傳熱分析與熱交換器計(jì)算市公開課一等獎省賽課獲獎?wù)n件

第十八講傳熱過程分析及計(jì)算換熱器類型教學(xué)過程：

5分鐘左右上節(jié)復(fù)習(xí)、提問；本節(jié)內(nèi)容（講解、提問）；本節(jié)總結(jié)10.1傳熱過程分析和計(jì)算傳熱過程：熱量由壁面一側(cè)流體經(jīng)過固體壁面?zhèn)鬟f到另一側(cè)流體過程。

教學(xué)目標(biāo)及要求

掌握傳熱過程計(jì)算；了解換熱器結(jié)構(gòu)。k以及冷熱流體溫差是計(jì)算關(guān)鍵k－總傳熱系數(shù)10/10/1傳熱分析與熱交換器計(jì)算第1頁1、經(jīng)過平壁傳熱過程計(jì)算W/（m2·K）說明：h1和h2計(jì)算采取對流傳熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)計(jì)算公式；

包括輻射時對流換熱系數(shù)采取復(fù)合換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)

ht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)10/10/2傳熱分析與熱交換器計(jì)算第2頁hiho熱阻分析法適用范圍：一維、穩(wěn)態(tài)、無內(nèi)熱源以圓管內(nèi)側(cè)面積為基準(zhǔn)(2-31)熱流密度q＝const？2、經(jīng)過圓筒壁傳熱過程計(jì)算以圓管外側(cè)面積為基準(zhǔn)(慣用）10/10/3傳熱分析與熱交換器計(jì)算第3頁穩(wěn)態(tài)、無內(nèi)熱源情況下：熱流量＝const肋側(cè)總面積Ao＝A1+A2其中A1為肋間平壁面積123123肋面總效率：肋效率肋片實(shí)際散熱量3、經(jīng)過肋壁傳熱過程計(jì)算10/10/4傳熱分析與熱交換器計(jì)算第4頁123++工程應(yīng)用以光側(cè)面積Ai為基準(zhǔn)：肋化系數(shù)：未加肋片平壁：傳熱面積增加，肋側(cè)熱阻減小肋片強(qiáng)化傳熱機(jī)理10/10/5傳熱分析與熱交換器計(jì)算第5頁經(jīng)過圓管肋壁傳熱圓管壁肋面總效率：圓管肋壁圓管加肋后即使因?yàn)閐o增加使得導(dǎo)熱熱阻增加，不過因?yàn)槔咂瑢?dǎo)熱系數(shù)較大，且肋片增加面積十分大，所以總熱阻依然顯著降低。10/10/6傳熱分析與熱交換器計(jì)算第6頁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(qiáng)化or減弱換熱取決于減小對流換熱熱阻與增加導(dǎo)熱熱阻平衡。判斷依據(jù)：臨界熱絕緣直徑dcr

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。3、經(jīng)過圓管外加保溫層傳熱計(jì)算管外徑Bi數(shù)為210/10/7傳熱分析與熱交換器計(jì)算第7頁換熱器（熱交換器）：用來使熱量從熱流體傳遞到冷流體，以滿足要求工藝要求裝置。1、換熱器分類（按工作原理）10.2換熱器類型

