傳熱學V4-第十章 傳熱分析及熱交換器計算

1、第十章傳熱過程分析與換熱器的熱計算Shanghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH傳熱學 Heat Transfer10-1 傳熱過程的分析與計算傳熱過程：熱量由壁面的一側(cè)流體通過固體壁面?zhèn)鬟f到另一側(cè)流體的過程。tAkttAkff)(21僅包含壁面兩側(cè)流體的溫度k總傳熱系數(shù)為什么引入傳熱過程和傳熱系數(shù)的概念？對于不同的傳熱過程，k 的計算公式不同平壁圓管肋壁帶保溫層的圓管傳熱系數(shù) k 和冷熱流體的平均溫差t 是傳熱過程分析的關(guān)鍵Shanghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH傳熱學 Heat Transfer10-1 傳熱過程的分析與計算 通

2、過平壁的傳熱212111)(AhAAhttff21111hhkW/（m2K）說明： h1和 h2的計算采用對流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)計算公式； 計及輻射時對流換熱系數(shù)采用復(fù)合換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) htrcthhh214241)(TTTThr343434rcthhh大容器膜態(tài)沸騰：(9-33)(7-22)輻射表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)：(7-23)(9-34)Shanghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH傳熱學 Heat Transfer10-1 傳熱過程的分析與計算 通過圓管的傳熱hiho熱阻分析法適用范圍：一維、穩(wěn)態(tài)、無內(nèi)熱源1hiiiRld hlddRio2)ln( ooholdhR1

3、111ln()2()()()fifooiiioofifooofifoiififottdh ldldhldkA ttkd l ttkd l tt oiooiioohddddhdk1)ln(2111ln()2iioiiiookdddhdh d以圓管內(nèi)側(cè)面積為基準以圓管外側(cè)面積為基準(常用)(2-31)熱流密度 qconst？Shanghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH傳熱學 Heat Transfer10-1 傳熱過程的分析與計算 通過平肋壁的傳熱穩(wěn)態(tài)、無內(nèi)熱源情況下：熱流量const肋側(cè)總面積AoA1+A2其中A1為肋間平壁面積12311fiwiiitth A wi

4、woittA 12()()1owofoofwofowofooooh A tthA tttthA ofoAAA)(2123肋面總效率：肋效率肋片實際散熱量Shanghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH傳熱學 Heat Transfer10-1 傳熱過程的分析與計算 通過平肋壁的傳熱穩(wěn)態(tài)、無內(nèi)熱源情況下：熱流量const肋側(cè)總面積AoA1+A2123123+)()(11fofiiffofiofoooiiifofittAkttAkAhAAhtt工程應(yīng)用以光側(cè)面積Ai為基準：ooifhhk1111ioAA肋化系數(shù)：oihhk111未加肋片的平壁：傳熱面積增加，肋側(cè)熱阻減小肋

5、片強化傳熱的機理ooohh11Shanghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH傳熱學 Heat Transfer10-1 傳熱過程的分析與計算 通過圓管肋壁的傳熱ooioiifofiAhddlAhtt1)ln(211圓管壁oooioiifofiAhddlAhtt1)ln(211ofoAAA)(21肋面總效率：圓管肋壁圓管加肋后雖然由于do的增加使得導(dǎo)熱熱阻增加，但是由于肋片導(dǎo)熱系數(shù)較大，且肋片增加的面積十分大，所以總熱阻仍然顯著降低。Shanghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH傳熱學 Heat Transfer10-1 傳熱過程的分析與計

6、算 通過圓管外加保溫層的傳熱圓管外加保溫層與圓管外加肋壁形式上一致，均減小了對流換熱熱阻，而增加了導(dǎo)熱熱阻。圓管外加保溫層后強化 or 削弱換熱取決于減小的對流換熱熱阻與增加的導(dǎo)熱熱阻的平衡。判斷依據(jù)：臨界熱絕緣直徑 dcr ooiofowidhddttl1)ln(21)(0oddd圓管外加保溫層后如果外徑do大于dcr，則散熱量隨do的增加而減?。ㄒ话銊恿艿溃?；如果小于dcr，則散熱量隨do的增加而增加（電線-例題10-2）。ocrhd2平壁加保溫層總是使熱阻增加，散熱量減小。球壁加保溫層也存在臨界熱絕緣直徑。Shanghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH傳熱學

