第6章-傳熱過程的和計算

第6章傳熱過程分析與計算§6-1復(fù)合傳熱過程§6-2傳熱過程分析和計算§6-3換熱器與換熱器的熱計算§6-4傳熱的增強和保溫隔熱技術(shù)§

6-1復(fù)合傳熱過程物體與周圍物體（含氣體）進(jìn)行輻射換熱的同時，還和其它接觸的其它氣體進(jìn)行對流換熱。這種既有（表面）輻射換熱，又有對流換熱的現(xiàn)象統(tǒng)稱為表面?zhèn)鳠帷?/p>

為方便討論，假設(shè)對流傳熱和輻射傳熱互相獨立，不干擾。表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h，可以通過對流傳熱系數(shù)hc和輻射傳熱系數(shù)hr精確計算，當(dāng)工程上有時可估算：室內(nèi)（無風(fēng)）熱力管道室內(nèi)平壁室外其中，在實際計算中是否必須考慮輻射傳熱，應(yīng)視具體情況而定。若固體壁面與液體發(fā)生對流傳熱，通常認(rèn)為液體對紅外輻射是不透明的。故hr=0。若氣體與固體壁面進(jìn)行強迫對流傳熱時，并且溫差不大，此時可忽略輻射，并認(rèn)為h=hc。若氣體和壁面進(jìn)行自然對流傳熱，或傳熱溫差較大時，則必須考慮輻射傳熱?！?-2傳熱過程的分析和計算

傳熱過程分析求解的基本關(guān)系為傳熱方程式式中為傳熱系數(shù)（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)）。傳熱過程：熱量由壁面一側(cè)的流體通過壁面?zhèn)鞯搅硪粋?cè)流體中去的過程稱傳熱過程。一、通過平壁的傳熱由于平壁的兩側(cè)的面積是相等的，因此傳熱系數(shù)的數(shù)值不論對哪一側(cè)來說都是一樣的。熱阻圖二、通過圓筒壁的傳熱在穩(wěn)態(tài)條件下，通過各環(huán)節(jié)的熱流量是不變的。

圓柱面導(dǎo)熱：外部對流：內(nèi)部對流：hiho以外表面面積為基準(zhǔn)的傳熱系數(shù)為：（工程用）由上面三式得以內(nèi)表面面積為基準(zhǔn)的傳熱系數(shù)為：基準(zhǔn)面不同時，傳熱系數(shù)不同，但K與A的乘積相等，傳熱熱流量相同。三、通過肋壁的傳熱在表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)較小的一側(cè)采用肋壁是強化傳熱的一種行之有效的方法。下面以平壁的一側(cè)為肋壁的較簡單的情況，作為分析肋壁傳熱的對象。式中，為肋面總效率。所以，只要就可以起到強化換熱的效果。定義肋化系數(shù)：

則以內(nèi)表面為基準(zhǔn)的肋壁傳熱系數(shù)為四、臨界熱絕緣半徑

對于平壁，加保溫層后，一定能降低散熱量（削弱傳熱）；對于圓筒壁，叫保溫層后呢？

為了減少管道的散熱損失，采用在管道外側(cè)覆蓋熱絕緣層或稱隔熱保溫層的辦法。熱流體通過管道壁和絕緣層傳熱給冷流體傳熱過程的熱阻為為了計算方便，忽略內(nèi)側(cè)的對流熱阻和管壁的導(dǎo)熱熱阻，實際上也是可行的。此時的總熱阻為：管道的散熱量為不考慮其他參數(shù)的變化，僅僅考慮絕熱層厚度的變化，當(dāng)厚度加大時（ro↑），Rλ↑，Rh↓?？偟臒嶙鑂t先減小后增大；熱流量Φ則先增大后減小。對應(yīng)熱流量Φ最大值的絕熱層外半徑ro稱為臨界絕緣半徑，以roc表示根據(jù)

，可解得當(dāng)ro>roc，Φ↓;當(dāng)r2<ro<roc，Φ↑電線：加絕緣層，不僅能絕緣，且能提高散熱量，這是我們希望的，因電流流過電線后發(fā)熱，若熱量不及時排出，電阻變大，阻礙電流。一般的動力管道：外徑均大于臨界絕緣半徑，起到降低散熱的效果?！?/p>

