1、第十章第十章 傳熱過(guò)程與換熱器傳熱過(guò)程與換熱器 第一節(jié)第一節(jié) 傳熱過(guò)程的分析和計(jì)算傳熱過(guò)程的分析和計(jì)算 通過(guò)單層平壁的傳熱通過(guò)單層平壁的傳熱定義定義：熱流體通過(guò)固體壁面把熱量傳給熱流體通過(guò)固體壁面把熱量傳給冷流體的過(guò)程。冷流體的過(guò)程。11111111()1fwfwhA tttth A 熱流體與固體壁左側(cè)有：熱流體與固體壁左側(cè)有：122wwttA 2121wwttA固體壁面間換熱：固體壁面間換熱： 固體壁面與冷流體間換熱：固體壁面與冷流體間換熱： 32221wftth A)(2223fwttAh穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱有：穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱有： 323121211fftth AAh A1ft1wt2wt2ft11h21h

2、熱阻圖熱阻圖12()ffK A tt令21111hhK傳熱方程式傳熱方程式單層平壁單層平壁傳熱熱阻傳熱熱阻 AhAAhKA21111單位面積熱熱阻單位面積熱熱阻 21111hhK影響的因素：流體的物性，流動(dòng)狀態(tài)，固體壁的形狀、物性。 3通過(guò)圓壁的傳熱11112230022()1ln2()iifwwwoiwfh A ttttdldh A tthiho120111ln2ffoiiiottdh Aldh A 由于對(duì)圓壁來(lái)說(shuō)，面積是隨著半徑的變化而變化的，所以此時(shí)的傳熱系數(shù)有個(gè)選擇基準(zhǔn)面的問(wèn)題。 12012111ln2()ffoiiioffttdh Aldh AKA tt而a. 外側(cè)面積做為基準(zhǔn)面外側(cè)

3、面積做為基準(zhǔn)面 ,111ln2iioooOoooiiioAd l Adl AdlKdddh ddh以?xún)?nèi)側(cè)面積作為基準(zhǔn)面的傳熱系數(shù)以?xún)?nèi)側(cè)面積作為基準(zhǔn)面的傳熱系數(shù) 011ln2iioiiioKdddhdh d以外表面為基準(zhǔn)面的傳熱阻：以外表面為基準(zhǔn)面的傳熱阻： ooioiioAhddlAhKA1ln2111在一般工程計(jì)算中，選外側(cè)面為基準(zhǔn)的多。 4臨界熱絕緣直經(jīng)臨界熱絕緣直經(jīng) 對(duì)于平板，加保溫后，一定能夠降低散熱量對(duì)于平板，加保溫后，一定能夠降低散熱量（消弱傳熱）（消弱傳熱）對(duì)于圓管（球），加保溫層也一定能降低散對(duì)于圓管（球），加保溫層也一定能降低散熱量嗎？熱量嗎？211121111lnln222

4、2otioorrRhrrrhr以管道為例 為了計(jì)算方便，忽略?xún)?nèi)側(cè)的對(duì)流熱阻和為了計(jì)算方便，忽略?xún)?nèi)側(cè)的對(duì)流熱阻和管壁的導(dǎo)熱熱阻，實(shí)際上也是可行的。此時(shí)管壁的導(dǎo)熱熱阻，實(shí)際上也是可行的。此時(shí)的總熱阻為：的總熱阻為：211ln22otoorRrhr管道的散熱量為管道的散熱量為21211ln2tdldh d l cRRd但,2綜合效果是增加還是減少，不得而知？綜合效果是增加還是減少，不得而知？ 從圖可以看出，導(dǎo)熱量隨直徑有個(gè)最大值。 加保溫層加保溫層臨界熱絕緣直經(jīng)crcrcrocrdddddhdd222,20RhRtRRor2r電線(xiàn)：電線(xiàn)：加絕緣層，不僅加絕緣層，不僅能絕緣能絕緣，且能，且能提高散熱量

5、提高散熱量，這是我們希望的，因電流流過(guò)電線(xiàn)后發(fā)熱，若熱這是我們希望的，因電流流過(guò)電線(xiàn)后發(fā)熱，若熱量不及時(shí)排出，電阻變大，阻礙電流量不及時(shí)排出，電阻變大，阻礙電流290.1,22,( . )(.)oocrwwhdmmmCmC但一般動(dòng)力管道外徑均大于此值。但一般動(dòng)力管道外徑均大于此值。 對(duì)于一般的動(dòng)力管道，加保溫層一般均能起到對(duì)于一般的動(dòng)力管道，加保溫層一般均能起到保溫作用。保溫作用。5. 強(qiáng)化傳熱的原則（以平板為例）：強(qiáng)化傳熱的原則（以平板為例）： 112212112111111 ()thAAhAtKthhKhh 可以提高二側(cè)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)或一側(cè)的表面?zhèn)鳠峥梢蕴岣叨?cè)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)或一側(cè)的表面?zhèn)?/p>

