传热学课件第十章
合集下载
【精品】传热学第十章传热过程和换热器计算PPT课件
传热方程式： Φ= KAΔt
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。
K 1 R tot
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。
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）。
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 1 tm R tkmRh1 R tm Rh2
kA
传热强化途径： （1）加大传热温差 t m ； （2）减小传热热阻 R k 。
Ti
dq
T
dT c
In
Ti
To
T dq
dT c
Out
In
dT h
To
Out
2 算术平均温差
平均温差的一种最简单的形式是算术平均温差，即
tm,算术 tma2 x tmin
tm,对数
tmax tmin ln tmax
tmin
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 tmin1.7时，两者的差别小于2.3％。
通常，对逆流的对 数平均温差进行修 正以获得其他复杂 流动方式下的平均 温差。
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tc
Rth th tctc
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。
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。
K 1 R tot
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。
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）。
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 1 tm R tkmRh1 R tm Rh2
kA
传热强化途径： （1）加大传热温差 t m ； （2）减小传热热阻 R k 。
Ti
dq
T
dT c
In
Ti
To
T dq
dT c
Out
In
dT h
To
Out
2 算术平均温差
平均温差的一种最简单的形式是算术平均温差，即
tm,算术 tma2 x tmin
tm,对数
tmax tmin ln tmax
tmin
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 tmin1.7时，两者的差别小于2.3％。
通常，对逆流的对 数平均温差进行修 正以获得其他复杂 流动方式下的平均 温差。
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tc
Rth th tctc
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。
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
传热学完整课件PPT课件
原子、分子在其平衡位置附近的振动产生的）
的作用。
说明：只研究导热现象的可宏编观辑课规件 律。
18
2 、导热的基本规律
❖ 1 ）傅立叶定律 ❖ （ 1822 年，法国物理学家）
如图 1-1 所示的两个表面分别维持均匀
恒定温度的平板，是个一维导热问题。对于
x方向上任意一个厚度为的微元层来说，根
据傅里叶定律，单位时间内通过该层的导热
可编辑课件
8
b 微电子： 电子芯片冷却
c 生物医学：肿瘤高温热疗；生物芯片；组 织与器官的冷冻保存
d 军 事：飞机、坦克；激光武器；弹药贮 存
e 制 冷：跨临界二氧化碳汽车空调/热泵； 高温水源热泵
f 新能源：太阳能；燃料电池
可编辑课件
9
三、传热学的特点、研究对象及研究方法
1、特点
❖ 1 ）理论性、应用性强
机、工况改变时的传热过程则属 非稳态传热
过程。
可编辑课件
4
二、讲授传热学的重要性及必要性
1 、传热学是热工系列课程教学的主要内容 之一，是建环专业必修的专业基础课。是 否能够熟练掌握课程的内容，直接影响到 后续专业课的学习效果。
2 、传热学在生产技术领域中的应用十分广 泛。如：
(1) 日常生活中的例子：
❖ 3 、研究方法
❖ 研究的是由微观粒子热运动所决定的
宏观物理现象，而且主要用经验的方法寻
求热量传递的规律，认为研究对象是个连
续体，即各点的温度、密度、速度是坐标
的连续函数，即将微观粒子的微观物理过
程作为宏观现象处理。
可编辑课件
13
由前可知，热力学的研究方法仍是如此，但 是热力学虽然能确定传热量（稳定流能量方 程），但不能确定物体内温度分布。
传热学课件讲义
2020/12/15
二、基本概念
1、温度场（Temperature field） 指某一瞬时物体内各点的温度分布状态。温度是标量，温度场是时间
和空间的函数，也是标量场。 在直角坐标系中：； 在柱坐标系中：； 在球坐标系中：。
根据温度场表达式，可分析出导热过程是几维、稳态或非 稳态的现象，温度场是几维的、稳态的或非稳态的。
传热学
2020/12/15
第一章 导热理论基础
