换热器及其热计算
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2 其中一种流体发生相变
• 这时候没有顺流和逆流之分
45/46
3 蛇行管
热工基础
只要管内流体流动方向改变5次以上 • 这时候就可以作为顺流和逆流处理
46/46
热工基础
§1-3 换热器的热计算
一 目的、所依据的方程式、方法
1 目的
• 设计一个新的换热器，以确定所需的换热面积 设计已选定了换热面积的换热器，在非设计工 况条件下，核算它传递多少热量 校核计算 performance calculation
A k
0
t ' ekA 1 k A
30/46
热工基础
tm
t '
kA
ekA
1
tx t e(kAx )
tm
1
kA
t ''
t '
31/46
热工基础
tm
1 t''t'
kA
ln
tx t
k Ax
t t tm ln t
t
ln t'' kA
t
对数平均温差 LMTD
32/46
热工基础
1 顺流和逆流
• 顺流和逆流是两种极端情况，在相同的进 出口温度下，逆流的平均温差最大，顺流 的平均温差最小；
• 顺流时 t2 t1 ，而逆流时， t2 则可能大 于 t1 ，可见，逆流布置时的换热最强；
• 逆流时，冷热流体的最高温度集中在换热 器的同一侧，使得该处的壁温特别高。
44/46
热工基础
ko Ao hi Ai 2l di ho Ao
9/46
热工基础
• 以管内侧表面为换热基准面时
Φ kidil(t fi t fo )
1 ki 1 di ln( do ) 1 di
hi 2 di ho do
1 1 1 ln( do ) 1
ki Ai hi Ai 2l di ho Ao
10/46
• 图9-15~9-18分别给出了管壳式换热器和交叉流
换热器的
37/46
热工基础
1 值取决于无量纲参数 P和 R
P t2 t2 , t1 t2
2 P的物理意义
R t1 t1 t2 t2
流体2的实际温升与理论上所能达到的最大温升 之比，所以只能小于1
3 R的物理意义
两种流体的热容量之比
这是设计计算
57/46
热工基础
①
qm1c1 t1 t1 2 2 260 160 60
4.52 105 W
t2
t2
qm 2c2
25
4.52105 2 4179
79℃
② t1'' 60 oC
t2'' 79 oC
t2'' t1'' 换热器必须逆流布置
③ t1'
t
'' 2
t1''
69/46
热工基础
二 强化传热
1 原则 强化传热应从热阻最大的环节入手
2 途径 主要集中在对流换热
70/46
热工基础
3 对流换热的强化 ① 从换热过程的物理机制来分析 无相变： 减薄边界层、增加流体的扰动
凝结：减薄液膜、形成珠状凝结
有相变 沸腾：增加汽化核心数
71/46
热工基础
② 从对流换热的实验规律来分析 无相变：
热工基础
管壳式换热器（2-4型）
55/46
例题 2
热工基础
56/46
热工基础
已知： qm1 2 kg s
t1' 160 oC qm2 2 kg s t2' 25o C do 0.5m
求：管长
c1 2260 J kg K
t1'' 60 oC
c2 4179 J kg K
k 250 W m2 K
1.定义
I
R
U
t1
t2
Φ
I U R
通过平壁导热的热阻
R A
Φ
t
A
t1
t2
A
6/46
热工基础
Φ
A(t f 1 t f 2 )
1 1
h1 h2
tf1
tw1
h1, tf1
h2, tf2
δ
tw2
tf2
1 h1A A 1 h2A
7/46
热工基础
2 通过圆筒壁的传热
管内
t f 1 twi 1
计算 design calculation • 对已有或
47/46
热工基础
2 基本方程 • 传热方程式
kAtm
• 热平衡方程式
qm1c1(t1 t1) qm2c2 (t2 t2 )
k A qm1c1 qm2c2 t1 t1 其中 t2 t2 三个
48/46
3 方法 • 平均温差法
k
50/46
热工基础
②由热平衡式求出冷热流体进出口温度中的那 个未知的温度
③确定平均温差 tm tmax tmin
ln tmax tmin
④计算所需的换热面积A A k tm
⑤核算冷热流体的流动阻力，如过大则需要改 变方案重新设计。
51/46
热工基础
2 校核计算 一般给定换热器的结构、面积A、冷热流体
d
dt
1 qmhch
1 qmccc
d
d
d k dA t
28/46
热工基础
dt d k dA t
dt kdA
t
tx dt k Ax dA
t t
0
ln
tx t
k Ax
29/46
热工基础
tx t e(kAx )
tm
1 A
A 0