6、熱系數(shù)，但有個(gè)前提條件，經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題系數(shù)，但有個(gè)前提條件，經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題 121121210,20,6.667220,20,1010,40,8hhKhhhKhhK 從這例子可以看出，強(qiáng)化傳熱，從這例子可以看出，強(qiáng)化傳熱，必須從分必須從分熱阻下手，抓住分熱阻最大的一項(xiàng)著手，設(shè)法熱阻下手，抓住分熱阻最大的一項(xiàng)著手，設(shè)法降低此項(xiàng)熱阻。降低此項(xiàng)熱阻。（設(shè)法提高表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)小的（設(shè)法提高表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)小的一項(xiàng)）一般情況下，氣體的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)一項(xiàng)）一般情況下，氣體的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于液體的小于液體的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，也就是要強(qiáng)化氣側(cè)，也就是要強(qiáng)化氣側(cè)的換熱。的換熱。 何時(shí)一側(cè)加肋片？何時(shí)二側(cè)同時(shí)加

7、用冷卻水冷卻變壓器油的冷油器，實(shí)驗(yàn)測(cè)得其總用冷卻水冷卻變壓器油的冷油器，實(shí)驗(yàn)測(cè)得其總傳熱系數(shù)傳熱系數(shù)k如附圖所示。試問(wèn)：（如附圖所示。試問(wèn)：（1）該換熱器的熱阻）該換熱器的熱阻主要在哪一側(cè)？（主要在哪一側(cè)？（2）如兩種流體的流速差不多，你）如兩種流體的流速差不多，你認(rèn)為介質(zhì)甲是水還是油，為什么？認(rèn)為介質(zhì)甲是水還是油，為什么？ 為強(qiáng)化一臺(tái)冷油器的傳熱，有人用提高冷卻水流速的辦法，但發(fā)現(xiàn)效果并不顯著，請(qǐng)分析其原因何在？ 北方的冬季用熱水散熱器采暖（管內(nèi)熱水加熱空氣），到了深冬只增加熱水流速，能不能顯著增加散熱量？第二節(jié) 換熱器的分類(lèi)及平均溫壓（差） 一、換熱器的分類(lèi)換熱器換熱器：用來(lái)使熱量從熱流體

8、傳遞到冷流體，：用來(lái)使熱量從熱流體傳遞到冷流體，以滿(mǎn)足規(guī)定的工藝要求的裝置。以滿(mǎn)足規(guī)定的工藝要求的裝置。按照工作原理分類(lèi)按照工作原理分類(lèi)分為分為間壁式間壁式、混合式混合式及及蓄熱式蓄熱式（或稱(chēng)回?zé)崾剑ɑ蚍Q(chēng)回?zé)崾剑┤箢?lèi)三大類(lèi)。 間壁式挨熱器種類(lèi)很多，從構(gòu)造上主要可分為：管殼式、肋片管式、板式、板翅式、螺旋板式等，其中以前兩種用得最為廣泛。另外，按流體流動(dòng)方向可有順流、逆流、交叉流之分。 間壁式換熱器：是指冷熱流體被壁面隔開(kāi)進(jìn)行換熱的熱交換器。如暖風(fēng)機(jī)、燃?xì)饧訜崞鳌⒗淠鳌⒄舭l(fā)器；混合式換熱器：冷熱流體直接接觸，彼此混合進(jìn)行換熱，在熱交換同時(shí)存在質(zhì)交換，如空調(diào)工程中噴淋冷卻塔、蒸汽噴射泵、電廠

9、冷水塔等；回?zé)崾綋Q熱器：換熱器由蓄熱材料構(gòu)成，并分成兩半，冷熱流體輪換通過(guò)它的一半通道，從而交替式地吸收和放出熱量，即熱流體流過(guò)換熱器時(shí)，蓄熱材料吸收并儲(chǔ)蓄熱量，溫度升高，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后切換為冷流體，蓄熱材料放出熱量加熱冷流體。一般用于氣體，如鍋爐中間轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器，全熱回收式空氣調(diào)節(jié)器等。 二、間壁式換熱器的主要形式二、間壁式換熱器的主要形式 1、套管式、套管式（1）按結(jié)構(gòu)來(lái)分）按結(jié)構(gòu)來(lái)分適用于傳熱量不大或流體流量不大的情形。適用于傳熱量不大或流體流量不大的情形。 2、管殼式、管殼式管程、殼程、折流擋板管程、殼程、折流擋板side) (shell ,inBToutBT,side) (tube

