第7章 传热过程的分析与计算

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§7.4 换热器与换热器的热力计算
§7.4.1 换热器的分类 换热器热计算的基本方程（与下节合） §7.4.2 换热器热计算的基本方程（与下节合） §7.4.3 换热器的对数平均温差 §7.4.4 换热器的热力计算 7.4.4
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§7.4.1 换热器的分类
• 按工作原理分为三大类
蓄 热 式
间 壁 式 （管 壳 式 ）
K ' ' = 1.98K
2、加装肋片
问题：表面肋化，但肋片应该加在哪一侧呢？ 问题：表面肋化，但肋片应该加在哪一侧呢？ 与强化对流传热类似，应加在对流传热热阻较大的那一侧， 与强化对流传热类似，应加在对流传热热阻较大的那一侧， 大热阻对应表面传热系数较小的情形，所以应在表面传热系数 大热阻对应表面传热系数较小的情形， 较小的那一侧加肋片 问题：对暖气片强化传热时，加肋片应当加在哪一侧？ 问题：对暖气片强化传热时，加肋片应当加在哪一侧？ 问题： 问题：但工程上有时也把肋片加在流体表面传热系数大的冷 流体一侧，为何？ 流体一侧，为何？
传热系数（以管外表面积为基准）： 传热系数（以管外表面积为基准）：
tf 1 − tf 2 Φ= do 1 1 1 + ln + π di lhi 2πλl di π d olho = π d olK o ( tf1 − tf2 )
1 do 1 do do 1 + ln + di hi 2λ di ho
• 高温流体通过固体壁面把热量传给另一侧低温流体的过程， 高温流体通过固体壁面把热量传给另一侧低温流体的过程， 称为传热过程 称为传热过程 • 传热方程式： 传热方程式：
Φ = KA ( tf1 − tf2 )
K－传热系数，W/(m2.K)，是衡量传热过程强度的物理量， 传热系数， .K)，是衡量传热过程强度的物理量，
热阻分析图： 热阻分析图：
传热过程传热量： 传热过程传热量：
Φ = K A∆t =
传热系数： 传热系数：
δ 1 + + h1 A h2 A λ A
1
1
t f1 − t f2
K=
1 δ 1 + + h1 λ h2
根据热阻分析图， 根据热阻分析图，也可容易计算出壁面的温度
Φ t w1 = t f 1 − h1 A
传热学考试安排
• 考试时间： 考试时间： 2010年 2010年6月28日，19：00－21：00 28日 19：00－21： • 考试地点： 考试地点： 石工07级4－6班：东廊201 石工07级 07 东廊201 • 题目类型： 题目类型： 简答分析题：40％；计算题：60％ 简答分析题：40％；计算题：60％ ％；计算题 • 注意：带学生证、计算器等 注意：带学生证、 • 答疑：南堂一层答疑室，26、27晚上，28白天 答疑：南堂一层答疑室，26、27晚上，28白天 晚上
1 δ 1 + + h1 λ h2
1
根据传热方程式．要增大传热量，可有三条途径： 根据传热方程式．要增大传热量，可有三条途径： ① 提高传热温差 ② 增加传热面积 ③ 提高传热系数 • 提高传热温差会受到生产工艺、技术及经济等方面限制 提高传热温差会受到生产工艺、 • 简单增加传热面积会增加设本成本及体积 • 提高传热系数是较为理想的强化传热途径 如何提高传热系数呢？ 如何提高传热系数呢？ • 提高对流传热的表面传热系数或加装肋片
Φr hr = A (Tw − Tf )
Φ r = hr A (Tw − Tf )
Φ t = ( hc + hr ) A (Tw − Tf ) = ht A (Tw − Tf )
ht称为复合传热表面传热系数，引入复合传热表面传热系数 称为复合传热表面传热系数 复合传热表面传热系数，
的目的是简化复杂换热系统的分析计算 返回
1、提高对流传热的表面传热系数 、
导热热阻一般较小，关键是降低对流传热热阻。那么， 导热热阻一般较小，关键是降低对流传热热阻。那么， 应当提高哪一侧对流传热表面传热系数呢？ 应当提高哪一侧对流传热表面传热系数呢？
1 δ 1 1 1 K = + + ≈ + h1 λ h2 h1 h2
对一般保温材料(λ .K)， 对一般保温材料(λs=0.12 W/m.K )，自然对流条件下(ho=9 W/(m2.K)，临 ，自然对流条件下(ho=9 界热绝缘直径为26.6mm 界热绝缘直径为26.6mm • 工程上一般管道（如输油管道、暖气管线）外径都大于此值，因此敷设保 工程上一般管道（如输油管道、暖气管线）外径都大于此值， 温层会减小散热量 • 在小管径且环境又是自然对流的条件下（实验室内），对管道加保温材料 在小管径且环境又是自然对流的条件下（实验室内），对管道加保温材料 ）， 时要特别谨慎。因为，当管径小于临界绝缘半径时， 时要特别谨慎。因为，当管径小于临界绝缘半径时，增加保温层能起到强 化换热的作用 • 电工中，在电线外加上绝缘层一方面可以利用这一点强化电线的散热，使 电工中，在电线外加上绝缘层一方面可以利用这一点强化电线的散热， 其温度不至于升得很高，另一方面可以起到绝缘保护作用。 其温度不至于升得很高，另一方面可以起到绝缘保护作用。
