第十章传热和换热器_传热学

kAtm
M1c1 (t1 t1) M 2c2 (t2 t2 )
1．固定压 紧板 2．连接口 3．垫片 4．板片 5．活动压 紧板 6．下导杆 7．上导杆 8．夹紧螺 栓 9．支柱
单流程
多流程
单边流
对角流
4 螺旋板式换热器： 换热表面由两块金属板卷制而成，优点：换热效果好；缺 点：密封比较困难。
5 套管式换热器： 最简单的一种间壁式换热器，流体有顺流和逆流两种， 适用于传热量不大或流体流量不大的情形
1 复合换热
对流与辐射并存的换热，称为复合换热。
2 复合换热的换热量计算
如图所示，设壁温为tw, 气体介质温 度为tf, 周围环境温度为tam, 对流换 热表面传热系数为hc, 壁与周围环境 间的相当发射率为ε。 对流换热热流密度： q tw ε
qr, hr, tam
qc hc (tw t f )
稳态下换热情况： 光壁换热： h1 A 1 壁的导热:
t
f1
tw1
(1)
A1 t w1 t w 2
(2)
肋壁换热： h2 A2
'
t
' t f 2 h2 A2' tw2,m t f 2 w2


(3)
引入肋片的效率：
f
定义肋壁的总效率：
(4) 对于有相变的换热器，如蒸发器和冷凝器，发生相变的 流体温度不变，所以不存在顺流还是逆流的问题。 or Ch Cc or Ch Cc
T
TCond
T
TEvap
In
冷凝
Out
x
In
蒸发
Out
x
§10-6 换热器计算
换热器热计算分两种情况：设计计算和校核计算
(1)设计计算：设计一个新的换热器，以确定所需的换热面积 (2)校核计算：对已有或已选定了换热面积的换热器，在非设 计工况条件下，核算他能否胜任规定的新任务 换热器热计算的基本方程式是传热方程式及热平衡式
第十章
传热和换热器
§10-1 通过肋壁的传热 §10-2 有复合换热时的传热计算
§10-3 传热的增强和削弱 §10-4 换热器的基本型式与构造 §10-5 平均温度差 §10-6 换热器计算
§10-1 通过肋壁的传热
在表面传热系数较小的一侧采用肋壁是强化传热的一 种行之有效的方法。下面以平壁的一侧为肋壁的较简 单的情况，作为分析肋壁传热的对象。 1 肋壁的换热量计算
TB,out TA,in (tube side)
增加管程
TB,in (shell side) TA,in (tube side) TA,out TB,out
Байду номын сангаас
TB,in (shell side)
TA,out
TB,out
进一步增加管程和壳程
TA,in (tube side)
2 交叉流换热器： 间壁式换热器的又一种主要形式。其主要特点是冷热流 体呈交叉状流动。交叉流换热器又分管束式、管翅式和 板翅式三种。
qc, hc, tf
辐射热流密度：
qr Cb [(Tw / 100) (Tam / 100) ]
4 4

Cb [(Tw / 100) 4 (Tam / 100) 4 ]
Tw T f
(t w t f )
hr (t w t f )
复合换热热流密度：
q (hc hr )(tw t f ) h(tw t f )
3.其他复杂布置时换热器平均温差的计算
以上所讨论的对数平均温差(LMTD)只是针对纯顺流和 纯逆流情况，而这种情况的出现是比较少的，实际换热器 一般都是处于顺流和逆流之间，或者有时是逆流，有时又 是顺流。对于这种复杂情况，我们当然也可以采用前面的 方法进行分析，但数学推导将非常复杂，实际上，逆流的 平均温差最大，因此，人们想到对纯逆流的对数平均温差 进行修正以获得其他情况下的平均温差。
tm t (tm )ctf
是给定的冷热流体的进出口温度布置成逆流时的LMTD， t 是小于1的修正系数。
关于 t 的注意事项
（1） t 值取决于无量纲参数 P和 R
t2 t2 P , t1 t2 t1 t1 R t 2 t2
1 d M 2c2dt 2 dt 2 d M 2c2
d kdA t
1 1 dt dt1 dt2 M c M c d d 2 2 11

