传热学第十章传热过程和换热器计算
传热学第十章
（2） 管壳式换热器 由管子和外壳构成。
（2） 管壳式换热器 由管子和外壳构成。
2壳程、4管程换热器
管壳式换热器结构牢固可靠、耐高温高压。
列管式冷凝器实例
波纹管换热器
波纹换热管
（3） 肋片管式换热器 由带肋片的管束构成的换热装置。
肋片管式换热器适用于管内液体和管外气体之间 的换热，且两侧表面传热系数相差较大的场合。
（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。
板翅式换热器结构紧凑、传热系数高。
（5） 板式换热器 由若干片压制成型的波纹状金属板叠加而成。
（5） 板式换热器
1 ,2 介质 3 环行孔道
垫圈 4 板片密封
垫圈 5 激光切焊
焊缝 6 焊接密封
流道
特点：结构紧凑 ,占用空间小；传热系数高 ；端部温差小(可达1℃); 热损失小 ，热效率高(≥98%); 适应性面式，在工程中最常用 混合式—适用于冷热流体为同类介质的场合 回热式(蓄热式) —适用于气体与气体间的换热,
为非稳态过程
2. 按表面的紧凑程度分: 紧凑式与非紧凑式 紧凑程度用当量直径d e (d h) 或传热面积密度 β来衡量 (β---单位体积中的传热面积)
kAo hi Ai 2 l di ho Ao
ri r0
通过肋壁的传热系数
10-2 换热器的类型
换热器：换热器也称热交换器，是把热量从一种 介质传给另一种介质的设备
换热器广泛应用于广泛应用于化工、能源、机械、 交通、制冷空调、航空航天以及日常生活等各个领 域。
换热器不仅是保证某些工艺流程和条件而广泛采用 的设备，也是开发利用工业二次能源，实现余热回 收和节能利用的主要设备。
紧凑式—β≥700m2/m3, 或dh≤6mm 层流换热器—β＞3000m2/m3, 或100μm ≤dh≤1mm 微型换热器–β＞15000m2/m3, 或100μm≤dh≤1mm
《传热学》第10章-传热过程与换热器计算
hr
=
Φr
A(tw − tf
)
辐射换 热量
h = hc + hr
总换热量
ห้องสมุดไป่ตู้
对流换热表面 传热系数
Φ = Φc + Φr = (hc + hr )A(tw − tf ) = hA(tw − tf )
例题
v 热电厂中有一水平放置的蒸汽管道，内径为 d1=100mm，壁厚δ1=4mm，钢管材料的导热系数 为 λ1=40 W/(m.K)，外包厚度为δ2=70mm厚的保温 层，保温材料的导热系数为λ2=0.05 W/(m.K)，。管 内蒸汽温度为tf1=300℃，管内表面传热系数为 h1=200 W/(m2.K)，保温层外壁面复合换热表面传 热系数为h2=8 W/(m2.K)，，周围空气的温度为 t∞=20℃，。试计算单位长度蒸汽管道的散热损失 Φl及管道外壁面与周围环境辐射换热表面传热系数 hr2。
临界热绝缘直径
Rk =
1 πd1lh1
+
1 2πλ1l
ln
d2 d1
+
1 2πλxl
ln
dx d2
+
1 πd x lh2
dx
当d2较小时，总热阻 Rk 先随着 dx 的增大而减小, 然后再随着 dx 的增
大而增大, 中间出现极小值，相应热 流量 Φ出现极大值 .
