传热过程分析与换热器的热计算

第十章 传热过程分析与换热器的热计算 在详细讨论了 导热、对流、辐射 三种热量传递方式的特点和计 算方法以后，本章将综合应用这些知识来分析一些典型工程传热问 题。 本章将从四个方面展开讨论： 1. 首先分析与计算通过几种不同几何形状固体壁面的传热过程。 2. 然后针对一种典型的实现两种流体热量交换的设备 间壁式 换热器。 3. 本书以前一些章节中曾陆续介绍过一些强化或削弱热量传递过程 的方法，本章第四节将对其进一步归纳与总结。 4. 本章最后将对几个复杂的热量传递过程的例子进行综合分析。 本章要点： 1. 着重掌握 传热过程的分析和计算（肋壁的传热） 2. 着重掌握临界热绝缘直径的概念和分析计算 3. 着重掌握顺流及逆流的对数平均温差的分析计算 4. 掌握换热器的型式和分类以及换热器的热设计 5. 了解 传热的强化和隔热保温技术及有关问题分析 本章难点：临界热绝缘直径、对数平均温差的概念和分析计算 本章主要内容： 第一节 传热过程的分析和计算 第二节 换热器的类型 第三节 换热器中传热过程平均温差的计算 第四节 间壁式换热器的热设计 第五节 热量传递过程的控制 (强化与 削弱 ) 10-1 传热过程的分析与计算 传热过程：一侧的热流体通过固体壁面把热量传给另一侧冷流体的过程。 传热过程分析求解的基本关系为传热方程式，即 式中 k为传热系数。 1. 通过平壁的传热过程计算 AhAAh tt ff 21 21 11 )( 21 ff ttkA 21 11 1 hh k 2. 通过圆筒壁的传热过程计算 1 2 21 ln )(2 d d tt q wwl )( 2222 fwl ttdhq )( 1111 wfl ttdhq 每米管长的传热量： 221 2 11 1 ln 2 11 1 dhd d dh k l 对于多层圆管 12 1 111 1 ln 2 11 1 ni i i n i l dd d d k )( 1 ln 2 11 21 221 2 11 21 ffl ff l ttk dhd d dh tt q 每米管长的传热量： 3. 通过肋壁的传热过程计算 加肋侧的面积 A2肋片表面积 A2 两肋片之间壁的表面积 A2” A2 A1 肋化系数 ： 1 2 A A 肋片越高，肋距越小，肋化系 数就越大。 肋片与流体的换热量 2222 )( Atth fw ffw Atth 2222 )( f 为肋片效率 )()( )2()( 2 2 2 2 2222 2222 2222 ffw ffwfw A A A A Atth AtthAtthQ 加肋侧与流体的换热量 ft o t A A A A 2 2 2 2 肋壁总效率 肋壁的导热热量 )( 211 ww ttAQ t o tfw AtthQ 2222 )( 加肋侧流体的换热量 不加肋侧与流体的换热量 1111 )( AtthQ wf 肋壁的传热公式 WttAk AhAAh tt Q ff t o t ff )( 11 2111 22111 21 2 211 21 21 1 1 /)(11 mWttk hh tt A Qq ff t o t ff t o thh k 21 1 11 1 以 A1为基准的肋壁的传热系数 对于蒸汽加热的暖气包，由于蒸汽凝结换热系数 h1远远 大于暖气包对室内空气自然对流时的 h2，使这一传热过程中的 总热阻完全决定于 h2一侧的换热热阻。因此在 h2一侧加导热热 阻较小的肋片是最有效的改进措施。 在表面传热系数较小的一侧采用肋壁是强化传热 的一种行之有效的方法。 在冷热介质温度一定时，要增强传热可以加大 h1、 h2、 、 A1、 A2以及减小 。 最有效的措施是改变上列某些值后，可减小各 项分热阻中最大的那一个热阻值。 例 1： 一平壁一侧加肋，加肋后面积为 A2，肋化系数 =13，肋壁总效率 tot=0.9。壁的厚度 =10mm，材料的 导热系数 =50W/(mK)，相对应的换热系数为 h1=200W/(m2 K)和 h2=10W/(m2 K) ，流体温度 tf1=75C 和 tf2=15 C。求以 A1为基准，其单位面积的传热量 q1， 并与不加肋时的传热量 q比较。 