第7章 傳熱過程和換熱器

1、第第7章章 傳熱過程的分析與計算傳熱過程的分析與計算v工程中的傳熱問題：工程中的傳熱問題：由幾種熱量傳遞基本方式構(gòu)成的復(fù)由幾種熱量傳遞基本方式構(gòu)成的復(fù)雜的熱量傳遞過程雜的熱量傳遞過程v學(xué)習(xí)要求：學(xué)習(xí)要求：具有綜合運(yùn)用導(dǎo)熱、對流和輻射的基本原理具有綜合運(yùn)用導(dǎo)熱、對流和輻射的基本原理和能量守恒定律的能力和能量守恒定律的能力v本章內(nèi)容：本章內(nèi)容：v工程中若干典型的傳熱過程工程中若干典型的傳熱過程v井筒內(nèi)的傳熱過程井筒內(nèi)的傳熱過程v換熱器的基本類型和換熱器熱計算的基本原理換熱器的基本類型和換熱器熱計算的基本原理7.1 復(fù)合傳熱復(fù)合傳熱v復(fù)合傳熱或者綜合換熱：復(fù)合傳熱或者綜合換熱：將由兩種或兩種以上的基

2、本將由兩種或兩種以上的基本熱量傳遞方式同時起作用的熱量傳遞過程熱量傳遞方式同時起作用的熱量傳遞過程v最常見：最常見：固體壁面與氣體間的對流傳熱問題固體壁面與氣體間的對流傳熱問題v對流傳熱和輻射傳熱往往是同時存在的對流傳熱和輻射傳熱往往是同時存在的v供暖管線、暖氣片散熱、人體表面的散熱等供暖管線、暖氣片散熱、人體表面的散熱等v特點(diǎn)：壁面特點(diǎn)：壁面同時以對流和輻射的方式失去同時以對流和輻射的方式失去(或得到或得到)熱量熱量v兩種熱量傳遞方式是兩種熱量傳遞方式是并聯(lián)的關(guān)系并聯(lián)的關(guān)系 v計算目的：計算目的：確定表面凈失去（或凈得到）的熱量確定表面凈失去（或凈得到）的熱量ttcr 對流傳熱量：對流傳熱量

3、：ccwfh A TT 為計算輻射傳熱，采用與牛頓冷卻定律相似的形式為計算輻射傳熱，采用與牛頓冷卻定律相似的形式表示輻射傳熱過程表示輻射傳熱過程 vhr稱為稱為輻射傳熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)輻射傳熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，也稱，也稱輻射傳熱系數(shù)輻射傳熱系數(shù) rrwfh A TT tcrwftwfhhA TTh A TT vht就稱為就稱為復(fù)合傳熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)復(fù)合傳熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)v輻射傳熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的計算式：輻射傳熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的計算式： rrwfhA TTv表面的輻射傳熱量表面的輻射傳熱量r可根據(jù)固體壁面及所處環(huán)境的特點(diǎn)可根據(jù)固體壁面及所處環(huán)境的特點(diǎn)采用相應(yīng)的方法進(jìn)行計算采用相應(yīng)的方法進(jìn)行計算 v作為凸表面的固

4、體壁面位于溫度為作為凸表面的固體壁面位于溫度為Ts的大封閉空腔內(nèi)的大封閉空腔內(nèi)44wsATT r44wsrwfTThTTrrwf()hTT Av若環(huán)境輻射溫度未知，在相差不大的情形下，作為近似若環(huán)境輻射溫度未知，在相差不大的情形下，作為近似可?。嚎扇。篢sTf 44wsrwfTThTT22rwswshTTTTv是否考慮輻射換熱，應(yīng)根據(jù)具體情況而定：是否考慮輻射換熱，應(yīng)根據(jù)具體情況而定：v若流體是液體，有若流體是液體，有hr0v若氣體與壁面間進(jìn)行受迫對流傳熱，且換熱溫差不若氣體與壁面間進(jìn)行受迫對流傳熱，且換熱溫差不是很大，可忽略輻射，即是很大，可忽略輻射，即hthcv若氣體和壁面間進(jìn)行自然對流換

