傳熱過(guò)程和換熱器-傳熱學(xué)-課件-10

1、Chapter 10傳熱過(guò)程和換熱器傳熱過(guò)程和換熱器(Heat transfer process and heat exchangers)1 總傳熱系數(shù)總傳熱系數(shù)(Overall heat transfer coefficient)A typical heat transfer process： Fluidsolid wallFluidHeat transfer rate:)(21ffttKAtKAwhereAsurface area, m2ttemperature difference, CKoverall heat transfer coefficient, W/m2C 一、通過(guò)平壁的傳熱

2、一、通過(guò)平壁的傳熱 (heat transfer through a plane wall)()()(2222321211111fwwwmwfttAhttAttAhFor steady heat transfer through a plane wallAAAAm2132121212111111hhKAhAAhttffFor steady heat transfer through a series composite wall211111hhKniii二、通過(guò)圓筒壁的傳熱二、通過(guò)圓筒壁的傳熱 (heat transfer through a cylinder)Total heat resis

3、tanceooioiitAhddlAhR1ln211ldhddlldhooioii1ln211Heat transfer rate ldhddlldhttRtooioiifofit1ln211Overall heat transfer coefficient based on the outer surface areaoiooiiootohddddhdARK1ln211Overall heat transfer coefficient based on the inner surface areaooiioiiitidhddddhARKln2111三、通過(guò)肋壁的傳熱三、通過(guò)肋壁的傳熱 (He

4、at transfer through a finned surface)1. 肋壁傳熱計(jì)算式肋壁傳熱計(jì)算式 如圖9-3所示，設(shè)光壁表面積(內(nèi)側(cè))為Ai，加肋后的外表面積為Ao(Ao=A1+A2，其中A1為未加肋部分的光壁面積， A2為肋片表面積)；肋壁內(nèi)表面溫度為twi，與溫度為tfi的流體接觸，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為hi；肋側(cè)表面溫度為two，與溫度為tfo的流體接觸，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為ho設(shè)肋和壁為同一種材料，壁厚，導(dǎo)熱系數(shù)穩(wěn)態(tài)時(shí)，可以列出下列方程式：)()()()(21fowofofowoowowiiwifiiittAhttAhttAttAh)()(21fowoooofowofottAhttAAh

5、式中，f肋片效率(實(shí)際散熱量/假設(shè)肋片處于肋根溫度下 的理想散熱量)；o肋壁效率肋壁效率(Overall surface efficiency of a finned surface)212121AAAAAAAfofHeat transfer rate)()(11fofiififofiofooooiiifofittAKttAKAhAAhttoooiiiAhRARAhR1;1321熱阻熱阻Overall heat transfer coefficient based on the outer surface areaooifofofiofohhKttAK111)(Overall heat tra

6、nsfer coefficient based on the inner surface areaooififofiifihhKttAK111)(where，1ioAA肋化系數(shù)肋化系數(shù)加肋的目的加肋的目的強(qiáng)化傳熱強(qiáng)化傳熱(Enhance heat transfer)由于A(yíng)oAi1o1Kfi 把肋化系數(shù)選得過(guò)大而使R3R1是沒(méi)必要的。因?yàn)镽3R1后，傳熱的主要熱阻是R1，此時(shí)再減小R3，強(qiáng)化傳熱效果不顯著。例如，制冷系統(tǒng)的冷凝器，兩側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)相差3-5倍，可采用低肋化系數(shù)的螺紋管。蒸汽空氣加熱器，兩側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)相差10倍以上，可選用高肋化系數(shù)的肋片管。無(wú)肋時(shí)增加流體流速必能使傳熱量增加，但

7、流體阻力也增加，而流體阻力的增加比傳熱量增加要快，從而限制了流速的大幅度增加，加肋強(qiáng)化傳熱一般不會(huì)帶來(lái)流體流動(dòng)阻力的顯著增加。肋片應(yīng)加在熱阻大的一側(cè)。減小肋的間距，肋的數(shù)量增多，肋壁的表面積相應(yīng)增大，能使值增大，有利于減小熱阻。適當(dāng)減小肋間距還可強(qiáng)化肋間流體擾動(dòng)，使表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)ho提高。肋間距不應(yīng)小于熱邊界層厚度的兩倍，以免肋間流體的溫度升高，降低了傳熱溫差。調(diào)節(jié)壁面溫度調(diào)節(jié)壁面溫度四、固體壁有污垢時(shí)的傳熱四、固體壁有污垢時(shí)的傳熱 (Heat transfer through a fouling wall)v 污垢系數(shù)污垢系數(shù)(Fouling factor)：?jiǎn)挝幻娣e的污垢熱阻稱(chēng)為面污垢系數(shù)，