2 21 21 1 1 /6.4347 9.01310 1 50 01.0 200 1 1575 11 mW hh tt A Qq t o t ff 解： 2 21 21 /3.5 7 0 10 1 50 01.0 2 0 0 1 1575 11 mW hh tt q ff q1 /q = 4347.6/570.3 = 7.623 例 2： 墙厚 240mm，室内空气的温度为 20 C ，室外空 气的温度为 -10 C ；砖墙的导热系数 =0.95W/(mK)， 室内空气对墙面的换热系数为 h1=8W/(m2 K) ，室外空 气的换热系数为 h2=37W/(m2 K) （考虑了辐射换热的 因素）。试求冬季室内、外空气通过砖墙传递的热量 和砖墙内侧的温度。（不考虑门、窗的传热影响） 4. 临界热绝缘直径 (与热绝缘层经济厚度 ) 在圆管外覆盖一层热绝缘材料时 则每米管长的总热阻为： x x l dhd d d d dhR 2221 2 111 , 1ln 2 1ln 2 11 总 (1)+(2) (4) (3) R总 ,l d R O d 2 dcr d3 d ql 01 2 11 22 , xxx l dhddd dR 总 2 22 h dd crx 即当 时，热阻值为最小。单位管长传热量 ql为最大值。 此时的 dx称为“临界热绝缘直径”，用 d c r表示。 注意： 1.当裸管的外径 d c r时，保温层越厚，保温效果越好 Q 2.当裸管的外径 d c r时，保温层厚度要超过 d3后才起作用。 3.要考虑较小的 2的保温材料，使 d c r 2 22 hd x 热绝缘层经济厚度 :每年的热损失与热绝缘投资最少时对应的热 绝缘厚度称为热绝缘层经济厚度。 O d 2 dcr d3 d ql 绝缘层厚度 R总 ,l 费 用 经济厚度 例： 有一外径为 0.015m的管道要作保温处理。现有两种隔热材 料，其一 A:的导热系数为 0.209w/(m0c);其二 B:的导热系数为 0.058w/(m0c)。已知管的换热系数为 13.96w/(m0c)。试问选择 哪一种材料合适？ 用热绝缘层的目的 1. 节约燃料 。 2. 满足工程技术条件的要求 。 3. 改善劳动条件 。 对热绝缘材料的要求 凡导热性低的材料都可以被用作热绝缘层 。 不过 ， 通常将导热系数 值小于 0.14W/（ mK） 的材料称为 隔热材料 。 热绝缘材料具有下述性能： （ 1） 导热性 。 （ 2） 机械性能 ， 如抗压和抗拉强度等 。 （ 3） 不吸水性和耐高热的能力 。 10-2 换热器的类型 一、换热器的分类 1.换热器： 把热量从热流体传递给冷流体的热力设备。 2.按换热器操作过程分为： 间壁式、混合式及蓄热式 (或称回 热式 )三大类。 1）间壁式：冷、热流体被间壁隔开，通过间壁换热。 2）混合式：冷、热流体通过直接接触换热。 3）回热式：冷、热流体周期性地流过固体壁面换热。 在三类换热器中以间壁式换热器应用最广，本节将对其结构 型式及换热器中冷、热流体间的平均温差的计算方法作比较详 细的介绍。近年发展起来的热管换热器是一种有相变的间壁式 换热器，其工作原理具有一定特点第十章中有专门介绍。 二、间壁式换热器的主要形式 1） 套管式换热器 。这是最简单的一种间壁式换热器，其结构如下图所 示。 总的来说，这类间壁式换热器适用于传热量不大或流体流量不大的情 形。实际使用时，为增加换热面积可采用 c所示结构。 图 9-3 套管式换热器示意图 间壁式热交换器 管式热交换器 板式热交换器 壳管式热交换器 肋片管式热交换器 套管式热交换器 板翅式热交换器 平行板式热交换器 螺旋板式热交换器 2)管壳式换热器 。这是间壁式换热器的一种主要形式又称管壳式换 热器。化工厂中的加热器、冷却器，电厂中的冷凝器、冷油器以及压缩 机的中间冷却器等都是壳管式换热器的实例。图 9-4是一种最简单的壳 管式换热器的示意图。一种流体 (图中冷流体 )从封头进口流进管于里，再 经封头流出。这条路径称为管程。另一种流体从外壳上的连接管进入换 热器，在壳体与管子之间流动，这条路径称为壳程。 图 9-4 简单的壳管式换热器示意图 为了提高管程流体的流速，在图 9-4所示的换热器中，一端的封头里 加了 一块隔板，构成了两管程的结构，称为 l-2型换热器 (此处 l表示壳程 数， 2表示管程数 )。图 9-5所示是一个 1-2型换热器的剖面图。 图 9-5 1-2型换热器剖面示意图 3） 交叉流换热器 。它是间壁式换热器的又一种主要型式。根据换热 表面结构的不同又可有管束式、管翅式及板翅式等的区别，如图 9-6所示 图 9-6 交叉流换热器示意图 4） 板式换热器 。板式换热器由一组几何结构相同的平行薄平板叠加所 组成，两相邻平板之间用特殊设计的密封垫片隔开，形成一个通道，冷、 热流体间隔地在每个通道中流动。