绪论 §１ 基本概念和傅里叶定律 §２ 导热系数 §3 导热微分方程式 §４ 导热过程的单值性条件
2020/12/15
绪论
一、传热学的研究内容
热量传递的具体方式、传热速率大小及其影响因素。 ⑴传热的三种基本方式及各自的规律； ⑵工程中实际传热过程的规律； ⑶提出控制传热（强化传热和削弱传热）的基本方法。 工程热力学从理论上分析热力系统的状态、能量传递 和迁移的多少以及系统的变化方向与性能的好坏。但是， 能量是以何种方式传递和迁移？传递和迁移的速率如何？ 以及能量状态随时间和空间的分布如何？热力学都没有 给予回答。
二、传热学的研究方法
传热学的研究方法主要有：理论分析方法；实验研究方法；比拟(类比) 方法；数值计算方法
理论分析方法
将所研究问题的基本物理特征和具体规律用一个理想化的数学模型表述 出来，并选择适当的数学方法进行求解。常用的数学解析方法一般可分 为精确解法(即直接求解常微分方程或者偏微分方程)和积分方程近似解法 两大类。
2020/12/15
导热过程的单值性条件
一、单值性条件
导热问题的单值性条件通常包括如下四项：
几何条件：表征导热物体的几何形状和大小（属于三维，二维或 一维问题）；
物理条件：说明导热系统的物理特性（即物性量和内热源的特 点）；
传热学精讲 第十章
第十章 传 热 和 换 热 器 第一节通过肋壁的传热图10-1 通过肋壁传热Φ = 1h 1A (1f t -1w t ) (1) Φ =δλ1A (1w t -2w t ) (2) Φ = 2h 2A '(2w t -2f t )+2h 2A ''(m w t ,2-2f t ) (3) 肋片效率222,222222,222)()(f w f m w f w f m w f t t t t t t A h t t A h --=-''-''=η (4)Φ= 2h (2A ' +2A ''f η) (2w t -2f t ) = 2h 2A η (2w t -2f t ) (5) 肋壁总效率η=222A A A f η''+' 。
肋壁传热公式： Φ =ηλδ221112111A h A A h t t f f ++- =ηλδ2211211A h A h t t f f ++- 1A W （10-1）Φ = 1k 1A (21f f t t -) W （10-2）1k --光壁面面积1A 为基准的传热系数1k =ηβλδ21111h h ++ W/(2m ·K) （10-3）12A A =β 2k --2A 为基准的传热系数，用2k 表示，即Φ = 2212112211A h A A A h A t t f f ηλδ++- =ηβλδβ212111h h t t f f ++-2A = 2k 2A (21f f t t -) （10-4） 式中： 2k =ηβλδβ21111h h ++ W/(2m ·K) （10-5）对1k 热阻 )(f R +λδ对2k 热阻 βλδ)(f R +第二节复合换热时的传热计算图10-2 复合换热对流与辐射并存的换热称为“复合换热”对流换热： c q = c h (w t -f t ) W/2m (1)辐射换热： r q =εb C ⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎭⎫ ⎝⎛44100100m a w T T W/2m (2) r q = b C ⋅εfw m a w t t T T -⎥⎦⎤⎢⎣⎡-44)100()100( (w t -f t )=r h (w t -f t ) W/2m (3)r h =εbC 84410-⨯--fw m a w T T T T (10-6)复合换热热：q = c q +r q = (c h +r h )(w t -f t )= h (w t -f t ) （10-7）[例10-3] 计算某寒冷地区中空玻璃窗传热系数，已知数据列表如下：[解]窗的散热过程可分为3段，即（1）热由室内传给双层窗内侧玻璃；（2）通过空气层；（3）由外侧璃窗传给室外。
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 )
工程热力学与传热学第十章 热传导
Cold wall
tw2
热流是矢量（大小 + 方向），负号表示热流与温度 增加的方向相反，即导热是沿着温度降低的方向进 行！单位时间内通过某一给定面积的传热量（Heat transfer rate）为：
Q qF F dt (W)
dx
上述热传导Fourier定律仅适用于简单的一维情况， 但它是整个传热学的基础，必须熟练掌握！复杂的 二维、三维Fourier定律通常要借用计算机进行求解。
gradt lim t t n0 n n
t+△t
t
温度梯度：自等温线某点出发，到另一等温线上某点的温差 与距离比值的极限称为此点的温度梯度。（温度变化最剧烈 的方向）
每点的温度梯度都垂直于该点的等温线（等温面），并 指向温度增大的方向（法线方向）。
10-2 Fourier导热定律
Fourier’s law of heat conduction The rate of heat conduction through a plane layer is proportional to the temperature difference across the layer and the heat transfer area, but is inversely proportional to the thickness of the layer.