5、熱，或換熱溫差很若氣體和壁面間進(jìn)行自然對流換熱，或換熱溫差很大，必須考慮輻射換熱大，必須考慮輻射換熱v傳熱方程式傳熱方程式 f1f2k Attk傳熱系數(shù)，傳熱系數(shù)，W/(m.K)物理意義物理意義冷、熱流體的溫差為冷、熱流體的溫差為1時單位時間、單位時單位時間、單位 傳熱面積所傳遞的熱量傳熱面積所傳遞的熱量 v傳熱過程：傳熱過程：高溫流體通過固體壁面把熱量傳給另一側(cè)低高溫流體通過固體壁面把熱量傳給另一側(cè)低溫流體的過程溫流體的過程v換熱器：換熱器：完成傳熱過程的熱力設(shè)備完成傳熱過程的熱力設(shè)備7-2 傳熱過程的分析與計算傳熱過程的分析與計算計算目的計算目的計算傳熱過程中的傳熱系數(shù)、傳計算傳熱過程中的

6、傳熱系數(shù)、傳熱量熱量衡量傳熱過程強(qiáng)度的重要參數(shù)，過程量衡量傳熱過程強(qiáng)度的重要參數(shù)，過程量影響因素：影響因素：冷熱流體的物性、流速、固體壁面的形狀、冷熱流體的物性、流速、固體壁面的形狀、布置、材料的導(dǎo)熱系數(shù)等布置、材料的導(dǎo)熱系數(shù)等綜合地反映了兩側(cè)的對流傳熱和導(dǎo)熱過程對傳熱的影響綜合地反映了兩側(cè)的對流傳熱和導(dǎo)熱過程對傳熱的影響 f1f2kA tt7.2.1 通過平壁的傳熱通過平壁的傳熱)(1111WfttAhAttWW212)(2223fWttAhf1f21211tth AAh A f1111Wtth A 12WWttA 2f221Wtth A v平壁傳熱過程的環(huán)節(jié)平壁傳熱過程的環(huán)節(jié)v兩側(cè)的對流傳

7、熱過程和平壁的導(dǎo)熱過程兩側(cè)的對流傳熱過程和平壁的導(dǎo)熱過程v各環(huán)節(jié)的熱流量或熱流密度完全相等，是串聯(lián)關(guān)系各環(huán)節(jié)的熱流量或熱流密度完全相等，是串聯(lián)關(guān)系v熱阻分析法熱阻分析法v熱阻分析法熱阻分析法f1f21211tth AAh A v說明說明 v（1）關(guān)于）關(guān)于h復(fù)合傳熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)復(fù)合傳熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) rchhhv（2）試算法的應(yīng)用）試算法的應(yīng)用 v 壁面溫度未知時，為壁面溫度未知時，為計算計算（與溫度有關(guān)）或壁面兩（與溫度有關(guān)）或壁面兩側(cè)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)側(cè)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，需采用試算法需采用試算法 v（3 3）傳熱系數(shù)的計算）傳熱系數(shù)的計算f1f2f1f21211ttk Atth AAh A 112

8、1211111khhhh傳熱系數(shù)傳熱系數(shù) v（4 4）多層平壁）多層平壁f1f 2f1f 2h1ih21nittkA ttRRR 112111niiikhhv（5）強(qiáng)化傳熱的考慮）強(qiáng)化傳熱的考慮121211khhRRRh Ah Af1f2f1f21211ktttkA ttRh AAh A 如何減小熱阻？怎樣采取措施？如何減小熱阻？怎樣采取措施？提高溫差，較少采用提高溫差，較少采用減小熱阻減小熱阻121211khhRRRh Ah A總熱阻是由兩個熱阻中較大的熱阻決定的總熱阻是由兩個熱阻中較大的熱阻決定的控制熱阻：控制熱阻：決定整個傳熱過程中的傳熱量的熱阻決定整個傳熱過程中的傳熱量的熱阻 強(qiáng)化薄弱

9、環(huán)節(jié)，效果最好強(qiáng)化薄弱環(huán)節(jié)，效果最好控制熱阻：表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)小、或換熱面積小的情形控制熱阻：表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)小、或換熱面積小的情形 措施措施1：提高表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)（較小一側(cè)）：提高表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)（較小一側(cè)） 措施措施2：提高小表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)一側(cè)的面積：提高小表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)一側(cè)的面積vh1103，h210，強(qiáng)化前：，強(qiáng)化前：k=9.90 W/(m2.K)1.005kk1.98kkv方法方法2：h1103，h220： k=19.6 W/(m2.K) v方法方法1： h12000，h210： k9.95 W/(m2.K) v采取的措施應(yīng)使兩側(cè)熱阻接近，才能收到預(yù)期的效果采取的措施應(yīng)使兩側(cè)熱阻接近，才能收到預(yù)期的效