6-3換熱器與換熱器的熱計算換熱器：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。一、換熱器的分類按照工作原理分類分為間壁式、混合式及蓄熱式（或稱回?zé)崾剑┤箢悺?/p>

間壁式換熱器：是指冷熱流體被壁面隔開進(jìn)行換熱的熱交換器。如暖風(fēng)機、燃?xì)饧訜崞?、冷凝器、蒸發(fā)器；間壁式挨熱器種類很多，從構(gòu)造上主要可分為：管殼式、肋片管式、板式、板翅式、螺旋板式等，其中以前兩種用得最為廣泛。另外，按流體流動方向可有順流、逆流、交叉流之分。混合式換熱器：冷熱流體直接接觸，彼此混合進(jìn)行換熱，在熱交換同時存在質(zhì)交換，如空調(diào)工程中噴淋冷卻塔、蒸汽噴射泵、電廠冷水塔等；回?zé)崾綋Q熱器：換熱器由蓄熱材料構(gòu)成，并分成兩半，冷熱流體輪換通過它的一半通道，從而交替式地吸收和放出熱量，即熱流體流過換熱器時，蓄熱材料吸收并儲蓄熱量，溫度升高，經(jīng)過一段時間后切換為冷流體，蓄熱材料放出熱量加熱冷流體。一般用于氣體，如鍋爐中間轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器，全熱回收式空氣調(diào)節(jié)器等。二、間壁式換熱器的主要形式

（1）按結(jié)構(gòu)來分

1、套管式適用于傳熱量不大或流體流量不大的情形。二、間壁式換熱器的主要形式（1）按結(jié)構(gòu)來分1、套管式2、管殼式

管程、殼程、折流擋板（2）按結(jié)構(gòu)來分1、套管式2、管殼式

是間壁式換熱器的一種主要形式，又稱間壁式換熱器。二、間壁式換熱器的主要形式（2）按結(jié)構(gòu)來分1、套管式2、管殼式

二、間壁式換熱器的主要形式（2）按結(jié)構(gòu)來分1、套管式2、管殼式

二、間壁式換熱器的主要形式進(jìn)一步增加管程和殼程圓環(huán)折流板圓缺折流板圓缺折流板3、交叉流換熱器（分管束式、管翅式及板翅式）二、間壁式換熱器的主要形式4、板式換熱器板式換熱器拆卸清洗方便，故適合于含有易污染物的流體的換熱。二、間壁式換熱器的主要形式5、螺旋板式換熱器換熱器換熱效果較好，缺點是換熱器的密封比較困難。二、間壁式換熱器的主要形式6、熱管換熱器二、間壁式換熱器的主要形式二、間壁式換熱器的主要形式（2）按流動方向分1、順流式換熱器2、逆流式換熱器3、交叉式換熱器4、混合式換熱器換熱器分類小結(jié)

一、換熱器的分類二、間壁式換熱器的分類（2）按流動方向分（1）按結(jié)構(gòu)來分

1、套管式2、管殼式

3、交叉流換熱器（管束式、管翅式及板翅式）4、板式換熱器

5、螺旋板式換熱器6、熱管換熱器1、回?zé)崾剑ㄐ顭崾剑Q熱器2、混合式換熱器3、間壁式換熱器

1、順流式換熱器2、逆流式換熱器3、交叉式換熱器4、混合式換熱器三、換熱器熱計算的基本方程傳熱方程式:熱平衡方程式：熱流體放熱冷流體吸熱積分后可得：流體溫度不變時而換熱器中，沿程流體溫度發(fā)生改變，假設(shè)x處的微元換熱面積為dAx，此時方程式變?yōu)樗?、換熱器的對數(shù)平均溫差傳熱方程式：對任何形式的換熱器，傳熱方程式中的平均傳熱溫差Δt均是冷熱流體的平均溫差。但是，流動形式不同，冷熱流體溫差沿?fù)Q熱面的變化規(guī)律也不同。傳熱溫差也不同。順流和逆流的區(qū)別：平均傳熱溫差：順流時：逆流式：或在相同的進(jìn)出口溫度條件下，逆流也有缺點，即熱流體和冷流體的最高溫度集中在換熱器的同一端以順流情況為例，作如下假設(shè)：（1）冷熱流體的質(zhì)量流量qm2、qm1以及比熱容C2,C1是常數(shù)；（2）傳熱系數(shù)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。

