第十一章傳熱過程與換熱器

1、1.1.理解傳熱過程及其特點。理解傳熱過程及其特點。2.2.理解熱量衡算式及傳熱基本方程理解熱量衡算式及傳熱基本方程中各物理量含義。中各物理量含義。3.3.掌握傳熱系數(shù)的計算。掌握傳熱系數(shù)的計算。4.4.了解強化傳熱及削弱傳熱的原則了解強化傳熱及削弱傳熱的原則和有效方法。和有效方法。 一、傳熱過程一、傳熱過程 的特點的特點 傳熱過程往往是傳熱過程往往是導熱導熱、熱對流熱對流和和熱輻射熱輻射三種基本熱量三種基本熱量傳遞方式的傳遞方式的組合組合。 墻體內(nèi)壁墻體內(nèi)壁室外空氣室外空氣對流換熱對流換熱室內(nèi)空氣室內(nèi)空氣導熱導熱墻體外壁墻體外壁對流與輻射換熱對流與輻射換熱高溫流體高溫流體 對流換熱對流換熱

2、低溫流體低溫流體 固體表面另一側(cè)固體表面另一側(cè) 導熱導熱 固體表面一側(cè)固體表面一側(cè) 對流換熱對流換熱 （3）傳熱過程）傳熱過程至少由兩種熱量傳遞的基本方式組合而成至少由兩種熱量傳遞的基本方式組合而成 。 （1）傳熱過程至少）傳熱過程至少由三個熱量傳遞的環(huán)節(jié)串聯(lián)組合而成由三個熱量傳遞的環(huán)節(jié)串聯(lián)組合而成。一、傳熱過程特點一、傳熱過程特點 （2）根據(jù)能量守恒的原則，穩(wěn)態(tài)傳熱過程中）根據(jù)能量守恒的原則，穩(wěn)態(tài)傳熱過程中每一個環(huán)節(jié)每一個環(huán)節(jié)傳遞的熱流量相等傳遞的熱流量相等。 如如導熱導熱+對流換熱對流換熱如空氣流過如空氣流過暖氣散熱器暖氣散熱器輻射輻射 對流對流+如鍋爐爐膛如鍋爐爐膛里的煙氣里的煙氣二、傳

3、熱基本方程二、傳熱基本方程傳熱過程分析求解的基本關系為傳熱方程式傳熱過程分析求解的基本關系為傳熱方程式21ffttkA式中式中 為為傳熱系數(shù)傳熱系數(shù)（在容易與對流換熱表（在容易與對流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)想混淆時，稱總傳熱系數(shù)）。面?zhèn)鳠嵯禂?shù)想混淆時，稱總傳熱系數(shù)）。k三、傳熱系數(shù)的計算三、傳熱系數(shù)的計算 K的物理意義：的物理意義：當冷、熱兩流體間的平均溫度差為當冷、熱兩流體間的平均溫度差為1時，在單位時間內(nèi)通過單位傳熱面積所傳遞的熱量時，在單位時間內(nèi)通過單位傳熱面積所傳遞的熱量。 傳熱系數(shù)傳熱系數(shù)K是一個是一個表示傳熱過程強弱程度表示傳熱過程強弱程度的物理量。的物理量。 Wmmm1RtKAttKA

4、K值越大，單位傳熱面積傳遞的熱量越多。即：在熱值越大，單位傳熱面積傳遞的熱量越多。即：在熱流量和推動力一定的情況下，所需傳熱面積越小，意味著流量和推動力一定的情況下，所需傳熱面積越小，意味著換熱器的換熱能力越強。換熱器的換熱能力越強。 傳熱系數(shù)的大小是傳熱系數(shù)的大小是衡量換熱器工作效率衡量換熱器工作效率的重要參數(shù)，的重要參數(shù)，它主要受到它主要受到流體的性質(zhì)流體的性質(zhì)、傳熱過程的操作條件傳熱過程的操作條件及及換熱器的換熱器的類型類型等影響，其影響因素十分復雜。等影響，其影響因素十分復雜。 了解傳熱系數(shù)的影響因素，了解傳熱系數(shù)的影響因素，合理確定合理確定K值，是傳熱計值，是傳熱計算中的一個重要問題

5、算中的一個重要問題 1.平壁傳熱系數(shù)平壁傳熱系數(shù)K的計算的計算設設單單層層平平壁壁上上進進行行穩(wěn)穩(wěn)態(tài)態(tài)傳傳熱熱 平平 壁壁 壁壁 厚厚 面面 積積 A 材材 料料 的的 熱熱 導導 率率 熱熱 流流 體體 平平 均均 溫溫 度度 th 熱熱 側(cè)側(cè) 表表 面面 傳傳 熱熱 系系 數(shù)數(shù) h1 冷冷 流流 體體 平平 均均 溫溫 度度 tc 冷冷 側(cè)側(cè) 表表 面面 傳傳 熱熱 系系 數(shù)數(shù) h2 與熱流體相接觸的壁溫與熱流體相接觸的壁溫 tw1 與冷流體相接觸的壁溫與冷流體相接觸的壁溫 tw2 tw2 tw1 0 xt h1 th h2 tc tw1 tw2 th tc 11h AA21h A 對于對