10、果 7.2.2 通過圓管壁的傳熱通過圓管壁的傳熱 12f1f 2f1f 2khhttttRRRR f1f 2211122111ln2ttdd lhldd lhf1f 2211122111ln2ttdd lhldd lh 2of1f2d lktt o2221112111ln2kdddd hdh工程上，一般都工程上，一般都以圓管外壁面面積為基準(zhǔn)以圓管外壁面面積為基準(zhǔn)計算傳熱系數(shù)計算傳熱系數(shù) 2112ff1hnihRRRttininiiilhdddllhdtt1211112ff11ln211對多層圓筒壁對多層圓筒壁7.2.3 臨界熱絕緣直徑臨界熱絕緣直徑 v設(shè)鋼管外徑設(shè)鋼管外徑do，表面溫度，表面溫

11、度two。保溫層外徑。保溫層外徑ds，導(dǎo)熱系數(shù)，導(dǎo)熱系數(shù)s。管外流體溫度。管外流體溫度tf，保溫層外表面與流體間復(fù)合傳熱，保溫層外表面與流體間復(fù)合傳熱的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為ho。v由由保溫層導(dǎo)熱保溫層導(dǎo)熱和和管外對流傳熱管外對流傳熱組成的熱量傳遞過程，單組成的熱量傳遞過程，單位管長的總熱阻為：位管長的總熱阻為： ssoso11ln2ldRdd h7.2.3 臨界熱絕緣直徑臨界熱絕緣直徑 ssoso11ln2ldRdd h7.2.3 臨界熱絕緣直徑臨界熱絕緣直徑 v式中，式中， dcr 稱為稱為臨界熱絕緣直徑臨界熱絕緣直徑，熱損失最大時絕熱層，熱損失最大時絕熱層（保溫層）的外徑（保溫層

12、）的外徑v對應(yīng)的保溫層厚度：對應(yīng)的保溫層厚度：cr=(dcr-do)/2 ssoso11ln2ldRdd hscro2dh7.2.3 臨界熱絕緣直徑臨界熱絕緣直徑 scro2dh加保溫反而使熱損失增加加保溫反而使熱損失增加穿棉襖越穿越冷？！穿棉襖越穿越冷？！7.2.3 臨界熱絕緣直徑臨界熱絕緣直徑 v影響臨界熱絕緣直徑的因素：影響臨界熱絕緣直徑的因素：v選定的保溫材料選定的保溫材料v管線所處環(huán)境的傳熱狀況管線所處環(huán)境的傳熱狀況v絕熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)越大、管線表面與環(huán)境的表面?zhèn)鳠峤^熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)越大、管線表面與環(huán)境的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)越小，系數(shù)越小，dcr 就越大就越大scro2dh7.2.3 臨界熱

13、絕緣直徑臨界熱絕緣直徑 v1）當(dāng)管徑）當(dāng)管徑dodcr 時，敷設(shè)保溫層總能起到保溫作用時，敷設(shè)保溫層總能起到保溫作用v擔(dān)心：冬天穿棉襖，會不會越穿越冷？是否有必要考慮擔(dān)心：冬天穿棉襖，會不會越穿越冷？是否有必要考慮這一問題呢？這一問題呢？v假設(shè)棉襖的導(dǎo)熱系數(shù)為假設(shè)棉襖的導(dǎo)熱系數(shù)為0.1W/(m.K)，環(huán)境的表面?zhèn)鳠嵯?，環(huán)境的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為數(shù)為10 W/(m2.K)，此時，此時 dcr=0.02m (腰圍為腰圍為6.28cm)v工程上一般管道外徑均大于臨界絕緣直徑，為了減少散工程上一般管道外徑均大于臨界絕緣直徑，為了減少散熱損失，都毫無例外地敷設(shè)保溫層熱損失，都毫無例外地敷設(shè)保溫層7.2.3 臨

14、界熱絕緣直徑臨界熱絕緣直徑 v在小管徑且環(huán)境又是自然對流時（實驗室內(nèi)），在小管徑且環(huán)境又是自然對流時（實驗室內(nèi)），對管道對管道加保溫材料時一定要特別謹(jǐn)慎加保溫材料時一定要特別謹(jǐn)慎v當(dāng)管徑小于臨界絕緣半徑時，增加保溫層能起到強(qiáng)化換當(dāng)管徑小于臨界絕緣半徑時，增加保溫層能起到強(qiáng)化換熱的作用熱的作用v電工中在電線外加的絕緣層電工中在電線外加的絕緣層7.3 井筒內(nèi)的傳熱過程分析井筒內(nèi)的傳熱過程分析v注蒸汽井筒結(jié)構(gòu)注蒸汽井筒結(jié)構(gòu)v隔熱油管隔熱油管v環(huán)空環(huán)空v套管套管v水泥環(huán)水泥環(huán)v地層地層7.3 井筒內(nèi)的傳熱過程分析井筒內(nèi)的傳熱過程分析v井筒內(nèi)蒸汽至地層的熱量井筒內(nèi)蒸汽至地層的熱量傳遞過程：傳遞過程：v蒸