8、又稱(chēng)污垢系數(shù)。011KKrff式中，K0傳熱面干凈無(wú)垢時(shí)的傳熱系數(shù)，W/(m2K)；Kf傳熱面結(jié)垢后流體流速不變時(shí)的傳熱系數(shù)，W/(m2K)；五、工程傳熱系數(shù)計(jì)算式的幾種演變方法五、工程傳熱系數(shù)計(jì)算式的幾種演變方法v 略去次要熱阻：略去次要熱阻：鍋爐水冷壁管傳熱v 高溫?zé)煔?1/ho)管外灰污(1/1)金屬管(2/2) 水垢(3/3) (1/hi)水式中，ho管外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(m2K)工程上稱(chēng)為灰污系數(shù)，即表9-1中的污垢系數(shù)，W/(m2K)；ooooiohhhhhhK1111111111332211v 非理想情況系數(shù)修正法非理想情況系數(shù)修正法 鍋爐煙道中管式空氣預(yù)熱器 煙氣(1/h1)

9、管內(nèi)灰污系數(shù)(rf1)金屬管(0)管外灰污系數(shù)(rf2) (1/ h2)空氣理想情況：無(wú)灰污2211111hrrhKff21111hhKid修正21111hhKKid式中，熱利用系數(shù)(=0.75-0.85)v 非典型工況系數(shù)修正法非典型工況系數(shù)修正法 火電廠(chǎng)冷凝器K典型冷凝器的傳熱系數(shù)，即水的流程為2的黃銅管冷凝器在無(wú)污垢且冷卻水進(jìn)口溫度為35C時(shí)的傳熱系數(shù)。cf有污垢時(shí)的修正系數(shù)，cf=0.65-0.85；ct冷卻水進(jìn)口溫度低于35C時(shí)的水溫修正系數(shù)；cz水的流程大于2時(shí)的冷卻水流程修正系數(shù)；cD蒸汽負(fù)荷(凝結(jié)量)與特定工況不同時(shí)的修正系數(shù)；cw管材修正系數(shù)，采用鋁黃銅管時(shí)cw=0.96 ；

10、KcccccKwDzlfv 線(xiàn)圖法線(xiàn)圖法v 選用經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)選用經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù) 汽輪機(jī)冷凝器的抽氣冷卻器，傳熱系數(shù)280-400 W/(m2K)v 非穩(wěn)態(tài)傳熱的系數(shù)修正法非穩(wěn)態(tài)傳熱的系數(shù)修正法v 內(nèi)燃機(jī)氣缸壁傳熱是周期性非穩(wěn)態(tài)傳熱v 周期性傳熱的蓄熱器2211111hhK式中，1 和2分別為煙氣加熱和空氣冷卻面積占總傳熱 面積的份額；傳熱不穩(wěn)定性影響修正系數(shù)。2 傳熱的增強(qiáng)和減弱傳熱的增強(qiáng)和減弱tmRtAhAAhttKA221111式中：)(2121AAAm2.1 增強(qiáng)傳熱的方法增強(qiáng)傳熱的方法一、增強(qiáng)傳熱的兩個(gè)途徑：一、增強(qiáng)傳熱的兩個(gè)途徑：加大傳熱溫差和減小傳熱面的總熱阻。加大傳熱溫差加大傳熱溫差 溫差

11、是傳熱的驅(qū)動(dòng)力，增大t可使熱流量增加。 提高熱流體溫度 降低冷流體的溫度 改變流體流程：同樣流體進(jìn)出口溫度，逆流時(shí)的平均傳熱溫差t最大，所以從傳熱角度出發(fā)應(yīng)盡量采用逆流式換熱器。減小傳熱面總熱阻減小傳熱面總熱阻 減小傳熱面的總熱阻可分別從減小導(dǎo)熱熱阻，對(duì)流熱阻和輻射熱阻著手。 減小導(dǎo)熱熱阻 減小對(duì)流傳熱熱阻 減小輻射傳熱熱阻二、增強(qiáng)傳熱的可行方法二、增強(qiáng)傳熱的可行方法擴(kuò)展傳熱面擴(kuò)展傳熱面改變流動(dòng)狀況改變流動(dòng)狀況 增加流速：管內(nèi)紊流 hu0.8；外掠管束hu0.60.84 流道中加入擾流子增強(qiáng)擾動(dòng) 采用旋流裝置 射流沖擊傳熱：直接破壞邊界層改變流體物性改變流體物性 氣流中添加少量固體顆粒：a.固