热阻 Rk 取得极小值时的保温层 外径 dx 称为临界绝缘直径 , 用 dc 表示
优点是结构与制造工 艺简单、价格低廉， 流通阻力小；缺点是 不易清洗、承压能力 低。
间壁式换热器流动型式
在冷、热 流体进口 温度相 同、流量 相同、换 热面面积 相同的情 况下，
换热器计算
第九章 传热过程分析和换热器计算在这一章里讨论几种典型的传热过程，如通过平壁、圆筒壁和肋壁的传热过程通过分析得出它们的计算公式。
由于换热器是工程上常用的热交换设备，其中的热交换过程都是一些典型的传热过程。
因此，在这里我们对一些简单的换热器进行热平衡分析，介绍它们的热计算方法，以此作为应用传热学知识的一个较为完整的实例。
9－1传热过程分析在实际的工业过程和日常生活中存在着的大量的热量传递过程常常不是以单一的热量传递方式出现，而多是以复合的或综合的方式出现。
在这些同时存在多种热量传递方式的热传递过程中，我们常常把传热过程和复合换热过程作为研究和讨论的重点。
对于前者，传热过程是定义为热流体通过固体壁面把热量传给冷流体的综合热量传递过程，在第一章中我们对通过大平壁的传热过程进行了简单的分析，并给出了计算传热量的公式 t kF Q ∆=， 9－1式中，Q 为冷热流体之间的传热热流量，W ；F 为传热面积，m 2；t ∆为热流体与冷流体间的某个平均温差，oC ；k 为传热系数，W/(⋅2m o C)。
在数值上，传热系数等于冷、热流体间温差t ∆=1 o C 、传热面积A =1 m2时的热流量值，是一个表征传热过程强烈程度的物理量。
在这一章中我们除对通过平壁的传热过程进行较为详细的讨论之外，还要讨论通过圆筒壁的传热过程，通过肋壁的传热过程，以及在此基础上对一些简单的包含传热过程的换热器进行相应的热分析和热计算。
对于后者，复合换热是定义为在同一个换热表面上同时存在着两种以上的热量传递方式，如气体和固体壁面之间的热传递过程，就同时存在着固体壁面和气体之间的对流换热以及因气体为透明介质而发生的固体壁面和包围该固体壁面的物体之间的辐射换热，如果气体为有辐射性能的气体，那么还存在固体壁面和气体之间的辐射换热。
这样，固体壁面和它所处的环境之间就存在着一个复合换热过程。
下面我们来讨论一个典型的复合换热过程，即一个热表面在环境中的冷却过程，如图9－1所示。
10传热学-传热过程和换热器
tf1 tf 2
K
For steady heat transfer through a series composite wall
K
1 1 n i 1 h1 i 1 i h2
二、通过圆筒壁的传热 (heat transfer through a cylinder)
二、对保温隔热材料的要求 1. 有最佳密度：使用时，应尽量使其使用密 度接近最佳密度； 2. 热导率小：选用热导率小的材料； 3. 温度稳定性好：在一定温度范围内，物性 值稳定 4. 有一定的机械强度； 5. 吸水、吸湿性小：水分会使材料导热系数 大大增加。 三、最佳保温隔热厚度
四、保温结构 为防止水或湿气进入，外加保护层。 为减少对环境的辐射散热，外加铝箔或聚酯镀铝薄膜。 五、保温隔热效率 设备和管道保温隔热前后的散热量(或冷损失量)之差 与保温隔热前散热量0(或冷损失量)之比，即：
Heat transfer rate:
KAt KA(t f 1 t f 2 )
where A—surface area, m2 t—temperature difference, C K—overall heat transfer coefficient, W/m2· C
一、通过平壁的传热 (heat transfer through a plane wall)
注意：对于低温、超低温管道和设备的保冷，一般的 保温隔热材料不能满足要求，须采用多层镀铝薄膜和 网状玻璃纤维布并抽真空。
0 0
§3 换热器(Heat exchangers)
一、换热器的种类(Heat exchanger types) 1. 按原理分 间壁式换热器：冷热流体被固体壁隔开，如蒸发 器、冷凝器等。 混合式换热器：在这种换热器中，两种流体相互 混合，依靠直接接触交换热量。如水和空气直接 接触的冷却水塔。 回热式(或蓄热式、再生式)换热器：在这种换热 器中，冷热流体交替地与固体壁接触，使固体壁 周期地吸热和放热，从而将热流体的热量传给冷 流体。如锅炉的再生式空气预热器和燃气轮机的 空气预热器。
传热过程的计算
说明：① 换热过程中各流股热流量间关系； ② 各流股间相互制约，热量守恒。
过冷液体
1.2 总传热速率方程
间壁传热过程：
th
热量：热流体对流传热 管内壁
热 流 体
Φ
Φ
热传导 管外壁
对流传热 冷流体
th,w
tc,w
冷 流 体 tc
各部分传热速率方程： 管内侧流体： 管壁导热： 管外侧流体：
t h tc 因此， 1 b 1 hi Ai Am h0 A0
热 流 体
Φ
Φ
t R
th,w
tc,w
冷 流 体 tc
1 1 b 1 令： R KA h A A h A i i m 0 0
用平均传热温差t m 代替（t h tc）
式中，K — 总传热系数，W/m2· K。
t’h t’c
(2) 变温传热 ① 一侧有温度变化
②
tc1
两侧流体均有温度变化
th2 tc2
th1
th1 tc2 th2
tc1
沿管长某截面取微元传热面积dA， 传热速率方程： d KtdA 热量衡算方程：
d qm ,h c p ,h dt h qm ,c c p ,c dtc
d qm ,h c p ,h dt h qm ,c c p ,c dtc
④ 应用 已知R和NTU，可求得ε， 进而求th2 和tc2 ，
可避免试差计算。
为便于工程计算，将ε、NTU、R之间关系绘制成曲线
1.0
R=0 0.25
0.8
0.5 0.75 1.0
ε
0.6
0.4 th1 0.2 K=常数 th2
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。
第十章传热和换热器
tw,
q qc qr (hc hr ) tw t f
qr , tam
h tw t f
qc , hc , t f
§ 10-3 换热器的型式和基本构造
一、分类
1.按结构型式分: 1)间壁式: 冷、热流体被固体壁面隔开。
如：暖风机、冷凝器、蒸发器等。
暖风机
风冷冷凝器
2)混合式: 冷、热流体互相混合。 如：喷淋式冷却塔、蒸汽喷射器。
以管壳式换热器为例，说明方法的要点.