15、汽與油管內(nèi)表面的對流蒸汽與油管內(nèi)表面的對流傳熱傳熱油管內(nèi)管導(dǎo)熱油管內(nèi)管導(dǎo)熱油油管隔熱層導(dǎo)熱管隔熱層導(dǎo)熱油管外管油管外管導(dǎo)熱導(dǎo)熱油套環(huán)空內(nèi)對流傳油套環(huán)空內(nèi)對流傳熱和輻射傳熱熱和輻射傳熱套管導(dǎo)熱套管導(dǎo)熱水泥環(huán)導(dǎo)熱水泥環(huán)導(dǎo)熱地層導(dǎo)熱地層導(dǎo)熱 7.3 井筒內(nèi)的傳熱過程分析井筒內(nèi)的傳熱過程分析v井筒內(nèi)蒸汽至地層的熱量傳遞過程：井筒內(nèi)蒸汽至地層的熱量傳遞過程：v蒸汽與油管內(nèi)表面的對流傳熱蒸汽與油管內(nèi)表面的對流傳熱油管油管內(nèi)管導(dǎo)熱內(nèi)管導(dǎo)熱油管隔熱層導(dǎo)熱油管隔熱層導(dǎo)熱油管外油管外管導(dǎo)熱管導(dǎo)熱油套環(huán)空內(nèi)對流傳熱和輻射油套環(huán)空內(nèi)對流傳熱和輻射傳熱傳熱套管導(dǎo)熱套管導(dǎo)熱水泥環(huán)導(dǎo)熱水泥環(huán)導(dǎo)熱v地層內(nèi)的導(dǎo)熱地層內(nèi)的導(dǎo)熱

16、井筒內(nèi)井筒內(nèi)的傳熱的傳熱7.3 井筒內(nèi)的傳熱過程分析井筒內(nèi)的傳熱過程分析v井筒內(nèi)的傳熱：井筒內(nèi)的傳熱：v蒸汽與油管內(nèi)表面的對流傳熱蒸汽與油管內(nèi)表面的對流傳熱油管內(nèi)管導(dǎo)熱油管內(nèi)管導(dǎo)熱油管油管隔熱層導(dǎo)熱隔熱層導(dǎo)熱油管外管導(dǎo)熱油管外管導(dǎo)熱油套環(huán)空內(nèi)對流傳熱和油套環(huán)空內(nèi)對流傳熱和輻射傳熱輻射傳熱套管導(dǎo)熱套管導(dǎo)熱水泥環(huán)導(dǎo)熱水泥環(huán)導(dǎo)熱井筒內(nèi)傳熱的熱阻分析圖井筒內(nèi)傳熱的熱阻分析圖7.3 井筒內(nèi)的傳熱過程分析井筒內(nèi)的傳熱過程分析1tis12Rr h22tubti1ln2rRr33ins21ln2rRr蒸汽與油管內(nèi)壁面的對流傳熱熱阻蒸汽與油管內(nèi)壁面的對流傳熱熱阻R1 隔熱油管內(nèi)管管壁的導(dǎo)熱熱阻隔熱油管內(nèi)管管壁的

17、導(dǎo)熱熱阻R2 隔熱油管隔熱層的導(dǎo)熱熱阻隔熱油管隔熱層的導(dǎo)熱熱阻R37.3 井筒內(nèi)的傳熱過程分析井筒內(nèi)的傳熱過程分析隔熱油管外管管壁的導(dǎo)熱熱阻隔熱油管外管管壁的導(dǎo)熱熱阻R4to4tub31ln2rRr環(huán)空內(nèi)復(fù)合傳熱的熱阻環(huán)空內(nèi)復(fù)合傳熱的熱阻R55tottocr1122Rr hrhh7.3 井筒內(nèi)的傳熱過程分析井筒內(nèi)的傳熱過程分析co6casci1ln2rRrh7cemco1ln2rRrfh71liittqR套管管壁的導(dǎo)熱熱阻套管管壁的導(dǎo)熱熱阻R6水泥環(huán)內(nèi)的導(dǎo)熱熱阻水泥環(huán)內(nèi)的導(dǎo)熱熱阻R7單位井筒長度的熱損失：單位井筒長度的熱損失：7.3 井筒內(nèi)的傳熱過程分析井筒內(nèi)的傳熱過程分析將蒸汽至水泥環(huán)外緣的