1 1 M 1c1 M 2 c2
dt d kdAt
t '' ln kA t
在换热器中，热流体的换热量为：
M1c1 (t1 t1 )
' ''
冷流体的换热量为：
' ' M 2c2 (t2' t2 )
(t t ) (t t ) t t ) kA kA ' ' (t1 t ) t ln '' ln '' (t1 t ) t
§9-5 平均温度差
一 简单顺流及逆流换热器的对数平均温差
传热方程的一般形式：
kAtm
这个过程对于传热过程是通用的，但是当温差 t m 沿整个 壁面不是常数时，比如等壁温条件下的管内对流换热，以
及我们现在遇到的换热器等。对于前者我们曾经提到过对
数平均温差(LMTD)的公式，但是没有给出推导。下面我们 就来看看LMTD的推导过程。
7. 靠外力产生振荡，强化换热 （1）用机械或电的方法使传热面或流体产生振动 （2）对流体施加声波或超声波，使流体交替地受到压缩和 膨胀，以增加脉动 （3）外加静电场
二. 削弱传热的方法
1. 覆盖热绝缘材料 2. 改变表面状况
§10-4 换热器的基本型式与构造
一.换热器的定义：
用来使热量从热流体传递到冷流体，以满足规定的工艺要 求的装置
(c) 板翅式交叉流换热器
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。
3 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。
二.换热器的分类：
套管式 壳管式（管壳式） 交叉流 板式
间壁式 换热器 混合式 蓄热式
管束式 管翅式 板翅式
螺旋板式
三.间壁式换热器的主要型式
1 管壳式换热器： 最主要的一种间壁式换热器，传热面由管束组成，管子两端 固定在管板上，管束与管板再封装在外壳内。两种流体分管 程和壳程。 TA,out TB,in (shell side)
在前面假设的基础上，并已知冷热流体的 进出口温度，现在来看右图中微元换热面 dA一段的传热。温差为：
t t1 t2 dt dt1 dt2
在固体微元面dA内，两种流体的换热量为:
d kdA t
对于热流体和冷流体:
1 d M 1c1dt 1 dt 1 d M 1c1
（2）P的物理意义：流体2的实际温升与理论上所能达到 的最大温升之比，所以只能小于1 （3）R的物理意义：两种流体的热容量之比
t1 t1 M 1c1 R t 2 t 2 M 2c2
（4） 对于管壳式换热器，查图时需要注意流动的“程”数
4.各种流动形式的比较
(1)顺流和逆流是两种极端情况，在相同的进出口温度下， 逆流的 t m 最大，顺流则最小；
k1 1 1 h1 h2 1
A2 A1
k2
1 1 1 h1 h2
2 说明
(1) 加肋后, 换热热阻减小,其减小的程度与 1 有关
(2)1 涉及到肋片的间距、高度、厚度、形状、肋的材 料及制造工艺等
§10-2 有复合换热时的传热计算
1.对数平均温差的计算
以顺流情况为例
假设： （1）冷热流体的质量流量M2、M1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，即 t x f ( Ax ) ，然后再沿整个换热面积进行 平均
d t kdA t t x dt Ax t t k 0 dA t x ln kAx t
t x texp(kAx )
对整个换热面进行积分得： Ax 0, t x t ' ; Ax A, t x t ''
t x ln kAx t
§10-3 传热的增强和削弱
一. 增强传热的方法
1. 扩展传热面
采用肋壁、肋片管、波纹管、板翅式换热器等，可 收到较好的效果。
2. 改变流动状况
（1）增加流速
（2）流道中加插入物增强扰动
（3）采用旋转流动装置
（4）采用射流方法喷射传热表面
3. 改变流体物性 （1）气流中添加少量固体颗粒 （2）在蒸汽或气体中喷入液滴 4. 改变表面状况 （1）增加粗糙度 （2）改变表面结构 （3）表面涂层 5. 改变换热面形状和大小 6. 改变能量传递方式
' ' A2 A2 A2'
肋壁的换热量:
tf 2 A1 1 1 1 A1 h1 A1 A1 h2 A2 h1 h2 A2
f1 f1
t
tf 2
t
引入传热系数和肋化系数：
k1 A1 t f 1 t f 2 k2 A2 t f 1 t f 2
t max t min 2
t m ,对数
t max t min t max ln t min
算术平均温差相当于温度呈直线变化的情况，因此，总是大于相 同进出口温度下的对数平均温差，当 tmax tmin 2时，两者的差 别小于4％；当 t max t min 1.7时，两者的差别小于2.3％。
（2）顺流时 t1 t2 ，而逆流时， t 2 则可能大于 t1 ，
可见，逆流布置时的换热最强。
dTh
Ti
Ti
dTh
T
T
dq
To
dTc
dTc
dq
To
In
Out
In
Out
(3) 那么是不是所有的换热器都设计成逆流形式的就最好呢？ 不是，因为一台换热器的设计要考虑很多因素，而不仅仅是 换热的强弱。比如，逆流时冷热流体的最高温度均出现在换 热器的同一侧，使得该处的壁温特别高，可能对换热器产生 破坏，因此，对于高温换热器，又是需要故意设计成顺流
t w 2, m t f 2 t w2 t f 2 A Af
' 2 '' 2

于是肋壁换热：
' 2
h2 A tw2 t f 2 h2 A tw2,m t f 2
'' 2
A2


' ' h2 ( A2 A2' f )tw2 t f 2 h2 A2tw2 t f 2
' 1 ' 2 '' 1 ' 2 '' 2 '' 2 ' ''
kAtm
t t ) t m t ' ln '' t
' ''
对于逆流，同样可推导与顺流时相同的计算式
顺流和逆流的区别在于： 顺流： 逆流：
t t1 t2
t t1 t2
复合换热表面传热系数
例10-1 冬季某车间外墙的内壁温度tw＝l0oC，发射率ε ＝0.9，车间四周内墙壁温tam＝15oC，车间温度tf＝20oC。 已知外墙内壁对流换热系数αc＝3.2W／m2·oC。 求该壁 每平方米的热流通量，复合换热系数， 车间因辐射而散 热所占百分比。
解： 团ff＞f*m＞f w，放
t t1 t2 t t1 t2
或者我们也可以将对数平均温差写成如下统一形式(顺流 和逆流都适用)
t max t min t m t max ln t min
2. 算术平均温差
平均温差的另一种更为简单的形式是算术平均温差，即
t m ,算术