另外，材料的导热系数往往与温度有关。
10-2 Fourier导热定律
理解Fourier定律 掌握每个物理量所代表的含义与单位，及应用的场合。
δ
Hot wall q tw1
q dt
dx
式中(采用国际标准制单位SI)：
q —— 热流 (Heat flux, W/m2 ) —— 热导率或导热系数 (Thermal conductivity, W/m·K ) t —— 温度 (Temperature, K ) x —— 坐标 (Coordinate, m )
传热学,第十章
（2）浓度扩散的两种基本方式 分子扩散： 分子扩散：在浓度梯度作用下由分子运动而引 起的质量传递过程。 起的质量传递过程。 对流扩散： 对流扩散：在浓度梯度存在的情况下由宏观对流 而引起的质量传递过程。 而引起的质量传递过程。 （3）混合物的浓度
mA mB , ρB = kg/m3 质量浓度ρ ： ρ A = V V nA nB 3 , cB = kmol/m 物质的量浓度c ：cA = V V 对于理想气体， 对于理想气体， piV = ni RT pi ci = R = 8.314 J/(mol ⋅ K) RT
（4）通量密度 定义： 定义 ： 单位时间内在垂直于扩散方向单位面积上 通过的某组分的物质的数量称为该组分的通量密度 通过的某组分的物质的数量称为该组分的通量密度。 通量密度。 质量通量密度： 质量通量密度： 单位时间内在垂直于扩散方向单位面积上通过的 某组分的质量， 表示，单位为kg/(m 某组分的质量，用Mi 表示，单位为kg/(m2·s) 。 物质的量通量密度（摩尔通量密度 物质的量通量密度（摩尔通量密度）： 通量密度） 单位时间内在垂直于扩散方向单位面积上通过的 某组分的物质的量（摩尔数量） 表示， 某组分的物质的量（摩尔数量），用Ni 表示，单位为 kmol/(m2·s) 。
D dp w D dpw D dpw cwx Nw = − + cwx ⋅ = − − RT dx RT dx RT dx cAx
cwx pw pw pA = cwx = , cAx = cAx pA RT RT D pw + pA dpw D p0 dpw Nw = − =− RT pA dx RT p0 − pw dx
dpA dp w =− dx dx
由于空气几乎不溶于水， 由于空气几乎不溶于水，不 能向水中扩散，在水面处， 能向水中扩散，在水面处，空气 的分压力梯度接近于零。 的分压力梯度接近于零。但由于 筒口处的空气分压力大于水面处， 筒口处的空气分压力大于水面处， 必然有空气不断从筒口向下扩散， 必然有空气不断从筒口向下扩散， 会使水面处的空气越来越多。 会使水面处的空气越来越多。为 了维持稳定的扩散过程， 了维持稳定的扩散过程，一定存 在一股自下而上的混合气流， 在一股自下而上的混合气流，其 中携带的空气量正好等于向下扩 散的空气量，即在任一截面处， 散的空气量，即在任一截面处， 都有 D dpA
工程热力学与传热学 第十章 气体动力循环
在斯特林循环中，在定容吸热过程2-3中工质从回热器中吸收的
热量正好等于定容放热过程4-1放给回热器的热量。经过一个循环
回热器恢复到初始状态。 可以证明：在相同的温度范围内，理想的定容回热循环（斯特 林循环）和卡诺循环，具有相同的热效率。
斯特林循环的突出优点是热效率高、污染少，对加热方式的适
应性强。随着科技的发展以及环境保护日益为人们所重视，斯特林
同样可以证明：在相同的温度范围内，理想的定压回热循环（ 艾利克松循环）和卡诺循环，具有相同的热效率。 理想回热循环（斯特林循环和艾利克松循环）通常称为概括性 卡诺循环。实践证明，采用回热措施可以提高循环热效率，也是余 热回收的一种重要节能途径。
本章小结
1。气体动力循环的基本概念 1）内燃机的特性参数：
P 3 2 4
0-1：吸气过程。由于阀门的阻力，吸入气缸内
空气的压力略低于大气压力。
1-2：压缩过程 2－3－4－5：燃烧和膨胀过程
5 6
燃烧可分为定容过程和定压过 程
1
Pb
0
5－6－0：排气过程
V
P 3 2 4
简化原则为:（1）不计吸气和
排气过程，将内燃机的工作过程 看作是气缸内工质进行状态变化 的封闭循环。
3 - 4为定压加热过程：
T4 v4 T3 v3 T4 T3 T1 k 1；p4 p3 p1 k
