第十章传热过程分析及换热器热计算-2012-4-8

机械工程与材料能源学部能源与动力工程学院1传热学第十章传热过程分析及换热器热计算机械工程与材料能源学部能源与动力工程学院2传热学§10-1传热过程分析和计算1.通过平壁的传热δxth1,t∞1h2,t∞2tw1tw211111httqw212wwttq22231httqwq1=q2=q3=q2121111tthhq21ttkq传热系数传热方程Φ11h21h1t2t1wt2wth1和h2的计算机械工程与材料能源学部能源与动力工程学院3传热学若一侧，如左侧介质为H2O+CO2等具有辐射、吸收特性的气体，且温度很高，需要考虑辐射特性。21ttkqtAhtAhrc)(21ttAhcc42411TTAtAhrr传热方程：)(21222112142411TTTTTTTThr)())((2121ttAhtthhAtrcδxth1,t1h2,t∞2t2tw2Φ11h21h1t2t1wt2wt机械工程与材料能源学部能源与动力工程学院4传热学2.通过圆管的传热h0,tf0hi,tfitwitw0rr0ri0tlλΦiiwifilhrtt211iwwirrltt002ln210000321lhrttfwΦ1=Φ2=Φ3=Φ000021ln2121lhrrrllhrttiiiffi对外侧而言：0000ffiffittldkttkA00001ln211hdddddhkiiiirrl0ln21iihr210021hrfit0ft0wtwit机械工程与材料能源学部能源与动力工程学院5传热学h0,tf0hi,tfitwitw0rr0ri0tlλΦ对外侧而言：0000ffiffittldkttkA习惯上，工程计算都以管外侧面积为基准，因此k未加角码“0”。从总热阻角度：00001ln2111AhddlAhkAiiildAiildA00不考虑结垢irrl0ln21iihr210021hrfit0ft0wtwit机械工程与材料能源学部能源与动力工程学院6传热学3.通过肋壁的传热hitfih0tf0twiAiA1A2A0=A1+A2Φδλtw0)(wifiiittAh)(wowiittA)()(21fowofofowoottAhttAh下的散热量）肋片表面处于肋基温度理想散热量（假设整个实际散热量f理实f理实f00)(AhtthAf理理想散热量肋效率机械工程与材料能源学部能源与动力工程学院7传热学hitfih0tf0twiAiA1A2A0=A1+A2Φδλtw0)()()(21fowoooofowofofowoottAhttAhttAhofoAAA)(21肋面总效率000011AhAAhttiiiffi)(wifiiittAh)(wowiittA)(fowoooottAh机械工程与材料能源学部能源与动力工程学院8传热学0000111hAAAAhkiiif以肋侧表面积A0为基准的肋壁传热系数：为了与未加肋平壁传热相比较，可以写出以光侧表面积Ai为基准的肋壁传热系数：00000111111hhAAhhkiiifiAA0肋化系数：工程计算中，为表征一种强化表面相对光滑表面的优越性，一般都以未加肋时的表面积（或扎制肋片前胚管面积）做计算总传热系数及传热量的面积。对比各种肋片表面传热性能时，必须对计算面积有清楚的了解101由外侧热阻：01h001h机械工程与材料能源学部能源与动力工程学院9传热学4.临界热绝缘直径反比00001ln21lhdddlttifwh0,tf0hi,tfitwitw0rr0ri0tlλΦh0,tf0绝缘层twtw0rr0ri0tlλ通过绝缘层的换热量：ConstConsth00diddlR0ln21001lhdRc002hd临界热绝缘直径，记为dcr00ddd由00001ln211AhddlAhttiiiffi通过圆管的换热量：机械工程与材料能源学部能源与动力工程学院10传热学例1：蒸汽管道，管道外侧包有水泥珍珠岩保温层，管的热损失。保温材料导热系数：λ=0.1W/(mK)外界对流换热系数：h0=9W/(㎡K)mmhdcr2291.0220临界热绝缘直径dcr:机械工程与材料能源学部能源与动力工程学院11传热学例2：铝线外径绝缘层厚度δ不同时每米电线的散热量。绝缘材料导热系数：λ=0.15W/(mK)外界对流换热系数：h0=10W/(㎡K)mmhdcr301015.0220临界热绝缘直径dcr:机械工程与材料能源学部能源与动力工程学院12传热学didcrdΦdi若didcr，则d0↑，Φ↑，强化传热；d0=dcr，Φ=Φmax若didcr，则d0↑，Φ↓，消弱传热；d0dcr，Φ↓didcrRλRcRd机械工程与材料能源学部能源与动力工程学院13传热学讨论1.强化传热2.圆筒壁削弱传热b）在h极小一侧加肋片a）21111hhk一般δ小、λ大δ/λ极小，可以忽略则h1↑或h2↑didcrdΦdididcrRλRcRd机械工程与材料能源学部能源与动力工程学院14传热学例2：铝线外径绝缘层厚度δ不同时每米电线的散热量。