总传热系数可表示为:
1 k
1 ho
Rw
Rf
1 hi
do di
(a)
Rw 管壁导热热阻
R f 污垢热阻
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u的0.8次方成正比.则
two
ho A1 two t fo ho f A2 two t fo
h0A0 (tw0 t f 0 )
为肋面总效率:
A1 A2 f
A0
1
tf1 tf2
1
hi Ai Ai ho A0
则以光壁为基准的传热系数:
ki
1
1
1
hi ho
定义肋化系数： Ao Ai
1, 1
（3）根据结构，算出传热系数K。(带有假设性)
（4）由传热方程(换热面积A已定),得到 。
（5）由热平衡方程得出’(出口温度均是未知量,也 带假设性.) （6）与’的误差<5%,则满足计算要求. 否则重新假设t,重复上述步骤.
2. 传热单元数法
1)换热器的效能定义：
实际传热量 最大可能传热量
实际传热量： M1c1(t'1t"1 ) M 2c2 (t"2 t'2 )
化工原理.传热过程的计算
三、总传热系数
QKAtm
如何确定K值，是传热过程计算中的重要问题。
17
T
Tw
热 流 体
对流 导 热
冷 流 体
Q tw
t
•热流体
Q1 对流
固体壁面一侧
•固体壁面一侧
Q2 热传导
另一侧
•固体壁面另一侧
Q3 对流
冷流体
对流
dQ Kd(TA t)
18
管外对流：
d1 Q 1d1( A TT w )
液体－气体
K 700～1800
300～800 200～500 50～300
100～350 50～250 10～60
25
两流体 气体－气体 蒸气冷凝－气体 液体沸腾－液体 液体沸腾－气体 水蒸气冷凝－水 有机物冷凝－有机物 水蒸气冷凝－水沸腾 水蒸气冷凝－有机物沸腾
K 10～40 20～250 100～800 10～60 1500～4700 40～350 1500～4700 500～1200
21
K1——以换热管的外表面为基准的总传热系数；
dm——换热管的对数平均直径。
dm(d1d2)/lndd12
（3）以内表面为基准：
1 1 d2bd2 1
K2 1 d1 dm 2
（4）以壁表面为基准：
1 1 dmb1 dm
Km 1 d1 2 d2
d 1 2 近似用平壁计算
d2
22
（5）污垢热阻
27
四、壁温的计算
稳态传热 QK AtmT1TWTw btWtw1t
1A1 Am 2A2
bQ
tW TW Am ,
Q
TW
T
1A1
,
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)
传热学10.3 换热器中传热过程平均温差的计算
1210.3.1 顺流及逆流换热器的对数平均温差的计算传热方程的一般形式：mt kA ∆=Φ以顺流情况为例，并作如下假设：(1)冷热流体的质量流量q m2、q m1以及比热容c 2,c 1是常数；(2) 传热系数k 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。
)(x x A f t =∆3d d t A k ∆=Φ1111111d d d d m m Φq c t t Φq c =-⇒=-2222221d d d d m m Φq c t t Φq c =⇒=1212d d d Δt t t Δt t t =-⇒=-12112211d d d d d m m Δt t t ΦμΦq c q c ⎛⎫=-=-+=- ⎪⎝⎭112211m m μq c q c =+tdA d d ∆-=Φ-=∆k t μμ4tdA d d ∆-=Φ-=∆k t μμdA td k tμ-=∆∆⎰⎰-=∆∆∆'∆x xA t t k t0dAtd μxxkA t μ-='∆∆t ln )exp(t x x kA t μ-'∆=∆xx x 0)dA exp(t 1dA t 1x AAm kA A A t μ-'∆=∆=∆⎰⎰整个换热面的平均温差()1-)exp(t )dA exp(t 1x0kA kAkA A t x Am μμμ-'∆-=-'∆=∆⎰当地温差xx kA t μ-='∆∆t ln kA t μ-='∆''∆t ln A A x =)exp(t kA t μ-='∆''∆t t t t t t t m ''∆'∆''∆-'∆='∆''∆'∆-''∆=⎪⎭⎫⎝⎛'∆''∆'∆''∆'∆=∆t