7、 Heat Transfer10-2 換熱器的類型換熱器（熱交換器）：用來使熱量從熱流體傳遞到冷流體，以滿足規(guī)定工藝中對溫度要求 的裝置。換熱器的分類（按工作原理）間壁式混合式蓄熱式套管式管殼式交叉流式板式螺旋板式管束式管翅式板翅式Shanghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH傳熱學 Heat Transfer混合式換熱器：冷、熱流體介質(zhì)直接接觸，相互混合實現(xiàn)換熱。特點： 直接接觸混合；傳熱傳質(zhì)同時進行；要求冷熱流體互不相溶、易分離。應(yīng)用： 電站冷卻塔、噴淋室、化工洗滌塔等?；旌鲜綋Q熱器-冷卻塔蓄熱式換熱器：冷、熱流體介質(zhì)交替流過換熱表面而實現(xiàn)換熱。特點： 冷熱流體

8、交替流過；傳熱過程非穩(wěn)態(tài)；一般氣體介質(zhì)。應(yīng)用：空氣分離器、高爐、平爐等用來預(yù)熱、預(yù)冷空氣。10-2 換熱器的類型Shanghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH傳熱學 Heat Transfer間壁式換熱器：冷、熱流體介質(zhì)由壁面隔開，通過間壁實現(xiàn)換熱。特點：冷熱流體互不接觸；按照流動方向分為順流、逆流和交叉流。分類：套管式、管殼式、交叉流式、板式、螺旋板式等套管式換熱器：最簡單的一種間壁式換熱器，流體有順流和逆流兩種，適用于傳熱量不大或流體流量不大的情形。順流 逆流 10-2 換熱器的類型Shanghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH傳熱學

9、 Heat Transfer間壁式換熱器：冷、熱流體介質(zhì)由壁面隔開，通過間壁實現(xiàn)換熱。特點：冷熱流體互不接觸；按照流動方向分為順流、逆流和交叉流。分類：套管式、管殼式、交叉流式、板式、螺旋板式等管殼式換熱器：最主要的一種間壁式換熱器。傳熱面由管束組成，管子兩端固定在管板上，管束與管板再封裝在外殼內(nèi)。兩種流體分管程和殼程。1-2型管殼換熱器（殼程數(shù)-管程數(shù)） 殼程數(shù) : 殼側(cè)流體流經(jīng)殼體的個數(shù)；管程數(shù) : 管內(nèi)流體流動方向的改變次數(shù)+1。（圖10-9）10-2 換熱器的類型為何加擋板？Shanghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH傳熱學 Heat Transfer間壁

10、式換熱器：冷、熱流體介質(zhì)由壁面隔開，通過間壁實現(xiàn)換熱。特點：冷熱流體互不接觸；按照流動方向分為順流、逆流和交叉流。分類：套管式、管殼式、交叉流式、板式、螺旋板式等新型管殼式換熱器：螺旋折流板換熱器、折流桿換熱器。10-2 換熱器的類型常規(guī)的垂直折流板換熱器阻力大、容易結(jié)垢。Shanghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH傳熱學 Heat Transfer間壁式換熱器：冷、熱流體介質(zhì)由壁面隔開，通過間壁實現(xiàn)換熱。特點：冷熱流體互不接觸；按照流動方向分為順流、逆流和交叉流。分類：套管式、管殼式、交叉流式、板式、螺旋板式等交叉流換熱器：間壁式換熱器的又一種主要形式。其主要特

11、點是冷熱流體呈交叉狀流動。交叉流換熱器又分管束式、管翅式、管帶式、板翅式等。10-2 換熱器的類型Shanghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH傳熱學 Heat Transfer間壁式換熱器：冷、熱流體介質(zhì)由壁面隔開，通過間壁實現(xiàn)換熱。特點：冷熱流體互不接觸；按照流動方向分為順流、逆流和交叉流。分類：套管式、管殼式、交叉流式、板式、螺旋板式等板式換熱器：由一組幾何結(jié)構(gòu)相同的平行薄平板疊加所組成，冷熱流體間隔地在每個通道中流動，其特點是拆卸清洗方便，故適用于含有易結(jié)垢物的流體。10-2 換熱器的類型Shanghai Jiao Tong UniversitySJTU-O