00001ln21lhdddlttifw计算换热量：00001ln211AhddlAhttiiiffi分析：020)/(1010051.0ln)/(15.021)4070(dKmWmdKmWCCl计算：机械工程与材料能源学部能源与动力工程学院15传热学§10-2换热器类型及平均温差蓄热式：炼铁高炉、炼钢平炉用来预冷或预热空气火力发电厂冷却塔、化工厂混合式：间壁式：应用最广，冷、热两流体由壁面间隔开来而分别位于壁面两侧机械工程与材料能源学部能源与动力工程学院16传热学1）套管式换热器2）壳管式换热器1.间壁式换热器的主要型式机械工程与材料能源学部能源与动力工程学院17传热学3）交叉流换热器机械工程与材料能源学部能源与动力工程学院18传热学4）板式换热器5）螺旋板式换热器机械工程与材料能源学部能源与动力工程学院19传热学1t2t1t(hot)2t(cold)1t1t2t2tmintmaxttx2.简单顺流及逆流换热器的对数平均温差1t1t2t2tmintmaxttx1t2t1t(hot)2t(cold)机械工程与材料能源学部能源与动力工程学院20传热学1t1t2t2tmintmaxttx1t1t2t2tmintmaxttx由图可见：热流体沿程放热，温度不断下降；冷流体沿程吸热，温度不断上升；冷热流体间的温差沿程不断变化mtkA传热量：整个传热面积上的平均温差机械工程与材料能源学部能源与动力工程学院21传热学顺流：热流体下标“1”冷流体下标“2”1）冷热流体的质量流量分别为qm1、qm2。比热容C1、C2，且C1=Const、C2=Const；2）传热系数在整个换热表面上不变；3）换热器无散热损失；4）换热表面中沿管子轴向的导热量可以忽略不计。1t2t1t2t1mq2mqhotcold1t1t2t2ttxAdAA1t2t1dt2dttttA假设：111dtCqdm热流体：222dtCqdm冷流体：21ttt通过dA的温差：tdAkd通过dA的热量：机械工程与材料能源学部能源与动力工程学院22传热学111dtCqdm；并利用；222dtCqdm21ttt将：微分dd11dd)d(221121cqcqtttmm221111cqcqmmtdAd)d(ktdAt)d(kt分离变量ddtAk积分xxAttkt0dAtdxxkAttlnxkAxtet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：ddtAk1t-dAetdAt1x0xx0xxkAkAAAmekAAAt机械工程与材料能源学部能源与动力工程学院23传热学kAttlnxxkAttlnAAxttxkAett1txkAmekAttttttmtlnt1-ttlnttttmtlnt对数平均温差minmaxminmaxtlnttttm同样适用于逆流换热，只是221111cqcqmm统一表达形式：机械工程与材料能源学部能源与动力工程学院24传热学3.其它复杂布置时换热器平均温差计算minmaxminmaxtlnttttm适用于套管式、螺旋板式换热器计算对于壳管式、交叉流式换热器平均温差的计算：cffmmtt)(是将给定的冷、热流体的进出口温度布置成逆流时的对数平均温差是小于1的修正系数这样，复杂布置时平均温差的计算就归结为获得修正系数ψ工程应用中，通常采用查表获取修正系数ψ机械工程与材料能源学部能源与动力工程学院25传热学§10-3换热器的热计算热计算设计计算不是独立变量校核计算换热器热计算的基本方程式是传热方程式及热平衡式mtkA)()(22221111ttcqttcqmm共有8个自变量22112211,,,,ttttcqcqAkmm，，，以及对设计计算：对校核计算：2211,cqcqmmA设定和4个进、出口温度中的3个温度，最终求2211,,cqcqAmm21tt，设定和2个进口温度，最终求出口温度21tt，机械工程与材料能源学部能源与动力工程学院26传热学换热器热计算的方法平均温差法传热单元数法1.换热器设计计算的平均温差法具体设计计算步骤：1）初步布置换热器，并计算出相应的传热系数k3）由冷、热流体的4个进、出口温度确定△tm，计算式注意保持修正系数Ψ具有合适的数值。22221111ttcqttcqmm2）根据给定条件，由热平衡式求出进、出口温度中的那个特定温度mtkA4）有传热方程求出所需的换热面积A，并核算换热面积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2211,cqcqmmA设定和4个进、出口温度中的3个温度，最终求机械工程与材料能源学部能源与动力工程学院27传热学2.换热器校核计算的平均温差法具体设计计算步骤：3）根据换热器的结构，算出相应工作条件下的总传热系数k1）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22221111ttcqttcqmm2）根据4个进、出口温度求得平均温差△tm4）已知kA和△tm，求Φ，此时由于流体出口温度是假设的，因此求出的Φ未必真实。2211,,cqcqAmm21tt，设定和2个进口温度，最终求出口温度21tt，5）由4个进、出口温度，用热平衡方程式求得另一个Φ，同理，这个Φ也是假设的。6）比较4）、5）步骤求得的两个Φ值，一般两者不一致，再重新假设一个流体出口温度重复以上步骤1）到6）直到4）、5）两个Φ相差2%～5%。机械工程与材料能源学部能源与动力工程学院28传热学3.换热器的结垢及结垢热阻污垢增加了热阻，使传热系数减小，这种热阻成