第10章_傳熱過程分析與換熱器的熱計算

1、第10章 傳熱過程分析與換熱器的熱計算1第第1010章章 傳熱過程分析與換熱器的熱計算傳熱過程分析與換熱器的熱計算10.1 10.1 傳熱過程的分析與計算傳熱過程的分析與計算10.2 10.2 換熱器的類型換熱器的類型10.3 10.3 換熱器中傳熱過程平均溫差與計算換熱器中傳熱過程平均溫差與計算10.4 10.4 間壁式換熱器的熱計算間壁式換熱器的熱計算10.5 10.5 熱量傳遞過程的控制（強化與削弱）熱量傳遞過程的控制（強化與削弱）第10章 傳熱過程分析與換熱器的熱計算210.1 傳熱過程的分析和計算傳熱過程的分析和計算回顧：傳熱過程的定義指熱量從壁面一側(cè)的流體通過壁面?zhèn)鞯奖诿媪硪粋?cè)流體

2、的過程。 舉例： 圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)外側(cè)空氣的傳熱； 換熱器內(nèi)外流體間的傳熱； 管道系統(tǒng)； 等等。第10章 傳熱過程分析與換熱器的熱計算3)(21ffttkA本節(jié)重點：討論不同形狀傳熱表面的傳熱系數(shù)。 平壁、圓筒壁、肋壁10.1.1 通過平壁的傳熱過程計算通過平壁的傳熱過程計算1. 單層平壁. 多層平壁21111hhk傳熱方程式211111hhkniii第10章 傳熱過程分析與換熱器的熱計算4幾點說明：（1）導(dǎo)熱系數(shù)（2）表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h10.1.2 通過圓筒壁的傳熱過程計算通過圓筒壁的傳熱過程計算1. 單層圓筒壁 假定圓筒壁的長度為 。該傳熱過程包括串聯(lián)的三個環(huán)節(jié)。（1）以圓筒壁外側(cè)壁面面積為基準(zhǔn)的傳

3、熱系數(shù)（工程上常用）rcthhhlhioiooioihdddddhk1ln211l第10章 傳熱過程分析與換熱器的熱計算52. 多層圓筒壁共同推導(dǎo)！說明：（1）導(dǎo)熱系數(shù)（2）表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h（3）在運行過程中，圓筒壁（圓管）內(nèi)外側(cè)常會積起各種污垢，傳熱系數(shù)計算式中需增加相應(yīng)的污垢熱阻。（2） 以圓筒壁內(nèi)側(cè)壁面面積為基準(zhǔn)的傳熱系數(shù)oioioiiiddhdddhk1ln211ooiooioiiRhdddddRhk1ln2)1(1oooioioihddddddddhk1ln2ln211111第10章 傳熱過程分析與換熱器的熱計算6例題例題 蒸氣管道的外徑為80mm，壁厚3mm，外側(cè)保有厚40mm的水泥

4、珍珠巖保溫層。管內(nèi)蒸氣溫度為150，環(huán)境溫度為20，保溫層外表面對環(huán)境的復(fù)合表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為7.6W/(m2K)，管內(nèi)蒸氣的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為116W/(m2K)，鋼管壁的導(dǎo)熱系數(shù)為46.2 W/(mK)。求每米管長的熱損失。分析：該問題屬于多層圓筒壁的傳熱問題。 熱損失計算式為 且 關(guān)鍵為保溫層導(dǎo)熱系數(shù)的計算 保溫層兩側(cè)溫度需假設(shè)，采用迭代方法計算。oooioioihddddddddhk1ln2ln211111)(21ffottldk2)(000105. 00651. 011wowtt第10章 傳熱過程分析與換熱器的熱計算7 對于輸送水或壓力較高的水蒸汽的保溫管道，管內(nèi)介質(zhì)的對流換熱熱阻一般比保溫

5、層的熱阻要小得多，另金屬管道壁的熱阻相比其他的熱阻也要小很多，尤其是保溫層的熱阻，因而可取管壁溫度等于管內(nèi)介質(zhì)的平均溫度，取保溫層與金屬管道壁交界處的溫度等于管內(nèi)介質(zhì)的平均溫度。CttRRttRRRRRRRWKmldhRWKmddlRWKmddlRWKmldhRfiwwfioooiiii1500)(037348. 0,/ )(2168. 01)10160(6 . 711/ )(9191. 080160ln112. 021ln21/ )(000268. 07480ln12 .4621ln21/ )(03708. 01)1074(1161112113213231234213212231第10章 傳