t xdAx
tm
1 A
A 0
tekAx dAx
t ' 1 ekAx A
热工基础
就是直接应用传热方程式和热平衡方程式进 行热计算的方法 重点掌握 • 效能-传热单元数(-NTU)法
掌握有关概念
49/46
热工基础
二 设计计算和校核计算的步骤(平均温差法)
1 设计计算
一般给定冷热流体的水当量 qm1, qm2 和进出
口温度中的三个，需要确定换热面积 A
①初步选定冷热流体的流动方向及换热表面 型式
35/46
热工基础
3 算术平均温差
tm
tmax tmin 2
tmax tmin 2
4%
tmax tmin 1.7
2.3%
36/46
热工基础
三 其它复杂流动布置的平均温差的计算
tm (tm )ctf
• (tm )ctf 是给定的冷热流体的进出口温度布
置成逆流时的LMTD
• 是小于1的修正系数
26/46
热工基础
2 分析方法
取x处一微 元来分析
热流体 冷流体
t t1 t2
d k dA t
d qm1c1 dt1
d qm2c2 dt 2
27/46
热工基础
d qm1c1 dt1 d qm2c2 dt 2
dt dt1 dt2
dt1
1 qm1c1
d
dt 2
1 qm2c2
hidil
管壁
Φ twi two ln( do di )
2l
管外
two t f 2 1
hodol
8/46
热工基础
• 以管外侧表面为换热基准面时
Φ kodol(t fi t fo )
1 ko 1 do do ln( do ) 1
hi di 2 di ho
1 1 1 ln( do ) 1
1 Ai
hi Ai Ai hoo Ao hi hoo Ao
定义肋化系数 则传热系数为
Ao Ai
k
1
1
1
hi hoo
12/46
热工基础
13/46
热工基础
§1-2 换热器的型式及平均温差
一 换热器的型式
1 换热器的定义
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
2 换热器的分类
• 间壁式 ★
工作方式 • 混合式 • 蓄热式
14/46
热工基础
15/46
热工基础
套管式换热器
16/46
热工基础
管壳式换热器
17/46
热工基础
管壳式换热器
18/46
热工基础
管壳式换热器（1-2型）
19/46
热工基础
管壳式换热器（2-4型）
20/46
热工基础
管壳式换热器（螺旋折流板）
21/46
h2, tf2
tw1
tw2
δ
4/46
热工基础
tf1
tw1
Φ Ah1
tw1
tw2
Φ
A
tw2
tf2
Φ Ah2
Φ
A(t f 1 t f 2 )
1 1
h1 h2
Φ kA(t f 1 - tf2 )
tf1
tf
2
Φ
1 Ah1
A
Biblioteka Baidu
1 Ah2
k
1
1
1
h1 h2
5/46
热工基础
热阻的概念
热工基础
62/46
整体式翅片
热工基础
分段翅片
开缝翅片
冷却气流
翅片 铝或铜
基板，铝或铜
63/46
热工基础
64/46
热工基础
65/46
热工基础
66/46
热工基础
P4-M
67/46
热工基础
68/46
2 传热的削弱 ①保温 ②隔热
热工基础
• 建筑节能 • 低温液化气体的储存和运输 • 航天器返回
热工基础
二 通过肋壁的传热
肋侧总面积
Ao A1 A2
hi Ai (t f 1 twi )
Ai
twi
two
ho A1(two t fo )
ho f A2 (two t fo ) hoo Ao (two t fo )
11/46
热工基础
1
tf1 tf2
1
Ai (t f 1 t f 2 )
逆流时
t t1 t2
d k dA t
d qm1c1 dt1 d qm2c2 dt 2
33/46
热工基础
顺流： 逆流：
t t1 t2 t t1 t2 t t1 t2 t t1 t2
34/46
热工基础
tm
tmax tmin ln tmax
t m in
tmax max t', t'' tmin min t', t''
一 传热学的目的
1 传热的强化
①设备尺寸减小 ②得到有效冷却
空调 Gas Turbine 电子元器件
60/46
热工基础
液体火箭发动机燃烧室
➢ 温度高(3000-4500K); ➢ 热流密度大（最高达160MW/m2）; ➢ 推力室的冷却是一项重要的设计考虑;
冷却剂
推 进 剂
燃烧室
燃气 喷管
61/46
的进口温度 t1' , t2'' 和水当量 qm1, qm2 ，校核该
换热器能否达到要求： • 能否把热流体冷却到给定温度 • 或能否把冷流体加热到给定温度
52/46
热工基础
假定其中一个出口温度
确定另一个出口温度
tm
k, A
否
b
b=t ?