12、YH傳熱學 Heat Transfer間壁式換熱器：冷、熱流體介質(zhì)由壁面隔開，通過間壁實現(xiàn)換熱。特點：冷熱流體互不接觸；按照流動方向分為順流、逆流和交叉流。分類：套管式、管殼式、交叉流式、板式、螺旋板式等螺旋板式換熱器：換熱表面由兩塊金屬板卷制而成。優(yōu)點：換熱效果好，缺點：密封比較困難。10-2 換熱器的類型Shanghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH傳熱學 Heat Transfer10-3 換熱器中傳熱過程的平均溫差平均溫差tm： 回顧 P.245 恒壁溫下管內(nèi)強制對流換熱換熱量的計算mtkAWHY?換熱器中，冷熱流體溫度沿換熱面是不斷變化的，其局部的換熱溫差

13、也是沿程變化，而利用牛頓冷卻公式計算換熱量時用總面積的平均溫差tm，其與換熱器的型式和冷熱流體的流動方向均有關(guān)。HotColdtShanghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH傳熱學 Heat Transfer10-3 換熱器中傳熱過程的平均溫差平均溫差的推導(dǎo)（基本假設(shè)）：冷熱流體的質(zhì)量流量、比熱容以及傳熱系數(shù)都是常數(shù)；換熱器無散熱損失（熱流體放熱冷流體吸熱）；1.忽略換熱面流動方向?qū)?；當?shù)販夭铍S局部換熱面積的變化)(xxAft 沿整個換熱面積進行積分平均平均溫差的推導(dǎo)（基本思路）：xx01t dAAmtAShanghai Jiao Tong UniversityS

14、JTU-OYH傳熱學 Heat Transfer平均溫差的推導(dǎo)： 套管式換熱器順流 HotCold逆流 HotCold10-3 換熱器中傳熱過程的平均溫差Shanghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH傳熱學 Heat Transfer對數(shù)平均溫差minmaxminmaxtlnttttm進、出口流體溫差中之大者 進、出口流體溫差中之小者 算術(shù)平均溫差2tminmaxttm進、出口流體溫差中之大者 進、出口流體溫差中之小者 算術(shù)平均溫差相當于冷熱流體沿程溫度線性變化順流 HotCold對數(shù)平均溫差：冷熱流體溫度曲線間面積。10-3 換熱器中傳熱過程的平均溫差Shangh

15、ai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH傳熱學 Heat Transfer間壁式換熱器換熱量計算中平均溫差的計算：套管式、板式、螺旋板式換熱器：直接用對數(shù)平均溫差。（注意順流、逆流） 順流： 逆流：管殼式、交叉流式換熱器：ctfmmtt)(逆流布置時的對數(shù)平均溫差小于1 的修正系數(shù)ctf : counter-flow 表示了某種流動型式接近逆流的程度，一般設(shè)計要求 0.9圖10-23 10-26分別給出了管殼式換熱器和交叉流式換熱器的 。2121tttttt 2121tttttt 相同進出口溫度下：順流的平均溫差最小，逆流的平均溫差最大；盡量采用逆流布置10-3 換熱器中

16、傳熱過程的平均溫差Shanghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH傳熱學 Heat Transfer10-4 間壁式換熱器的熱計算換熱器的熱計算類型設(shè)計計算(計算換熱面積)校核計算(計算流量、進出口溫度)換熱器的熱計算方法平均溫差法(LMTD)效能-傳熱單元數(shù)法(-NTU)Shanghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH傳熱學 Heat TransfermtkA)()(22221111ttcqttcqmm minmaxminmaxtlnttttm傳熱方程式熱平衡方程式對數(shù)平均溫差123已知： 6個變量中的5個求：kA計算步驟：1. 選擇換熱器

17、型式，初步布置換熱面，并計算總傳熱系數(shù) k；2. 根據(jù)給的條件，由方程2求出6個變量中未知的1個，以及傳熱量；3. 利用方程3計算所選型式換熱器的對數(shù)平均溫差（ 0.8 ）；4. 利用方程1計算傳熱面積A；5. 校核流動阻力。22112211,ttttcqcqmm LMTD 設(shè)計計算10-4 間壁式換熱器的熱計算 平均溫差法LMTDShanghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH傳熱學 Heat TransfermtkA)()(22221111ttcqttcqmm minmaxminmaxtlnttttm傳熱方程式熱平衡方程式對數(shù)平均溫差123已知： ， 兩者之一，