6、熱過程分析與換熱器的熱計算8 保溫層外表面的溫度可以先假定為30，以后再修正，直至兩次計算的熱損失的相對誤差小于工程誤差為止。 解： 取 假設(shè)Ctw1501Ctwo 30K)W/(m.tt.wow2110745502301500001050065102000105006510WttldkKmWhddddddddhkfofiooooioioi08.73)20150(1)10160(1183. 1)()/(1183. 11316. 07438. 0000135. 001864. 016 . 7180160ln07455. 02101607480ln2 .4621016074160116111ln2

7、ln2113233111第10章 傳熱過程分析與換熱器的熱計算9WWttldkKmWhddddddddhkK)W/(m.tt.Cdhttfofiooooioioiwowolofowo46.73%5%52. 0%10046.7308.7346.7346.73)30150(1)10160(1242. 1)()/(1242. 11316. 07391. 0000135. 001864. 016 . 7180160ln07503. 02101607480ln2 .4621016074160116111ln2ln211075030213.39150000105006510200010500651013.

8、391)10160(6 . 708.732032331112113第10章 傳熱過程分析與換熱器的熱計算1010.1.3 通過肋壁的傳熱過程計算通過肋壁的傳熱過程計算 肋壁定義依附于基礎(chǔ)表面的擴展表面 采用肋壁的目的強化傳熱，一般在表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)較小的壁面?zhèn)炔捎美弑?分析如圖所示的肋壁傳熱過程。 該傳熱過程包括串連著的三個環(huán)節(jié)。 1. 以肋側(cè)總表面積為基準(zhǔn)的肋壁傳熱系數(shù) 式中： 為肋面總效率ofoooioioifAAAhAAAAhk21111o第10章 傳熱過程分析與換熱器的熱計算11 2. 以無肋的平壁面積為基準(zhǔn)的肋壁傳熱系數(shù) （工程上常采用） 式中： 為肋化系數(shù)。 分析： 往往遠(yuǎn)大于1，而且

9、總可以使 遠(yuǎn)大于1，使原換熱熱阻 降到 ，從而使傳熱量增大。ioooifAAhhk111oooh1oh110.1.4 臨界熱絕緣直徑 以例10-1為例。 4321RRRRttRttfofifofildhRddlRddlRldhRoooiii1,ln21,ln21,14113121第10章 傳熱過程分析與換熱器的熱計算12 保溫層厚度增加，do增大，R1和R2不變，R3增大，R4減小，總熱阻R存在極值，實踐表明，R存在極小值，存在最大值，將極值對應(yīng)的do稱謂臨界熱絕緣直徑，其值可通過上式對do求導(dǎo)得到。思考：一般保溫動力管道很少考慮臨界絕緣直徑的問題。原因？oinsochhd221第10章 傳熱

10、過程分析與換熱器的熱計算1310.2 10.2 換熱器的類型換熱器的類型10.2.1 10.2.1 換熱器的分類換熱器的分類1.換熱器的定義：用來使熱量從熱流體傳遞到冷流體，以 滿足規(guī)定的工藝要求的裝置。2.換熱器的分類：（1）按換熱器操作過程分間壁式（recuperators）：冷熱流體由壁面隔開，如冷凝器、蒸發(fā)器、空氣加熱器等混合式（direct contact heat exchanger）：冷熱流體直接接觸、互相混合，如冷卻塔等蓄熱式（regenerator）或稱回?zé)崾剑豪錈崃黧w交替流過同一換熱面，如空氣預(yù)熱器等（2）按表面的緊湊程度緊湊式：dh6mm或700m2/m3非緊湊式概念：水

11、力半徑流動截面積的4倍除以濕周長dh 傳熱面積密度每立方米體積中的傳熱面積第10章 傳熱過程分析與換熱器的熱計算14第10章 傳熱過程分析與換熱器的熱計算1510.2.2 10.2.2 間壁式換熱器的主要型式間壁式換熱器的主要型式1.套管式換熱器（doublepipe heat exchanger） 最簡單的一種間壁式換熱器，流體有順流和逆流兩種。第10章 傳熱過程分析與換熱器的熱計算162. 管殼式換熱器（shell and tube heat exchanger）管程：一種流體從封頭進口流進管子里，再經(jīng)封頭流出，此條路徑為管程。殼程：另一種流體從外殼的連接管進入換熱器，在殼體與管子之間流動