v1 v2
p3 p2
v4 v3
4-5为定熵过程，5-1及2-3为定容过程，因此有：
T5 v 4 k 1 v 4 k 1 v 4 v 2 k 1 k 1 ( ) ( ) ( ) ( ) T4 v5 v1 v3 v1
2-3：定容吸热； 4-5：绝热膨胀；
(完整PPT)传热学
(完整PPT)传热学contents •传热学基本概念与原理•导热现象与规律•对流换热原理及应用•辐射换热基础与特性•传热过程数值计算方法•传热学实验技术与设备•传热学在工程领域应用案例目录01传热学基本概念与原理03热辐射通过电磁波传递热量的方式，不需要介质，可在真空中传播。
01热传导物体内部或两个直接接触物体之间的热量传递，由温度梯度驱动。
02热对流流体中由于温度差异引起的热量传递，包括自然对流和强制对流。
热量传递方式传热过程及机理稳态传热系统内的温度分布不随时间变化，热量传递速率保持恒定。
非稳态传热系统内的温度分布随时间变化，热量传递速率也随时间变化。
传热机理包括导热、对流和辐射三种基本传热方式的单独作用或相互耦合作用。
生物医学工程研究生物体内的热量传递和温度调节机制，为医学诊断和治疗提供理论支持。
解决高速飞行时的高温问题，保证航空航天器的安全运行。
机械工程用于优化机械设备的散热设计，提高设备运行效率和可靠性。
能源工程用于提高能源利用效率和开发新能源技术，如太阳能、地热能等。
建筑工程在建筑设计中考虑保温、隔热和通风等因素，提高建筑能效。
传热学应用领域02导热现象与规律导热基本概念及定律导热定义物体内部或物体之间由于温度差异引起的热量传递现象。
热流密度单位时间内通过单位面积的热流量，表示热量传递的强度和方向。
热传导定律描述导热过程中热流密度与温度梯度之间关系的定律，即傅里叶定律。
导热系数影响因素材料性质不同材料的导热系数差异较大，如金属通常具有较高的导热系数，而绝缘材料则具有较低的导热系数。
温度温度对导热系数的影响因材料而异，一般情况下，随着温度的升高，导热系数会增加。
压力对于某些材料，如气体，压力的变化会对导热系数产生显著影响。
稳态与非稳态导热过程稳态导热物体内部各点温度不随时间变化而变化的导热过程。
在稳态导热过程中，热流密度和温度分布保持恒定。
非稳态导热物体内部各点温度随时间变化而变化的导热过程。
《传热学》电子课件
第1章绪论§1.1 传热学的研究内容及其应用四、传热学在科学技术各个领域中的应用3.3.温度控制温度控制温度控制：：为使一些设备能安全经济地运行为使一些设备能安全经济地运行，，或者为得到优质产品为得到优质产品，，要对热量传递过程中物体关键部位的温度进行控制部位的温度进行控制。
例如例如：：电子器件的冷却航天器重返大气层时的热防护原子及自由电子等微观粒子热运动而传递热量：定律有：绪论第1章绪论§1.2 热能传递的三种基本方式二、对流对流（（热对流热对流））(Convection )4. 对流对流换热的特点换热的特点第1章绪论§1.2 热能传递的三种基本方式二、对流对流（（热对流热对流））(Convection )5. 对流对流换热量的计算换热量的计算换热量的计算－－－－－－牛顿冷却定律牛顿冷却定律() w f ΦhA t t =− () w f q ΦA h t t ==−h —表面传热系数表面传热系数[[W/(m 2K)]Φ—热流量热流量[[W ]，单位时间传递的热量q —热流密度热流密度[[W/m 2]A—与流体接触的壁面面积与流体接触的壁面面积[[m 2 ]w t —固体壁表面温度固体壁表面温度[[o C ]f t —流体温度流体温度[[o C ]()f w ΦhA t t =− ()f w q ΦA h t t ==−流体受冷流体受热第1章绪论§1.2 热能传递的三种基本方式二、对流对流（（热对流热对流））(Convection )6. 表面传热系数表面传热系数（（h ）是过程量是过程量，，与具体的换热过程有关与具体的换热过程有关，，受许多因素影响第1章绪论§1.2 热能传递的三种基本方式二、对流对流（（热对流热对流））(Convection )7. 对流热阻=1h t t ΦR hA ∆∆= =1h t t q r h∆∆=wt ft ΦhR 有限面积对流热阻1h R hA=单位面积对流热阻1h r h=第。
传热学-第十章