第7章 作业
• 思考题： • 习题：
• 前面我们已经掌握了导热、对流传热、辐射传热等过程的有 前面我们已经掌握了导热、对流传热、辐射传热等过程的有 导热 关理论和计算方法 • 本章主要介绍对同时包含有几种热量传递方式的复杂热量传 递过程如何进行分析和计算 • 重点1：对传热过程，介绍如何确定传热系数k及如何强化传 重点1 对传热过程，介绍如何确定传热系数k 热过程 • 重点2：对换热器，介绍如何进行换热器的热力计算，重点 重点2 对换热器，介绍如何进行换热器的热力计算， 是如何确定冷热流体的平均传热温差
2λs d cr = ho
称为临界热绝缘直径， dcr称为临界热绝缘直径，它与保温材料热导率及所处环 境对流传热强度有关。 境对流传热强度有关。
根据右图， 根据右图，当管线外径小于临界热 绝缘直径时， 绝缘直径时，随着保温层厚度的增 管线的总热阻先减小， 加，管线的总热阻先减小，达到某 一最小值后， 一最小值后，又随保温层厚度的增 加而增大
• h1＝103，h2＝10，没有强化前：K=9.90 W/(m2.K) ，没有强化前： • 措施 ： h1＝2000，h2＝10： K’＝9.95 W/(m2.K) 措施1： ， ： ＝
K ' = 1.005K
• 措施 ：h1＝103，h2＝20： K’’=19.6 W/(m2.K) 措施2： ：
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§7.2.2 通过圆筒壁的传热过程 7.2.2
与通过平壁的传热过程类似， 与通过平壁的传热过程类似，应借助 热阻的概念来进行分析求解 热阻分析图： 热阻分析图：
传热过程传热量： 传热过程传热量：
tf 1 − tf 2 tf 1 − tf 2 Φ= = Rk Rh1 + Rλ + Rh2
tf 1 − tf 2 = do 1 1 1 + ln + π di lhi 2πλl di π d olho
单位管长总热阻： 单位管长总热阻：
ds 1 Rl = ln + 2πλs d o πd s ho 1
随着保温层厚度的增加， 的增大： 随着保温层厚度的增加，即随着ds 的增大： • —保温层导热热阻Rs逐渐增加 保温层导热热阻 • —保温层外侧的对流传热热阻Rh却随之减小
对单位管长总热阻求极值，可得： 对单位管长总热阻求极值，可得：
tw2
Φ = tf2 + h2 A
二、通过多层平壁的传热
• 求解方法与单层平壁类似
Φ=
t f 1 − tf 2 Rh1 + ∑ Rλi + Rh2
i=1 = n
= KA ( tf 1 − tf 2 )
K=
1
δi 1 1 +∑ + h1 i =1 λi h2
n
三、如何强化t f1 − t f2 )
−1
−1
理论上可以证明， 理论上可以证明，改善表面传热系数值较小的那一侧的对 流传热，对总的传热系数提高的效果较好。 流传热，对总的传热系数提高的效果较好。如果两侧对流热阻 相差不大，则应同时改善。 相差不大，则应同时改善。 思考：把盛有稀饭的碗放在冷水里冷却，应当搅拌哪一侧， 思考：把盛有稀饭的碗放在冷水里冷却，应当搅拌哪一侧，稀 饭会冷却地更快？ 饭会冷却地更快？
本书仅学习间壁式换热器中最简单、但也是最基本的所谓套管式换热器 本书仅学习间壁式换热器中最简单、但也是最基本的所谓套管式换热器 （也可认为是1-1型壳管式换热器）的热力计算内容。其它各种间壁式换 也可认为是1 型壳管式换热器）的热力计算内容。 热器的计算也是在套管式换热器热力计算基础上进行的。 热器的计算也是在套管式换热器热力计算基础上进行的。 套管式换热器按冷热流体流向的关系又分为顺流 逆流两种 顺流和 两种， 套管式换热器按冷热流体流向的关系又分为顺流和逆流两种，具有各自 不同的换热特点。 不同的换热特点。
综合反映了两侧对流传热和导热对传热过程的影响 • 本节介绍冷热流体在传热过程中流体温度保持不变情况 下，传热系数的计算以及传热量的确定，传热温差在§ 传热系数的计算以及传热量的确定，传热温差在 以及传热量的确定 7.4介绍。 介绍。 介绍
§7.2 传热过程分析与计算
§7.2.1 通过平壁的传热过程 7.2.1 §7.2.2 通过圆筒壁的传热过程 7.2.2 §7.2.3 临界热绝缘直径 7.2.3
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§7.2.3 临界热绝缘直径 7.2.3
• 设圆管外径为do，其外表面温度为two，保温层外径为ds，其导热 设圆管外径为d 其外表面温度为t 保温层外径为d 系数为λs 。环境流体温度为tf，保温层外表面与流体间复合传 环境流体温度为t 热的表面传热系数为h 热的表面传热系数为ho。 • 分析单位管长散热量与保温层厚度关系 热阻分析图： 热阻分析图：