传热学第10章 传热过程分析与换热器热计算

第九章传热过程分析与换热器热计算本章的学习目的(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第9章传热过程分析与换热器热计算2020/2/12-1-)(21ffttkA§9-1传热过程的分析和计算式中：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传热过程？基本计算式(传热方程式)？第9章传热过程分析与换热器热计算——§9-12020/2/12-2-1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：(8-24)(6-23)第9章传热过程分析与换热器热计算——§9-12020/2/12-3-2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)(1)ln(211)(fofiooooioiifofittldkdhdddhttlΦoiooiioohddddhdk1)ln(21其中：第9章传热过程分析与换热器热计算——§9-12020/2/12-4-3通过肋壁的传热肋壁面积：21AAAo稳态下换热情况：)(11wfiittAh)(1wowittA)()()(21fowoooofowofofowoottAhttAhttAhofoAAA)(21A1A2Ai肋面总效率第9章传热过程分析与换热器热计算——§9-12020/2/12-5-oooiiffioooiiiffAhAhttAAhAAhtt1)(112121定义肋化系数：则传热系数为所以，只要就可以起到强化换热的效果。ioAAooihhk1111o第9章传热过程分析与换热器热计算——§9-12020/2/12-6-4带保温层的圆管传热——临界热绝缘直径212111)(hhttAffooioiifofidhdddhttlΦ1)ln(211)(ooiffihhttA11)(212122111)ln(21)ln(211)(ooooioiifofidhdddddhttlΦ圆管外敷保温层后：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，使得换热赠强，那么，综合效果到底是增强还是削弱呢？这要看d/ddo2和d2/ddo22的值第9章传热过程分析与换热器热计算——§9-12020/2/12-7-21221121)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。也就是说，do2在do1~dcr之间，是增加的，当do2大于dcr时，降低。or2222hdBio第9章传热过程分析与换热器热计算——§9-12020/2/12-8-§9-2换热器的型式及平均温差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第9章传热过程分析与换热器热计算——§9-22020/2/12-9-3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第9章传热过程分析与换热器热计算——§9-22020/2/12-10-(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,第9章传热过程分析与换热器热计算——§9-22020/2/12-11-side)(tube,inAToutAT,side)(shell,inBToutBT,增加管程第9章传热过程分析与换热器热计算——§9-22020/2/12-12-side)(shell,inBToutBT,side)(tube,inAToutAT,进一步增加管程和壳程第9章传热过程分析与换热器热计算——§9-22020/2/12-13-(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第9章传热过程分析与换热器热计算——§9-22020/2/12-14-(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。第9章传热过程分析与换热器热计算——§9-22020/2/12-15-(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。第9章传热过程分析与换热器热计算——§9-22020/2/12-16-4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第9章传热过程分析与换热器热计算——§9-22020/2/12-17-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第9章传热过程分析与换热器热计算——§9-22020/2/12-18-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:第9章传热过程分析与换热器热计算——§9-22020/2/12-19-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第9章传热过程分析与换热器热计算——§9-22020/2/12-20-1-)exp(t)dAexp(t1x0kAkAkAAtxAmxxkAttlnkAttlnAAx)exp(tkAt(1)(2)(3)(1)+(2)+(3)tttttttmtlnttlnt1-ttlnt对数平均温差第9章传热过程分析与换热器热计算——§9-22020/2/12-21-tttmtlnt顺流：逆流时：ddtAkchchttttttdddd1dddhmhhhhmhcqttcqd1dddcmccccmccqttcq第9章传热过程分析与换热器热计算——§9-22020/2/12-22-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,逆流第9章传热过程分析与换热器热计算——§9-22020/2/12-23-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)第9章传热过程分析与换热器热计算——§9-22020/2/12-24-5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tt第9章传热过程分析与换热器热计算——§9-22020/2/12-25-6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。第9章传热过程分析与换热器热计算——§9-22020/2/12-26-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，所以只能小于1（4）对于管壳式换热器，查图时需要注意流动的“程”数第9章传热过程分析与换热器热计算——§9-22020/2/12-27-7各种流动形式的比较(1)顺流和逆流是两种极端情况，在相同的进出口温度下，逆流的最大，顺流则最小；(2)顺流时，而逆流时，则可能大于，可见，逆流布置时的换热最强。mtchttcthtdqiToThdTcdTTInOutdqiToThdTcdTTInOut第9章传热过程分析与换热器热计算——§9-22020/2