12、體顆粒具有較高的體積比熱容，從而提高了流體的體積比熱容；b.增強(qiáng)氣流的擾動(dòng)程度；c.增強(qiáng)熱輻射 在蒸汽或氣體中噴入液滴 液體中加入表面活性劑改變表面狀況改變表面狀況 增加粗糙度 改變表面結(jié)構(gòu) 表面涂層改變換熱面形狀、大小和位置改變換熱面形狀、大小和位置 以小直徑管代替大直徑管；以橢圓管代替園管；凝結(jié)換熱盡量采用水平管布置等等。外力產(chǎn)生振蕩，強(qiáng)化傳熱外力產(chǎn)生振蕩，強(qiáng)化傳熱 用機(jī)械或電的方法使傳熱面或流體產(chǎn)生振蕩； 對(duì)流體施加聲波或超聲波，使流體交替地受到壓縮或膨脹，以增加脈動(dòng)； 外加靜電場(chǎng)改變能量傳遞方式改變能量傳遞方式 在流道中加入“對(duì)流輻射板”，使壁面除原有的對(duì)流換熱量外，又額外增加了與對(duì)流

13、輻射板之間的輻射換熱量。三、增強(qiáng)傳熱時(shí)注意以下兩點(diǎn)三、增強(qiáng)傳熱時(shí)注意以下兩點(diǎn) 1、減小最大的熱阻效果最好； 2、考慮問(wèn)題要全面。2.2 削弱傳熱削弱傳熱一、保溫隔熱的目的一、保溫隔熱的目的1、減少熱損失；2、保證流體溫度，滿(mǎn)足工業(yè)要求；3、保證設(shè)備正常運(yùn)行；4、減少環(huán)境熱污染，保證可靠的工作環(huán)境；5、保證工作人員安全二、對(duì)保溫隔熱材料的要求二、對(duì)保溫隔熱材料的要求 有最佳密度：使用時(shí)，應(yīng)盡量使其使用密度接近最佳密度； 熱導(dǎo)率?。哼x用熱導(dǎo)率小的材料； 溫度穩(wěn)定性好：在一定溫度范圍內(nèi)，物性值穩(wěn)定 有一定的機(jī)械強(qiáng)度； 吸水、吸濕性?。核謺?huì)使材料導(dǎo)熱系數(shù)大大增加。1. 三、最佳保溫隔熱厚度三、最佳保

14、溫隔熱厚度四、保溫結(jié)構(gòu)四、保溫結(jié)構(gòu)為防止水或濕氣進(jìn)入，外加保護(hù)層。為減少對(duì)環(huán)境的輻射散熱，外加鋁箔或聚酯鍍鋁薄膜。五、保溫隔熱效率五、保溫隔熱效率設(shè)備和管道保溫隔熱前后的散熱量(或冷損失量)之差與保溫隔熱前散熱量0(或冷損失量)之比，即：00注意：對(duì)于低溫、超低溫管道和設(shè)備的保冷，一般的保溫隔熱材料不能滿(mǎn)足要求，須采用多層鍍鋁薄膜和網(wǎng)狀玻璃纖維布并抽真空。3 換熱器換熱器(Heat exchangers)一、換熱器的種類(lèi)一、換熱器的種類(lèi)(Heat exchanger types)按原理分按原理分 間壁式換熱器：冷熱流體被固體壁隔開(kāi)，如蒸發(fā)器、冷凝器等。 混合式換熱器：在這種換熱器中，兩種流體相

15、互混合，依靠直接接觸交換熱量。如水和空氣直接接觸的冷卻水塔。1. 回?zé)崾?或蓄熱式、再生式)換熱器：在這種換熱器中，冷熱流體交替地與固體壁接觸，使固體壁周期地吸熱和放熱，從而將熱流體的熱量傳給冷流體。如鍋爐的再生式空氣預(yù)熱器和燃?xì)廨啓C(jī)的空氣預(yù)熱器。按結(jié)構(gòu)分按結(jié)構(gòu)分(According to type of construction) 間壁式換熱器在工程上應(yīng)用最廣泛，按結(jié)構(gòu)可分為：（1）殼管式換熱器(Shell-and-tube heat exchanger)（2）套管式換熱器(Concentric tube heat exchanger)（3）肋片管式換熱器(Finned tubular he