ln t t ln t 1-t t ln t (1)(2)(3)5t t t m ''∆'∆''∆-'∆=∆t ln t 顺流：逆流：d d t A k ∆=Φch c h t t t t t t d d d -=∆⇒-=∆Φ-=⇒-=Φd 1d d d hmh h h h mh c q t t c q Φ-=⇒=Φd 1d d d cmc c c c mc c q t t c q Φ-=Φ⎪⎪⎭⎫⎝⎛--=∆d d 11d μc mc hmh c q c q t cmc h mh c q c q 11-=μt t t m ''∆'∆''∆-'∆=∆t lnt ,逆流6顺流和逆流的区别在于：顺流：逆流：1212Δt t t Δt t t '''''''''=-=-1212Δt t t Δt t t '''''''''=-=-minmax min max t lnt t t t m ∆∆∆-∆=∆或者我们也可以将对数平均温差写成如下统一形式(顺流和逆流都适用)7算术平均与对数平均平均温差的另一种更为简单的形式是算术平均温差，即2min max ,t t t m ∆+∆=∆算术minmax min max ,t lnt t t t m ∆∆∆-∆=∆对数算术平均温差相当于温度呈直线变化的情况，因此，总是大于相同进出口温度下的对数平均温差，当时，两者的差别小于4％；当时，两者的差别小于2.3％。
传热学--复习
第9章 辐射传热的计算
角系数：表面1发出的辐射能中落到表面2上的百分数称为表面1对表面
2的角系数，用符号X1,2 表示。
n 1 j x1 j 1 ② 完整性：对于n个面组成的封闭系统 j 1 1 j 1 n
① 相对性
A1 X 1, 2 A2 X 2,1
③可加性：
X 1.2 X 1, 2 a X 1, 2b
J1
J2
s A1 X 1,2 ( Eb1 Eb 2 )
s
1 1 1 1 X 1,2 1 X 2,1 1 1 2
Eb 2
表面辐射热阻
1 A1 X 1,2
ห้องสมุดไป่ตู้
1 2 2 A2
系统黑度
(或称为系统发射率)
1 1 A1 1 1 1 A2 2
kAtm qm1c p1 t1 t1 qm 2 c p 2 t2 t2
qm
4
d 2 u
传热强化与削弱：目的、途径
传热学复习
考试时间：元月2日（周四）晚7:00 考试地点：G2202
题型： 填空题：3'10 选择题：2'10 简答题：5' 3 计算题：35'
传热学复习—问答
导热
1.傅里叶导热定律的内容并写出其数学表达式？ 2. 导热系数与导温系数的物理意义？ t 2t 2t 2t 2 2 2 c x y z c 3. 导热微分方程的简化？
对流
1. 对流换热的影响因素？ Nu c Re m Pr n (m 0, n 0) 2. 粘性大的流体一般Pr数也较大，由特征数关联式
传热学-第十章
3. 其它复杂布置时换热器平均温差计算
交叉流及其它形式（简单顺流、逆流除外）换热器的 平均温差算法比较麻烦，有人已经作出了表格，用时可以 直接查表。查法如下： (1). 先按逆ห้องสมุดไป่ตู้方式算出对数平均温差(tm)c；
(2). 将(tm)c乘以一个修正系数，这样问题就归结为求不 同情况下的。
=f (P,R) 而P，R的定义见书P327-329。由图即可查得。注意书上 t’ 和t” 与图的对应关系，不再是我们前面所说的热、冷 流体。 25
l π (70 - 40) do 1 1 ln 2 0.15 0.0051 10 d o
9
计算结果用图线表示于图中。
讨论： 散热量先增后减， 有最大值 最大值的求法
1 1 π l (ti to ) 2 d 2d o ho d o 0 2 dd o 1 do 1 1 ln hi d i 2 d i ho d o
相应的，以光侧表面面积Ai为基准的传热系数为：
kf ' 1 Ai hi hoo Ao 1 1 1 hi hooβ 1
肋化系数 β=Ao/Ai，即加肋后的总表面积与该侧未加肋 时的表面积之比。 一般β>>1，ηo<1, 但ηoβ>1。 hoηoβ----当量对流换热系数，即把肋部分折算到对流中。
若以管内侧面积为基准，则传热系数为：
1 ki do 1 di 1 di ln hi 2 di ho d o
6
三、 通过肋壁的传热
下图是一侧有肋的平壁。在稳态条件下，通过传热过程 各环节的热流量 是一样的，于是可以列出以下方程式：