t
是
结束
53/46
热工基础
管壳式换热器（1-2型）
54/46
热工基础
板式换热器
22/46
热工基础
螺旋板式换热器
23/46
热工基础
交叉流换热器
24/46
热工基础
二 简单顺流与逆流的平均温差计算
传热方程的一般形式
kAtm
注意
25/46
热工基础
1 简化模型 以顺流情况为例
假设： • 冷热流体的质量流量qm2、qm1以及比热容c2、
c1是常数； • 传热系数是常数； • 换热器无散热损失； • 换热面沿流动方向的导热量可以忽略不计。
t
' 2
58/46
热工基础
④
tm
t1 t2 t1 t2
lnt1 t2 t1 t2
160 79 60 25
ln 160 79
60 25
54.82℃
⑤ l A 1
do do ktm
4.52 105
21m
0.5 250 54.82
59/46
热工基础
§9-4 传热的强化和隔热保温技术
Nuf 0.023 Ref 0.8Prf n
hd
0.023
ud
0.8
c
p
n
h
0.023
c 0.6 0.4 p
u 0.8
0.4
d 0.2
提高流速 减小管径 改变物性
这一分析适用于所有单相对流换热
72/46
热工基础
③ 强化单相对流换热的技术手段
粗糙表面
73/46
热工基础
扩展表面
74/46
80/46
热工基础
⑤ 除垢 在换热器运行过程
4 对流换热的强化一般都带来流动组里的增加 • 相同质量流量 • 相同压降 • 相同泵功
81/46
热工基础
38/46
热工基础
39/46
热工基础
40/46
热工基础
41/46
热工基础
42/46
热工基础
4 对于管壳式换热器
• 对于壳侧流体而言，“程数”为流体流经的 壳体个数
• 对于管侧流体而言，“程数”为流体流动的 方向改变次数 +1
5 对于交叉流换热器 • 应注意混合与否！
43/46
热工基础
四 各种流动形式的比较
热工基础
扩展表面
75/46
热工基础
扩展表面
76/46
热工基础
扩展表面
77/46
热工基础
螺旋管
78/46
热工基础
impinging jet
79/46
热工基础
• 无源技术(被动技术) • 有源技术(主动技术)
其主要手段有： ① 对换热介质做机械搅拌； ② 使换热表面振动； ③ 使换热流体振动； ④ 将电磁场作用于流体
热工基础
第二节 换热器及其热计算
热流科学与工程教育部重点实验室
1/46
热工基础
解决工程实际问题的思路
• 分析实际问题中哪些热量传递方式在起作用 • 用什么方法计算传热量或温度分布 • 传热的强化或削弱应从什么环节入手
2/46
热工基础
§1-1 传热过程的分析和计算
• 传热过程
热量从壁面一侧的流体通过壁面传到另一侧 流体中去的过程
• 传热方程式
k A t
关键
关键
3/46
热工基础
1.光滑壁面的总传热系数
1.分析：三个串连环节：(1)高温流体侧的对流换 热；(2)通过壁面的导热；(3)低温流体侧的对流换 热。
Φ Ah1(t f 1 tw1)
Φ A (tw1 tw2 )
Φ Ah2 (tw2 t f 2 )
h1, tf1
• 这时候没有顺流和逆流之分
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3 蛇行管
热工基础
只要管内流体流动方向改变5次以上 • 这时候就可以作为顺流和逆流处理
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热工基础
§1-3 换热器的热计算
一 目的、所依据的方程式、方法
1 目的
• 设计一个新的换热器，以确定所需的换热面积 设计已选定了换热面积的换热器，在非设计工 况条件下，核算它传递多少热量 校核计算 performance calculation
A k
0
t ' ekA 1 k A
30/46
热工基础
tm
t '
kA
ekA
1
tx t e(kAx )
tm
1
kA
t ''
t '
31/46
热工基础
tm
1 t''t'
kA
ln
tx t
k Ax
t t tm ln t
t
ln t'' kA
t
对数平均温差 LMTD
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热工基础
1 顺流和逆流
• 顺流和逆流是两种极端情况，在相同的进 出口温度下，逆流的平均温差最大，顺流 的平均温差最小；
• 顺流时 t2 t1 ，而逆流时， t2 则可能大 于 t1 ，可见，逆流布置时的换热最强；
• 逆流时，冷热流体的最高温度集中在换热 器的同一侧，使得该处的壁温特别高。
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热工基础
ko Ao hi Ai 2l di ho Ao
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热工基础
• 以管内侧表面为换热基准面时
Φ kidil(t fi t fo )
1 ki 1 di ln( do ) 1 di
hi 2 di ho do
1 1 1 ln( do ) 1
ki Ai hi Ai 2l di ho Ao
