第9章-传热过程分析和换热器计算

2
临界热绝缘直径
Bi 是管道外表面的毕渥数
可见，确实是有一个极值存在，从热量的基本传递规律可知， 应该是极大值。也就是说，do2在do1- dcr之间，是增加的， 当do2大于dcr时，降低。
【例】外径为5.1mm的铝线，外包=0.15W/(m· K)的绝缘层。 tfo=40º twi≤70º C， C。绝缘层表面与环境间的复合传热系数 ho=10W/(m2 · K)。求：绝缘层厚度δ不同时每米电线的散热 量。 (P465)
蓄热式换热器
混和式换热器
混合式换热器：冷热流体 直接接触，彼此混合进行
换热，在热交换同时存在
质交换，如空调工程中喷 淋冷却塔，蒸汽喷射泵等；
按表面紧凑程度区分
紧 凑 式 : 700m / m 或 d h 6m m 非 紧 凑 式
3
2
紧凑程度可用水力直径dh来区别，或用每立方米中的传 热面积即传热面积密度β来衡量。
Φ
l (t fi t fo )
1 hi d i 1 21 ln( d o1 di ) 1 22 ln( do2 d o1 ) 1 ho d o 2
(d o 2 )
Φ
1 hi d i

1 21
ln(
d o1 di
)
1 22

ln(
do2 d o1
)
1 ho d o 2
l (t fi t fo ) (d o 2 )
0 do2
d dd o 2
l (t fi t fo )
(d o 2 )
or
2
2 2 d h2 d o 2 2 o2
d o 2 h2 2
1
1

d dd o 2
22 h2
d cr
Bi
螺旋流动，有自冲刷作用， 适于处理粘性和易结垢流体。
缺点
承压能力差（P<1MPa，t<500º C）
损坏后检修困难。
9.3 换热器中传热过程对数平均温差的计算
9.3.1 简单顺流及逆流换热器的对数平均温差
流动形式不同，冷热流体温差沿换热面的变化规律也不同.
传热方程的一般形式： kA t m 换热器中冷流体温度沿换热面是不断变化的，因此，冷却 流体的局部换热温差也是沿程变化的。
Φ
l (t fi t fo )
1 hi d i 1 2 ln( do di ) 1 ho d o
圆管外敷保温层后：
Φ
l (t fi t fo )
1 hi d i 1 21 ln( d o1 di ) 1 22 ln( do2 d o1 ) 1 ho d 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
3、交叉流换热器
间壁式换热器的又一种主要型式。其主要特点是冷热流体 呈交叉状流动。根据换热表面结构的不同又可分为管束式、 管翅式及管带式、板翅式等。
管束式
管翅式
板翅式
4 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，冷热流体间隔地在每个通道中流动，其特点是拆卸清
洗方便，故适用于含有易结垢物的流体。
两种流体都可在较高温度和 压力下换热，传热系数大。 传热面积可根据需要增减。
缺点
单位换热面积金属耗量大， 价格较高。
检修、清洗不便。
2、壳管式换热器
间壁式换热器的一种主要形式，又称管壳式换热器。传热 面由管束组成，管子两端固定在管板上，管束与管板再封 装在外壳内。两种流体分管程和壳程。
增加管程
肋面总效率
o
( A1 Ao
f
A2 )

t fi t f 0 1 hi Ai
Ai

1 h o o A o

A 0 ( t fi t f 0 ) 1 Ao hi Ai
Ao Ai

1 h o o
以肋侧表面积为基准的肋壁传热系数
k
f

1 1 Ao hi Ai
散热量先增后减，有最大值。
增加电线的绝缘层厚度，可增强电流的通过能力。
一般的动力保温管道很少有必要考虑临界热绝缘直径。
9.2 换热器的型式及平均温差
换热器：用来使热量从热流体传递到冷流体，以满足规 定的工艺要求的装臵。 9.2.1 换热器的分类
间壁式 混合式 蓄热式
t2
t 1
t1
dt1
t1 t2
t2
dt2
在假设的基础上，并已知冷热流体的 进出口温度，现在来看图中微元换热 面dA一段的传热。温差为：
t t1 t 2 d t d t 1 d t 2
t 1
t1
dt1 dt2
t1 t2
在固体微元面dA内，两种流体的换热 量为:
ln
t t
kA
(2)
exp( kA )
(3)
(2)、(3)代入(1)中
tm t
对数平均温差
t t t t t -1 t t t t ln ln ln t t t
d t d k dA t
tx
dt t ln
Hale Waihona Puke Baidu
k dA

dt t
t
k
Ax
dA
tx t
0
kA x
t x t exp( kA x )
可见，当地温差随换热面呈指数变化，则沿整个换热面的平 均温差为：
层流换热器： 3000m / m 或100 m d h 1mm
2 3
微型换热器： 15000m / m 或100 m d h 1mm
2 3
9.2.2 间壁式换热器主要型式
1、套管式换热器
适用于传热量不大或流体流量不大的情形。
套管式换热器
结构简单，可利用标准管件。
优点
ht hc h r
9.1.2 通过圆管的传热
hi
内部对流：
h i d i l ( t f 1 t wi )
ho
1
1 h o ld o
圆柱面导热：Φ
(t wi t wo ) 1 2 l ln( do di )
lh i d i
ln( d o d i )
外部对流：