10、,inAToutAT,進(jìn)一步增加管程和殼程進(jìn)一步增加管程和殼程3、交叉流換熱器、交叉流換熱器（ 分管束式、管翅式及板翅式）分管束式、管翅式及板翅式）4、板式換熱器、板式換熱器 板式換熱板式換熱器拆卸清洗器拆卸清洗方便，故適方便，故適合于含有易合于含有易污染物的流污染物的流體的換熱體的換熱。5、螺旋板式換熱器、螺旋板式換熱器 換熱器換熱效果較好，缺點(diǎn)是換熱器的密封換熱器換熱效果較好，缺點(diǎn)是換熱器的密封比較困難。比較困難。6、熱管換熱器、熱管換熱器1、順流式換熱器、順流式換熱器2、逆流式換熱器、逆流式換熱器3、交叉式換熱器、交叉式換熱器4、混合式換熱器、混合式換熱器（2）按流動(dòng)方向分）按流動(dòng)方向分

11、三、平均傳熱溫差三、平均傳熱溫差 對(duì)任何形式的換熱器，傳熱方程式中的平對(duì)任何形式的換熱器，傳熱方程式中的平均傳熱溫差均傳熱溫差tt均是冷熱流體的平均溫差。但均是冷熱流體的平均溫差。但是，流動(dòng)形式不同，冷熱流體溫差沿?fù)Q熱面的是，流動(dòng)形式不同，冷熱流體溫差沿?fù)Q熱面的變化規(guī)律也不同。傳熱溫差也不同。變化規(guī)律也不同。傳熱溫差也不同。傳熱方程式傳熱方程式：mtkA順流和逆流的區(qū)別：順流和逆流的區(qū)別： 逆流式：21tt 逆流也有缺點(diǎn)，即熱流體和冷流體的最高溫度 集中在換熱器的同一端在相同的進(jìn)出口溫度條件下順流時(shí)：21tt21ttmcmptt cpAA或以以順流順流情況為例，作如下假設(shè)情況為例，作如下假設(shè)：

12、（1 1）冷熱流體的質(zhì)量流量）冷熱流體的質(zhì)量流量q qm2m2、q qm1m1以及比熱容以及比熱容C C2 2,C,C1 1是常數(shù)；是常數(shù)；（2 2）傳熱系數(shù)是常數(shù)；）傳熱系數(shù)是常數(shù)；（3 3）換熱器無(wú)散熱損失；）換熱器無(wú)散熱損失；（4 4）換熱面沿流動(dòng)方向的導(dǎo)熱）換熱面沿流動(dòng)方向的導(dǎo)熱量可以忽略不計(jì)。量可以忽略不計(jì)。11122212cdKdAtdqcdtdqcdtttt 1211221 122()11()11()dtdtdtdq cq cdq cq c 令0()() (1)ttdtddtdtt 0()()()ln (2)tAtdtddK dAtdtK dAtdtKdAttK At ()lnl

13、nmmmmK AtK Attttttttttttt 而對(duì)數(shù)平均溫差逆流時(shí)：逆流時(shí)： 11121222 tttttttttt ，順流時(shí)：順流時(shí)： 11121222 tttttttttt ，其它流動(dòng)形式的對(duì)數(shù)平均溫差其它流動(dòng)形式的對(duì)數(shù)平均溫差 對(duì)于其它流動(dòng)形式的換熱器，均是在逆流換熱器的基礎(chǔ)上再乘一修正系數(shù)，即：22111222()()(),1mmttP RttttPRtttt 逆1 12 2、1 14 4等多流程管殼式換熱器的等多流程管殼式換熱器的修正系數(shù)修正系數(shù) 第三節(jié) 換熱器的熱計(jì)算 mkA t 分為設(shè)計(jì)計(jì)算和校核計(jì)算。換熱器熱計(jì)算的基本公式為傳熱方程式:熱平衡方程式：熱平衡方程式：1111

