chapter12传热过程与换热器

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,北京科技大学机械工程学院,*,考试时间：11月14日(第9周周日),晚上7:00 9:00,考试地点：,机081，082 逸夫楼102,机083，084 逸夫楼104,机085，086，重修 逸夫楼105,机087,F081,F082,车辆 逸夫楼107,考试方式：,闭卷,需携带计算器：例如,3,0.3,=?,，,ln4=?,:,期末考试成绩占,80,+,20%,1,第十二章,传热过程与换热器,Heat transfer process and Heat exchanger,作业：12-8,水的比热容,c,p,= 4.174 kJ/(kg,K),2,第十二章 传热过程与换热器,本章主要内容：,讨论通过平壁、圆管壁和肋壁等几种常见的,传热过程,强化或者削弱传热过程的方法,一些工业上常见,换热器,的基本结构与特点,重点讨论换热器的,传热计算方法,3,12-1,传热过程,1.,通过平壁的传热过程,t,w2,t,w1,0,x,t,h,1,t,f1,h,2,t,f2,t,w1,t,w2,t,f1,t,f2,传热系数,4,通过,多层,平壁的传热过程,1.,通过平壁的传热过程,t,wn,t,w1,0,x,t,h,1,t,f1,h,2,t,f2,5,2.,通过圆管壁的传热过程,传热过程由三个环节组成：,6,在稳态情况下，上面三式中的,是相同的，于是可得,上式可以写成,以圆管外壁面积为基准计算的传热系数,2.,通过圆管壁的传热过程,7,通过,n,层圆管的稳态传热过程，热流量为：,2.,通过圆管壁的传热过程,8,4.,通过肋壁的传热过程,对于两侧表面传热系数相差较大的传热过程，,在表面传热系数较小(较大?)的一侧壁面上加肋,（扩大换热面积）是强化传热的有效措施。假设：,三个环节,9,根据肋片效率的定义,称为,肋面总效率,一般情况下 ， ， 。,A,2,= A,2, + A,2,”,10,联立以上各式，可得,k,1,称为以光壁表面积为基准的传热系数，表达式为,称为,肋化系数,11,加肋后，肋侧的对流换热热阻是,而加肋前是,合理选择肋化系数,工程上，通常采用以肋侧表面积,A,2,为基准的传热系数,k,2,来计算,加肋前后热阻之比是,12,5.,复合换热,复合换热：,通常指,对流换热与辐射换热同时存在的换热过程。,工程上一般将辐射换热量折合成对流换热量进行计算，为此引进,辐射换热表面传热系数,13,12-2 换热器,换热器,：,用来实现热量从热流体传递到冷流体的装置,1.,换热器的分类,按照换热器的工作原理，可分为,换热器内冷、热流体直接接触、互相混合来实现热量交换。,冷、热两种流体依次交替地流过换热器的同一换热面（蓄热体）实现非稳态的热量交换。,换热器内冷、热流体由壁面隔开，热量从热流体传递到冷流体由三个环节组成：热流体与壁面间的对流换热、壁的导热、壁面与冷流体间的对流换热。,间壁式,：,蓄热式,：,混合式,：,14,12-2 换热器,神雾公司蓄热式高温空气燃烧技术,15,按照结构，,间壁式,换热器可分为,（1）,管壳式换热器,（2）肋片管式换热器,（3） 板式换热器,（4） 板翅式换热器,（5）螺旋板式换热器,16,（1）,管壳式换热器,由管子和外壳构成的换热装置,套管式换热器示意图,17,（2）,肋片管式换热器,由带肋片的管束构成的换热装置，适用于管内液体和管外气体之间的换热，且两侧表面传热系数相差较大的场合。,18,（3）,板式换热器,由若干片压制成型的波纹状金属板叠加而成，传热系数高、阻力相对较小、结构紧凑，拆装清洗方便,19,（3）,板式换热器,由若干片压制成型的波纹状金属板叠加而成，传热系数高、阻力相对较小、结构紧凑，拆装清洗方便,20,（4）,板翅式换热器,由金属板和波纹板形翅片层叠、交错焊接而成，结构紧凑。缺点是清洗困难，不易检修,21,（5）,螺旋板式换热器,由两块平行金属板卷制而成，工艺简单、价格低廉，流通阻力小。缺点是不易清洗，承压能力低,22,间壁式换热器中，冷、热流体的相对,流动方向,在冷、热流体进口温度相同、流量相同、换热面面积相同的情况下，,流动型式,影响冷、热流体的出口温度、换热温差、换热量以及换热器内的温度分布。,23,2.,换热器的传热计算,换热器的传热计算分为两种类型：,设计计算,：根据换热条件和要求，设计一台新换热器，为此需要确定换热器的类型、结构及,换热面积,。,校核计算,：核算已有换热器能否满足换热要求，一般需要计算流体的,出口温度,、,换热量,及流动阻力等。