Ai h o o A o
1 1 hi
1 hi



Ai h o o A o
1


1 h o o
所以，只要 o
就可以起到强化换热的效果。
由于β值常常远大于1，而使η0β的值总是远大于1，这就
使肋化侧的热阻显著减小，从而增大传热系数的值。
9.1.4
临界热绝缘直径
tm 1
A
A
0
t x dA
x

1
A
A
0
t exp( kA x )dA
x
tm
1
A
A
0
t exp( kA x )dA
x

ln tx t
t
kA
exp( kA ) - 1
Ax A
(1)
kA x t t
第九章 传热过程分析与换热器的热计算
本章要求掌握的内容： 定量：传热过程的计算；对数平均温差的计算； 间壁式换热器的设计计算及校核计算。 定性：掌握传热过程的热阻分析法；传热过程 强化与削弱措施。
9-1 传热过程的分析和计算
• 传热过程：热量由壁面一侧的流体通过壁面传到另 一侧流体中去的过程称传热过程。 • 传热过程分析求解的 基本关系为传热方程式
按照操作过程
套管式 管 束 式 壳管式 ( 管壳式 ) 管 翅 式 交叉流换热器 管 带 式 板式 板 翅 式 螺旋板式
间壁式换热器： 是指冷热流体被壁面隔开进行换热的热
交换器。如暖风机、燃气加热器、冷凝器、蒸发器；
间壁式挨热器种类很多，从构造上主要可分为：管壳式、
h o d o l ( t wo t f 2 )
2 l
上面三式相加

l t fi t fo
1 hi d i 1 2 ln do di

1 ho d o
对外侧面积而言得传热系数的定义式由下式表示：
k ko 1 do hi d i do 2 ln do di 1 ho
板 式 换 热 器
板式换热器
结构紧凑、体积小、重量轻。
优点
流体湍动程度大，强化 传热效果好。 便于清洗和维修。 密封周边长，易泄漏。
缺点
承压能力低（P<2MPa）。 流动阻力大，处理量小。
5、螺旋板式换热器：换热表面由两块金属板卷制而成，
螺旋板式换热器
结构紧凑，单位体积 传热面积大。
优点
两种流体都能以高速流 动，传热效率高。
d kdA t
t2
t2
对于热流体:
d q m 1 c1 d t 1 d t1
1
d
对于冷流体:
q m 1 c1 1 d q m 2c2d t 2 d t2 d qm 2c2

1 1 d t d t1 d t 2 d d q m 1 c1 q m 2 c 2 1 1 d kdA t q m 1 c1 q m 2 c 2
以顺流情况为例，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,然后再沿整个换热面积进行平均。
Ao Ai

1 h o o
定义肋化系数： 则传热系数
k
A o Ai
1 1 hi
f


1 h o o
工程上一般都以未加肋时的表面积为基准计算肋壁传热系数
t fi t f 0 1 hi Ai
k f

Ai
1

1 h o o A o


A i ( t fi t f 0 ) 1 hi
1-2型换热器
T B ,in (shell side)
T A , out
T A ,in
T B , out
(tube side)
进一步增加管程和壳程 2-4型换热器
管壳式换热器
结构坚固，对压力和温度的 适用范围大。
优点
管内清洗方便，清洁流体宜 走壳程。 处理量大。
缺点
传热效率、结构紧凑性、 单位换热面积的金属耗 量等不如新型换热器。
肋片管式、板式、板翅式、螺旋板式等，其中以前两种用 得最为广泛。另外，按流体流动方向可有顺流、逆流、交
叉流之分。
蓄热式换热器：换热器由蓄热材料构成，并分成两半，冷 热流体轮换通过它的一半通道，从而交替式地吸收和放出 热量，即热流体流过换热器时，蓄热材料吸收并储蓄热量， 温度升高，经过一段时间后切换为冷流体，蓄热材料放出 热量加热冷流体。一般用于气体，如锅炉中间转式空气预 热器，全热回收式空气调节器等。
kA t f 1 t f 2

式中K为传热系数（在容易与对流换热表面传热 系数想混淆时，称总传热系数）。
9.1.1 通过平壁的传热
单层
k 1 1 h1

1
n

1 h2
1 h2
多层
k 1 h1

i 1
i i

说明： (1)由于平壁的两侧的面积是相等的，因此传热 系数的数值不论对哪一侧来说都是一样的。 （2） h1 和h2的计算；（3）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)
解：每米电线在不同的绝缘层外径｛do｝=0.0051+2｛δ｝m
的散热量为：
l
( t fi t fo )
1 2 ln ( do di ) 1 ho d o

π ( 7 0 -4 0 ) 1 2 0 .1 5 ln do 0 .0 0 5 1 1 10d o
取do＝10~70mm，计算结果用图线表示于图中。
从热阻的角度来看
1 kA o 1 hi Ai 1 2 l ln do di 1 ho Ao
9.1.3
通过肋壁的传热
肋壁面积： A o A1 A 2 稳态下换热情况：
hi Ai ( t f 1 t w1 )


A i ( t w 1 t wo )
h o A1 ( t wo t fo ) h o f A 2 ( t wo t fo ) h o o A o ( t wo t fo )