14、2222mpmpq cttq ctt 1、換熱器計(jì)算的平均溫差法平均溫差法用作設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)步驟： 初步布置換熱面，計(jì)算出相應(yīng)的傳熱系數(shù)K。 根據(jù)給定條件，由熱平衡式求出進(jìn)、出口溫度中的那個(gè)待定的溫度tm。 由冷、熱流體的4個(gè)進(jìn)、出口溫度確定平均溫差，計(jì)算時(shí)要注意保持修正系數(shù)具有合適的數(shù)值。 由傳熱方程求出所需要的換熱面積A，并核算換熱面兩側(cè)有流體的流動(dòng)阻力。 如流動(dòng)阻力過(guò)大，改變方案重新設(shè)計(jì)。 （1）先假設(shè)一個(gè)流體的出口溫度，按熱平衡式計(jì)算另一個(gè)出口溫度（2）根據(jù)4個(gè)進(jìn)出口溫度求得平均溫差tm（3）根據(jù)換熱器的結(jié)構(gòu)，算出相應(yīng)工作條件下的總傳熱系數(shù)k（4）已知k、A和，按傳熱方程式計(jì)算在假設(shè)出口溫

15、度下的tm（5）根據(jù)4個(gè)進(jìn)出口溫度，用熱平衡式計(jì)算另一個(gè) ，這個(gè)值和上面的 ，都是在假設(shè)出口溫度下得到的，因此，不是真實(shí)的換熱量（6）比較兩個(gè) 值，滿(mǎn)足精度要求，則結(jié)束，否則，重新假定出口溫度，重復(fù)(1)(5)，直至滿(mǎn)足精度要求。對(duì)于校核計(jì)算具體計(jì)算步驟： 污垢增加了熱阻，使傳熱系數(shù)減小，這種熱污垢增加了熱阻，使傳熱系數(shù)減小，這種熱阻成為污垢熱阻，用阻成為污垢熱阻，用Rf表示，表示，A1A10kkRf 換熱器設(shè)計(jì)是綜合性的課題，必須考慮出投換熱器設(shè)計(jì)是綜合性的課題，必須考慮出投資，運(yùn)行費(fèi)用，安全可靠等諸多因素。資，運(yùn)行費(fèi)用，安全可靠等諸多因素。2、換熱器設(shè)計(jì)時(shí)的綜合考慮、換熱器設(shè)計(jì)時(shí)的綜合考慮

16、3、換熱器的結(jié)垢及污垢熱阻、換熱器的結(jié)垢及污垢熱阻式中：式中：k為有污垢后的換熱面的傳熱系數(shù)，為有污垢后的換熱面的傳熱系數(shù)，k0為潔凈換熱面的傳熱系數(shù)。為潔凈換熱面的傳熱系數(shù)。 111of iwf oiiokARRRhAh 對(duì)于兩側(cè)均已結(jié)垢的管殼式換熱器，以管子對(duì)于兩側(cè)均已結(jié)垢的管殼式換熱器，以管子外表面為計(jì)算依據(jù)的傳熱系數(shù)可以表示成：外表面為計(jì)算依據(jù)的傳熱系數(shù)可以表示成： 管殼式換熱器的部分污垢熱阻可以在有關(guān)管殼式換熱器的部分污垢熱阻可以在有關(guān)表中查得。表中查得。（2）污垢熱阻的計(jì)算）污垢熱阻的計(jì)算 溫度為t0的原油以質(zhì)量流量qm（kg/s） 流入一內(nèi)徑為D的架空管道。已知管外空氣的溫度為t

17、f，管內(nèi)原油與空氣間的傳熱系數(shù)（基于管內(nèi)壁面積）為k（W/（m2K)）。假定t0、tf、qm、k及原油的比熱c（J/(kgK)）等物性參數(shù)均為常數(shù)。試分析原油溫度t沿流動(dòng)方向x的變化規(guī)律。 在井口處采用套管式換熱器利用熱水加熱產(chǎn)出的高含蠟原油。熱水進(jìn)、出口溫度分別為90、45，熱水流量是0.7kg/s，比熱為4.18kJ/(kg)；產(chǎn)出原油的溫度為35，加熱后原油溫度為60，原油比熱為2.56 kJ/(kg)，忽略換熱器的熱損失。問(wèn)：（1）該換熱器是順流還是逆流？（2）該井的原油產(chǎn)量是多少？（3）水和油之間的換熱量是多少？（4）該換熱器的對(duì)數(shù)平均溫差是多少？ 一個(gè)儲(chǔ)存水果的房間的墻是由紅磚、軟