24
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 )
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 10 导热微分方程
• ② 物理条件：任何具体现象，都必须有介质参与。 因此，介质的物理性质 (如密度、热容、导温系数等 ) 也是定解所需的条件。由于密度ρ与重力加速度g有关， 因此g是伴随ρ出现的物理量，故g也属于定解条件。
2.3 导热微分方程
③ 边界条件：任何具体现象都发生在某一体系内，而 该体系必然受到其直接相邻的边界情况的影响。因此， 发生在边界的情况也是定解条件。
1822年，傅里叶终于出版了专著《热的解析理论》 (Theorie ana1ytique de la Cha1eur ，Didot ， Paris， 1822)。这部经典著作将欧拉、伯努利等人在一些特殊 情形下应用的三角级数方法发展成内容丰富的一般理论， 三角级数后来就以傅里叶的名字命名。 傅里叶应用三角级数求解热传导方程，同时为了处 理无穷区域的热传导问题又导出了“傅里叶积分”，这 一切都极大地推动了偏微分方程边值问题的研究。 傅里叶的工作意义远不止此，它迫使人们对函数概 念作修正、推广，特别是引起了对不连续函数的探讨； 三角级数收敛性问题更刺激了集合论的诞生。《热的解 析理论》影响了整个19世纪分析严格化的进程。
• 确定热流密度的大小，应 知道物体内的温度场，理 论基础：傅里叶定律+热力 学第一定律，假设：
(1) 所研究的物体是各向同性的 连续介质； (2) 热导率、比热容和密度均为 已知； (3) 物体内具有内热源；强度 qv [W/m3]；内热源均匀分布；
qv 表示单位体积的导热体 在单位时间内放出的热量:
• 解：为不稳态导热和一维的问题。当λ、qv均为常数 时，一维不稳态导热微分方程简化和边界层如下：
qv T T a 2 t x cp
2
t=0，x=0，T(0，x)= T0
T t 0, x s, x
传热学完整课件PPT课件
（ 1 ）稳态传热过程； （ 2 ）非稳态传热过程。 1 ）稳态传热过程（定常过程）
凡是物体中各点温度不随时间而变的热传递 过程均称稳态传热过程。） 凡是物体中各点温度随时间的变化而变化
的热传递过程均称非稳态传热过程。 各种热力设备在持续不变的工况下运行时
的热传递过程属稳态传热过程；而在启动、停 机、工况改变时的传热过程则属 非稳态传热 过程。
.
❖ 3 ）教育思想发生了本质性的变化 ❖ 传热学课程教学内容的组织和表达方
面从以往单纯的为后续专业课学习服务转 变到重点培养学生综合素质和能力方面， 这是传热学课程理论联系实际的核心。从 实际工程问题中、科学研究中提炼出综合 分析题，对培养学生解决分析综合问题的 能力起到积极的作用。
.
❖ 2 、研究对象
第一章
绪
论
.
§1-0 概 述
一、基本概念 ❖ 1 、传热学 ❖ 传热学是研究热量传递规律的学科。 ❖ 1)物体内只要存在温差，就有热量从物
体的高温部分传向低温部分； ❖ 2)物体之间存在温差时，热量就会自发
的从高温物体传向低温物体。
.
2 、热量传递过程 根据物体温度与时间的关系，热量传递过程 可分为两类：
❖ （ 3 ）非导电固体：导热是通过晶格结构 的振动所产生的弹性波来实现的，即原子、 分子在其平衡位置附近的振动来实现的。
.
❖（ 4 ）液体的导热机理：存在两种不同的 观点：第一种观点类似于气体，只是复杂些， 因液体分子的间距较近，分子间的作用力对 碰撞的影响比气体大；第二种观点类似于非 导电固体，主要依靠弹性波（晶格的振动， 原子、分子在其平衡位置附近的振动产生的） 的作用。
.
b 微电子： 电子芯片冷却 c 生物医学：肿瘤高温热疗；生物芯片；组 织与器官的冷冻保存 d 军 事：飞机、坦克；激光武器；弹药贮 存 e 制 冷：跨临界二氧化碳汽车空调/热泵； 高温水源热泵 f 新能源：太阳能；燃料电池
凡是物体中各点温度不随时间而变的热传递 过程均称稳态传热过程。） 凡是物体中各点温度随时间的变化而变化
的热传递过程均称非稳态传热过程。 各种热力设备在持续不变的工况下运行时
的热传递过程属稳态传热过程；而在启动、停 机、工况改变时的传热过程则属 非稳态传热 过程。
.