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• 图9-15~9-18分别给出了管壳式换热器和交叉流
换热器的
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热工基础
1 值取决于无量纲参数 P和 R
P t2 t2 , t1 t2
2 P的物理意义
R t1 t1 t2 t2
流体2的实际温升与理论上所能达到的最大温升 之比，所以只能小于1
3 R的物理意义
两种流体的热容量之比
这是设计计算
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热工基础
①
qm1c1 t1 t1 2 2 260 160 60
4.52 105 W
t2
t2
qm 2c2
25
4.52105 2 4179
79℃
② t1'' 60 oC
t2'' 79 oC
t2'' t1'' 换热器必须逆流布置
③ t1'
t
'' 2
t1''
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热工基础
二 强化传热
1 原则 强化传热应从热阻最大的环节入手
2 途径 主要集中在对流换热
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热工基础
3 对流换热的强化 ① 从换热过程的物理机制来分析 无相变： 减薄边界层、增加流体的扰动
凝结：减薄液膜、形成珠状凝结
有相变 沸腾：增加汽化核心数
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热工基础
② 从对流换热的实验规律来分析 无相变：
热工基础
管壳式换热器（2-4型）
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例题 2
热工基础
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热工基础
已知： qm1 2 kg s
t1' 160 oC qm2 2 kg s t2' 25o C do 0.5m
求：管长
c1 2260 J kg K
t1'' 60 oC
c2 4179 J kg K
k 250 W m2 K
1.定义
I
R
U
t1
t2
Φ
I U R
通过平壁导热的热阻
R A
Φ
t
A
t1
t2
A
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热工基础
Φ
A(t f 1 t f 2 )
1 1
h1 h2
tf1
tw1
h1, tf1
h2, tf2
δ
tw2
tf2
1 h1A A 1 h2A
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热工基础
2 通过圆筒壁的传热
管内
t f 1 twi 1
计算 design calculation • 对已有或
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热工基础
2 基本方程 • 传热方程式
kAtm
• 热平衡方程式
qm1c1(t1 t1) qm2c2 (t2 t2 )
k A qm1c1 qm2c2 t1 t1 其中 t2 t2 三个
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3 方法 • 平均温差法
k
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热工基础
②由热平衡式求出冷热流体进出口温度中的那 个未知的温度
③确定平均温差 tm tmax tmin
ln tmax tmin
④计算所需的换热面积A A k tm
⑤核算冷热流体的流动阻力，如过大则需要改 变方案重新设计。
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热工基础
2 校核计算 一般给定换热器的结构、面积A、冷热流体
d
dt
1 qmhch
1 qmccc
d
d
d k dA t
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热工基础
dt d k dA t
dt kdA
t
tx dt k Ax dA
t t
0
ln
tx t
k Ax
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热工基础
tx t e(kAx )
tm
1 A
A 0
t xdAx
tm
1 A
A 0
tekAx dAx
t ' 1 ekAx A
热工基础
就是直接应用传热方程式和热平衡方程式进 行热计算的方法 重点掌握 • 效能-传热单元数(-NTU)法
掌握有关概念
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热工基础
二 设计计算和校核计算的步骤(平均温差法)
1 设计计算
一般给定冷热流体的水当量 qm1, qm2 和进出
口温度中的三个，需要确定换热面积 A