18、熱量傳遞過程視為傳熱過程：將蒸汽至水泥環(huán)外緣的熱量傳遞過程視為傳熱過程：totofh2lqr kttfh71iittR7.3 井筒內(nèi)的傳熱過程分析井筒內(nèi)的傳熱過程分析1tototo3toto2totistubtiins2tub3lnlnlnrrrrrrrkr hrrrtocotohcrcascicemco1lnlnrrrrhhrr 井筒內(nèi)傳熱的傳熱系數(shù)：井筒內(nèi)傳熱的傳熱系數(shù)：7.3 井筒內(nèi)的傳熱過程分析井筒內(nèi)的傳熱過程分析fhto3tohins2crcemco1lnlnlttqrrrrrhhr1to3tohtoins2crcemco1lnlnrrrrkrhhr確定確定 th、hc 和和 hr

19、均未知，是井筒內(nèi)傳熱計算的關(guān)鍵均未知，是井筒內(nèi)傳熱計算的關(guān)鍵7.3 井筒內(nèi)的傳熱過程分析井筒內(nèi)的傳熱過程分析ctoctoci2qr h tttocicEcito2lnttqrr（1）環(huán)空內(nèi)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)）環(huán)空內(nèi)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)tto 和和 tci 分別為油管外表面和套管內(nèi)表面的溫度，分別為油管外表面和套管內(nèi)表面的溫度，。 將環(huán)空內(nèi)的對流傳熱過程等效為圓筒壁的徑向?qū)徇^將環(huán)空內(nèi)的對流傳熱過程等效為圓筒壁的徑向?qū)徇^程程，引入環(huán)空流體的，引入環(huán)空流體的等效導(dǎo)熱系數(shù)等效導(dǎo)熱系數(shù)E：7.3 井筒內(nèi)的傳熱過程分析井筒內(nèi)的傳熱過程分析1cicEtotolnrhrra0.255Ea1 357a60000.13

20、60002 100.0482 101.1 10RaRaRaRaRa 環(huán)空流體當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)環(huán)空流體當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)E的計算公式：的計算公式：ctoctoci2qr h tttocicEcito2lnttqrr7.3 井筒內(nèi)的傳熱過程分析井筒內(nèi)的傳熱過程分析a0.255Ea1 357a60000.1360002 100.0482 101.1 10RaRaRaRaRa 23citotociaVpgcRaGrPrrrtt 式中，式中，a為環(huán)空流體的導(dǎo)熱系數(shù)，為環(huán)空流體的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m K)；Ra為為自然對流的瑞利數(shù)自然對流的瑞利數(shù)定性溫度：環(huán)空平均溫度定性溫度：環(huán)空平均溫度 (tto+tci)/27.

21、3 井筒內(nèi)的傳熱過程分析井筒內(nèi)的傳熱過程分析44totocirtotocici2111rTTqrrrtortoci2qr h TT（2）環(huán)空內(nèi)的輻射傳熱系數(shù)）環(huán)空內(nèi)的輻射傳熱系數(shù)引入輻射傳熱系數(shù)的概念，有：引入輻射傳熱系數(shù)的概念，有： 單位長度的換熱量為：單位長度的換熱量為：7.3 井筒內(nèi)的傳熱過程分析井筒內(nèi)的傳熱過程分析44totocirtotocici2111rTTqrrrtortoci2qr h TT122tortocitocitocici111rhTTTTr（2）環(huán)空內(nèi)的輻射傳熱系數(shù)）環(huán)空內(nèi)的輻射傳熱系數(shù)輻射傳熱系數(shù)的計算式：輻射傳熱系數(shù)的計算式：7.3 井筒內(nèi)的傳熱過程分析井筒內(nèi)的傳

22、熱過程分析將井筒內(nèi)的熱量傳遞將井筒內(nèi)的熱量傳遞totofh2lqr ktt（3）水泥環(huán)外緣溫度）水泥環(huán)外緣溫度地層內(nèi)的熱量傳遞地層內(nèi)的熱量傳遞heDe2lttqt式中，式中，te 為原始地層溫度，為原始地層溫度，；e 為地層的導(dǎo)熱系數(shù)，為地層的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m K)；tD 為無量綱溫度。為無量綱溫度。 水泥環(huán)外緣溫度水泥環(huán)外緣溫度t th h，通常，通常t th h是未知的，如何計算？是未知的，如何計算？7.3 井筒內(nèi)的傳熱過程分析井筒內(nèi)的傳熱過程分析totofh2lqr ktt（3）水泥環(huán)外緣溫度）水泥環(huán)外緣溫度heDe2lttqt水泥環(huán)外緣溫度水泥環(huán)外緣溫度 th 的計算式：的計算式：t