❖ 3 ）教育思想发生了本质性的变化 ❖ 传热学课程教学内容的组织和表达方
面从以往单纯的为后续专业课学习服务转 变到重点培养学生综合素质和能力方面， 这是传热学课程理论联系实际的核心。从 实际工程问题中、科学研究中提炼出综合 分析题，对培养学生解决分析综合问题的 能力起到积极的作用。
.
❖ 2 、研究对象
第一章
绪
论
.
§1-0 概 述
一、基本概念 ❖ 1 、传热学 ❖ 传热学是研究热量传递规律的学科。 ❖ 1)物体内只要存在温差，就有热量从物
体的高温部分传向低温部分； ❖ 2)物体之间存在温差时，热量就会自发
的从高温物体传向低温物体。
.
2 、热量传递过程 根据物体温度与时间的关系，热量传递过程 可分为两类：
❖ （ 3 ）非导电固体：导热是通过晶格结构 的振动所产生的弹性波来实现的，即原子、 分子在其平衡位置附近的振动来实现的。
.
❖（ 4 ）液体的导热机理：存在两种不同的 观点：第一种观点类似于气体，只是复杂些， 因液体分子的间距较近，分子间的作用力对 碰撞的影响比气体大；第二种观点类似于非 导电固体，主要依靠弹性波（晶格的振动， 原子、分子在其平衡位置附近的振动产生的） 的作用。
.
b 微电子： 电子芯片冷却 c 生物医学：肿瘤高温热疗；生物芯片；组 织与器官的冷冻保存 d 军 事：飞机、坦克；激光武器；弹药贮 存 e 制 冷：跨临界二氧化碳汽车空调/热泵； 高温水源热泵 f 新能源：太阳能；燃料电池
传热学-第十章
(c) 板翅式交叉流换热器
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
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
传热学第五版课件完整版
t z
第二节 导热系数
每种物质的导热系数可通过实验确定
常用物质可查表获取
一
固相>液相>气相
般
金属>非金属
规
晶体>无定形态
律
纯物质>有杂质物质
纯金属>合金
导热系数的主要影响因素：温度、压力
气体的导热系数：
随温度升高而增大（由于分子运动速度和比定容热容增大）， 压力对其影响不大（密度增大但自由程减小）
导出微元体的净热量：
d xdx qxdxdydzd d ydy qydydxdzd d zdz qzdzdxdyd
q xdx
qx
q x x
dx
将微分的定义式： qydy
qy
q y y
dy
q z dz
qz
qz z
dz
再将傅立叶定律代入，得出：
3.物性参数λ 、 ρ 、c均为常数，稳态温度场：
2t qV 0
4.物性参数λ 、 ρ 、c均为常数，稳态温度场，无内热源：
2t 0
5.物性参数λ 、 ρ 、c均为常数，二维稳态温度场，无内热源：
2t 2t x2 y2 0
6.物性参数λ 、 ρ 、c均为常数，一维稳态温度场，有内热源：
代入上式
三个方向导入与导出微元体的净热量：
d x
d xdx
q x x
dxdydzd
x
t dxdydzd
x
d y
d ydy
qy x
dxdydzd
清华大学热工基础课件工程热力学加传热学11第十章-对流换热、单相流体
综上所述，边界层具有以下特征： (a) 、t l
(b) 流场划分为边界层区和主流区。流动边界层内存 在较大的速度梯度，是发生动量扩散（即粘性力作用） 的主要区域。主流区的流体可近似为理想流体；热边 界层内存在较大的温度梯度，是发生热量扩散的主要 区域，热边界层之外温度梯度可以忽略；
(c) 根据流动状态，边界层分为层流边界层和湍流边 界层。湍流边界层分为层流底层、缓冲层与湍流核心 三层结构。层流底层内的速度梯度和温度梯度远大于 湍流核心；
20
局部表面传热系数的变化趋势：
流动边界层厚度 与热边界层厚度t的比较 ：
两种边界层厚度的相对大小取决于流体运动粘度 与
热扩散率a的相对大小。令
对于层流边界层:Pr≥1 t ；Pr≤1 t
Pr a
对于湍流边界层: t
普朗特数
一般液体:Pr=0.6~4000；气体：Pr=0.6~0.8。 21
4
(2) 流动的状态
层流 湍流
：流速缓慢，流体分层地平行于壁面方 向流动，垂直于流动方向上的热量传递 主要靠分子扩散（即导热）。
：流体内存在强烈的脉动和旋涡，使各 部分流体之间迅速混合，因此湍流对流 换热要比层流对流换热强烈，表面传热 系数大。
(3) 流体有无相变 沸腾换热 凝结换热
5
(4) 流体的物理性质
7
(5) 换热表面的几何因素
换热表面的几何形状、尺 寸、相对位置以及表面粗糙 度等几何因素将影响流体的 流动状态，因此影响流体的 速度分布和温度分布，对对 流换热产生影响。
影响对流换热的因素很
多，表面传热系数是很多变
量的函数，
特征长度（定型尺寸）
h fu ,t w ,t f, , ,c , , ,l,
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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
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。
t2
d kdA t
对于热流体:
t2
对于冷流体:
1 d qm1c1dt 1 dt1 d qm1c1 1 d qm 2 c2 dt 2 dt2 d qm 2 c2
1 1 dt dt1 dt2 d d qm1c1 qm 2 c2 1 1 d kdA t qm1c1 qm 2 c2 dt dt d kdAt kdA t
管束式 管翅式 管带式 板翅式
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、
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
ln( d o di ) 2 l
上面三式相加
l t fi t fo
do 1 1 1 ln hi d i 2 d i 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 d d 1 o ln o hi di 2 di ho
从热阻的角度来看
