传热基本知识(1)

一、几个传热基本概念的比较（、K、等）

有一套管换热器，用热水加热空气，内管为φ34×2mm的铜管，管内走空气，其流量为m1kg/h。比热为C p1，需要从20℃加热到50℃。热水走夹套，流量为m2kg/h，其比热为C p1，逆流操作，测得温度由100℃降到70℃。假设流体在管内和夹套流动为湍流流动，问：

1．在下列方程式中，四个温差、、和是否相等，分别为多少？为什么？

2．如果流动方向改为并流时，其平均温度差各为多少？两种流动换热欲达到相同温度，哪一种流动方式需要的管子长？

3．在传热过程中，水对壁的给热系数为，壁对空气的给热系数为，传热系数为K，问：

1）、、K值是否相等，为什么？

2）若管内空气改为冷水，此时、、K值是否相等，为什么？4．当空气流量增加到2m1时，要达到同样加热温度，提出以下三种方案，你认为哪种可行？哪种较好？

1）管子加大一倍；2）管子直径减小一倍；3）管子改为非圆形管。

相关知识

1．冷热流体通过间壁式换热器的换热过程包括：热流体在流动过程中将热量传递给管壁的对流传热，传热速率为：；通

过管壁的热传导，传热速率为：；管壁与流动着的冷流体的对流传热，传热速率为：。

2．换热器的传热速率方程和热量衡算方程式进行各类传热计算的基础。

传热速率方程式：

热量衡算方程式：

无相变传热：

有相变传热（如蒸汽冷凝）

式中：—换热器的传热速率（即换热器的热负荷），kJ/h或W；K—总传热系数，W/(m2·℃)；

S—传热面积，m2；

—对数平均温度差，℃；

W—流体的质量流量，kg/h；

—流体的平均比热容，kJ/（kg·℃）；

T—热流体的温度，℃；

t—冷流体的温度，℃；

r—饱和蒸汽的冷凝潜热，kJ/kg。

下标c，h分别表示冷流体和热流体，下标1和2表示换热器的进口和出口。

注意以上三式的应用条件为：

1）为定态流动，即、为常数；

2）取为常数或平均值；

3）K取为常数；

4）换热器的热损失为零。

3．传热速率方程与热量衡算方程的关系

热量衡算方程反映工艺本身提出的要求，比如热流体需要移出多少热量或冷流体需要吸收多少热量，这个热量仅由流体本身的流量、比热容和进出口温度所决定，该传热量Q也称为热负荷。从热量衡算的观点看，若换热器无热损失的话，从热流体放出的热量就应该为冷流体所吸收。但在一个换热设备中，热流体能传多少热量给冷流体，除与两流体的流

量、比热容和温度差有关外，还与传热速率密切相关，即与K、S、

相关。也就是说，流体所具有的热能是以传热的方式传给另一流体，因此必须考虑传热速率。传热速率方程就是反映换热设备热量传递速率大小的关系式，在解题中应同时满足热量衡算与传热速率两种关系。热量衡算方程与传热速率方程相互联系、相互制约，一个参数变化，引起两个方程中其他参数相应的变化，在思考问题时，必须统一考虑，解题中，将热量衡算方程式与传热速率方程式联立求解。

4．总传热系数K

总传热系数K值的大小反映设备传热性能的好坏。K值的变化范围很大，主要取决于流体的物性、传热过程的操作条件及换热器的类型。在生产中积累的各种类型换热器的总传热系数K的经验值常列于手册中，可供设计换热器时，初选换热面积参考。

在设计换热器时，初选换热面积的校核内容之一就是要核算总传热系数K值。应注意，总传热系数必须和所选择的换热面积相对应，即K i对应S i，K0对应S0，K m对应S m，选择的传热面积不同，总传热系数的数值也不同。以K0为例的计算式如下：

式中：K0—基于管外表面积的总传热系数，W/（m2·℃）；

、—换热器管内和外侧流体对流传热系数，W/（m2·℃）；

R si、R s0—换热器管内和外侧表面上的污垢系数，m2·℃/W；

d i、d0、d m—管内径、外径和内、外径的平均直径，m；

b—管壁的厚度，m；

λ—管壁材料的导热系数，W/（m2·℃）。

1）总热阻是由管内、管外对流传热热阻及，管内、管外

污垢热阻及与管壁热阻五项热阻所组成。最大的热阻对值的大小起决定性作用。若污垢热阻为控制因素，则必须及时清

除污垢并设法减缓污垢的生成速率，以提高值。

2）当污垢热阻可忽略时，的计算式可表达如下：

当管径较小，管壁较厚时，壁阻不能忽略。

3）当污垢及管壁热阻可忽略时，的计算式可简化为：

在此种情况下，总传热系数仅由管内及管外对流传热系数所决定。

当与相差悬殊时，如，，总热阻由热阻大的那一侧的对流传热系数所控制，此时，即总传热系数接近于对流传热系数小的一侧流体的值。欲提高值，关键在于提高对流传热系数较小一侧的。例如，在换热器中用饱和蒸汽冷凝放热来加热空气，由于饱和蒸汽冷凝为相变传热，其值远远大于空气的，故传热系数，欲提高K值就必须提高空气侧的，如提高空气的流速。若两侧的值差不大时，则必须同时提高两侧的，才能提高K 值。

4）当传热面为平壁或薄管壁时，d i、d0和d m相等或近于相等，则K的计算式可简化为：

5）在计算换热器操作中的一些参数时，传热面积是固定的，往往流体的温度或流量改变，此时传热系数也将随之改变。在解题中，应搞清这些量的关系。

5．平均温度差

由于进行传热计算时，一般不能直接得到壁温，因此用总的平均温度差

代替各部分的温差以避开壁温，使传热速率方程便于工程应用。总平均温度差是沿换热器长度各截面冷热流体温度差的平均值，它表明了传热速率中的总推动力。又因在传热系数及有关物性不随温度而变的前提下，沿换热器管长温差呈线性变化，因而可推导出用换热器两端温差的对数平均值表达平均温度差。

式中：—对数平均温度差，℃；

、—分别为换热器两端冷热流体大的温差及小的温差，℃。1）对数平均温度差的计算式可用于一侧变温与两侧变温的情况。对两侧变温时，并流、逆流均适用。

2）对于恒温传热，如蒸发器，平均温度差。注意；恒温传热及一侧变温传热均无流向问题。

3）当时，平均温度差可用换热器两端温差的算术平均值代替对数平均值，其误差不超过4%，算术平均温度差可用下式表示：