①初步选定冷热流体的流动方向及换热表面 型式
35/46
热工基础
3 算术平均温差
tm
tmax tmin 2
tmax tmin 2
4%
tmax tmin 1.7
2.3%
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热工基础
三 其它复杂流动布置的平均温差的计算
tm (tm )ctf
• (tm )ctf 是给定的冷热流体的进出口温度布
置成逆流时的LMTD
• 是小于1的修正系数
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热工基础
2 分析方法
取x处一微 元来分析
热流体 冷流体
t t1 t2
d k dA t
d qm1c1 dt1
d qm2c2 dt 2
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热工基础
d qm1c1 dt1 d qm2c2 dt 2
dt dt1 dt2
dt1
1 qm1c1
d
dt 2
1 qm2c2
hidil
管壁
Φ twi two ln( do di )
2l
管外
two t f 2 1
hodol
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热工基础
• 以管外侧表面为换热基准面时
Φ kodol(t fi t fo )
1 ko 1 do do ln( do ) 1
hi di 2 di ho
1 1 1 ln( do ) 1
1 Ai
hi Ai Ai hoo Ao hi hoo Ao
定义肋化系数 则传热系数为
Ao Ai
k
1
1
1
hi hoo
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热工基础
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热工基础
§1-2 换热器的型式及平均温差
一 换热器的型式
1 换热器的定义
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
2 换热器的分类
• 间壁式 ★
工作方式 • 混合式 • 蓄热式
14/46
热工基础
15/46
热工基础
套管式换热器
16/46
热工基础
管壳式换热器
17/46
热工基础
管壳式换热器
18/46
热工基础
管壳式换热器（1-2型）
19/46
热工基础
管壳式换热器（2-4型）
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热工基础
管壳式换热器（螺旋折流板）
21/46
h2, tf2
tw1
tw2
δ
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热工基础
tf1
tw1
Φ Ah1
tw1
tw2
Φ
A
tw2
tf2
Φ Ah2
Φ
A(t f 1 t f 2 )
1 1
h1 h2
Φ kA(t f 1 - tf2 )
tf1
tf
2
Φ
1 Ah1
A
Biblioteka Baidu
1 Ah2
k
1
1
1
h1 h2
5/46
热工基础
热阻的概念
热工基础
62/46
整体式翅片
热工基础
分段翅片
开缝翅片
冷却气流
翅片 铝或铜
基板，铝或铜
63/46
热工基础
64/46
热工基础
65/46
热工基础
66/46
热工基础
P4-M
67/46
热工基础
68/46
2 传热的削弱 ①保温 ②隔热
热工基础
• 建筑节能 • 低温液化气体的储存和运输 • 航天器返回
热工基础
二 通过肋壁的传热
肋侧总面积
Ao A1 A2
hi Ai (t f 1 twi )
Ai
twi
two
ho A1(two t fo )
ho f A2 (two t fo ) hoo Ao (two t fo )
11/46
热工基础
1
tf1 tf2
1
Ai (t f 1 t f 2 )
逆流时
t t1 t2
d k dA t
d qm1c1 dt1 d qm2c2 dt 2
33/46
热工基础
顺流： 逆流：
t t1 t2 t t1 t2 t t1 t2 t t1 t2
34/46
热工基础
tm
tmax tmin ln tmax
t m in
tmax max t', t'' tmin min t', t''
一 传热学的目的
1 传热的强化
①设备尺寸减小 ②得到有效冷却
空调 Gas Turbine 电子元器件
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热工基础
液体火箭发动机燃烧室
➢ 温度高(3000-4500K); ➢ 热流密度大（最高达160MW/m2）; ➢ 推力室的冷却是一项重要的设计考虑;
冷却剂
推 进 剂
燃烧室
燃气 喷管
61/46
的进口温度 t1' , t2'' 和水当量 qm1, qm2 ，校核该
换热器能否达到要求： • 能否把热流体冷却到给定温度 • 或能否把冷流体加热到给定温度
52/46
热工基础
假定其中一个出口温度
确定另一个出口温度
tm
k, A
否
b
b=t ?