12、，此條路徑為殼程。1（殼程）-2（管程）型第10章 傳熱過程分析與換熱器的熱計算173. 交叉流換熱器（cross flow heat exchanger） 其主要特點是冷熱流體呈交叉狀流動。第10章 傳熱過程分析與換熱器的熱計算184. 板式換熱器（plate heat exchanger） 由一組幾何結(jié)構(gòu)相同的平行薄平板疊加所組成，兩相鄰平板之間用特殊設(shè)計的密封墊隔開，形成一個通道，冷熱流體間隔地在每個通道中流動。5. 螺旋板式換熱器（spiral plate heat exchanger） 其換熱面系由兩塊金屬板卷制而成，冷、熱流體在螺旋狀的通道中流動。第10章 傳熱過程分析與換熱器的熱

13、計算1910.3.1 簡單順、逆流換熱器的平均溫差的計算簡單順、逆流換熱器的平均溫差的計算1. 順流換熱器（parallel flow heat exchanger） （1）平均溫差 的引入？ 參照下圖。熱流體沿程放出熱量溫度不斷下降，冷流體沿程吸熱溫度上升，且冷熱流體之間的溫差沿程是不斷變化的。 傳熱方程式則為： （2） 順流時平均溫差的推導(dǎo) 假設(shè)：（1）冷熱流體的質(zhì)量流量以及比熱容在整個換熱面上是常數(shù)；(2) 傳熱系數(shù)在整個換熱面上是常數(shù)；（3）換熱器無散熱損失；（4）換熱面沿流動方向的導(dǎo)熱量可以忽略不計。10.3 換熱器中傳熱過程平均溫差的計算換熱器中傳熱過程平均溫差的計算mtmtkA第

14、10章 傳熱過程分析與換熱器的熱計算20第10章 傳熱過程分析與換熱器的熱計算21研究圖中微元換熱面dA一段的傳熱。在微元面積dA兩側(cè)熱、冷流體的溫差為：)(21attt(b) ddtAk)(dd111ctcqm通過微元面積dA的熱量為：熱流體放出的熱量為：同理，對于冷流體則有)(dd222dtcqm將式(a)微分，并利用式(c)和式(d)的關(guān)系，可得)(dd11ddd221121ecqcqtttmm將式(b)代入式(e)得tdAddkt第10章 傳熱過程分析與換熱器的熱計算22分離變量得)(dAtdfktxxAttkt0dAtd)(tlngkAtxx積分得(h)exp(txxkAt即，積分結(jié)

15、果為 可見，溫差隨換熱面作負(fù)指數(shù)變化，則沿整個換熱面的平均溫差可由式（h）導(dǎo)得，為)( 1)exp(t)dAexp(t1 dAt1x0 xx0ikAkAkAAAtxAAmttAAx 時，按式(g)得)(tlnjkAt 第10章 傳熱過程分析與換熱器的熱計算23)()exp(tkkAt 將式(j)、式(k)代入式(i)得tlnt1-ttlnt tttttm此溫差通常稱作對數(shù)平均溫差 （logarithmic mean temperature difference，LMTD）2. 逆流換熱器推導(dǎo)（略）。結(jié)果如下，同逆流。tlnt tttm第10章 傳熱過程分析與換熱器的熱計算24順流和逆流的區(qū)別在

16、于：順流和逆流的區(qū)別在于：順流順流逆流逆流2121tttttt 2112tttttt 對數(shù)平均溫差寫成如下統(tǒng)一形式(順流和逆流都適用)。minmaxminmaxtlnttttm第10章 傳熱過程分析與換熱器的熱計算253. 算術(shù)平均溫差 相當(dāng)于假定冷熱流體的溫度按照線性變化時的平均溫度。2minmaxttt算術(shù)算術(shù)平均溫差與對數(shù)平均溫差的比較當(dāng) ，兩者的差別小于4%。0 . 2/minmaxtt第10章 傳熱過程分析與換熱器的熱計算2610.3.2 10.3.2 其他復(fù)雜布置時平均溫差的計算其他復(fù)雜布置時平均溫差的計算在上面所介紹的間壁式換熱器的5種主要型式中，套管式換熱器及螺旋板式換熱器的平