6、于穩(wěn)態(tài)傳熱穩(wěn)態(tài)傳熱過程，過程，熱流體傳給壁面的熱量和通過熱流體傳給壁面的熱量和通過平壁的導熱量以及壁面?zhèn)鹘o冷流體的熱量均應相等平壁的導熱量以及壁面?zhèn)鹘o冷流體的熱量均應相等，即，即w1h1ttAhw2w1ttAcw22ttAh21ch11hhttA21111hhK傳熱系數(shù)傳熱系數(shù) 單位面積上的單位面積上的傳熱總熱阻傳熱總熱阻及及傳熱系數(shù)傳熱系數(shù)K為疊加熱為疊加熱阻的倒數(shù)阻的倒數(shù) 21111hhKR表明表明: 傳熱過程的總熱阻為各環(huán)節(jié)的熱阻的總和傳熱過程的總熱阻為各環(huán)節(jié)的熱阻的總和。 多層平壁的傳熱系數(shù)為多層平壁的傳熱系數(shù)為 niiRK11211111hhKniii 例例15-2有一面有一面370

7、 mm厚的磚砌外墻，厚的磚砌外墻， 1 0.75W/（m K）；兩邊各有）；兩邊各有15mm厚的粉刷層，內(nèi)粉刷層的厚的粉刷層，內(nèi)粉刷層的 2 0.6W/（m K），外粉刷層的），外粉刷層的 3 0.7W/（m K）；墻內(nèi)）；墻內(nèi)側(cè)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)側(cè)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h1 7.0W/（m2 K），外側(cè)表面?zhèn)鳠嵯担?，外?cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)數(shù)h2 21.2W/（m2 K）；室內(nèi)外側(cè)空氣溫度分別為）；室內(nèi)外側(cè)空氣溫度分別為18、-12；墻面積為；墻面積為19.5m2。求墻的散熱量。求墻的散熱量。 2.圓管壁傳熱系數(shù)圓管壁傳熱系數(shù)K的計算的計算設設單單層層圓圓管管壁壁上上進進行行穩(wěn)穩(wěn)態(tài)態(tài)傳傳熱熱 管管 長長 L 管

8、管 內(nèi)內(nèi) 外外 徑徑 di、do 管內(nèi)、外側(cè)傳熱面積管內(nèi)、外側(cè)傳熱面積Ai、Ao 管管 壁壁 的的 熱熱 導導 率率 管內(nèi)側(cè)熱流體平均溫度管內(nèi)側(cè)熱流體平均溫度 th 熱熱 側(cè)側(cè) 表表 面面 傳傳 熱熱 系系 數(shù)數(shù) hi 管外側(cè)冷流體平均溫度管外側(cè)冷流體平均溫度 tc 冷冷 側(cè)側(cè) 表表 面面 傳傳 熱熱 系系 數(shù)數(shù) ho 圓管內(nèi)、外壁溫圓管內(nèi)、外壁溫 twi、 two假定流體溫度和壁內(nèi)溫度假定流體溫度和壁內(nèi)溫度只沿徑向只沿徑向發(fā)生變化發(fā)生變化t r1ro0tch ih othr1/hidiLthtw itw otc 對于對于穩(wěn)態(tài)傳熱穩(wěn)態(tài)傳熱過程，過程，熱流體傳給管壁的對流換熱量、管熱流體傳給管壁

9、的對流換熱量、管壁的導熱量以及管壁傳給冷流體的對流換熱量三者相等壁的導熱量以及管壁傳給冷流體的對流換熱量三者相等，即，即 wihiittAhiowowiln21ddLttcwooottAhhcoiiioo111ln2ttdh ALdh A ohcoooiiio1ln2AttAAdh ALdh LdAiiLdAoo以外表面積以外表面積Ao為為基準的傳熱系數(shù)基準的傳熱系數(shù)以圓管壁內(nèi)表面積以圓管壁內(nèi)表面積Ai為基準的傳熱系數(shù)為基準的傳熱系數(shù) oiooioicho1ln21hdddddhttA單層圓管壁的傳熱量單層圓管壁的傳熱量 oiooioio1ln211hdddddhKoioioiii1ln211

