9传热学-第十章.

第十章传热过程分析与换热器热计算能源工程系黄金本章的学习目的(1)分析实际传热问题的能力(2)综合应用三种基本传热方式及其相关公式的能力(3)了解换热器的基本知识和设计过程)(21ffttkA传热过程？基本计算式(传热方程式热平衡方程式)？式中：K是传热系数(总传热系数)。对于不同的传热过程，K的计算公式也不同。totARk1§10-1传热过程的分析和计算1通过平壁的传热K的计算公式？21111hhk说明：(1)h1和h2的计算；（2）如果计及辐射时(即对流与辐射同时存在）对流换热系数应该采用等效换热系数(总表面传热系数)rcthhh单相对流：214241)(TTTThr343434rcthhh膜态沸腾：2通过圆管的传热hiho)ln(21)(iowowiddttlΦ内部对流：)(1wifiittldh圆柱面导热：)(2fwooottldh外部对流：iihidlhR1lddRio2)ln(ooholdhR1ooioiifofidlhddldlhttΦ1)ln(211)()(21ffttkAoiooiioohddddhdk1)ln(21)(1)ln(211)(fofiooooioiifofittldkdhdddhttlΦ)(1)ln(211)(fofiiiooioiifofittldkdhdddhttlΦooiioiiidhddddhk)ln(211以外径面为基准面以内径面为基准面3通过肋壁的传热肋壁面积：21AAAo平板肋稳态下换热情况：)(11wfiittAh)(1wowittA)()()(21fowoooofowofofowoottAhttAhttAhofoAAA)(21A1A2Ai肋面总效率:有效传热面积与总传热面积之比oooiiffioooiiiffAhAhttAAhAAhtt1)(112121ioAAooiihhk111加肋后的总表面积与该侧未加肋时的表面积之比定义肋化系数：则以光侧表面为基准的传热系数为则以肋侧表面为基准的传热系数为ooiohhk11ooooioiioffooooiiiffAhAAAAhAttAAhAAhtt)(112121oooiiWiiffioooiWiiffAhAdddhttAAhlddAhtt2ln1)(12ln12121A1A2AiAw定义肋化系数：woAA加肋后的总表面积与该侧未加肋时的表面积之比wooiiwiiiAhAdddhk2ln11圆管带肋则以肋侧表面为基准的传热系数为ooiwoiioohdddAhAk12ln1ooiWoiioffooooiWiiffhdddAhAttAAhlddAhtt12ln)(12ln12121则以管外侧表面为基准的传热系数为ooiWwiiwffwoooiWiiffhdddAhAttAAhlddAhtt12ln)(12ln12121ooiwwiiwwhdddAhAk12ln14临界热绝缘直径（1）圆管（平壁）外加肋片时，增加了外表面积，但也增加了导热热阻，整体强化传热。212111)(hhttAffoiiffihhttA22111)(ioAAofoAAA)(211)(21ifoAAA未加肋加肋（2）圆管外敷保温层后，增加了外表面积，但也增加了导热热阻，整体削弱传热。ooioiifofidhdddhttlΦ1)ln(211)(2122111)ln(21)ln(211)(ooooioiifofidhdddddhttlΦ可见，保温层使得导热热阻增加，换热削弱；另一方面，降低了对流换热热阻，使得换热增强，那么，综合效果到底是增强还是削弱呢？有没有可能加保温层反而使散热量增加呢？取决于增加表面积后所引起的对流传热热阻的减小的程度及导热热阻增加的程度。未加加装2122111)ln(21)ln(211)(ooooioiifofidhdddddhttlΦ21221121)ln(21)ln(211)(ooooioiiodhdddddhd)()(2ofofidttlΦ22222222121)()(ddooofofiodhddttld0dd2odcrodhd2222可见，确实是有一个极值存在，那么，到底是极大值，还是极小值呢？从热量的基本传递规律可知，应该是极大值。crodhd2222称为临界热绝缘直径。2222hdBio管道外保温材料的毕渥数如果保温材料的外径小于dcr，则随着外径的增加，散热量增大，反而强化传热；如果保温材料的外径大于dcr，则随着外径的增加，散热量减小，才起到削弱传热的作用。管道保温时，对应于散热量为极大值的保温层外径称为临界热绝缘直径。其表达式为222hdcr•讲解教材P465例题10－2例题：一内径为75mm、壁厚2.5mm的热水管，管壁材料的导热系数为60，管内热水温度为90℃，管外空气温度为20℃。管内外的换热系数分别为和。试求该热水管单位长度的散热量。