17、均溫差可以方便地按逆流或順流布置的公式來計算。其他型式的換熱器的平均溫差可以采用下式計算：ctfmmtt)(是小于1的修正系數(shù)。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 。10.3.3 10.3.3 不同流動布置形式的比較不同流動布置形式的比較（1）在相同的進、出口溫度條件下，逆流的平均溫差最大，順流的平均溫差最小。（2）逆流換熱器，冷熱流體的高溫集中在換熱器的同一端，對于高溫?fù)Q熱器，應(yīng)該注意避免。（3）換熱器發(fā)生相變的情況。此類換熱器無所謂順流和逆流。第10章 傳熱過程分析與換熱器的熱計算27（4）蛇形管束的傳熱，只要管束的曲折次數(shù)超過4次，就可按總體流動方向作為純逆

18、流和純順流來處理。第10章 傳熱過程分析與換熱器的熱計算28例題例題 在一臺螺旋板式換熱器中，熱水流量為2000kg/h，冷水流量為3000kg/h；熱水進口溫度為80，冷水進口溫度為10。如果要求將冷水加熱到30，試求順流和逆流時的平均溫差。 分析：分析： 熱平衡方程式 對數(shù)平均溫差 思考：思考：溫度沿程變化（逆流）：溫差大的一側(cè)，曲線斜率大？ )()(22221111ttcqttcqmm tlnt tttm第10章 傳熱過程分析與換熱器的熱計算29第10章 傳熱過程分析與換熱器的熱計算3010.4 10.4 間壁式換熱器的熱設(shè)計間壁式換熱器的熱設(shè)計10.4.1 兩種類型的設(shè)計和兩種設(shè)計方法

19、兩種類型的設(shè)計和兩種設(shè)計方法1. 兩種類型的設(shè)計(1)設(shè)計計算（design calculation）：設(shè)計一個新的換熱器，以確定所需的換熱面積。(2)校核計算（performance calculation）：對已有或已選定了換熱面積的換熱器，在非設(shè)計工況條件下，核算他能否勝任規(guī)定的換熱任務(wù)。換熱器熱計算的基本方程式是傳熱方程式及熱平衡方程式：mtkA)()(22221111ttcqttcqmm 第10章 傳熱過程分析與換熱器的熱計算31兩種類型的設(shè)計中的變量情況。設(shè)計計算：給定的是 和4個進、出口溫度中的3個溫度 求解的是 和校核計算：給定的是 ， 和2個進口溫度 求解的是出口溫度kAAA

20、2211,cqcqmm2211,cqcqmm21,tt 21,tt2. 兩種設(shè)計方法（1）平均溫差法：直接利用傳熱方程計算傳熱量（校核計算）或傳熱面積（設(shè)計計算）。（2）傳熱單元數(shù)法：引入換熱器的效能（effectiveness of heat exchanger）和傳熱單元數(shù)（number of heat exchanger），進行設(shè)計計算和校核計算。10.4.2 換熱器熱計算的平均溫差法換熱器熱計算的平均溫差法1. 設(shè)計計算步驟第10章 傳熱過程分析與換熱器的熱計算32（1）初步布置換熱面，并計算出相應(yīng)的總傳熱系數(shù)k。（2）根據(jù)給定條件，由熱平衡式求出進、出口溫度中的那個待定的溫度。（3）

21、由冷熱流體的4個進出口溫度確定平均溫差，計算時要注意修正系數(shù)具有合適的數(shù)值。 （4）由傳熱方程式計算所需的換熱面積A，并核算換熱面流體的流動阻力。（5）如果流動阻力過大，則需要改變方案重新設(shè)計。2. 校核計算步驟（1）先假設(shè)一個流體的出口溫度，按熱平衡方程式求出另一個流體的出口溫度。（2）根據(jù)4個進、出口溫度求得平均溫差。（3）根據(jù)換熱器的結(jié)構(gòu)，算出相應(yīng)工作條件下傳熱系數(shù)的值。（4）已知kA和平均溫差，按傳熱方程式求出傳熱量，記為ht。（5）用熱平衡方程式求得傳熱量，記為hh。（6）比較步驟（4）和（5）中求得的ht與hh值。兩者的誤差應(yīng)小于2%5%。否則重復(fù)步驟（1）（6）。第10章 傳熱過