10、ddhdddhK工程習慣上常以管的工程習慣上常以管的外表面積為計算基準外表面積為計算基準 ）LrhrrLrrLLrhAhrrLrrLAhRxxxxxxt22121122121121ln21ln21211ln21ln2112hrxx 工程上遇到的大量傳熱問題，很多是涉及到如何強化工程上遇到的大量傳熱問題，很多是涉及到如何強化和削弱傳熱過程。和削弱傳熱過程。 即使設備外表面與外界空氣之間的傳熱量盡量的減小，即使設備外表面與外界空氣之間的傳熱量盡量的減小，減小其系統(tǒng)的熱量或冷量損失，以減少能量消耗。減小其系統(tǒng)的熱量或冷量損失，以減少能量消耗。 強化傳熱強化傳熱 即提高換熱設備的熱流量即提高換熱設備的

11、熱流量 ，使設備趨于緊湊，節(jié)省，使設備趨于緊湊，節(jié)省金屬材質(zhì)，降低動力消耗。金屬材質(zhì)，降低動力消耗。 削弱傳熱削弱傳熱一、傳熱過程的強化一、傳熱過程的強化1、增大傳熱系數(shù)增大傳熱系數(shù)K 一般需從熱阻大（表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)小）的一側(cè)入手，一般需從熱阻大（表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)?。┑囊粋?cè)入手，增增加流體流速加流體流速或或在流體側(cè)加裝繞流體元件在流體側(cè)加裝繞流體元件（如：羅紋管、波（如：羅紋管、波紋管等）以增加流體側(cè)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)；盡量紋管等）以增加流體側(cè)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)；盡量采用軟化水采用軟化水，定期采用機械或化學的方法定期采用機械或化學的方法清除污垢清除污垢。 mtKA2、增大換熱器單位體積的傳熱面積增大換熱器單

12、位體積的傳熱面積A 應合理提高單位體積的傳熱面積，如各種應合理提高單位體積的傳熱面積，如各種高效傳熱面高效傳熱面。常見的高效傳熱面有：常見的高效傳熱面有： 不同結(jié)構(gòu)翅片不同結(jié)構(gòu)翅片 各種異形管各種異形管 板型傳熱面板型傳熱面如光滑波紋翅片、多孔波紋翅片等；如光滑波紋翅片、多孔波紋翅片等；如扁管、橢圓管、波紋管和螺旋槽紋管等；如扁管、橢圓管、波紋管和螺旋槽紋管等；如螺旋板式和板翅式等。如螺旋板式和板翅式等。 3、增大冷、熱兩流體的平均溫度差增大冷、熱兩流體的平均溫度差 即即增大傳熱過程的推動力增大傳熱過程的推動力。 可以可以通過選擇不同的介質(zhì)和流量加以改變通過選擇不同的介質(zhì)和流量加以改變，來達到

13、增，來達到增大傳熱推動力的目的。如：大傳熱推動力的目的。如： 用飽和水蒸氣作加熱劑時，加大蒸汽壓力提高其溫度用飽和水蒸氣作加熱劑時，加大蒸汽壓力提高其溫度 ； 用冷卻水作冷卻劑時，增大冷卻水流量或以冷凍鹽水用冷卻水作冷卻劑時，增大冷卻水流量或以冷凍鹽水 代替普通冷卻水，可以使冷卻劑的溫度降低代替普通冷卻水，可以使冷卻劑的溫度降低 ； 當換熱器中兩流體均無相變時，應盡可能地采用逆流或當換熱器中兩流體均無相變時，應盡可能地采用逆流或接近于逆流的相對流向以獲得較大的平均溫度差。接近于逆流的相對流向以獲得較大的平均溫度差。 二、傳熱過程的削弱二、傳熱過程的削弱1、覆蓋保溫材料覆蓋保溫材料以增大導熱熱阻

14、以增大導熱熱阻 削弱設備與空氣之間的傳熱通常只有用削弱設備與空氣之間的傳熱通常只有用減小傳熱系數(shù)減小傳熱系數(shù)K的方法來達到目的。的方法來達到目的。 在平壁上敷設保溫材料，熱流量與絕熱層的厚度成反比。在平壁上敷設保溫材料，熱流量與絕熱層的厚度成反比。 在圓筒壁上敷設保溫絕熱材料，只有當在圓筒壁上敷設保溫絕熱材料，只有當管道敷設保溫層管道敷設保溫層 后的直徑大于臨界熱絕緣直徑后的直徑大于臨界熱絕緣直徑時，敷設保溫層才能有效時，敷設保溫層才能有效 地起到減小散熱損失的作用。地起到減小散熱損失的作用。 通常熱能與制冷通常熱能與制冷工程中均滿足工程中均滿足 2、改變表面狀況改變表面狀況mind臨界熱絕緣直徑臨界熱絕緣直徑 :即管道散熱量最大的保溫層的直徑。即管道散熱量最大的保溫層的直徑。 min02dh :材料的熱導率，材料的熱導率，W/（m K）；）；ho :保溫層外壁與流體間表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，保溫層外壁與流體間表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/（m2 K）。）。 改變表面的輻射特性改變表面的輻射特性。 采用選擇性涂層采用選擇性涂層，既增