（忽略辐射换热）解：已知：d1=75mm=0.075m；d2=75+2×2.5=0.08m；tf1=90℃，tf2=20℃=572.2W/m§10-2换热器的类型1换热器的定义：用来使热量从热流体传递到冷流体，以满足规定的工艺要求的装置2换热器的分类：螺旋板式板式交叉流换热器管壳式壳管式套管式)(蓄热式混合式间壁式板翅式管翅式管束式三种类型换热器简介3间壁式换热器的主要型式(1)套管式换热器：最简单的一种间壁式换热器，流体有顺流和逆流两种，适用于传热量不大或流体流量不大的情形ColdfluidHotfluidColdfluidHotfluid顺流逆流xTThTcT1T2xTTh(Hot)Tc(cold)T1T2(2)管壳式换热器：最主要的一种间壁式换热器，传热面由管束组成，管子两端固定在管板上，管束与管板再封装在外壳内。两种流体分管程和壳程。outBT,side)(shell,inBTside)(tube,inAToutAT,side)(tube,inAToutAT,side)(shell,inBToutBT,增加管程side)(shell,inBToutBT,side)(tube,inAToutAT,进一步增加管程和壳程(3)交叉流换热器：间壁式换热器的又一种主要形式。其主要特点是冷热流体呈交叉状流动。交叉流换热器又分管束式、管翅式和板翅式三种。(c)板翅式交叉流换热器(4)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，冷热流体间隔地在每个通道中流动，其特点是拆卸清洗方便，故适用于含有易结垢物的流体。单位体积内所包含的换热面积作为衡量换热器紧凑程度的衡量指标，一般将大于700m2/m3的换热器称为紧凑式换热器，板翅式换热器多属于紧凑式，因此，日益受到重视。(5)螺旋板式换热器：换热表面由两块金属板卷制而成，有点：换热效果好；缺点：密封比较困难。1简单顺流及逆流换热器的对数平均温差传热方程的一般形式：mtkA这个过程对于传热过程是通用的，但是当温差沿整个壁面不是常数时，比如等壁温条件下的管内对流换热，以及我们现在遇到的换热器等。对于前者我们曾经提到过对数平均温差(LMTD)的公式，但是没有给出推导。下面我们就来看看LMTD的推导过程mtdthdtcthtchtcthtct§10-3换热器平均温差的计算以顺流情况为例，并作如下假设：（1）冷热流体的质量流量qm2、qm1以及比热容c2,c1是常数；(2)传热系数是常数；（3）换热器无散热损失；（4）换热面沿流动方向的导热量可以忽略不计。)(xxAft要想计算沿整个换热面的平均温差，首先需要知道当地温差随换热面积的变化，即，然后再沿整个换热面积进行平均在前面假设的基础上，并已知冷热流体的进出口温度，现在来看图9-13中微元换热面dA一段的传热。温差为：ddtAkchchttttttddd在固体微元面dA内，两种流体的换热量为:d1dddhmhhhhmhcqttcqd1dddcmccccmccqttcq对于热流体和冷流体:dd11dddcmchmhchcqcqtttddtAktdAddktdAtdktxxAttkt0dAtdxxkAttln可见，当地温差随换热面呈指数变化，则沿整个换热面的平均温差为：)exp(txxkAtx0xx0)dAexp(t1dAt1xAAmkAAAtcmchmhcqcq111-)exp(t)dAexp(t1x0kAkAkAAtxAmxxkAttlnkAttlnAAx)exp(tkAt(1)(2)(3)(1)+(2)+(3)tttttttmtlnttlnt1-ttlnt对数平均温差tttmtlnt顺流：逆流时：ddtAkchchttttttdddd1dddhmhhhhmhcqttcqd1dddcmccccmccqttcqdd11dcmchmhcqcqtcmchmhcqcq11其他过程和公式与顺流是完全一样，因此，最终仍然可以得到：tttmtlnt,逆流顺流和逆流的区别在于：顺流：逆流：chchttttttchchttttttminmaxminmaxtlnttttm或者我们也可以将对数平均温差写成如下统一形式(顺流和逆流都适用)5算术平均温差平均温差的另一种更为简单的形式是算术平均温差，即2minmax,tttm算术minmaxminmax,tlnttttm对数算术平均温差相当于温度呈直线变化的情况，因此，总是大于相同进出口温度下的对数平均温差，当时，两者的差别小于4％；当时，两者的差别小于2.3％。2minmaxtt7.1minmaxtt6其他复杂布置时换热器平均温差的计算以上所讨论的对数平均温差(LMTD)只是针对纯顺流和纯逆流情况，而这种情况的出现是比较少的，实际换热器一般都是处于顺流和逆流之间，或者有时是逆流，有时又是顺流。对于这种复杂情况，我们当然也可以采用前面的方法进行分析，但数学推导将非常复杂，实际上，逆流的平均温差最大，因此，人们想到对纯逆流的对数平均温差进行修正以获得其他情况下的平均温差。ctfmmtt)(是给定的冷热流体的进出口温度布置成逆流时的LMTD，是小于1的修正系数。图9-15~9-18分别给出了管壳式换热器和交叉流式换热器的。关于的注意事项（1）值取决于无量纲参数P和RcchhchccttttRttttP,式中：下标1、2分别表示两种流体，上角标`表示进口，``表示出口，图表中均以P为横坐标，R为参量。（3）R的物理意义：两种流体的热容量之比hmhcmccchhcqcqttttR（2）P的物理意义：流体2的实际温升与理论上所能达到的最大温升之比，所以