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：
(t fi t fo ) π(70-40) do do 1 1 1 1 l ln( ) ln 2 di ho d o 2 0.15 0.0051 10d o
取do＝10~70mm，计算结果用图线表示于图中。
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。
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。
层流换热器： 3000m 2 / m3或100 m d h 1mm 微型换热器： 15000m 2 / m3或100 m d h 1mm
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
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；
紧凑式: 700m 2 / m3或d h 6mm 按表面紧凑程度区分 非紧凑式
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。
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
按照操作过程
套管式 壳管式(管壳式) 间壁式 交叉流换热器 板式 螺旋板式 混合式 蓄热式
临界热绝缘直径
Φ
l (t fi t fo )
d 1 1 1 ln( o ) hi d i 2 di ho d o
圆管外敷保温层后：
Φ
l (t fi t fo )
d o1 do2 1 1 1 1 ln( ) ln( ) hi d i 21 di 22 d o1 ho d o 2
t2
t1
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：
t1
t1 dt1 dt2
t t1 t2 dt dt1 dt2
在固体微元面dA内，两种流体的换热 量为:
t1 t2
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：
k At 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。
do 1 1 1 1 ln k Ao hi Ai 2 l d i ho Ao
9.1.3
通过肋壁的传热
肋壁面积： Ao A1 A2 稳态下换热情况：
hi Ai (t f 1 t w1 )
Ai (t w1 t wo )
ho A1 (t wo t fo ) ho f A2 (t wo t fo ) ho o Ao (t wo t fo )
ht hc hr
9.1.2 通过圆管的传热
hi
内部对流：
hidi l (t f 1 t wi )
ho
1 lhi di
1 ho ldo
(twi two ) 圆柱面导热：Φ 1 do ln( ) 2 l di
外部对流： hod ol (t wo t f 2 )
t x Ax A ln kAx t t exp( kA) t
(2)、(3)代入(1)中
1 A t m t exp( k Ax )dA x A 0 t exp( k A) - 1 k A
(1)
t ln kA t
定义肋化系数： Ao Ai 则传热系数 k f
1 1 hi hoo 1
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
Ai (t fi t f 0 ) 1 1 Ai 1 hi Ai Ai hoo Ao hi hoo Ao
Ax dt t t k 0 dA t x t exp( kAx ) t x
t x ln kAx t
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：
1 A 1 A tm t x dAx texp( kAx )dAx A 0 A 0
肋面总效率
o
( A1 f A2 ) Ao
A0 (t fi t f 0 ) 1 1 1 Ao Ao 1 hi Ai Ai hoo Ao hi Ai Ai hoo
t fi t f 0
以肋侧表面积为基准的肋壁传热系数 1 kf 1 Ao Ao 1 hi Ai Ai hoo
kf Ai 1 hi hoo Ao 1 1 1 hi hoo 1
t fi t f 0
所以，只要 o 1 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
d o1 do2 1 1 1 1 (d o 2 ) ln( ) ln( ) hi d i 21 di 22 d o1 ho d o 2 l (t fi t fo ) d l (t fi t fo ) 1 1 Φ 2 2 (d o 2 ) dd o 2 (do 2 ) 22 do 2 h2 do 2 d 22 0 do2 d cr or Bi d o 2 h2 2 dd o 2 h2
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。
1-2型换热器
TB,in (shell side)
TA,out
TB,out
T A,in (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。
kAt 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）。
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
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。
t2
d kdA t
对于热流体:
t2
对于冷流体:
1 d qm1c1dt 1 dt1 d qm1c1 1 d qm 2 c2 dt 2 dt2 d qm 2 c2
1 1 dt dt1 dt2 d d qm1c1 qm 2 c2 1 1 d kdA t qm1c1 qm 2 c2 dt dt d kdAt kdA t
管束式 管翅式 管带式 板翅式