23、oto D fe ehtoto Der k t tttr k t7.3 井筒內(nèi)的傳熱過程分析井筒內(nèi)的傳熱過程分析（1）假設(shè)傳熱系數(shù)初始值）假設(shè)傳熱系數(shù)初始值 kto0（2）計算水泥環(huán)外緣溫度）計算水泥環(huán)外緣溫度 th（3）根據(jù)傳熱方程式計算井筒熱損失）根據(jù)傳熱方程式計算井筒熱損失 qltoto D fe ehtoto Der k t tttr k ttotofh2lqr ktt7.3 井筒內(nèi)的傳熱過程分析井筒內(nèi)的傳熱過程分析3tofins2ln2lqrttrhcihcemcoln2lqrttr （4）根據(jù)井筒熱損失和熱平衡，計算隔熱油管外表面）根據(jù)井筒熱損失和熱平衡，計算隔熱油管外表面溫度溫度

24、 tto 和套管內(nèi)表面溫度和套管內(nèi)表面溫度 tci： 7.3 井筒內(nèi)的傳熱過程分析井筒內(nèi)的傳熱過程分析 （5）由）由 tto 和和 tci 確定對流傳熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)確定對流傳熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)hc、計算、計算輻射傳熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)輻射傳熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)hr。 1cicEtotolnrhrr122tortocitocitocici111rhTTTTr7.3 井筒內(nèi)的傳熱過程分析井筒內(nèi)的傳熱過程分析 （6）重新計算傳熱系數(shù)）重新計算傳熱系數(shù) ktototo0kk （7）比較）比較 是否滿足精度要求。若二者差別是否滿足精度要求。若二者差別較大，不滿足要求，則以較大，不滿足要求，則以 kto 作為初始值，重復(fù)

25、步驟（作為初始值，重復(fù)步驟（2）（7），直到滿足精度要求為止。計算過程中得到的換），直到滿足精度要求為止。計算過程中得到的換熱量即為井筒熱損失。熱量即為井筒熱損失。1to3tohtoins2crcemco1lnlnrrrrkrhhr7-4 換熱器的熱計算換熱器的熱計算v換熱器在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用極為普遍：換熱器在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用極為普遍：動力、冶金、化動力、冶金、化工、煉油、建筑、機(jī)械制造、食品、醫(yī)藥和航空航天等工、煉油、建筑、機(jī)械制造、食品、醫(yī)藥和航空航天等v一種廣泛應(yīng)用的通用設(shè)備，而且在某些工業(yè)企業(yè)中占有一種廣泛應(yīng)用的通用設(shè)備，而且在某些工業(yè)企業(yè)中占有很重要的地位很重要的地位v石油化工廠中，

26、換熱器的投資要占到建廠投資的石油化工廠中，換熱器的投資要占到建廠投資的1/5左右，重量占工藝設(shè)備總重的左右，重量占工藝設(shè)備總重的40v大中型煉油企業(yè)中，各種換熱器的數(shù)量可達(dá)大中型煉油企業(yè)中，各種換熱器的數(shù)量可達(dá)300500臺以上臺以上7-4 換熱器的熱計算換熱器的熱計算v石油工程中換熱器也得到了廣泛的應(yīng)用石油工程中換熱器也得到了廣泛的應(yīng)用v井口處加熱原油的加熱爐井口處加熱原油的加熱爐v基于換熱器原理的熱流體循環(huán)加熱基于換熱器原理的熱流體循環(huán)加熱v將重力熱管換熱器的高效傳熱特性應(yīng)用于井筒流體將重力熱管換熱器的高效傳熱特性應(yīng)用于井筒流體的加熱的加熱v在油田地面工程中，需要利用換熱器保證原油集輸、在

27、油田地面工程中，需要利用換熱器保證原油集輸、脫水和外輸?shù)裙に噷囟鹊囊竺撍屯廨數(shù)裙に噷囟鹊囊?7-4 換熱器的熱計算換熱器的熱計算v7.4.1 換熱器的分類換熱器的分類v1 按工作原理分類按工作原理分類v （1）混合式）混合式v 原理原理冷、熱流體直接接觸、互相混合而實現(xiàn)熱量冷、熱流體直接接觸、互相混合而實現(xiàn)熱量的交換的交換v 應(yīng)用應(yīng)用冷、熱流體都是同一物質(zhì)，或不是同一種物冷、熱流體都是同一物質(zhì)，或不是同一種物質(zhì)但易于分離質(zhì)但易于分離v 實例實例如電廠中的冷卻塔，空調(diào)系統(tǒng)中的冷卻塔等如電廠中的冷卻塔，空調(diào)系統(tǒng)中的冷卻塔等 v（2）蓄熱式蓄熱式回?zé)崾健⒃偕交責(zé)崾?、再生式v 冷、熱流體交