在前面假設(shè)的基礎(chǔ)上，并已知冷熱流體的進(jìn)出口溫度，現(xiàn)在來看圖9-13中微元換熱面dA一段的傳熱。溫差為：在固體微元面dA內(nèi)，兩種流體的換熱量為:對于熱流體:對于冷流體:可見，當(dāng)?shù)販夭铍S換熱面呈指數(shù)變化，則沿整個換熱面的平均溫差為：(1)(2)(3)(1)、(2)、(3)相加對數(shù)平均溫差不論順流還是逆流，對數(shù)平均溫差可統(tǒng)一用以下計算式表示，Δtmax、Δtmin指的是同一端的溫度差：平均溫差的另一種更為簡單的形式是算術(shù)平均溫差，當(dāng)Δtmax/Δtmax≤2時使用，即復(fù)雜流時換熱器平均傳熱溫差套管式換熱器及螺旋板式換熱器的平均溫差可以方便的按逆流或順流布置的公式來計算。但對于殼管式換熱器及交叉流式換熱器的平均溫差一般采用以下公式來計算：對于其它的叉流式換熱器，其傳熱公式中的平均溫度的計算關(guān)系式較為復(fù)雜，工程上常常采用修正圖表來完成其對數(shù)平均溫差的計算：由換熱器冷熱流體的進(jìn)出口溫度，按照逆流方式計算出相應(yīng)的對數(shù)平均溫差；從修正圖表由兩個無量綱數(shù)查出修正系數(shù)；最后得出叉流方式的對數(shù)平均溫差1－2、1－4等多流程管殼式換熱器的修正系數(shù)

2－4、2－8等多流程管殼式換熱器的修正系數(shù)

一次交叉流，兩種流體各自都不混合時的修正系數(shù)

一次交叉流，一種流體混合、一種流體不混合時的修正系數(shù)五、平均溫差法熱計算分為設(shè)計計算和校核計算。換熱器熱計算的基本公式為傳熱方程式:熱平衡方程式：1、換熱器計算的平均溫差法平均溫差法用作設(shè)計計算時步驟：初步布置換熱面，計算出相應(yīng)的傳熱系數(shù)K。根據(jù)給定條件，由熱平衡式求出進(jìn)、出口溫度中的那個待定的溫度Δtm。由冷、熱流體的4個進(jìn)、出口溫度確定平均溫差，計算時要注意保持修正系數(shù)Ψ具有合適的數(shù)值。由傳熱方程求出所需要的換熱面積A，并核算換熱面兩側(cè)有流體的流動阻力。如流動阻力過大，改變方案重新設(shè)計。

對于校核計算具體計算步驟：先假設(shè)一個流體的出口溫度，按熱平衡式計算另一個出口溫度根據(jù)4個進(jìn)出口溫度求得平均溫差Δtm根據(jù)換熱器的結(jié)構(gòu)，算出相應(yīng)工作條件下的總傳熱系數(shù)k已知k、A和Φ，按傳熱方程式計算在假設(shè)出口溫度下的Δtm根據(jù)4個進(jìn)出口溫度，用熱平衡式計算另一個Φ，這個值和上面的Φ，都是在假設(shè)出口溫度下得到的，因此，不是真實的換熱量比較兩個值，滿足精度要求，則結(jié)束，否則，重新假定出口溫度，重復(fù)(1)~(6)，直至滿足精度要求。2、換熱器設(shè)計時的綜合考慮