18、兩者之一求：另外兩個溫度計算步驟：1. 假設(shè)其中一個未知溫度，由方程2計算另外一個未知溫度及傳熱量；2. 利用方程3計算所選型式換熱器的對數(shù)平均溫差；3. 利用方程1計算傳熱量；4. 步驟1得到的傳熱量計算步驟4的傳熱量，重新假定溫度迭代；5. 步驟1，4傳熱量偏差 25，OK！2211,cqcqkAmmLMTD 校核計算),(21tt),(21tt 10-4 間壁式換熱器的熱計算 平均溫差法LMTDShanghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH傳熱學 Heat TransfermtkA)()(22221111ttcqttcqmm minmaxminmaxtlntt

19、ttm傳熱方程式熱平衡方程式對數(shù)平均溫差123已知：kA， 兩者之一， 四者之三求：另外一個溫度和一個qmc計算步驟（課后思考）),(2211cqcqmmLMTD 校核計算),(2211tttt 利用LMTD法進行換熱器的校核計算一般需要迭代-NTU法10-4 間壁式換熱器的熱計算 平均溫差法LMTDShanghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH傳熱學 Heat Transfer10-4 間壁式換熱器的熱計算 效能-傳熱單元數(shù)法 -NTU換熱器的效能：換熱器的實際換熱效果與最大可能的換熱效果之比。1)()(22221111ttcqttcqmm 實際換熱量：理想換熱器

20、最大可能的換熱量：熱容量小的流體出口溫度另一種流體的入口溫度2211cqcqmm21tt )(2111maxttcqm1122cqcqmm12tt )(2122maxttcqm)()(21minmaxttcqm1221max21min222221min1111)()()(ttttttcqttcqttcqttcqmmmm 分母：冷熱流體的進口溫差； 分子：冷熱流體進出口溫差中的大者Shanghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH傳熱學 Heat Transfer換熱器的效能：換熱器的實際換熱效果與最大可能的換熱效果之比。1基于-NTU法的實際換熱量：)()(21mint

21、tcqm只需冷熱流體的進口溫差maxminmaxmin)()(1)()(1NTUexp1cqcqcqcqmmmmmaxminmaxminmaxmin)()(1NTUexp)()(1)()(1NTUexp1cqcqcqcqcqcqmmmmmm如何計算？順流逆流min)(NTUcqkAm傳熱單元數(shù)兩種特殊情況：有相變；冷熱流體qmc相等。10-4 間壁式換熱器的熱計算 效能-傳熱單元數(shù)法 -NTUShanghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH傳熱學 Heat Transfer基于-NTU法的設(shè)計計算已知： 4個溫度中的3個求：kA計算步驟：1. 選擇換熱器型式，初步布置

22、換熱面，并計算總傳熱系數(shù) k；2. 由熱平衡方程計算未知的溫度，計算；3. 查圖得到NTU；4. 根據(jù)NTU定義計算換熱面積A；5. 校核流動阻力。),( ,22112211ttttcqcqmm min)(NTUcqkAm10-4 間壁式換熱器的熱計算 效能-傳熱單元數(shù)法 -NTUShanghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH傳熱學 Heat Transfer基于-NTU法的校核計算已知：求：計算步驟：1. 假定出口溫度，計算總傳熱系數(shù) k；2. 計算NTU；3. 查圖得到；4. 根據(jù) 計算換熱量；5. 由 ，計算出口溫度；6. 迭代計算至傳熱量偏差25，OK！21

23、2211,ttcqcqkAmm21,tt min)(NTUcqkAm)()(21minttcqm)()(22221111ttcqttcqmm 10-4 間壁式換熱器的熱計算 效能-傳熱單元數(shù)法 -NTUShanghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH傳熱學 Heat Transfer-NTU法與LTMD法的比較：校核計算中均需要假設(shè)溫度。-NTU法假設(shè)的出口溫度對傳熱量的影響不是直接的，而是通過定性溫度，影響總傳熱系數(shù)，從而影響NTU，并最終影響 值。而平均溫差法的假設(shè)溫度直接用于計算 值，顯然-NTU法對假設(shè)溫度沒有平均溫差法敏感，這是該方法的優(yōu)勢。LMTD法可以計

24、算，從而簡便有效的評估換熱器不同流動型式的優(yōu)劣。制冷低溫行業(yè)一般用-NTU法，電站鍋爐行業(yè)一般用LMTD法。10-4 間壁式換熱器的熱計算Shanghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH傳熱學 Heat Transfer10-4 間壁式換熱器的熱計算 換熱器的結(jié)垢與污垢熱阻換熱器長期運行后換熱面覆蓋污垢層使得傳熱系數(shù)減小，效能下降。011kkRfk - 有污垢后的換熱面的傳熱系數(shù)；k0 -潔凈換熱面的傳熱系數(shù)m2K/W污垢熱阻oofowioifiRhRAARhk1111管殼式換熱器單側(cè)污垢熱阻查表10-110-4；管殼式換熱器雙側(cè)污垢后總傳熱系數(shù)（以外表面積Ao為基準