28、替地流過同一換熱面（蓄熱體），并盡冷、熱流體交替地流過同一換熱面（蓄熱體），并盡量避免相互混合量避免相互混合v 特點(diǎn)：特點(diǎn)：1 流道周期性地對熱流體吸熱、對冷流體放熱流道周期性地對熱流體吸熱、對冷流體放熱v 2 非穩(wěn)態(tài)過程非穩(wěn)態(tài)過程v 實例：蓄熱式空氣預(yù)熱器實例：蓄熱式空氣預(yù)熱器 v（3）間壁式換熱器）間壁式換熱器v表面式，冷、熱流體由壁面隔開表面式，冷、熱流體由壁面隔開v工程上最常見工程上最常見v2 按結(jié)構(gòu)分類（間壁式）按結(jié)構(gòu)分類（間壁式）v（1）管殼式換熱器）管殼式換熱器v 由管子（管束）和外殼（管殼）構(gòu)成由管子（管束）和外殼（管殼）構(gòu)成v管內(nèi)流動的流動路程管內(nèi)流動的流動路程管程管程v在管

29、束間流動在管束間流動殼程殼程v管殼式換熱器的型式：管殼式換熱器的型式：殼程管程殼程管程，12型、型、24型型（2 2）套管式換熱器套管式換熱器兩根同心圓管構(gòu)成兩根同心圓管構(gòu)成簡單，但傳熱系數(shù)小，只作為高壓流體的換熱器簡單，但傳熱系數(shù)小，只作為高壓流體的換熱器v普通管殼式換熱器的缺點(diǎn)：傳熱系數(shù)小、體積龐大普通管殼式換熱器的缺點(diǎn)：傳熱系數(shù)小、體積龐大v為了適應(yīng)節(jié)能降耗、提高工業(yè)生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益的需求，為了適應(yīng)節(jié)能降耗、提高工業(yè)生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益的需求，需要開發(fā)適用于不同工況要求的高效能換熱設(shè)備需要開發(fā)適用于不同工況要求的高效能換熱設(shè)備v新型換熱器的要求：新型換熱器的要求：v高的傳熱效率高的傳熱效率高效性高效

30、性v具有較小的體積具有較小的體積緊湊性：緊湊性：指換熱器單位體積中指換熱器單位體積中所包含的傳熱面積大小，單位是所包含的傳熱面積大小，單位是m2/m3。（3）高效間壁式換熱器）高效間壁式換熱器（3）高效間壁式換熱器）高效間壁式換熱器v高效性和緊湊性已成為近幾十年來工程設(shè)計和理論研高效性和緊湊性已成為近幾十年來工程設(shè)計和理論研究人員的追求目標(biāo)。究人員的追求目標(biāo)。v高效間壁式換熱器的優(yōu)越性：高效間壁式換熱器的優(yōu)越性：v（1）結(jié)構(gòu)設(shè)計能）結(jié)構(gòu)設(shè)計能誘使流體產(chǎn)生湍流流動誘使流體產(chǎn)生湍流流動以獲得較以獲得較高的傳熱系數(shù)高的傳熱系數(shù)v（2）阻止污垢形成，阻止污垢形成，使污垢系數(shù)較小使污垢系數(shù)較小v（3）流

31、程設(shè)計使冷、熱流體間）流程設(shè)計使冷、熱流體間溫差達(dá)到最大值溫差達(dá)到最大值 （3）高效間壁式換熱器）高效間壁式換熱器v目前，工程中普遍應(yīng)用的高效間壁式換熱器目前，工程中普遍應(yīng)用的高效間壁式換熱器v螺旋板式換熱器螺旋板式換熱器v板式換熱器板式換熱器v板翅式換熱器板翅式換熱器v翅片管式換熱器翅片管式換熱器v熱管換熱器熱管換熱器肋管式換熱器肋管式換熱器v換熱器管外加肋片換熱器管外加肋片管外翅片減小了熱阻，傳熱得以強(qiáng)化管外翅片減小了熱阻，傳熱得以強(qiáng)化肋管式換熱器肋管式換熱器板翅式換熱器板翅式換熱器板翅式換熱器板翅式換熱器翅片形狀翅片形狀3 按流動方式分按流動方式分v順流順流兩流體平行流動其方向相同兩流體