hi Ai (tfi t wi )
传热学第十章传热过程和换热器计算
传热学第十章传热过程和换热器计算热力学是研究能量转换和能量传递的学科，传热学是热力学的一个重要分支。
传热过程是指热量从一个物体传递到另一个物体的过程，它是通过传导、对流和辐射三种方式进行的。
换热器则是用来实现热量传递的设备。
一、传热过程1.传导：传导是指热量通过物质内部的微观振动和相互碰撞传递的过程。
物体的导热性质取决于其热导率和导热面积。
传导的热流量可用傅里叶传热定律表示。
2.对流：对流是指液体或气体中的分子通过传递热量的方式。
对流的热流量可用牛顿冷却定律表示。
3.辐射：辐射是指热能以电磁波的形式传递的过程。
辐射热量的传递与物体的温度和表面特性有关，可以用斯特藩—玻尔兹曼定律表示。
换热器是用来实现热量传递的设备，广泛应用于工业生产和能源系统中。
换热器的设计和计算需要考虑换热面积、传热系数、传热温差等参数。
1.换热面积：换热面积是换热器的一个重要参数，它表示传热过程中热量通过的表面积。
换热面积可以通过传热方程计算得出。
2.传热系数：传热系数是指在单位时间内，单位面积上的热量传递量与温度差之比。
传热系数的大小与换热器的结构、工作条件及流体性质等有关。
3.传热温差：传热温差是指热量在换热过程中的温度差异。
传热温差越大，热量传递越快。
换热器的计算包括两个方面：换热面积计算和传热系数计算。
换热面积计算一般根据传热方程进行。
传热方程可以写成Q=UAΔT，其中Q为热量传递量，U为总传热系数，A为换热面积，ΔT为温度差。
通过已知的换热量和温度差，可以计算出换热面积。
传热系数计算一般需要参考实验数据或者经验公式。
传热系数与换热器的结构和工作条件有关，一般通过实验或者估算得到。
在进行换热器计算时，还需要注意换热器的热损失问题。
热损失会影响换热器的热效率，因此需要进行热损失的计算和控制。
总之，传热过程和换热器计算是传热学中重要的内容，它们在工程实践中有着广泛的应用。
通过对传热过程和换热器的深入理解和计算，可以提高工程设备的热效率，实现能源的节约和利用。
传热过程分析与换热器的热计算
第四页，共42页。
每米管长的传热量：
q l1t1 f1 ltn d f2 21 k l(tf1 tf2) h 1d 1 2 d 1 h 2d 2
kl h11d1211 lnd d1 2h21d2
对于多层圆管
1
kl 1 n
1ln di 1 1
1d 1
2 i 1
i
di
d 2 n 1
第五页，共42页。
传热过程分析与换热器的热计算
第一页，共42页。
本章要点：1. 着重掌握传热过程的分析和计算（肋壁的传热）
2. 着重掌握临界热绝缘直径的概念和分析计算
3. 着重掌握顺流及逆流的对数平均温差的分析计算 4. 掌握换热器的型式和分类以及换热器的热设计 5. 了解传热的强化和隔热保温技术及有关问题分析 本章难点：临界热绝缘直径、对数平均温差的概念和分析计算
本章主要内容：
第一节 传热过程的分析和计算
第二节 换热器的类型 第三节 换热器中传热过程平均温差的计算 第四节 间壁式换热器的热设计 第五节 热量传递过程的控制(强化与削弱)
第二页，共42页。
传热过程：一侧的热流体通过固体壁面把热量传给另一侧冷流体的过程。 传热过程分析求解的基本关系为传热方程式，即
第十五页，共42页。
一、换热器的分类 1.换热器：把热量从热流体传递给冷流体的热力设备。
2.按换热器操作过程分为：间壁式、混合式及蓄热式(或称回 热式)三大类。
1）间壁式：冷、热流体被间壁隔开，通过间壁换热。 2）混合式：冷、热流体通过直接接触换热。
3）回热式：冷、热流体周期性地流过固体壁面换热。
h 1 h 2 205 00 10
q1 /q = 4347.6/570.3 = 7.623
传热过程的计算
传热过程的计算
理论和实验可以证明，单位时间内通过换热器传热面上 传递的热量Q (即传热速率)与传热面积以及冷、热流体间的 平均温度差Δtm成正比，用数学式表示为
传热过程的计算
式（4-55）称为总传热速率方程或传热基本 方程，它是换热器传热计算的重要根据，无论是核 算换热器的生产能力或是根据传热任务设计和选用 换热器，都要用到传热基本方程。其中总传热系数 K、传热平均温度差Δtm和传热面积A是传热过程中 的三要素。式中1/KA称为传热总热阻，表示传热速 率等于传热推动力与传热总热阻之比。
传热过程的计算
（三）总传热系数K值的计算
1.