,换热器的常用计算方法 -,平均温差法,24,（1）换热器的传热平均温差：,传热过程的计算公式：,换热器的传热过程：,25,对数平均温差：,时：,1-热流体,2-冷流体,-进口,-,出口,26,（2）换热器传热计算的平均温差法：,换热器传热计算的基本公式：,3,个方程有,8,个独立变量，只要知道其中,5,个变量，可求其它,3,个,1）设计计算：,根据生产任务的要求，给定冷、热流体的质量流量,q,m1,、,q,m2,和,4,个进、出口温度中的,3,个，需确定换热器的型式、结构，计算传热系数,k,及换热面积,A,。,27,设计计算步骤,：,a),根据给定的换热条件，如流体性质、温度和压力范围等，选择换热器类型，布置换热面，计算换热面两侧对流换热的表面传热系数,h,1,、,h,2,及传热系数,k,b),根据给定条件，由式,求出未知的进、出口温度，并求出换热量,28,d),由式 求出所需的换热面积,A,e),计算换热器的流动阻力，如果阻力过大，会加大设备的投资和运行费用，须改变方案，重新设计,设计计算步骤,：,c),由4个进、出口温度及流动型式求平均温差,29,2）校核计算：,由于两侧流体出口温度未知，传热平均温差无法计算，流体物性不能确定，无法计算,h,与,k,，所以不能直接用下列三个公式计算其余未知量：,已知已有换热器的换热面积,A,、两侧流体的质量流量 、进口温度 等,5,个参数，需计算热、冷流体的出口温度 和换热量,。,30,(b),根据流体的,4,个进、出口温度求平均温差 ；,(c),计算换热面两侧的表面传热系数 ，进而求得传热系数,k,；,(d),由式 求出换热量 ;,(e),比较 与 ，如果相差较大,再重新假设流体出口温度，重复上述计算，直到满意为止,。,计算步骤：,(a),先假设一个流体的出口温度用热平衡方程式求出换热量 和另一个流体的出口温度；,31,12-3 传热的强化与削弱,传热工程技术的两个方向,：,强化传热技术,削弱传热技术,（又称,隔热保温技术,）,传热工程技术,是根据现代工业生产和科学实践的需要而发展起来的科学与工程技术，,其主要任务是按照工业生产和科学实践的要求来控制和优化热量传递过程。,32,1. 强化传热的主要目的：,(1) 增大传热量,(2),减少传热面积、缩小设备尺寸、降低材料消耗,(3),降低高温部件的温度，保证设备安全运行,(4),降低载热流体的输送功率,33,(1) 减少热损失，节约能源,(2) 维护人工低温环境，减少外界热量的传入,(3) 保护人身安全，免遭热或冷的伤害，创造温度适宜的工作和生活环境,2. 削弱传热的主要目的：,34,无论是强化传热还是削弱传热，一般都是从改变,传热温差,和改变,传热热阻,两方面入手。,以换热器内的传热过程为例：,强化传热有两条途径,：,（1）,加大传热温差,（2）减小传热热阻,35,在冷、热流体进、出口温度相同的情况下，,逆流的平均温差最大，顺流的平均温差最小，,因此从强化传热的角度出发，换热器应当尽量布置成逆流。,（1）,加大传热温差,36,多布置换热面，增加总传热面积,A,，,可降低总传热热阻，加大传热量,降低污垢热阻,减小对流换热热阻,R,h1,、,R,h2,如果两个热阻相差较大，应抓主要矛盾，设法减小其中,最大,(,最小,?),的热阻,（2）,减小传热热阻,37,强化对流换热的方法,：,1）,扩展换热面,（加装肋片）,2）,改变换热面的形状、大小和位置,如管内强迫对流湍流换热，用直径小的管子或者用椭圆管代替圆管（减小当量直径），都可以取得强化对流换热的效果。,再如管外自然对流换热和凝结换热，管子水平放置时的表面传热系数一般要高于垂直放置。,38,3）,改变换热面表面状况,如,表面粗糙度,，可以强化单相流体的紊流换热；,在换热表面形成一层,多孔层,可以强化沸腾换热；,在换热面上加工成,沟槽或螺纹,，或对换热表面进行处理造成珠状凝结，是强化凝结换热的实用技术；,增加表面,黑度,强化辐射换热。,强化对流换热的方法,：,39,4）,改变流体的流动状况,湍流换热强度要大于层流；对流换热热阻主要集中在边界层；紊流换热的主要热阻在层流底层。,加大流速,实现湍流换热、增强流体扰动、破坏边界层及层流底层，是强化对流换热的主要方法。,强化对流换热的方法,：,扰流装置,40,有一套管式换热器，热流体流量为,q,m1,=0.125 kg/s，比定压热容,c,p1,=2100J/(kg,K)，进口温度,t,1,=200,C；冷流体流量为,q,m2,=0.25 kg/s，比定压热容,c,p2,=4200 J/(kg,K)，进口温度,t,2,=20,C，出口温度,t,2,=40,C。换热器的传热系数,k,=500W/(m,2,K)，试求：冷、热流体顺流时所需的换热面积,。,例题,41,第十二章小结,1）传热过程的分析方法（单层、多层平壁、圆筒壁及肋壁的传热过程）；,2）换热器计算的,平均温差法,；,3）强化和削弱传热的原理和方法。,作业：12-8,水的比热容,c,p,= 4.174 kJ/(kg,K),重点掌握以下内容：,42,