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10/10/8傳熱分析與熱交換器計(jì)算第8頁混合式換熱器：冷、熱流體介質(zhì)直接接觸，相互混合實(shí)現(xiàn)換熱。特點(diǎn)：直接接觸混合；傳熱傳質(zhì)同時進(jìn)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。混合式換熱器-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(shí)現(xiàn)換熱。特點(diǎn)：冷熱流體交替流過；傳熱過程非穩(wěn)態(tài)；普通氣體介質(zhì)。應(yīng)用：空氣分離器、高爐、平爐等用來預(yù)熱、預(yù)冷空氣。10/10/9傳熱分析與熱交換器計(jì)算第9頁間壁式換熱器：冷、熱流體介質(zhì)由壁面隔開，經(jīng)過間壁實(shí)現(xiàn)換熱。特點(diǎn)：冷熱流體互不接觸；按照流動方向分為順流、逆流和交叉流。套管式換熱器（double-pipeheatexchanger）順流逆流2、間壁式換熱器主要形式最簡單一個間壁式換熱器，流體有順流和逆流兩種，適合用于傳熱量不大或流體流量不大情形。10/10/10傳熱分析與熱交換器計(jì)算第10頁管殼式換熱器(shellandtubeheatexchanger)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)殼體個數(shù)；管程數(shù):管內(nèi)流體流動方向改變次數(shù)+1。（圖10-9）為何加擋板？最主要一個間壁式換熱器。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。掃描圖10-810-910/10/11傳熱分析與熱交換器計(jì)算第11頁新型管殼式換熱器：螺旋折流板換熱器、折流桿換熱器。常規(guī)垂直折流板換熱器阻力大、輕易結(jié)垢。10/10/12傳熱分析與熱交換器計(jì)算第12頁交叉流換熱器：間壁式換熱器又一個主要形式。其主要特點(diǎn)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。交叉流換熱器(crossflowheatexchanger)10/10/13傳熱分析與熱交換器計(jì)算第13頁板式換熱器：由一組幾何結(jié)構(gòu)相同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(diǎn)是拆卸清洗方便，故適合用于含有易結(jié)垢物流體。板式換熱器(plateheatexchanger)10/10/14傳熱分析與熱交換器計(jì)算第14頁螺旋板式換熱器：換熱表面由兩塊金屬板卷制而成。優(yōu)點(diǎn)：換熱效果好，缺點(diǎn)：密封比較困難。螺旋板式換熱器(spiralplateheatexchanger)10/10/15傳熱分析與熱交換器計(jì)算第15頁第十九講換熱器設(shè)計(jì)及熱量控制教學(xué)過程：

5分鐘左右上節(jié)復(fù)習(xí)、提問；本節(jié)內(nèi)容（講解、提問）；本節(jié)總結(jié)10.3換熱器傳熱過程平均溫度計(jì)算教學(xué)目標(biāo)及要求

掌握熱量控制方法；了解換熱器熱設(shè)計(jì)。平均溫差Δtm：回顧P.246恒壁溫下管內(nèi)強(qiáng)制對流換熱換熱量計(jì)算WHY?10/10/16傳熱分析與熱交換器計(jì)算第16頁HotColdΔt平均溫差推導(dǎo)（基本假設(shè)）：冷熱流體質(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）；忽略換熱面流動方向?qū)?。?dāng)?shù)販夭铍S局部換熱面積改變沿整個換熱面積進(jìn)行積分平均平均溫差推導(dǎo)（基本思緒）：10/10/17傳熱分析與熱交換器計(jì)算第17頁平均溫差推導(dǎo)-熱平衡法：套管式換熱器順流HotCold逆流HotCold10/10/18傳熱分析與熱交換器計(jì)算第18頁進(jìn)、出口流體溫差中之小者

算術(shù)平均溫差進(jìn)、出口流體溫差中之大者

算術(shù)平均溫差相當(dāng)于冷熱流體沿程溫度線性改變（紅色線）順流HotCold對數(shù)平均溫差進(jìn)、出口流體溫差中之大者

進(jìn)、出口流體溫差中之小者

對數(shù)平均溫差：冷熱流體溫度曲線間面積。相同進(jìn)出口溫度下：順流平均溫差最小，逆流平均溫差最大；盡可能采取逆流布置10/10/19傳熱分析與熱交換器計(jì)算第19頁對數(shù)平均溫差與算術(shù)平均溫差對數(shù)平均溫差，局部溫差在面積上積分；算術(shù)平均溫差，流體溫度線性改變時平均值，大于對數(shù)平均值。對數(shù)平均溫差假定。普通成立，不成立則把換熱器分割成若干段。

掃描圖10-2210/10/20傳熱分析與熱交換器計(jì)算第20頁間壁式換熱器換熱量計(jì)算中平均溫差計(jì)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）管殼式、交叉流式換熱器：逆流布置時對數(shù)平均溫差小于1修正系數(shù)ctf:counter-flow