K 值计算公式推导
以冷、热两种流体在列管换热器内间壁换热为例，推导总 传热系数K值的计算式。如图4-16所示，设热流体在管内流动， T1=T2=T(如蒸气冷凝)，冷流体在管外流动且t1=t2=t（如液体沸 腾），即两流体为间壁恒温传热。热流体一侧的壁面温度为Tw， 冷流体一侧的壁面温度为tw，Ai、Ao和Am分别为内、外侧和管壁 的平均传热面积，αi、αo分别为管内、外流体的对流传热系数， λ为管壁的导热系数，b为壁厚。
式中 Q——
kJ/h或kW
(4-52)
qm——流体的质量流量，kg/h； H——单位质量流体的焓，kJ/kg。
传热过程的计算
图4-15 热量衡算图
传热过程的计算
若换热器中两流体无相变化，且流体的比热取为平均温度下的比热时，
用比热法得到的热负荷计算公式为
Q=qmhcph（T1-T2）=qmccpc（t2-t1） 式中 cp——流体的平均定压比热，kJ/(kg·℃) T——热流体的温度， ℃；
传热过程的计算
图4-16 流体与壁间的对流传热
传热学知识点
传热学知识点2012年上海理⼯⼤学《传热学》考研⼤纲⼀、参考书⽬:传热学A 《传热学》杨世铭、陶⽂铨，⾼等教育出版社，2006年⼆、基本要求1. 掌握热量传递的三种⽅式(导热、对流和辐射)的基本概念和基本定律；2. 能够对常见的导热、对流、辐射换热及传热过程进⾏定量的计算，并了解其物理机理和特点，进⾏定性分析；3. 对典型的传热现象能进⾏分析，建⽴合适的数学模型并求解；4. 能够⽤差分法建⽴导热问题的数值离散⽅程，并了解其计算机求解过程。
三、主要知识点第⼀章绪论：热量传递的三种基本⽅式；导热、对流和热辐射的基本概念和初步计算公式；热阻；传热过程和传热系数。
第⼆章导热基本定律和稳态导热：温度场、温度梯度；傅⾥叶定律和导热系数；导热微分⽅程、初始条件与边界条件；单层及多层平壁的导热；单层及多层圆筒壁的导热；通过肋端绝热的等截⾯直肋的导热；肋效率；⼀维变截⾯导热；有内热源的⼀维稳态导热。
第三章⾮稳态导热：⾮稳态导热的基本概念；集总参数法；描述⾮稳态导热问题的数学模型（⽅程和定解条件）；第四章导热问题的数值解法：导热问题数值解法的基本思想；⽤差分法建⽴稳态导热问题的数值离散⽅程。
第五章对流换热：对流换热的主要影响因素和基本分类、⽜顿冷却公式和对流换热系数的主要影响因素；速度边界层和热边界层的概念；横掠平板层流换热边界层的微分⽅程组；横掠平板层流换热边界层积分⽅程组；动量传递和热量传递⽐拟的概念；相似的概念及相似准则；管槽内强制对流换热特征及⽤实验关联式计算；绕流单管、管束对流换热特征及⽤实验关联式计算；⼤空间⾃然对流换热特征及对流换热特征及⽤实验关联式计算。
第六章凝结与沸腾换热：凝结与沸腾换热的基本概念；珠状凝结与膜状凝结特点；膜状凝结换热计算；影响膜状凝结的因素；⼤容器饱和沸腾曲线；影响沸腾换热的因素。
第七章热辐射基本定律及物体的辐射特性：热辐射的基本概念；⿊体、⽩体、透明体；辐射⼒与光谱辐射⼒；定向辐射强度；⿊体辐射基本定律：普朗克定律，维恩定律，斯忒藩-玻尔兹曼定律，兰贝特定律；实际固体和液体的辐射特性、⿊度；灰体、基尔霍夫定律。
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热系数为 40 W (m K) ，污垢热阻总共为 0.0007m2 K/W 。若盘管的直径为 0.4m，管的
外径×壁厚为 57 mm 3.5 mm 。求螺旋盘管的最小长度、盘数与水的质量流量。
解：传热量为 水的质量流量
2 000 2 09380 30 58 139 W
面的温度变化，以及壁面温度的变化。 解：变化曲线如图 10-2 所示。
图 10-2
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4．质量流量为 2000kg/h 的变压器油在螺旋盘管中流过，油温从 t1 80 ℃ 被冷却至 t1 30 ℃ ，其比定压热容 cp1=2.093kJ/(kg K) 。进口温度为 t2 20℃ 的冷水在盘管外 流动用来冷却变压器油。出口处水温 t2 25℃ ，水的比定压热容 cp2 4.174W / (m2 K) 。 水侧表面传热系数为 580W/(m2 K) ，油侧表面传热系数为150W/(m2 K) 。钢盘管的导
1 h1
A A
1 B
B
1 h2
A | (t1 t2) (t1 t2 )
ln
t1 t1
t2 t2
3．画出如下热量传递过程中物理参数的变化曲线：（1）逆流式换热器( qm1cp1 qm2cp2 ) 冷、热流体沿换热面的温度变化；（2）顺流式换热器( qm1cp1 qm2cp2 )冷、热流体沿换热
2．有一平壁传热过程，左侧的对流换热系数 h左=2000W / (m2 ℃)，右侧的对流换热 系数 h右=10W / (m2 ℃)，平壁厚 δ＝2mm，导热系数 λ＝10W/（m·℃），要想增强传热 过程应从何处着手？（ ）
