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 -=Φδλ③ 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：222,222''222,2''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：12211212211121111A 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 2t f 2βηλδ211111h h k ++=)/(2K m W ⋅式中，12A 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 )(111212222121221211221f 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。

2212111A h h k ηβλδβ++=)/(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：βη21h ，它比无肋的光壁换热热阻21h 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βη21h 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：如汽车的水箱板式：以板作为间壁 板翅式 螺旋板式 管壳式换热器构造：传热面由管束构成，管子的两端固定在管板上，管束与管板再封装再外壳内，外壳两端有封头。

流体II 在管内流动，从进口封头流进管子里，再经出口封头流出。

这条路径称为管程。

（从管的一端流到另一端称为一个管程）当管子总数及流体流量一定时，管程数分得越多，则管内流速越高。

流体I 从外壳上的连接管进出换热器，这条路径称为壳程。

流体I 是在管外流动。

在同样流速下，流体横向掠过管子的换热效果要比顺着管子纵向流过时好，因此外壳内一般装有折流挡板，来改善壳程的换热。

2-4型换热器示意图第五节 平均温度差在非相变换热过程中，流体温度随换热过程而不断变化，所以换热器中各点的传热温差也不断变化，进行传热量计算必须了解换热器的平均传热温差m t ∆。

根据平均传热温差m t ∆表示的传热方程式的一般形式为：m t A k ∆⋅⋅=Φ 一、简单顺流换热器平均温差的计算式在推导平均温差计算式时的假定：1、冷、热流体的质量流量2M 和1M 及比热容2c 和1c 在整个换热面上都是常量；2、传热系数在整个传热面上不变；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；5、在换热器中，任一种流体都不能既有相变又有单相介质换热。

在换热面x A 处，取一段微元换热面积dA 分析。

在dA 两侧，冷、热流体的温度分别为2t 及1t ，温差为t ∆，即21t t t x -=∆。

（1）通过微元面dA 的热流量为：dA t k d x ∆=Φ （2） 热流体放出这部分热量后温度下降了1dt ，则111dt c M d -=Φ （3）式中，“－”是因热流体流过dA 时，1dt 为温度降，负值。

对冷流体，则有：222dt c M d =Φ （4） 对式（1）微分，并利用式（3）、（4）的关系，有：Φ-=Φ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-=-=∆d d c M c M dt dt t d x μ22112111)( （5）将式（2）代入式（5）得：dA t k t d x x ∆-=∆μ)( −−−→−分离变量dA k t t d xx μ-=∆∆)( 对该式从0到x A 积分，已知 0=x A 时，'t t x ∆=∆，x A 处，温差为x t ∆⎰⎰-=∆∆∆∆x xA t t xx dA k t t d 0')(μ ⇒ x x A k t t μ-=∆∆'ln ⇒ x A k x e t t μ-∆=∆' 由此可见，温差沿换热面按指数曲线变化。

整个换热面的平均温差m t ∆：⎰∆=∆⋅⋅=ΦAx m dA t k t A k 0⇒ )1(''1100-∆-=∆=∆=∆--⎰⎰A k A kA A x m e kAt dA e t A dA t A t xμμμ 在A A x =时，''t t x ∆=∆，（根据x x A k t t μ-=∆∆'ln⇒ A k t t μ-=∆∆'''ln ），则：A k e t t μ-=∆∆''' 由此，'''ln ''')1'''('''ln 't t t t t t t t t t m ∆∆∆-∆=-∆∆∆∆∆=∆ 该式称为对数平均温差。

二、简单逆流换热器平均温差的计算式同样，经过推导可得到逆流时换热器的平均温差：'''ln '''t t t t t m ∆∆∆-∆=∆ 在顺流时，'t ∆总是大于''t ∆，在逆流时可能出现'''t t ∆<∆的情况。

实际计算中，统一用下式计算：minmax minmax lnt t t t t m ∆∆∆-∆=∆当2minmax<∆∆t t 时，可以用算术平均温差来代替对数平均温差，即： 2minmax t t t m ∆-∆=∆ 流体在换热器中的流动形式，除顺流、逆流外，还有其他多种形式。

顺流：两种流体作平行且同方向流动。

逆流：两种流体作平行且反方向流动。

横流式或交叉流：两种流体在相互垂直的方向流动。

混合流：是顺流、逆流和交叉流三种流动方式的组合。

横流式及混合流式平均温差的确定：先一律按逆流方式计算出对数平均温差，再按流动方式乘以温差修正系数t ∆ε。

t ∆ε反映了换热器中两流体的流动方式接近逆流的程度，可查图确定t ∆ε。

图中有两个辅助参量P 和R 。

两流体进口温差冷流体的加热度=--='2'1'2''2t t t t P 冷流体的加热度热流体的冷却度=--='2''2''1'1t t t t R 当R 超过了图中的范围时，可用R P ⋅和R1分别代替P 和R 值查图。

在各种流动形式中，顺流和逆流可看作是两个极端情况，在相同的进出口温度条件下，逆流的平均温差最大，顺流的平均温差最小。

顺流时：冷流体的出口温度''2t 总是低于热流体的出口温度''1t 。

逆流时： ''2t 可以大于''1t 。

所以，工程上换热器尽可能采用逆流布置。

但逆流布置也有缺点，就是高温部分集中在换热器的一端。

第六节 换热器的热计算设计一台换热器必须进行的全部工作包括：① 热计算 ② 结构布置 ③ 流动阻力计算 ④ 结构强度计算 ⑤ 绘图。

实际上前四项任务是交叉在一起的，无法单独进行。

换热器的热计算根据计算目的不同，分为两种类型：设计计算和校核计算。

1．设计计算：设计一个新的换热器，根据生产工艺提出的条件和要求，确定换热器的型式，面积和结构参数。