。
传导是指物体内部热量的传递过程。
传导热量的传递方式有热传导、传流和扩散三种。
热传导是指物体内部的微观粒子通过碰撞传递热量。
传流是指流体内部的微观粒子通过对流传递热量。
扩散是指在固体或流体中，由于密度、浓度或化学势的差异而引起的物质运动和热量传递。
对流是指通过流体的传热过程。
对流传热有自然对流和强制对流两种。
自然对流是指由于密度差异造成的流体运动和热量传递。
强制对流是指由外力驱动的流体运动和热量传递，如风扇、泵等。
辐射是指通过电磁波的传热过程。
辐射传热不需要介质，可以在真空中传播。
辐射传热的热流密度与物体的温度和表面性质有关。
根据传热方式的不同，可以选择适当的传热模型进行传热计算。
常用的传热模型有一维传热模型、二维传热模型和三维传热模型。
一维传热模型适用于长条形物体的传热计算，如管道、棒材等。
二维传热模型适用于平面物体的传热计算，如板状物体等。
三维传热模型适用于体积物体的传热计算，如容器等。
换热器是一种用于传热的设备，广泛应用于化工、能源、建筑等行业。
换热器的主要功能是将一个物质的热量传递给另一个物质，实现热能的转化和利用。
换热器的计算是为了确定换热器的传热面积、传热系数和传热效率等参数。
换热器的计算主要涉及换热面积的计算、传热系数的计算和传热效率的计算。
换热面积的计算可以根据所需的传热量和传热系数来确定。
传热系数的计算可以通过实验或计算方法来得到。
传热效率是指换热器实际传热量与理论最大传热量之间的比值。
在换热器的计算过程中，需要考虑流体的流量、流速、温度差等因素。
同时，还需要考虑换热器的结构和材料等因素。
根据具体的需求和条件，可以选择适当的换热器类型和设计参数。
传热过程的计算及换热器2
传热过程的计算及换热器2传热过程的计算及换热器2传热是物体间因温度差而引起的热能传递过程。
在工程实际中，传热过程的计算是非常重要的，尤其是在换热器设计和运行中。
本文将对传热过程的计算方法和换热器进行详细介绍。
一、传热过程的计算方法1.传热方程求解：传热方程主要包括热传导方程、对流传热方程和辐射传热方程。
热传导方程适用于固体传热，对流传热方程适用于流体传热，辐射传热方程适用于热辐射传热。
通过对这些方程进行求解，可以得到传热过程中的温度分布和传热速率。
2.传热电阻法：传热电阻法是根据传热过程中各个物体的热阻来计算传热速率的方法。
传热过程中，一般包括热源（或热池）、传热介质和传热表面。
根据热阻的串/并联关系，可以将传热系统简化为一个等效的传热电路，然后通过电路的电流和电阻来计算传热速率。
3.传热系数法：传热系数法是根据传热过程中的传热系数来计算传热速率的方法。
传热系数是指传热介质和传热表面之间传热的能力，可以通过实验测定或者理论计算来获取。
根据传热系数的定义和传热公式，可以直接计算传热速率。
二、换热器换热器是用来实现热能传递的设备，广泛应用于化工、电力、石油、冶金、轻工等行业，是工业生产中的重要设备之一、换热器的主要功能是将两种介质之间的热量传递给另一种介质，实现冷热介质的热能转化。
换热器按照结构特点可以分为管壳式换热器和板式换热器。
管壳式换热器由壳体、管束和管板等组成，各种不同的构造形式可以满足不同的工艺要求。
板式换热器是利用板状换热元件将冷热介质进行交叉传热，具有紧凑、高效、节能的优点。
换热器的性能主要是通过换热系数和压力损失来评价的。
换热器的换热系数是指单位时间内传递热量与温度差的比值，表示换热器的传热能力，可以通过实验测定和理论计算来获取。
压力损失是指流体通过换热器时产生的阻力损失，与换热器的结构和流体特性密切相关。
换热器的设计和运行中，需要考虑的因素包括传热面积的确定、流体流速的选择、换热介质的性质以及换热器的材料选择等。
第9章传热过程分析与换热器热计算共57页
第9章 传热过程分析与换热器热计算——§9-2
(5) 螺旋板式换热器：换热表面由两块金属板卷制而成，有点：换热 效果好；缺点：密封比较困难。
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第9章 传热过程分析与换热器热计算——§9-2
4 简单顺流及逆流换热器的对数平均温差
传热方程的一般形式：
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第9章 传热过程分析与换热器热计算——§9-2
以顺流情况为例，并作如下假设：（1）冷热流体的质 量流量qm2、qm1以及比热容c2,c1是常数；(2) 传热系 数是常数；（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。 要想计算沿整个换热面的平均温差，首先需要知道当地 温差随换热面积的变化，即 tx f(Ax) ，然后再沿整 个换热面积进行平均