传热学-第十章
把单位体积内所包含的换热面积作为衡量换热器紧凑程度的 衡量指标，一般将大于700m2/m3的换热器称为紧凑式换热器， 板翅式换热器多属于紧凑式，因此，日益受到重视。
(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。
1 通过平壁的传热
k K的计算1
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：ht hc hr
(8-24)
膜态沸腾：ht43hc43hr43 (6-23)
hr
(T14 T24)
T1 T2
由于平壁两侧的面积是相等的，因此传热系数的数值无论 对哪一侧来说都是相等的。
2 通过圆管的传热
园管内外侧表面积不等，所以对内侧
而言和对外侧而言的传热系数在数值上不同的。先分析管长为L
的一段园管：见图(9-1)
传热过程包括管内流体到管内侧壁面， 管内侧壁面到管外侧壁面，管外侧壁面 到管外流体三个环节。
)dAx
t exp(kA)-1
(1)
k A
lntx t
kAx
Ax A
lnt kA
t
(2)
t exp(kA)
(3)
t
(1)+(2)+(3)
在固体微元面dA内，两种流体的换热量为:
d kd A t
对于热流体和冷流体:
dqmch hdth dthqm 1ch hd
dqmcccdtc dtcqm 1cccd
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1
10.1 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。（两个流体通过壁面的换热过程。） 【传热过程是传热学中特指的概念】
传热方程式： Φ = K A Δt
式中：K为传热系数(总传热系数)。对于不同的传热过程，
K的计算公式不同。
25
（1）加大传热温差 tm
在冷、热流体进、出口温度相同的情况下，逆流的平均温 差最大，顺流的平均温差最小，因此从强化传热的角度出 发，换热器应当尽量布置成逆流。
（2）减小传热热阻 Rk
1）多布置换热面，增加总传热面积A，可降低总传热热阻， 加大传热量。
2）降低污垢热阻。
3）减小对流换热热阻Rh1、Rh2。如果两个热阻相差较大，应 抓住主要矛盾，设法减小其中最大的热阻。
Φ Ko Ao (t fi t fo )
说明： 也可以以内表面为基准。
ho
4
3. 带保温层的金属圆管传热 —— 临界热绝缘直径
圆管外敷保温层后：
Φ
1
l(t fi t fo ) 1 ln( di 2 )
1
hidi 2
di
ho (di 2 )
可见，保温层使得导热热阻增加，换热削弱；降低对流 换热热阻，使得换热增强，那么，综合效果到底是增强 还是削弱呢？
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）。
24
无论是强化传热还是削弱传热，一般都是从改变传热温差和 改变传热热阻两方面入手。
以换热器内的传热过程为例：
kAtm
tm 1
tm Rk
tm Rh1 R Rh2
kA
传热强化途径： （1）加大传热温差 tm； （2）减小传热热阻 Rk 。
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。
29
例题 1
某逆流套管式换热器，用流量为0.9kg/s的油将流量为 0.6kg/s的水从35℃加热到90℃。油的比热容为2.1kJ/(kg ℃)， 进入换热器的温度为175℃。假设水的比热容为4.2kJ/(kg ℃)， 该换热器的总传热系数为425 W/(m2 ℃)。 （1） 计算该换热器的换热面积； （2） 画出换热器冷、热流体温度变化曲线。
30
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
21
1) 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
qm1cp1 t1 t1 qm2cp2 t2 t2
求出未知的进、出口温度
及换热量 ；
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、壁面与冷流体间的对流换热三个
环节组成的传热过程。（应用最广泛）
9
3 间壁式换热器的主要型式
(1) 套管式换热器：最简单的一种间壁式换热器，流体有顺 流和逆流两种，适用于传热量不大或流体流量不大的情形
10
(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，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。
