第十章—传热和换热器

第十章 传热和换热器

第一节 通过肋壁的传热

一、肋片传热计算式

1．以平壁的一侧为肋壁，分析肋壁的传热。

设肋和平壁为同一种材料，平壁厚度为δ，导热系数为λ，

肋表面积为2A （'2

''22A A A +=，其中'2A 为肋片之间的基部面积，'

'2A 为肋片表面积）。 （1）无肋的光壁表面积为1A ，光壁侧流体1的表面传热系数为1h ，温度为1f t ，光壁面温度为1w t 。

（2）肋壁侧流体2的表面传热系数为2h ，温度为2f t ，肋基壁面温度为2w t ，肋片''2A 的平

均壁温为m w t ,2，设1f t >2f t 。

在稳态情况下，各传热环节的热量为： ① 光壁换热：)(1111w f t t A h -=Φ ② 平壁导热：)(211w w t t A -=

Φδ

λ

③ 肋壁换热：)()(2,2'

'2222'22f m w f w t t A h t t A h -+-=Φ

肋片效率为：2

22,222'

'2

22,2'

'22)

()

(f w f m w f w f m w f t t t t t t A h t t A h --=

--=

η

)())((222222'

'2'22f w f w f t t A h t t A A h -=-+=Φηη

式中，2

'

'2

'2A A A f ηη+=

，称为肋片的总效率。

整理以上各式，将肋壁传热公式写成两侧流体温差表示的形式，即：

122112

1221112

1111A A h A h t t A h A A h t t f f f f ηλδηλδ+

+-=++-=Φ

将上式写为：12111)(f f t t A k -=Φ

式中，1k 是以光壁面面积1A 为基准的传热系数。

t f 1t w 1t w 2

t f 2

βη

λδ211111h h k +

+=

)/(2K m W ⋅

式中，1

2

A A =

β，称为肋化系数（加肋后的肋壁总面积与光壁面面积之比），1>β （ β往往远大于1，所以总可以使βη大于1）

另 )(11

121222212

1221211221f f f f f f t t A k A h h t t A h A A A h A t t -=++-=+

+-=Φηβλδβηλδ

式中，2k 是以2A 为基准的传热系数。

22121

11

A h h k η

βλδβ++=

)/(2K m W ⋅

如果壁面的任何一侧有污垢，则导热系数中应加上污垢热阻f R ，即导热项的热阻为：

对1k ：

f R +λδ

对2k ：βλδ

)(f R +

加肋后，肋片一侧的热阻为：βη

21h ，它比无肋的光壁换热热阻

2

1

h 小（1>βη ），因而使换热量Φ增大。

2．增加肋片改进换热的效果又与以下因素有关：

（1）肋片的高度：须同时考虑β与η二者的关系，肋高增加会使f η下降，但却使表面积增大，↑β。应合理确定肋高，使

βη

21h 达到一最佳值。

（2）肋片间距：

① 减少肋的间距，可使肋片的数量增多，肋壁的表面积相应增大，能使β值增大，有利于减小热阻，增加传热。

② 减小肋片间距可增强肋间流体的扰动，使表面传热系数2h 增大。

③ 肋片间距不应小于热边界层厚度的两倍，以避免肋间流体温度升高，降低传热温差。

（3）肋的厚度

（4）肋的形状：变截面肋

（5）肋的材料：导热系数要大，材料要轻。

二、加肋的目的

1．强化传热

当换热器两侧的表面传热系数相差较大时，肋片应加在热阻大的一侧效果好。传热壁两侧的热阻差相差越大，在热阻大的一侧加肋产生的强化传热的效果越显著。

当换热器两侧的表面传热系数都较低时，如气体换热器，则可在两侧都加肋片。

2．调节壁面温度

在传热壁的低温侧加肋能降低壁面温度。当低温侧热阻壁高温侧热阻大时，在低温侧加肋既能强化传热，又能降低壁面温度。如果低温侧热阻壁高温侧热阻小，则低温侧加肋的主要目的是降低壁面温度。同样，加肋片有时也能使壁温升高。

第二节有复合换热时的传热计算

复合换热：壁面上除对流换热外，还同时有辐射换热。

在分析复合换热时，通常是把辐射换热量按对流换热公式折算成辐射换热表面传热系数，它与对流换热表面传热系数之和即为复合换热表面传热系数。

第三节传热的增强和削弱

3-1 增强传热的方法

3-2 削弱传热的方法

第四节换热器的型式和基本构造

换热器的分类

1、按工作原理分：

间壁式——冷热流体由固体壁隔开，不能相混合；

混合式——冷热流体相互混合（直接接触），如冷却塔，浴池等；

回热式（蓄热式）——冷热流体交替与固体壁接触，使固体壁周期地吸热和放热，从而将流体的热量传给冷流体。如炼钢热风炉，燃气机空气预热器。

2、按结构分（间壁式）：

管壳式：结构坚固、制造方便

肋片管式：如汽车的水箱