表示了某種流動型式靠近逆流程度，普通設(shè)計(jì)要求>0.9。其取決于兩個無量綱參數(shù)掃描圖10-23~10-26分別給出了管殼式換熱器和交叉流式換熱器。10/10/21傳熱分析與熱交換器計(jì)算第21頁換熱器熱計(jì)算類型設(shè)計(jì)計(jì)算(計(jì)算換熱面積)校核計(jì)算(計(jì)算流量、進(jìn)出口溫度)10.4間壁式換熱器熱計(jì)算換熱器熱計(jì)算基本方程：傳熱方程式，熱平衡方程式設(shè)計(jì)計(jì)算：校核計(jì)算：10/10/22傳熱分析與熱交換器計(jì)算第22頁換熱器熱計(jì)算方法平均溫差法(LMTD)效能-傳熱單元數(shù)法(ε-NTU)10.4間壁式換熱器熱計(jì)算10/10/23傳熱分析與熱交換器計(jì)算第23頁已知：6個變量中5個求：kA計(jì)算步驟：1.選擇換熱器型式，初步布置換熱面，并計(jì)算總傳熱系數(shù)k；2.依據(jù)給條件，由熱平衡方程求出6個變量中未知1個，以及傳熱量；3.利用對數(shù)平均溫差計(jì)算所選型式換熱器對數(shù)平均溫差（>0.8）；4.利用對流傳熱方程計(jì)算傳熱面積A；5.校核流動阻力。LMTD－設(shè)計(jì)計(jì)算1、平均溫差法LMTD10/10/24傳熱分析與熱交換器計(jì)算第24頁對數(shù)平均溫差3已知：，二者之一，二者之一求：另外兩個溫度計(jì)算步驟：1.假設(shè)其中一個未知溫度，由熱平衡方程計(jì)算另外一個未知溫度及傳熱量；2.利用對數(shù)平均溫差計(jì)算所選型式換熱器對數(shù)平均溫差；3.利用對流傳熱方程計(jì)算傳熱量；4.步驟1得到傳熱量≠計(jì)算步驟4傳熱量，重新假定溫度迭代；5.步驟1，4傳熱量偏差<2～5％，OK！LMTD－校核計(jì)算平均溫差法LMTD10/10/25傳熱分析與熱交換器計(jì)算第25頁換熱器效能ε：換熱器實(shí)際換熱效果與最大可能換熱效果之比。ε<1實(shí)際換熱量：理想換熱器最大可能換熱量：熱容量小流體出口溫度＝另一個流體入口溫度12分母：冷熱流體進(jìn)口溫差；分子：冷熱流體進(jìn)出口溫差中大者2、平均溫差法LMTD—效能-傳熱單元數(shù)法