22、程分析與換熱器的熱計算33例題例題 流量為39m3/h的30號透平油，在冷油器中從56.9冷卻到45。冷油器采用1-2型殼管式結(jié)構(gòu)，管子為銅管，外徑為15mm，壁厚1mm。每小時47.1t的河水作為冷卻水在管側(cè)流過，進口溫度為33。油安排在殼側(cè)。油側(cè)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為450W/(m2K)，水側(cè)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為5850W/(m2K) 。已知30號透平油在運行溫度下的物性：密度為879kg/m3，比熱為1.95kJ/(kgK)。試求所需傳熱面積。分析：分析：設(shè)計計算計算：計算：（1）據(jù)熱平衡方程式求出冷卻水的出口溫度及傳熱量；（2）計算對數(shù)平均溫差及修正；（3）計算傳熱系數(shù)（注意：污垢熱阻的考慮！注

23、意：污垢熱阻的考慮?。?（4）計算所需的傳熱面積。第10章 傳熱過程分析與換熱器的熱計算3410.4.3 換熱器熱設(shè)計的效能傳熱單元數(shù)法換熱器熱設(shè)計的效能傳熱單元數(shù)法1. 換熱器效能的定義21max21min222221min1111)()()()()()()(ttttttcqttcqttcqttcqmmmm 換熱器最大可能換熱量換熱器的實際換熱量換熱器熱交換的熱量)()(21minttcqm第10章 傳熱過程分析與換熱器的熱計算35順流（推導(dǎo)略）逆流（推導(dǎo)略）maxminmaxmin)()(1)()(1 NTUexp1cqcqcqcqmmmmmin)(NTUcqkAm)()(1 (NTUe

24、xp)()(1 ()()(1 NTUexp1maxminmaxminmaxmincqcqcqcqcqcqmmmmmmNTU稱為傳熱單元數(shù)，在一定程度上表征了換熱器綜合技術(shù)經(jīng)濟性能。2. 順流和逆流時換熱器效能的計算第10章 傳熱過程分析與換熱器的熱計算36（1）當(dāng)冷熱流體之一發(fā)生相變時，相當(dāng)于 ，即 ，于是上面效能公式可簡化為max)(cqm0)()(maxmincqcqmmNTUexp1（2）當(dāng)兩種流體的熱容相等時，即 公式可以簡化為1)()(maxmincqcqmm2NTU2exp1NTU1NTU順流：逆流：（順流及逆流均適用）換熱器效能的影響因素)(maxmincqcqNTUfmm（，流

25、動形式，3. 用傳熱單元數(shù)表示的效能計算公式與圖線換熱器的效能傳熱單元數(shù)關(guān)系圖參照教材。第10章 傳熱過程分析與換熱器的熱計算374.用效能-傳熱單元數(shù)法計算換熱器的步驟校核計算（1）假設(shè)一個流體的出口溫度，利用熱平衡式計算另一個流體的出口溫度。（2）利用熱平衡式計算換熱量。（3）利用四個進出口溫度計算定性溫度，確定物性，并結(jié)合換熱器結(jié)構(gòu)，計算總傳熱系數(shù)k。（4）利用k, A及冷熱流體的水當(dāng)量計算NTU。（5）據(jù)流動形式，水當(dāng)量之比，NTU查圖得出換熱器的效能。（6）利用公式計算出換熱量。（7）比較步驟（2） 與步驟（6） 中所求的換熱量，兩者之差小于2%5%。否則重復(fù)上述步驟。第10章 傳熱

26、過程分析與換熱器的熱計算38例題例題 流量為39m3/h的30號透平油，冷油器的進口油溫為58.7。冷油器采用1-2型殼管式結(jié)構(gòu)，管子為銅管，外徑為15mm，壁厚1mm。每小時47.1t的河水作為冷卻水在管側(cè)流過，進口溫度為33。油安排在殼側(cè)。油側(cè)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為450W/(m2K)，水側(cè)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為5850W/(m2K) 。已知30號透平油在運行溫度下的物性：密度為879kg/m3，比熱為1.95kJ/(kgK)。傳熱面積為51.5m2，求出出口油溫和出口水溫。分析：分析：換熱器運行中經(jīng)常會發(fā)生運行條件的改變，稱為變工況變工況，進口油溫的變化是一種可能的變工況，校核計算。計算：計算：（1）計算水當(dāng)量之比及，進而查圖得出效能；（2）計算傳熱量；（3）由熱平衡式分別求出出口油溫和出口水溫。)()(21minttcqm22221111,cqttcqttmm 第10章 傳熱過程分析與換熱器的熱計算3910.4.4 10.4.4 換熱器的污垢熱阻換熱器的污垢