为强化换热并增加板片的刚度，常在平 板上压制出各种波纹。板式换热器中冷、热流体的流动有多种布置方式， 图 9-7所示为 1-1型板式换热器的逆流布置，这里的 1-1型表示冷、热流体 都只流过一个通道。板式换热器拆卸清洗方便，故适合于含有易污染物的 流体 (如牛奶等有机流体 )的换热。 图 9-7 板式换热器示意图 5） 螺旋板式换热器 。螺旋板式换热器的换热表面是由两块金属板卷 制而成，冷、热流体在螺旋状的通道中流动，图 9-8所示是其两个方向的 截面示意图。这种换热器换热效果较好，缺点是换热器的密封比较困难。 三、提高换热器紧凑性的途径 缩小体积、减轻重量 四、管壳式换热器的近期发展 图 10-12-8 螺旋板式换热器 按流动方向分类： 1. 顺流式 2. 逆流式 3. 叉流式 4. 混合流式（杂流式） 按流程分类： 单流程： 双流程： 多流程： 10-3 换热器中传热过程平均温差的计算 1. 简单顺、逆流换热器平均温差的计算 在换热器中，热流体沿程放出热量温度不断下降；冷流体沿程吸收 热量而温度不断上升。当利用传热方程式来计算整个传热面上的热流 量时，必须使用整个传热面积上的平均温差 (又称平均温压 )，记为 tm 。据此，传热方程式的一般形式应为 : =kAtm t A 1t 1t 2t 2t t A 1t 1t 2t 2t t A 1t 1t 2t 2t t A 1t 1t 2t 2t 设 t1 ， t1 ， qm1和 c1分别表示热流体的进出口温度、流量 和比热容； t2 ， t2 ， qm2和 c2分别表示冷流体的进出口温度、 流量和比热容。（四个假设书中： P 324） mtkAttkAQ )( 21 热流体放出的热量 )( 11111 ttcqQ m 冷流体吸收的热量 )( 2222 ttcqQ m )()( 22221111 ttcqttcq mm 流体的热容量单位时间内流过冷、热 222111 WcqWcq mm 对数平均温差公式推导 222111 dtcqdtcqdQ mm 222 2 111 1 W dQ cq dQ dt W dQ cq dQ dt m m dQWWttd )11()( 21 21 m dQtd WW mttt )( 11 , 21 21 则得令 k dA dQttt 21 对微元面积 dA，传热方程为 dAttkdQ )( 21 m dQtd )( m k dAt td ）（ m k A t t m k d A t td At t 0 ln )( m dQtd )( mQtt m k A t t ln kA Q t t tt ln 得由 kA Qt m ln t t tt t m 对数平均温差 对逆流换热过程 222111 dtcqdtcqdQ mm t A 1t 1t 2t 2t 222 2 111 1 W dQ cq dQ dt W dQ cq dQ dt m m dQWWttd )11()( 21 21 ln t t tt t m 对数平均温差 m i n m a x m i nm a x ln t t tt t m t A 1t 1t 2t 2t t” t )( 2 1 2 m i nm a x m i n m a x ttt t t m 时当 叉流和混合流 （壳管式换热器与交叉流式换热器） m i n m a x m i nm a x ln t t tt t tm 逆流时的对数平均温差 2. 其他复杂布置时流换热器平均温差的计算 计算 P、 R 值，查图表定 3. 各种流动形式的比较 在各种流动形式中，顺流和逆流可以看作是两种极端情况。在相同的进、 出口温度条件下， 逆流的平均温差最大，顺流的平均温差最小。 而其他各种 流动形式介与顺流和逆流之间。 逆流的缺点是：热流体和冷流体的最高温度集中在换热器的同一端，使得 该处的温度特别高，这是应该避免的。 例：已知一换热器，热流体进口温度 t1=3000C,出口温度 为 t1 = 2100C；冷流体进口温度 t2=1000C,出口温度 为 t2=2000C。求换热器在顺流布置和逆流布置时的 对数平均温差，试说明哪一种布置换热效果好。 10-4 间壁式换热器的热设计 一、两种 类型的设计和两种设计方法 两种类型的设计：设计计算、 校核计算 1.设计计算：设计一个新的换热器，以确定换热器所需的 换热面积。 2.校核计算：对已有的或巳选定了换热面积的换热器。在 非设计工况条件下核算它能否胜任规定的换热任务。 3.