ε-NTU10/10/26傳熱分析與熱交換器計(jì)算第26頁基于ε-NTU法實(shí)際換熱量：只需冷熱流體進(jìn)口溫差怎樣計(jì)算？順流逆流傳熱單元數(shù)兩種特殊情況：有相變；冷熱流體qmc相等。10/10/27傳熱分析與熱交換器計(jì)算第27頁基于ε-NTU法設(shè)計(jì)計(jì)算已知：4個溫度中3個求：kA計(jì)算步驟：1.選擇換熱器型式，初步布置換熱面，并計(jì)算總傳熱系數(shù)k；2.由熱平衡方程計(jì)算未知溫度，計(jì)算ε；3.查圖得到NTU；4.依據(jù)NTU定義計(jì)算換熱面積A；5.校核流動阻力。10/10/28傳熱分析與熱交換器計(jì)算第28頁基于ε-NTU法校核計(jì)算已知：求：計(jì)算步驟：1.假定出口溫度，計(jì)算總傳熱系數(shù)k；2.計(jì)算NTU；3.查圖得到ε；4.依據(jù)計(jì)算換熱量；5.由計(jì)算出口溫度；6.迭代計(jì)算至傳熱量偏差<2～5％，OK！10/10/29傳熱分析與熱交換器計(jì)算第29頁ε-NTU法與LTMD法比較：校核計(jì)算中均需要假設(shè)溫度。-NTU法假設(shè)出口溫度對傳熱量影響不是直接，而是經(jīng)過定性溫度，影響總傳熱系數(shù)，從而影響NTU，并最終影響值。而平均溫差法假設(shè)溫度直接用于計(jì)算值，顯然-NTU法對假設(shè)溫度沒有平均溫差法敏感，這是該方法優(yōu)勢。LMTD法能夠計(jì)算Ψ，從而簡便有效評定換熱器不一樣流動型式優(yōu)劣。制冷低溫行業(yè)普通用-NTU法，電站鍋爐行業(yè)普通用LMTD法。10/10/30傳熱分析與熱交換器計(jì)算第30頁4、換熱器結(jié)垢與污垢熱阻換熱器長久運(yùn)行后換熱面覆蓋污垢層使得傳熱系數(shù)減小，效能下降。k-有污垢后換熱面?zhèn)鳠嵯禂?shù)；k0-潔凈換熱面?zhèn)鳠嵯禂?shù)m2·K/W污垢熱阻管殼式換熱器單側(cè)污垢熱阻查表10-1～10-4；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(zhǔn)）：10/10/31傳熱分析與熱交換器計(jì)算第31頁10-5熱量傳遞過程控制（強(qiáng)化與減弱）實(shí)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：A,Δtm一定時增加k來增加Φ；Φ,Δtm一定時增加k來減小A；重點(diǎn)：對流和輻射換熱，特別是對流換熱。傳熱強(qiáng)化傳熱減弱（隔熱保溫）傳熱學(xué)實(shí)質(zhì)：一定溫差下增加熱阻，降低傳熱量。目標(biāo)：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；提升低溫下外表面溫度，防止結(jié)霜；預(yù)防溫度不均勻引發(fā)熱應(yīng)力；熱工作環(huán)境下人員隔熱保溫。重點(diǎn)：導(dǎo)熱和輻射換熱。采取k很小絕熱材料，增加導(dǎo)熱熱阻；遮熱罩增加輻射熱阻，減小表面發(fā)射率ε。保溫效率重點(diǎn)10/10/32傳熱分析與熱交換器計(jì)算第32頁強(qiáng)化傳熱：增加傳熱過程中熱量。①增加傳熱系數(shù)②增加傳熱面積（肋片）③增加溫差（逆流布置）強(qiáng)化傳熱標(biāo)準(zhǔn)：針對傳熱步驟中熱阻最大步驟采取辦法，普通均為對流換熱熱阻；傳熱過程中兩側(cè)流體對流換熱系數(shù)差異大時，在h小一側(cè)加肋片；傳熱過程中兩側(cè)流體Ah靠近時，能夠同時采取強(qiáng)化辦法（雙側(cè)強(qiáng)化管）；必須綜合考慮強(qiáng)化傳熱效果、流動阻力、經(jīng)濟(jì)性成本和運(yùn)行費(fèi)用等。強(qiáng)化傳熱辦法（從減小導(dǎo)熱熱阻和輻射熱阻角度出發(fā)）：減小導(dǎo)熱熱阻（增加壁面導(dǎo)熱系數(shù)λ，減小壁厚δ）；減小污垢熱阻（水處理、定時清洗）；減小輻射熱阻（包含表面輻射熱阻和空間輻射熱阻，比如增加表面發(fā)射率ε）強(qiáng)化傳熱技術(shù)：在一定溫差和面積下，增加傳熱系數(shù)或?qū)α鱾鳠嵯禂?shù)。10/10/33傳熱分析與熱交換器計(jì)算第33頁強(qiáng)化傳熱辦法（從減小對流熱阻角度出發(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：增加汽化關(guān)鍵數(shù)。對流換熱影響原因?qū)α鲹Q熱試驗(yàn)關(guān)聯(lián)式對流換熱物理機(jī)制流動情況：增加流速、強(qiáng)制對流、相變；換熱面形狀尺寸及表面情況：短管、小直徑管、彎管、肋片管、增加表面粗糙度、改變表面涂層實(shí)現(xiàn)珠狀凝結(jié)等；流體物性：將風(fēng)冷變?yōu)樗?、沸騰時水中加鹽顆粒等。圓管內(nèi)強(qiáng)制對流充分發(fā)展段：10/10/34傳熱分析與熱交換器計(jì)算第34頁強(qiáng)化傳熱詳細(xì)方法：無源技術(shù)(被動技術(shù))：除了輸送傳熱介質(zhì)功率消耗外，無需附加動力。①涂層表面；②粗糙表面(圖10-37)；③擴(kuò)展表面(圖10-38)；④擾流元件(圖10-40)；⑤渦流發(fā)生器(圖10-41)；⑥螺旋管(圖10-41)；⑦添加物；⑧射流沖擊換熱。有源技術(shù)(主動式技術(shù))：需要外加動力。①對換熱介質(zhì)做機(jī)械攪拌；②使換熱表面振動；③使換熱流體振動；④將電磁場作用于流體以促使換熱表面附近流體混合；⑤將異種或同種流體噴入換熱介質(zhì)或?qū)⒘黧w從換熱表面抽吸走。

總結(jié)：無相變對流傳熱，減薄邊界層、增加流體擾動、促進(jìn)流體中各部分混合以及增加固體壁面上速度梯度。10/10/35傳熱分析與熱交換器計(jì)算第35頁威爾遜