第9章 传热过程分析与换热器热计算——§9-2
§ 9-2 换热器的型式及平均温差
1 换热器的定义：用来使热量从热流体传递到冷流体，以
2
满足规定的工艺要求的装置
2 换热器的分类：
三种类型换热器 简介
间壁式
混合式
蓄热式
套管式
壳管式 ( 管壳式 交叉流换热器
T
T1
Th(Hot) T2
Tc (cold)
x
顺流
Hot fluid
Cold fluid
T T1
Th
Tc
逆流
T2
x
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第9章 传热过程分析与换热器热计算——§9-2
(2) 管壳式换热器：最主要的一种间壁式换热器，传热面由管束组成，
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⑤
1 qm1c1
qm2c2
当 qm1c1 时qm，2c2类似推导可得
1 exp
kA qm2c2
1
qm2c2 qm1c1
1 qm2c2
⑥
将⑤⑥合并写成
qm1c1
1 exp
kA
qmc min
1
1
qmc min qmc max
qmc min qmc max
⑦
不变的情况下，c1i dd可oi 以认为是常数，用m表示，于 是上式可变为
1 ko
b
m
1 u 0.8
改变管内流速u，则可以测得一系列的总表面传热系
数，然后绘制成图，则是一条直线，如图(9-31)所
示
从这个图中可以获得b，m，和ci，从而，管子内 侧的对流换热系数
hi ciui0.8
这样就将内部热阻从总传热系数中分离出来，然 后，当换热器运行一段时间后，再进行同样过程 的测量，可以获得另外一条曲线，则两条曲线截 距之差就是污垢热阻，这样又把污垢热阻分离出 来了。
1 ko
1 ho
Rw
Rf
1 hi
do di
工业换热器中的管内流体的流动一般都是处于旺 盛湍流状态，hi 与流速u0.8成正比，因此，可以 写成 hi ci的ui0形.8 式，带入上式：
1 ko
1 ho
Rw R f
1 ci u 0.8
do di
上式右边的前三项可认为是常数，用 b 表示，物性
热系数的影响较大。在流体内加入一些添加 剂可以改变流体的某些热物理性能，达到强 化传热的效果。添加剂可以是固体或液体， 它与换热的主流体组成气-固、液-固、汽-液 以及液-液混合流动系统。
a、气流中添加少量固体颗粒
固体颗粒提高了流体的容积比热和它的热 容量，增强气流的扰动程度，固体颗粒与壁 面撞击起到破坏边界层和携带热能的作用， 增强了热辐射。
§ 9-4 传热的强化和隔热保温技术
强化传热的目的： ①缩小设备尺寸； ②提高热效率； ③保证设备安全。 削弱传热的目的： 减少热量损失
1、增强传热的方法
（1）扩展传热面 扩展传热壁换热系数小的一侧的面积，是增强传
热中使用最广泛的一种方法，如肋壁、肋片管、波 纹管、板翅式换热面等，它使换热设备传热系数及 单位体积的传热面积增加，能收到高效紧凑的效益。
（6）比较两个 值，满足精度要求，则结束， 否则，重新假定出口温度，重复(1)~(6)，直至 满足精度要求。
2 效能-传热单元数法
(1)传热单元数和换热器的效能
换热器的效能按下式定义：
t tmax t1 t2
换热器交换的热流量：
(qmc)min (t t)
(qmc)min t1 t2
令
kA NTU
qmc min
称
NTU）1
qmc min qmc max
1
qmc min qmc max
类似的推导可得逆流换热器的效能为
1
exp
（
NTU）1
qmc min qmc max
1
qmc min qmc max
对于校核计算具体计算步骤：
（1）先假设一个流体的出口温度，按热平衡式计 算另一个出口温度
（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的
总传热系数k
（4）已知k、A和 ，按传热方程式计算在假设 出口温度下的 tm
（5）根据4个进出口温度，用热平衡式计算另一 个 ，这个值和上面的 ，都是在假设出口温 度下得到的，因此，都不是真实的换热量
2020高中物理竞赛 第九章
传热过程分析 与换热器热计算
§ 9-3 换热器的热计算
❖ 分为设计计算和校核计算。 ❖ 换热器热计算的基本公式为
传热方程式: kAtm
热平衡方程式：
qm1c1 t1 t1 qm2c2 t2 t2
1、换热器计算的平均温差法
❖ 平均温差法用作设计计算时步骤如下：
t2)
(1
qm1c1 qm2c2
)(t1
t2
)
整理：
1 t1 t2 (1 qm1c1 )
t1 t2
qm 2 c2
③
由上一节知道