16、at exchanger)（4）板式換熱器(Plate heat exchanger)（5）板翅式換熱器(Plate-fin heat exchanger)（6）螺旋板式換熱器(Spiral-plate heat exchanger)（7）緊湊式換熱器(Compact heat exchanger)1(殼程)-1(管程)型殼管式換熱器Concentric tube heat exchanger (a) and finned tubular tube heat exchanger (b)高壓流體熱交換器汽車(chē)內(nèi)燃機(jī)冷卻水箱Plate heat exchangerPlate-fin heat exc

17、hanger緊湊式換熱器：?jiǎn)挝惑w積內(nèi)的傳熱面積大于緊湊式換熱器：?jiǎn)挝惑w積內(nèi)的傳熱面積大于700m2/m3的換熱器的換熱器按流動(dòng)形式分按流動(dòng)形式分(According to flow arrangement)v 順流：兩種流體平行流動(dòng)且方向相同。v 逆流：兩種流體平行流動(dòng)且方向相反。v 復(fù)雜流：除順流和逆流以外的所有流動(dòng)形式。 順流式換熱器(Parallel flow heat exchanger) 逆流式換熱器(Counter flow heat exchanger) 復(fù)雜流換熱器(Multi-pass and cross flow heat exchanger)二、平均溫度差二、平均溫度差(

18、Mean temperature difference)熱流體平均溫度和冷流體平均溫度之差。順流和逆流時(shí)流體溫度沿程變化順流和逆流時(shí)流體溫度沿程變化因?yàn)橐驗(yàn)?22111tqctqcmpmp所以，溫度變化特點(diǎn)：所以，溫度變化特點(diǎn)：qmcp小的流體沿程溫度變化大，曲線(xiàn)較陡； qmcp大的流體沿程溫度變化小，曲線(xiàn)較平。換熱器端部?jī)煞N流體的溫度之差大的一端，兩流體的沿程溫度變化快，溫度曲線(xiàn)較陡，反之溫度曲線(xiàn)較平。流體有相變時(shí)相當(dāng)于qmcp無(wú)窮大，其溫度曲線(xiàn)為一水平線(xiàn)。 （1）在傳熱面Ax處取微元面dAx，則傳熱量為dAttKdx)(21積分得式中tm稱(chēng)為換熱器的平均溫差 （2）AxAxmdAtAdAt

19、tAt00211)(1AtKdAttKmAx021)(對(duì)數(shù)平均溫度差對(duì)數(shù)平均溫度差(Log mean temperature difference)vThe heat transfer is steady.vThe heat exchanger is insulated from its surrounding, in which case the only heat exchange is between the hot and cold fluids.vAxial conduction along the tubes is negligible. vThe potential and ki

20、netic energy changes are negligible. vThe fluid specific heats are constant. vThe overall heat transfer coefficient is constant.Assumptionsv換熱器的傳熱是穩(wěn)態(tài)傳熱；v流體的質(zhì)量流量qm、溫度t和熱流量均不隨時(shí)間變化；v流體的質(zhì)量流量qm和比熱容cp在整個(gè)傳熱面上都是常量；v傳熱系數(shù)K在整個(gè)傳熱面上不變；v換熱器的散熱量、沿?fù)Q熱器軸向的導(dǎo)熱可以忽略不計(jì)；v任一流體在換熱器中不能既有相變的對(duì)流換熱又有單相介質(zhì)對(duì)流換熱，以保證曲線(xiàn)連續(xù)光滑。假設(shè)假設(shè)順流式換熱器順

21、流式換熱器(The parallel-flow heat exchanger)熱流體進(jìn)出口溫度分別為t1和t1”，冷流體進(jìn)出口溫度分別為t2和t2” 。在A(yíng)x處的微元面積上，熱流體溫度變化為dt1，則換熱量為)0(1111dtdtcqdpm同理冷流體換熱量：)0(2222dtdtcqdpm將上面兩個(gè)式子改寫(xiě)為2211212111)(pmpmxcqcqdttddtdt （3） （4）（5）222111;pmpmcqddtcqddt221111pmpmcqcq將式(1)代入(5)，得dAKttdttttdxxxx)()()(2121（6）從0Ax積分上式，且Ax0時(shí)，txtxxAKttln （7）

