第10章传热过程分析与换热器的热计算

传热过程的定义
——热量由壁面一侧的热流体通过壁面传到 另一侧的冷流体中的过程,称为传热过程
传热过程的宏观规律——传热方程
kAt或q kt
式中：k 为传热系数(W/m2.K),反映传热过程的强弱
Rt

1 (K /W )或 1 (m2 K /W )
kA
k
为传热热阻
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10.1 传热过程的分析和计算
10.3 换热器的平均温差
3. 平均温压的简化计算
－－用算术平均温差代替对数平均温差
即取tm

1 2
(tmax tmin)
条件：
a. tmax 1.7时, 差别 2.3% t m in
b. tmax 2时, 差别 4.0% t m in
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10.3 换热器的平均温差
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1.顺流换热器 在dA中:
t t1 t2 d ktdA d qm1c1dt1 d qm2c2dt2
d (t) dt1 dt2 ( 1 1 )d
qm1c1 qm2c2
d ktdA
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10.3 换热器的平均温差
蛇管式 板式
见P467-471图
板式 螺旋板式
板翅式
夹套式
热管换热器
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1.套管换热器
10.2 换热器的类型
特点: 耐压抗震, 不易变形; 耐脏耐垢, 不易堵塞; 回油顺畅, 安全性高; 结构灵活, 布置方便
适用: 传热量不大或流体流量不大的情形
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2. 壳管式换热器
注意： a.只要0 1(可通过选择肋片的尺寸 来达到),
总有k f ' k.故加肋可以增强传热
b.不同的传热系数，在定义时所采用的计算面积不同 c.复杂肋管的传热系数应依靠专门的实验来确定
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10.1.4 临界热绝缘直径
10.1 传热过程的分析和计算
问题：在圆管外加肋是否一定能增强传热？
10.3 换热器的平均温差
得截面Ax处的温差Δ tx与Ax的关系为:
tx t ' ekAx (h)
将式(h)沿全换热面积分平均，即可得整个换热
面的平均温差Δtm:
tm

1 A
A 0
t x
dA


t' (ekA
kA
1)
=
……

t 't" ln t '
(l )
t"
热设计的类型及计算方法，并能用平均温差 法进行换热器的设计计算 6．掌握热量传递过程的控制原理与方法
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主要内容
▲传热过程的分析和计算 ▲换热器的类型 ▲传热过程的平均温差及计算 ▲间壁式换热器的热设计 ▲热量传递过程的控制(强化和削弱)
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10.1 传热过程的分析和计算
10.2 换热器的类型
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10.2 换热器的类型
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列管式冷凝器实例
10.2 换热器的类型
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10.2 换热器的类型
波纹管换热器
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波纹换热管
3. 交叉流换热器 例：板翅式换热器
10.2 换热器的类型
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直片形
10.2 换热器的类型
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5. 螺旋板式换热器
10.2 换热器的类型
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10.2 换热器的类型
螺旋板换热器的特点: 传热效率高(总传热系数最高可达3300Kcal/m2.h.，
传热效率为列管式换热器的1～3倍。 )，节能效果好， 体积小、价格便宜，使用可靠等。适用气－气、液－ 液、气－液对流传热，以及用于蒸气冷凝和液体蒸发 传热。但密封较困难.
(2)加保温层后，导热热阻Rλ增大，外侧对流热阻
Rh减小。传热量的变化应视两者的变化幅度而定。
一般情况下，Rλ的增加幅度超过Rh的减小幅 度,故总热阻增大,传热系数减小,换热削弱.
特殊情况：当Rλ的增加幅度小于Rh的减小幅 度时,总热阻减小,传热系数反而增大,热损失增加
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临界热绝缘直径:
ho d o
定义：(1) 以圆管外侧面积为基准的传热系数 k
kA0 (t fi t f 0 ) kd0l(t fi t f 0 )
1 k
d0 d0 ln d0 1
hi di 2 di h0
(2) 以圆管内侧面积为基准的传热系数 ki
ki Ai (t fi t f 0 ) kidil(t fi t f 0 )
等效电路图(共三个环节串联):
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10.1 传热过程的分析和计算
通过圆筒壁的传热量：

t fi t fo

l(t fi t fo )
(10-2)
1 ln(do / di ) 1
1 ln(do / di ) 1
hidil
2 l
hodol hidi
2
U形
L形 2019/10/2
方形
4. 板式换热器
10.2 换热器的类型
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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%); 适应性好，易调整 ; 不易结垢
1. 按操作过程分: 间壁式—也称表面式，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
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10.2 换热器的类型
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)
ki
1

di
1 ln d0
di
hi 2 di h0d0
10.1 传热过程的分析和计算
总传热热阻 = 管内热阻 + 管壁热阻 + 管外热阻
即:
Rt

1 k A0
1 ki Ai
1 1 ln d0 1
hi Ai 2 l di h0 A0
(10-5)
注意：
①因Ai≠A 0，故不采用单位面积热阻的概念； ②管子内、外侧有污垢或包有保温层时，只要增加相
传热方程： kAtm或q ktm
Δ tm—（对数）平均温压 10.3.1、简单顺、逆流换热器平均温差的计算 简化假定: a. 冷、热流体的质量流量qm2、qm1及比热容c2、
c1在整个换热面上都是常量； b. 传热系数 k 在整个换热面上不变； c. 换热器无散热损失； d. 换热面沿流动方向的导热量可忽略不计。
影响传热系数k的数值的主要因素：
①冷热流体的物性；
②流速；
③物体表面的形状和布置；④壁面材料导热系数
当流过壁面的是辐射性气体(二氧华碳、水蒸
汽、烟气等), 或壁面与周围表面间存在较大温差时,
则该侧应按复合换热考虑.
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10.1 传热过程的分析和计算
10.1.2 通过圆筒壁的传热过程计算
10.1 传热过程的分析和计算
光侧: i hi Ai (t fi twi )(a)
壁面:



Ai (twi
tw0 )(b)
肋侧: 0 h0 0A0 (tw0 t f 0 )(c)
热稳态时 , i 0
解得：

1
t fi t f 0

故总热阻增大，传热系数减小， 换热削弱
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10.1 传热过程的分析和计算
2、圆筒壁：
l(t fi t fo )
(10-2)
1 ln(do / di ) 1
hi di
2
hodo
(1)加肋时，肋侧对流热阻Rh的下降远远超过导热热
阻 Rλ的增大幅度，故总热阻下降，换热增强
第10章
传热过程 与换热器
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基本要求
1．掌握传热过程的概念及宏观规律 2．掌握传热系数的概念及影响因素，并能计算
常见传热过程的传热系数 3．了解换热器的分类及主要型式 4．能计算不同型式换热器的平均温差，并进行
换热器内冷、热流体的温度变化规律分析 5．熟记换热器热设计的基本公式，了解换热器
0
0 0,

A1 f A2
A0
所以 : 0 0 0, 0 h0 A0 (tw0 t f 0 )
式中：

为肋壁的实际散热量
0
0, h0 A0 (tw0 t f 0 ), 为肋壁的理论散热量
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(2)肋壁传热过程分析
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6. 管束式换热器
10.2 换热器的类型
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7. 热管换热器
10.2 换热器的类型
2019/10/2
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10.2 换热器的类型
换热器中流体的流程及流向
流向： 顺流—冷热两种流体平行而同向流动 逆流—冷热两种流体平行而反向流动 交叉流—冷热两种流体空中垂直相交流动 混合流—上述几种流向的混合 流程: 用 i — j 表示
i —壳程数 ； j —管程数
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10.2 换热器的类型
10.2.3 提高换热器紧凑性的途径
减小管径; 采用板式结构(减小当量直径); 采用肋化表面; 采用丝网状材料
10.2.4 壳管式换热器的近期发展
螺旋折流板换热器, 折流杆换热器
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10.3 换热器的平均温差
10.3 换热器中传热过程平均温差的计算
dcr

2
h0
或(Bi )
h0dcr


2
即:
d0<dcr(Bi<2),d0↑→Ф ↑;
d0=dcr(Bi=2)时, Ф= Фmax;
d0>dcr(Bi>2)时,d0↑→Ф↓.
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10.1 传热过程的分析和计算
10-2 换热器的类型
10.2.1 换热器的分类
10.2 换热器的类型
换热器—使热量从热流体传递到冷流体,以满足规 定的工艺要求的装置
或：tm

tm ax tm in ln tm ax
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tm in
2.逆流换热器 在微元面dA中:
t t1 t2 d ktdA d qm1c1dt1 d qm2c2dt2 1 1
qm1c1 qm2c2
其他均同顺流
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10.1.1 通过平壁的传热过程计算
等效电路图(共三个环节串联):
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10.1 传热过程的分析和计算
通过平壁的传热量：

tf1 tf2
1
1 kA(t f 1 t f 2 ) kAt
h1A A h2 A
传热系数为 k
1
1

1
(10 1)
h1 h2
(10-7a)
(b)以光侧表面积Ai为基准的肋壁传热系数为：
kf '
1

1
Ai

1

1
1
(10-7b)
hi h00 A0 hi h00
(c)未加肋时平壁的传热系数为： A0 ,称为肋化系数
1
Ai
k 1 1
(10-1)
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hi h0
10.1 传热过程的分析和计算
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
(详见P467图10-5)
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10.2 换热器的类型
10.2.2 间壁式换热器的主要型式
套管式
管式
壳管式*(列管式. 最简单, 最典型) 管束式
1
hi Ai Ai h00 A0
k f A0 (t fi t f 0 ) k f ' Ai (t fi t f 0 )
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肋壁的传热系数：
10.1 传热过程的分析和计算
(a)以肋侧总表面积A0为基准的肋壁传热系数为：
1
k f A0 A0 1 hi Ai Ai h00
应的热阻项即可；
③要强化或削弱传热过程，应从热阻最大的Leabharlann Baidu节入手
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10.1 传热过程的分析和计算
10.1.3 通过肋壁的传热过程计算 (以平壁一侧装肋的 情况为例)
基础： 肋壁(或肋面) 总效率的概念
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10.1 传热过程的分析和计算
(1)肋壁总效率η0
肋面总效率(见第二章) :
在圆管外敷设保温层是否一定能削弱传热？
1.平壁 : k
1
1

1
(10-1)
h1 h2
(1)加肋时 : k f '
1

1
Ai

1

1
1
(10-7b)
hi h00 A0 hi h00
只要0 1, k ' f k
(2)加保温层后，导热热阻增大，对流热阻不变，