32、平行流動其方向相同v逆流逆流兩流體平行流動其方向相反兩流體平行流動其方向相反v復(fù)雜流（交叉流）復(fù)雜流（交叉流）除二者以外的方式除二者以外的方式7.4.2 間壁式換熱器熱計算的基本方程間壁式換熱器熱計算的基本方程 v約定：約定：v 下標(biāo)下標(biāo) 1 熱流體熱流體v 下標(biāo)下標(biāo) 2 冷流體冷流體v 上標(biāo)上標(biāo) 進(jìn)口參數(shù)進(jìn)口參數(shù)v 上標(biāo)上標(biāo) 出口參數(shù)出口參數(shù)v 以熱流體進(jìn)口作為計算起點(diǎn)以熱流體進(jìn)口作為計算起點(diǎn)1 換熱器中流體的溫度分布換熱器中流體的溫度分布v因變量因變量冷、熱流體的溫度冷、熱流體的溫度v自變量自變量？換熱面積換熱面積 熱流體入口，熱流體入口，Ax0 熱流體出口，熱流體出口，AxAt 在換熱器

33、內(nèi)的不同位置，在換熱器內(nèi)的不同位置，Ax不同，流體溫度不同不同，流體溫度不同（1 1）流體溫度變化的幅度與流體的熱容量）流體溫度變化的幅度與流體的熱容量qmc有關(guān)有關(guān)熱容量大的流體溫度變化幅度小，溫度沿程分布平緩；熱容量大的流體溫度變化幅度小，溫度沿程分布平緩；反之，溫度分布曲線較陡。反之，溫度分布曲線較陡。 （1 1）流體溫度變化的幅度與流體的熱容量）流體溫度變化的幅度與流體的熱容量qmc有關(guān)有關(guān) 熱容量大的流體溫度變化幅度小，溫度沿程分布平熱容量大的流體溫度變化幅度小，溫度沿程分布平緩；反之，溫度分布曲線較陡。緩；反之，溫度分布曲線較陡。 （2 2）換熱器端部兩種流體間的溫差越大，流體溫度

34、沿程）換熱器端部兩種流體間的溫差越大，流體溫度沿程變化越快，溫度分布曲線越陡變化越快，溫度分布曲線越陡；反之，溫度沿程變化曲；反之，溫度沿程變化曲線平緩線平緩（3）順流時冷流體的出口溫度總是低于熱流體的出口溫順流時冷流體的出口溫度總是低于熱流體的出口溫度度 逆流時冷流體出口溫度卻有可能大于熱流體出口溫度逆流時冷流體出口溫度卻有可能大于熱流體出口溫度 流體有相變時的溫度分布流體有相變時的溫度分布2 熱平衡方程熱平衡方程v熱流體放出的熱量熱流體放出的熱量 冷流體吸收的熱量冷流體吸收的熱量 )( 11111ttcqpm)(2 2222ttcqpm)()(2 222 1111ttcqttcqpmpm熱

35、平衡方程（換熱器無熱損失）熱平衡方程（換熱器無熱損失）3 換熱器的傳熱方程式換熱器的傳熱方程式v傳熱方程式傳熱方程式 12k Att傳熱方程的微分形式傳熱方程的微分形式 12dxxdk A tt dxxk At3 換熱器的傳熱方程式換熱器的傳熱方程式mkA tdxxdk At 對換熱面對換熱面A積分積分0dAxxk tA 01dAxxkAtAA換熱器內(nèi)的平均溫差換熱器內(nèi)的平均溫差A(yù)xxmdAtAt01傳熱方程式傳熱方程式mtkA4 對數(shù)平均溫差對數(shù)平均溫差假定：（假定：（1）換熱器無散熱損失，）換熱器無散熱損失， （2）忽略沿軸向?qū)?；）忽略沿軸向?qū)幔?（3）常物性；）常物性； （4）k為常數(shù)。為常數(shù)。順流為例順流為例對微元換熱面積對微元換熱面積dAx，冷、熱流體間的溫差為，冷、熱流體間的溫差為21tttx對其微分對其微分1212ddddxttttt對熱流體對熱流體1 11ddmq c t 對冷流體對冷流體222ddmq ct 1 12 211ddxmmtq cq c 積分之積分之1 12211mmttq cq c 1 12211mmmttkA tq cq c (1)代入傳熱方程式：代入傳熱方程式：1 12211ddxxxmmtk tAq cqc 分離變量積分分離變量積分:kAcqcqttmm221111 ln1 12