換熱器設(shè)計是綜合性的課題，必須考慮出投資，運行費用，安全可靠等諸多因素。3、換熱器的結(jié)垢及污垢熱阻

污垢增加了熱阻，使傳熱系數(shù)減小，這種熱阻成為污垢熱阻，用Rf表示，式中：k為有污垢后的換熱面的傳熱系數(shù)，k0為潔凈換熱面的傳熱系數(shù)。對于兩側(cè)均已結(jié)垢的管殼式換熱器，以管子外表面為計算依據(jù)的傳熱系數(shù)可以表示成：如果管子外壁沒有肋化，則肋面總效率o=1。管殼式換熱器的部分污垢熱阻可以在表9-1種查得。例題２：某換熱器，殼側(cè)熱流體的進(jìn)、出口溫度分別為80℃和60℃，管側(cè)冷流體的進(jìn)、出口溫度分別為25℃和39℃。求該換熱器分別為逆流式和順流式換熱器時的對數(shù)平均溫差。解：（1）逆流時

℃℃（2）順流時

℃℃從計算可以看出，在相同的條件下，逆流換熱器的對數(shù)平均溫差大于順流時的溫差，也即換熱效果逆流強于順流。例題3：有一逆流式換熱器，油被水冷卻。水的進(jìn)出口溫度和流量分別為40℃、80℃和1.2kg/s，水的比熱為4.190可J/kg℃。油的進(jìn)出口溫度分別為140℃和90℃，設(shè)傳熱系數(shù)為900W/m2K。求換熱器的傳熱面積。（1）求對數(shù)平均溫差（m2）

℃（2）由水側(cè)流動可得換熱器的傳熱量：得（3）由換熱器傳熱方程式W℃（2）污垢熱阻的計算§

6-4傳熱的增強和保溫隔熱技術(shù)強化傳熱的目的縮小設(shè)備尺寸；提高熱效率；保證設(shè)備安全。削弱傳熱的目的減少熱量損失一、增強傳熱的方法

（1）加大傳熱溫差Δt是增加傳熱的驅(qū)動力，可是熱流量增加。采用逆流方式布置換熱面。（2）減小傳熱面總熱阻Rt

從減小導(dǎo)熱熱阻、對流熱阻和輻射熱阻著手減小最大熱阻效果最好考慮問題全面：流動阻力、合理的流動速度、經(jīng)濟性（3）增大傳熱面積a、延伸體b、增加粗糙度c、改變表面結(jié)構(gòu)d、表面涂層二、保溫隔熱技術(shù)削弱傳熱的目的

減少熱損失保證流體溫度，滿足工業(yè)要求保證設(shè)備的正常運行減少環(huán)境熱污染，保證可靠的工作環(huán)境保證工作人員的安全削弱傳熱的方法1、覆蓋熱絕緣材料。常用的材料日前有：巖棉、泡沫塑料、微孔硅酸鋁、珍珠巖等。2、改變表面狀況。即改變表面的輻射特性及附加抑制對流的元件。3、遮熱板絕熱技術(shù)（隔熱保溫技術(shù)）對于減少熱力設(shè)備的熱損失、節(jié)約能源具有顯著經(jīng)濟效益。在新技術(shù)領(lǐng)域，絕熱技術(shù)對于實現(xiàn)某些過程具有特別重大的意義。例如，各種高速飛行器（如航天飛機等）在通過大氣層時會產(chǎn)生強烈的氣動加熱，若無適當(dāng)?shù)慕^熱措施，將導(dǎo)致飛行器燒毀。隔熱保溫技術(shù)涉及到電力、冶金、化工、石油、低溫、建筑及航空航天等許多工業(yè)部門的過程實施、節(jié)約能源、提高經(jīng)濟效益等問題，目前已發(fā)展成為傳熱學(xué)應(yīng)用技術(shù)中的一個重要分支。附：注汽井井筒內(nèi)的傳熱計算井筒內(nèi)的傳熱特點非穩(wěn)態(tài)過程由多個環(huán)節(jié)構(gòu)成井筒傳熱的各項熱阻（單位長度）

—管內(nèi)對流換熱熱阻—內(nèi)油管導(dǎo)熱熱阻—隔熱油管視導(dǎo)熱熱阻—外油管導(dǎo)熱熱阻

—套管導(dǎo)熱熱阻—水泥環(huán)導(dǎo)熱熱阻—地層導(dǎo)熱熱阻環(huán)空通常按導(dǎo)熱處理，