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、
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
ln( d o di ) 2 l
上面三式相加
l t fi t fo
do 1 1 1 ln hi d i 2 d i 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 d d 1 o ln o hi di 2 di ho
从热阻的角度来看
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：
(t fi t fo ) π(70-40) do do 1 1 1 1 l ln( ) ln 2 di ho d o 2 0.15 0.0051 10d o
取do＝10~70mm，计算结果用图线表示于图中。
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。
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。
层流换热器： 3000m 2 / m3或100 m d h 1mm 微型换热器： 15000m 2 / m3或100 m d h 1mm
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
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；
紧凑式: 700m 2 / m3或d h 6mm 按表面紧凑程度区分 非紧凑式
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。
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
按照操作过程
套管式 壳管式(管壳式) 间壁式 交叉流换热器 板式 螺旋板式 混合式 蓄热式
临界热绝缘直径
Φ
l (t fi t fo )
d 1 1 1 ln( o ) hi d i 2 di ho d o
圆管外敷保温层后：
Φ
l (t fi t fo )
d o1 do2 1 1 1 1 ln( ) ln( ) hi d i 21 di 22 d o1 ho d o 2
t2
t1
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：
t1
t1 dt1 dt2
t t1 t2 dt dt1 dt2
在固体微元面dA内，两种流体的换热 量为:
t1 t2
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：
k At 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。
do 1 1 1 1 ln k Ao hi Ai 2 l d i ho Ao
9.1.3
通过肋壁的传热
肋壁面积： Ao A1 A2 稳态下换热情况：
hi Ai (t f 1 t w1 )
Ai (t w1 t wo )
ho A1 (t wo t fo ) ho f A2 (t wo t fo ) ho o Ao (t wo t fo )
ht hc hr
9.1.2 通过圆管的传热
hi
内部对流：
hidi l (t f 1 t wi )
ho
1 lhi di
1 ho ldo
(twi two ) 圆柱面导热：Φ 1 do ln( ) 2 l di
外部对流： hod ol (t wo t f 2 )
t x Ax A ln kAx t t exp( kA) t
(2)、(3)代入(1)中
1 A t m t exp( k Ax )dA x A 0 t exp( k A) - 1 k A
(1)
t ln kA t
定义肋化系数： Ao Ai 则传热系数 k f
1 1 hi hoo 1
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
Ai (t fi t f 0 ) 1 1 Ai 1 hi Ai Ai hoo Ao hi hoo Ao
Ax dt t t k 0 dA t x t exp( kAx ) t x
t x ln kAx t
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：
1 A 1 A tm t x dAx texp( kAx )dAx A 0 A 0
肋面总效率
o
( A1 f A2 ) Ao
A0 (t fi t f 0 ) 1 1 1 Ao Ao 1 hi Ai Ai hoo Ao hi Ai Ai hoo
t fi t f 0
以肋侧表面积为基准的肋壁传热系数 1 kf 1 Ao Ao 1 hi Ai Ai hoo
kf Ai 1 hi hoo Ao 1 1 1 hi hoo 1
t fi t f 0
所以，只要 o 1 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
d o1 do2 1 1 1 1 (d o 2 ) ln( ) ln( ) hi d i 21 di 22 d o1 ho d o 2 l (t fi t fo ) d l (t fi t fo ) 1 1 Φ 2 2 (d o 2 ) dd o 2 (do 2 ) 22 do 2 h2 do 2 d 22 0 do2 d cr or Bi d o 2 h2 2 dd o 2 h2
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。
1-2型换热器
TB,in (shell side)
TA,out
TB,out
T A,in (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。
kAt 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）。