强化对流换热的方法：
1）扩展换热面（加装肋片） 26
2）改变换热面的形状、大小和位置 如管内强迫对流湍流换热
Nuf 0.023Ref0.8Prfn
hd
f
0.023
um
d
0.8
f
Prfn
h d 0.2
用直径小的管子或者用椭圆管代替圆管（减小当量直径） 都可以取得强化对流换热的效果。
再如管外自然对流换热和凝结换热，管子水平放置时的表 面传热系数一般要高于和竖直放置。
TA,out TB,in (shellside)
TB,out TA,in (tubeside)
11
(3) 交叉流换热器：间壁式换热器的又一种主要形式。其主 要特点是冷热流体呈交叉状流动。交叉流换热器又分管束 式、管翅式和板翅式三种。
12
10.3 平均传热温差
1 简单顺流、逆流换热器的平均传热温差
T T1
Th (Hot) T2
Tc (cold) x
t t tm，顺流 ln t
t
T
T1
Th T2
Tc x
tm,逆流
t t ln t
t
13
顺流和逆流的区别在于：
顺流： 逆流：
t th tc t th tc t th tc t th tc
或者我们也可以将对 数平均温差写成如下 统一形式(顺流和逆流 都适用)
5
d ddo
1
hi
di
l(t fi t fo )
1 ln( do )
2 di
1 ho d o
2
1
2
d
o
1 h0do2
d 0 ddo
do
2
ho
dcr
or
Bi do ho 2
可见，确实是有一个极值存在。也就是说，do2在do1 ~ dcr之 间，是增加的，当do2大于dcr时， 降低。
27
3）改变换热面表面状况 如表面粗糙度，可以强化单相流体的湍流换热； 在换热表面形成一层多孔 层可以强化沸腾换热；
在换热面上加工成沟槽或螺纹，或对换热表面进行处理造 成珠状凝结，是强化凝结换热的实用技术；
增加表面黑度强化辐射换热。
28
4）改变流体的流动状况 湍流换热强度要大于层流；对流换热热阻主要集中在边界层； 湍流换热的主要热阻在层流底层。加大流速实现湍流换热、 增强流体扰动、破坏边界层及层流底层，是强化对流换热的 主要方法。
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；
10.2 换热器的型式
1 换热器的定义：用于使热量从热流体传递到冷流 体，以满足规定工艺要求的装置。
2 换热器的分类：
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。
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。
间壁式：换热器内冷、热流体由壁面隔开，热量由热流体
平均温差的一种最简单的形式是算术平均温差，即
tm,算术
t m a x
2
t m in
tm,对数
t max tmin ln t max
t m in
算术平均温差相当于温度呈直线变化的情况，
当 tmax tmin 2 时，两者的差别小于4％； 当 tmax tmin 1.7 时，两者的差别小于2.3％。
(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。
23
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。
(c) 由进、出口4个温度及流动型式求平均温差 tm ；
(d) 由式 kAtm 求出所需的换热面积A ;
(e) 计算换热器的流动阻力，如果阻力过大，会加大设备的
投资和运行费用，须改变方案，重新设计。
22
2）校核计算：
已知换热器的换热面积A、两侧流体的质量流量 qm1, qm2 、进
口温度 t1, t2 等5个参数，需计算热、冷流体的出口温度 t1, t2
K 1 Rtot
2
一、传热方程中的总传热系数
1. 通过平壁的传热
K
1ห้องสมุดไป่ตู้
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)
3
2. 通过圆管的传热
1
Ko do do ln( do ) 1
hidi 2 di ho
hi
Ao dol
tm
t max tmin ln t max
t m in
14
(1)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
t
最大，顺流的
m
t
则最小；
m
(2)顺流时 th tc， 而逆流时， th则可能小于 tc。
dTh
Ti T dq
dTc
Ti
To
T dq
dTc
In
Out
In
dTh
To
Out
15
2 算术平均温差
（1）热流体出口温度； （2）污垢的热阻。
31
例题 3
习题6-39（需要迭代计算）
32
作业