基本原理为传热方程式及热平衡方程式： =kAtm 两种设计方法：平均温差法及传热单元数法 )()( 22221111 ttcqttcq mm 二、换热器热设计的平均温差法 所谓平均温差法，就是直接应用式 (9-14)、 (9-15)进行热计算的方法。 1.)平均温差法用作设计计算时步骤如下： (1)初步布置换热面，并计算出相应的传热系数 k。 (2)根据给定条件，由热平衡式 (9-15)求出进、出口温度中的那个待定 的温度。 (3)由冷、热流体的 4个进、出口温度确定平均温差 tm，计算时要注 意保持修正系数 具有合适的数值。 (4)由传热方程式 (9-14)求出所需的换热面积 A，并核算换热两侧流体 的流动阻力。 (5)如流动阻力过大，改变方案重新设计。 2.)平均温差法用作校核计算时步骤如下： (1)先假设一个流体的出口温度 ,按热平衡方程求出另一个流体的出口 温度。 (2)根据 4个进、出口温度求得平均温差 tm 。 (3)根据换热器的结构、算出相应工作条件下传热系数 k的值。 (4)已知 kA和 tm ，按传热方程式求出 值。因为流体的出口温度是 假设性的，因此求出的 值未必是真实的数值。 (5)根据 4个进、出口温度，用热平衡式求得另一个 值，同理，这个 值也是假设性的。 (6)比较步骤 (4)和 (5)中求得的两个 值。一般来说，两者总是不同 的。这说明步骤 (1)中假设的温度值不符合实际。再重新假设一个 流体的出口温度，重复以上步骡 (1)至 (6)，直到由步骤 (4)和 (5) 求得的两个 值彼此接近时为止。至于两者接近到何种程度方称 满意，则由所要求的计算精确度而定。一般认为两者之差应小于 2 5。 三、换热器热设计的效能 -传热单元数法 传热单元数和换热器的效能 换热器的效能 按下式定义： 传热单元数按下式定义： 效能 表示换热器的实际换热效果与最大可能的换热效果之比。 已知 后，换热器交换的热流量 即可根据两种流体的进口温度确定： 则： 21 m a x)( tt tt )()( 21m i n ttcq m N T Ucq kA m m i n)( m a x m i n m a x m i n )( )( 1 )( )( 1)(e x p1 cq cq cq cq N T U m m m m 顺流 m a x m i n m a x m i n m a x m i n )( )( 1)(e x p )( )( 1 )( )( 1)(e x p1 cq cq N TU cq cq cq cq N TU m m m m m m 逆流 用效能 -传热单元数（ -NTU法）计算换热器的步骤 根据 及 NTU的定义及换热器两类热计算的任务可知，设计计算是已知 求 NTU，而校核计算则是由 NTU求取 ，如图 9-9中箭头所示。它们的计 算步骤都与平均温差法中对应计算大致相似。 图 9-9 可作为逆流、顺流处理的情况 换热器设计时的综合考虑 1）换热器设计是个综合性的课题，必须考虑初投资、运行费用、安全可靠等 因素，而以达到最佳的综合技术经济指标为目标。 2）换热器的热计算仅是这个综合性课题的一个局部组成，其他计算还有流动 阻力计算、材料强度计算及必要的技术经济分析与比较等。 四、换热器的污垢热阻 1）污垢热阻 R f = 1 / k - 1 / k0 其中： k 0为洁净换热面的传热系数； k为有污垢的换热面的传热系数。 2）传热系数（已结垢的） P494 (10-25)式 3）污垢热阻 Rf的参考值（表 10-1、 2、 3） 例：有一间壁式油冷却器，壳程为单程，管侧为二程（ 1-2型管 壳式结构）。需冷却的油的流量为 35t/h，油的 t1=580C。要求其 出口温度不得超过 450C。若用流量为 45t/h的冷却水冷却，其入 口温度 t2=300C传热系数 K=340w/(m2.0C)，求换热器最小传热面 积。已知油的 Cp=1.95kj/(kg 0C),水的 Cp=4.18kj/(kg 0C)。 9-5 热量传递过程的控制 （ 强化 与 削弱 ） 1. 强化传热的原则和强化对流换热的手段 2. 确定传热过程分热阻的威尔逊图解法 3. 隔热保温技术 传热问题的综合分析 1. 一个测定热流密度的简单方法 2. 肋片的另一作用 -改变换热壁面的温度工况 3. 轿车后窗玻璃的热分析 第十章 小结 ： 1.传热过程： 传热系数，肋化系数，临界热绝缘直径 基本概念 ： 2.换热器及其型式、分类，对数平均温差（逆流、顺流） 基本原理 ： 传热过程的分析计算 临界 热绝缘直径的分析计算 对数平均温差 的分析计算 基本定律 ： 相关的计算公式 间壁式换热器的热设计