25、）：Shanghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH傳熱學 Heat Transfer10-5 熱量傳遞過程的控制（強化與削弱）實質(zhì)：一定溫差下增加傳熱量，并減少金屬消耗 和阻力損失。目的：A,tm一定時增加 k來增加； ,tm一定時增加 k來減小A；重點：對流和輻射換熱，特別是對流換熱。傳熱的強化傳熱的削弱（隔熱保溫）傳熱學mtkA實質(zhì)：一定溫差下增加熱阻，減少傳熱量。目的：減小熱量（冷量）損耗，節(jié)能（冰箱、空調(diào)）保持溫度恒定，減小溫度波動；提高低溫下外表面溫度，避免結(jié)霜；防止溫度不均勻引起的熱應(yīng)力；熱工作環(huán)境下的人員隔熱保溫。重點：導(dǎo)熱和輻射換熱。采用k 很小的絕

26、熱材料，增加導(dǎo)熱熱阻；1.遮熱罩增加輻射熱阻，減小表面發(fā)射率。保溫效率%9000 x重點Shanghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH傳熱學 Heat Transfer強化傳熱： 增加傳熱系數(shù) 增加傳熱面積 （肋片） 增加溫差 （逆流布置）強化傳熱的原則：針對傳熱環(huán)節(jié)中熱阻最大的環(huán)節(jié)采取措施，一般均為對流換熱熱阻；傳熱過程中兩側(cè)流體對流換熱系數(shù)差別大時，在h 小的一側(cè)加肋片；傳熱過程中兩側(cè)流體的Ah 接近時，可以同時采取強化措施（雙側(cè)強化管）；1.必須綜合考慮強化傳熱的效果、流動阻力、經(jīng)濟性成本和運行費用等。強化傳熱的措施（從減小導(dǎo)熱熱阻和輻射熱阻角度出發(fā)）：減小導(dǎo)

27、熱熱阻（增加壁面導(dǎo)熱系數(shù)，減小壁厚）；減小污垢熱阻（水處理、定期清洗）；1.減小輻射熱阻（包括表面輻射熱阻和空間輻射熱阻，例如增加表面發(fā)射率）10-5 熱量傳遞過程的控制（強化與削弱）Shanghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH傳熱學 Heat Transfer強化傳熱的措施（從減小對流熱阻的角度出發(fā)）：單相對流換熱：破壞和減薄邊界層厚度，增加流動擾動和湍流度；凝結(jié)換熱：珠狀凝結(jié)、減薄液膜、加速液膜排出；沸騰換熱：增加汽化核心數(shù)。對流換熱的影響因素對流換熱的實驗關(guān)聯(lián)式對流換熱的物理機制流動狀況：增加流速、強制對流、相變；換熱面形狀尺寸及表面狀況：短管、小直徑管、彎

28、管、肋片管、增加表面粗糙度、改變表面涂層實現(xiàn)珠狀凝結(jié)等；流體的物性：將風冷變?yōu)樗?、沸騰時水中加鹽顆粒等。nfffNuPrRe023. 08 . 0),(4 . 08 . 04 . 06 . 02 . 08 . 0pcdufh圓管內(nèi)強制對流充分發(fā)展段：10-5 熱量傳遞過程的控制（強化與削弱）Shanghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH傳熱學 Heat Transfer強化傳熱的具體方法：無源技術(shù)(被動技術(shù))：除了輸送傳熱介質(zhì)的功率消耗外，無需附加動力。涂層表面；粗糙表面(圖10-37)；擴展表面(圖10-38)；擾流元件(圖10-40)；渦流發(fā)生器(圖10-41) ；螺旋管(圖10-41) ；添加物； 射流沖擊換熱有源技術(shù)(主動式技術(shù))：需要外加的動力。對換熱介質(zhì)做機械攪拌；使換熱表面振動；使換熱流體振動；將電磁場作用于流體以促使換熱表面附近流體的混合；將異種或同種流體噴入換熱介質(zhì)或?qū)⒘黧w從換熱表面