t
是
结束
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热工基础
管壳式换热器（1-2型）
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热工基础
板式换热器
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热工基础
螺旋板式换热器
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交叉流换热器
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热工基础
二 简单顺流与逆流的平均温差计算
传热方程的一般形式
kAtm
注意
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热工基础
1 简化模型 以顺流情况为例
假设： • 冷热流体的质量流量qm2、qm1以及比热容c2、
c1是常数； • 传热系数是常数； • 换热器无散热损失； • 换热面沿流动方向的导热量可以忽略不计。
t
' 2
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热工基础
④
tm
t1 t2 t1 t2
lnt1 t2 t1 t2
160 79 60 25
ln 160 79
60 25
54.82℃
⑤ l A 1
do do ktm
4.52 105
21m
0.5 250 54.82
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热工基础
§9-4 传热的强化和隔热保温技术
Nuf 0.023 Ref 0.8Prf n
hd
0.023
ud
0.8
c
p
n
h
0.023
c 0.6 0.4 p
u 0.8
0.4
d 0.2
提高流速 减小管径 改变物性
这一分析适用于所有单相对流换热
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热工基础
③ 强化单相对流换热的技术手段
粗糙表面
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热工基础
扩展表面
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热工基础
⑤ 除垢 在换热器运行过程
4 对流换热的强化一般都带来流动组里的增加 • 相同质量流量 • 相同压降 • 相同泵功
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热工基础
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热工基础
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热工基础
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热工基础
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热工基础
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热工基础
4 对于管壳式换热器
• 对于壳侧流体而言，“程数”为流体流经的 壳体个数
• 对于管侧流体而言，“程数”为流体流动的 方向改变次数 +1
5 对于交叉流换热器 • 应注意混合与否！
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热工基础
四 各种流动形式的比较
热工基础
扩展表面
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扩展表面
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扩展表面
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螺旋管
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impinging jet
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• 无源技术(被动技术) • 有源技术(主动技术)
其主要手段有： ① 对换热介质做机械搅拌； ② 使换热表面振动； ③ 使换热流体振动； ④ 将电磁场作用于流体
热工基础
第二节 换热器及其热计算
热流科学与工程教育部重点实验室
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热工基础
解决工程实际问题的思路
• 分析实际问题中哪些热量传递方式在起作用 • 用什么方法计算传热量或温度分布 • 传热的强化或削弱应从什么环节入手
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热工基础
§1-1 传热过程的分析和计算
• 传热过程
热量从壁面一侧的流体通过壁面传到另一侧 流体中去的过程
• 传热方程式
k A t
关键
关键
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热工基础
1.光滑壁面的总传热系数
1.分析：三个串连环节：(1)高温流体侧的对流换 热；(2)通过壁面的导热；(3)低温流体侧的对流换 热。
Φ Ah1(t f 1 tw1)
Φ A (tw1 tw2 )
Φ Ah2 (tw2 t f 2 )
h1, tf1