18、木板兩層材料構(gòu)成，厚度分別為70mm、50mm，紅磚的導(dǎo)熱系數(shù)為0.4W/(mK)，軟木板的導(dǎo)熱系數(shù)為0.044W/(mK)，其中一面墻的高與寬為3m及6m。冬天，室內(nèi)溫度為2，室外為-10，室內(nèi)墻壁與環(huán)境之間的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為6W/(m2K)，室外刮大風(fēng)時(shí)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為60W/(m2K)。計(jì)算通過(guò)這面墻散失的熱量以及墻的傳熱系數(shù)。 熱水在兩根相同的管道內(nèi)以相同的流速流動(dòng)，管外分別采用空氣冷卻和水冷卻。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，兩管內(nèi)產(chǎn)生相同厚度的水垢。問(wèn)水垢的產(chǎn)生對(duì)哪一根管道的傳熱系數(shù)影響大？為什么？ 用對(duì)數(shù)平均溫度法來(lái)核核換熱器，因需要迭用對(duì)數(shù)平均溫度法來(lái)核核換熱器，因需要迭代，所以計(jì)算量很大，而且對(duì)

19、計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確代，所以計(jì)算量很大，而且對(duì)計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性也有一定的誤差，在這種情況下，采用效能性也有一定的誤差，在這種情況下，采用效能（有效度）（有效度） -傳熱單元數(shù)數(shù)，即傳熱單元數(shù)數(shù)，即NTu法。法。a. 熱容量：熱容量： mpq c4 效能（有效度）效能（有效度）-傳熱單元數(shù)數(shù)，即傳熱單元數(shù)數(shù)，即NTu法法幾個(gè)參數(shù)幾個(gè)參數(shù)b. 熱容比熱容比 minmax()()mpmpq cCq c211221()()mpmpmpmpqcq cqcCq c111222()()mpmpmpmpq cq cqcCq cmax()()實(shí)換熱器中的實(shí)際傳熱量 換熱器中的最大可能傳熱器c. 效能（有效度）效能（有

20、效度） 1122maxminmaxmin12() ()()()()()()mpmpmpmpq ctq ctq ctq ctt 實(shí)若若min11112()()mpmpq cq ctttt22min211()()mpmpttq cq cttd. 傳熱單元數(shù)傳熱單元數(shù)NTUmin()mpK ANTUq C物意：物意：反映換熱器綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能的指標(biāo)。A投資成本；投資成本；運(yùn)行成本運(yùn)行成本 1min12min2()() ()()() ()mpmpmpmpmpmpK Aq Cq CNTUq CKAq Cq CNTUq C若以順流為例：以順流為例： 1122112211()()11ln()mpmpmpmp

21、dtK dAtq Cq CtA Ktq Cq C 的關(guān)系),(NTuCf若：若： 2min()()mpmpq Cq C222211221ln(1)1(1)(1)mpmpmpmpq CtKAtq CqCCKACNTuq C 1212tttttt22221111 ()() ()mpmpq Cttq Ctt又ln (1(1)(1)1 exp)(1)1CNTuCNTuCC 1221122212222212122212()()()()(1)()11(1)tCttttCttttttCtttttttttC ttCtt 逆流：逆流： )1)(exp1)1 (exp1CNTuCCNTu特例特例(1) ()()

22、1 exp()mpq CNTu 發(fā)生相變（）（） 12()() , 1mpmpq Cq CC順流：順流： 2)2exp(1NTu1212 tttt1212221112111 ()() ()mpttttttttKA ttq Ctt1NTuNTu逆流逆流： min1 ()()mpmpq Cq C設(shè) 1112121111212112112121211221212A()()()()()()() ()() 1()mpKttttNTu ttq CttNTu ttttttttNTu ttNTu ttttNTuNTutttttttt 用于設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，用對(duì)數(shù)平均溫差和NTu 法，工作量差不多。 用于核計(jì)算時(shí)，用

23、NTu法較方便，工作量少些。 二種方法的優(yōu)缺點(diǎn)例題：有一套管式換熱器，熱液體的進(jìn)出口溫度為例題：有一套管式換熱器，熱液體的進(jìn)出口溫度為200和和150 冷液體的進(jìn)出口溫度為冷液體的進(jìn)出口溫度為100和170，試求tm和NTU。 解：解：21170150tt因 （）從而此套管式換熱器為（）從而此套管式換熱器為逆流式逆流式套管換熱器套管換熱器 1212200 17030150 10050tttttt 305039.230ln50mt（2）12()50,()70tt根據(jù)：根據(jù)： 12可得：可得： 2min()()mpmpq Cq c2212170 1000.7200 100ttttmin11max22()505()7071 exp ()(1)1exp () (1)mpmpq CttCq CttNTUCCNTUC79. 151. 0726 . 05 . 072)(exp3 . 0)(72exp172)(exp757 . 07 . 072NTUNTUeNTUNTUNTUNTU或者或者min2222()701.7939.2mmpmtKANTUq Cttttt第四節(jié)傳熱的強(qiáng)化和