t1 t2 ekA t1 t2
带入③式得
1 exp(kA)
1 qm1c1
④
qm2c2
把上一节中 带入上式得
1 exp
kA qm1c1
1
qm1c1 qm2c2
exp（
NTU）1
qmc min qmc max
当冷热流体之一发生相变时，即 qmc趋max 于无穷大时， 于是上面效能公式可简化为
1 exp NTU
当两种流体的热容相等时， 公式可以简化为
顺流：
逆流：
1 exp 2NTU
2
NTU
1 NTU
3、用效能—传热单元数法（法）计算换热器的步骤
c、采用旋转流动装置 在流道进口装涡流发生器，使流体在一定
压力下从切线方向进入管内作剧烈的旋转运 动，用涡旋流动以强化传热。 d、采用射流方法喷射传热表面
由于射流撞击壁面，能直接破坏边界层， 故能强化换热。它特别适用于强化局部点的 传热。
（3）使用添加剂改变流体物性 流体热物性中的导热系数和容积比热对换
（2）改变流动状况 增加流速、增强扰动、采用旋流及射流等都能起
增强传热的效果，但这些措施将引起流动阻力的增 加。
a、增加流速 增加流速可改变流态，提高紊流强度。
b、流道中加插入物增强扰动
在管内或管外加进插入物，如金属丝、金 属螺旋环、盘片、麻花铁、翼形物，以及将 传热面做成波纹状等措施都可增强扰动、破 坏流动边界层，增强传热。
下面揭示换热器的效能与哪些变量有关。 以顺流换热器为例，并假设 qm1c1 q则m2有c2
t1 t1 (t1 t2 )
①
根据热平衡式得： qm1c1(t1 t1) qm2c2 (t2 t2 )
于是
t2 t2
qm1c1 qm2c2
(t1 t1)
②
式①， ②相加：
(t1
t2
)
(t1
3、隔热保温技术
绝热技术（隔热保温技术）对于减少热力设 备的热损失、节约能源具有显著经济效益。在新 技术领域，绝热技术对于实现某些过程具有特别 重大的意义。例如，各种高速飞行器（如航天飞 机等）在通过大气层时会产生强烈的气动加热， 若无适当的绝热措施，将导致飞行器烧毁。隔热 保温技术涉及到电力、冶金、化工、石油、低温、 建筑及航空航天等许多工业部门的过程实施、节 约能源、提高经济效益等问题，目前已发展成为 传热学应用技术中的一个重要分支。
b、在蒸汽或气体中喷入液滴
在蒸汽中加入珠状凝结促进剂；
在空气冷却器入口喷入水雾，使气相换热 变为液膜换热。
（4）改变表面状况 a、增加粗糙度 b、改变表面结构 c、表面涂层
（5）改变换热面形状和大小 如用小直径管子代替大直径管子，用椭圆管
代替圆管的措施而收到提高换热系数的好处。此 外，在凝结换热中尽量采用水平管亦是一例。 （6）改变能量传递方式
2 确定传热过程分热阻的威尔逊图解法
利用数据采集系统可以测定壁面和流体的 温度，从而获得平均温差，利用热平衡方程 式获得热流量，换热面积可以根据设计情况 获得，这样就可以通过传热方程式计算出总 表面传热系数。这是威尔逊图解法的基础。
我们已管壳式换热器为例，说明如何应用 威尔逊图解法获得各个分热阻。总表面传热 系数可以表示成：
由于辐射换热与热力学温度4次方成比例，一 种在流道中放置“对流-辐射板”的增强传热方法 正逐步得到重视。
（7）靠外力产生振荡，强化换热 用机械或电的方法使传热面或流体产生振 动； 对流体施加声波或超声波，使流体交替地 受到压缩和膨胀，以增加脉动； 外加静电场，对流体加以高电压而形成一 个非均匀的电场，静电场使传热面附近电 介质流体的混合作用加强，强化了对流换 热。
污垢增加了热阻，使传热系数减小，这种热 阻成为污垢热阻，用Rf表示，
Rf
1 1 k k0
式中：k为有污垢后的换热面的传热系数，k0为洁 净换热面的传热系数。
对于两侧均已结构的管壳式换热器，以管子外表 面为计算依据的传热系数可以表示成：
k
1
1 hi
Rf
i
Ao Ai
Rw
1 ho
Rf
o
1
o
如果管子外壁没有肋化，则肋面总效率o = 1。 管壳式换热器的部分污垢热阻可以在表9-1种查得。
（1）初步布置换热面，计算出相应的传热系数 k。
（2）根据给定条件，由热平衡式求出进、出口温度 中的那个待定的温度 t。m
（3）由冷、热流体的4个进、出口温度确定平均温
差，计算时要注意保持修正系数 具有合适
的数值。
（4）由传热方程求出所需要的换热面积 A，并核算
换热面两侧有流体的流动阻力。 （5）如流动阻力过大，改变方案重新设计。
❖ 根据 及 的NTU定义及换热器两类热计算的 任务可知，设计计算是已知 求 ，N而TU校 核计算则是由 求取NTU 值。它们计算步骤
都与平均温差中对应计算大致相似，故不 再细述。
4 换热器设计时的综合考虑
换热器设计是综合性的课题，必须考虑出投 资，运行费用，安全可靠等诸多因素。
5 换热器的结垢及污垢热阻