22、令)exp(xxAKtt （7）0A積分式(6)，且Ax0，txt；AxA，txtAKtt ln)(2 222ttcqpm可得)()(112 2 112211ttttcqcqpmpm)( 1111ttcqpm)()(lnln 2 121 ttttKAtttt lnttttKA即 lntttttm因而熱流體進(jìn)出口溫度分別為t1和t1”，冷流體進(jìn)出口溫度分別為t2和t2” 。逆流換熱器逆流換熱器(The counter-flow heat exchanger)221121212222111111)() 0() 0(pmpmxpmpmcqcqdttddtdtdtdtcqddtdtcqdAKttdxx

23、)(221111pmpmcqcq式中)exp(lnxxxxAKttAKtt積分得沿0A積分，且Ax0txt；AxA txtAcqcqKttpmpm2211 11ln)()(2 222 1111ttcqttcqpmpm熱流體冷流體)()(lnln2 2 11 ttttKAtttt 2 1 212 1 21lnln)()(ttttKAttttttttKA lntttttm說(shuō)明：說(shuō)明： 無(wú)論順流還是逆流式換熱器，其平均溫差均為對(duì)數(shù)平均溫差，但要注意：2 1 21 2 1 21;tttttttttttt順流逆流 當(dāng)t/t2時(shí)，可用算術(shù)平均溫差代替對(duì)數(shù)平均溫差，誤差小于4，)(21 tttm復(fù)雜流的平均

24、傳熱溫差復(fù)雜流的平均傳熱溫差The log mean temperature difference of complicated flowlctt式中，tlc逆流時(shí)的對(duì)數(shù)平均傳熱溫差；復(fù)雜流接近逆流的程度的系數(shù)，稱(chēng)為溫差修正系數(shù)。除與流動(dòng)方式有關(guān)外，還與輔助量P和R有關(guān)。工程上，將各種復(fù)雜流的平均傳熱溫差除以逆流對(duì)數(shù)平均溫差，所得的商表示復(fù)雜流接近逆流的程度，即2 2 11212 2;ttttRttttP4 換熱器計(jì)算換熱器計(jì)算 (Methodology of heat exchanger calculation)設(shè)計(jì)計(jì)算設(shè)計(jì)計(jì)算(The design calculation)：在沒(méi)有換熱器的

25、情況下，根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)給定的設(shè)計(jì)要求參數(shù)，確定換熱器的類(lèi)型、傳熱面積和熱流量。校核計(jì)算校核計(jì)算(The performance calculation)：對(duì)已有換熱器進(jìn)行校核，確定它是否滿(mǎn)足預(yù)定熱力工況的要求。一般是給定熱力工況的某些參數(shù)，校核流體出口溫度t1”和t2”以及熱流量。也有時(shí)已知兩個(gè)流體的進(jìn)口溫度和一個(gè)流體的出口溫度，求其質(zhì)量流量。方法：方法：平均溫差法平均溫差法(LMTD)和效能效能傳熱單元數(shù)法傳熱單元數(shù)法6.1 平均溫差法平均溫差法(The log mean temperature difference)()(2 222 1111ttcqttcqpmpm求平均傳熱溫差（1）求逆流

26、時(shí)的對(duì)數(shù)平均溫差(tlc)（2）求參量P、R（3）確定流動(dòng)方式（4）查出修正系數(shù)（5）求平均傳熱溫差t=tlc一、設(shè)計(jì)計(jì)算一、設(shè)計(jì)計(jì)算(The heat exchanger design calculation)平均溫差法設(shè)計(jì)計(jì)算的具體步驟如下：平均溫差法設(shè)計(jì)計(jì)算的具體步驟如下：已知三個(gè)溫度 1. 由熱平衡式求另一未知溫度求傳熱熱流量)()(2 222 1111ttcqttcqpmpm布置傳熱面、計(jì)算傳熱系數(shù)：選定傳熱面的形狀和尺寸，結(jié)合質(zhì)量流量，求兩側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)和總傳熱系數(shù)。ltKAtKA進(jìn)一步求管長(zhǎng)計(jì)算換熱器流動(dòng)阻力p求傳熱面積v 如流動(dòng)阻力太大，重復(fù)步驟如流動(dòng)阻力太大，重復(fù)步驟(4)-(6)直至設(shè)計(jì)合理。直至設(shè)計(jì)合理。二、校核計(jì)算二、校核計(jì)算(The heat exchanger performance calculation)()(2 2