传热学chapter9教学提纲.ppt

第第9 9章章 传热过程与换热器传热过程与换热器引言 换热器是用来实现冷、热流体热量交换的一种设备它广泛应用于电力、化工、炼油、制冷、低温、冶金、建材、环保、航天、航空、食品、轻工、医药等部门，是量大用广的通用设备例如，热交换设备投资占电厂总投资的1/5，重量占工艺投资总重的40%；在年产30万吨的乙烯装置中，各种换热器达300-500台 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2 通过圆管的传热hiho内部对流：圆柱面导热：外部对流：其中：3 通过肋壁的传热肋壁面积：稳态下换热情况：A1A2Ai肋面总效率定义肋化系数： 则传热系数为所以，只要 就可以起到强化换热的效果4 换热器的结垢及污垢热阻 污垢增加了热阻，使传热系数减小，这种热阻成为污垢热阻，用Rf表示，式中：k为有污垢后的换热面的传热系数，k0为洁净换热面 的传热系数 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2 满足规定的工艺要求的装置2 换热器的分类：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(2) 流和逆流两种，适用于传热量不大或流(3) 体流量不大的情形顺流逆流(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2) 管壳式换热器：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4) 板式换热器：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：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dthdtcthtc1.简单顺流及逆流换热器的对数平均温差平均温压推导的思路热流体冷流体0At对任意的微元换热面dA的传热情况进行研究，得到 tx 的计算公式以顺流情况为例，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取微元换热面dA一段的传热。

温差为：在固体微元面dA内，两种流体的换热量为:对于热流体和冷流体: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：(1)(1)(2)(2)(3)(3)(1)+(2)+(3)(1)+(2)+(3)对数平均温差顺流：逆流时：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：顺流和逆流的区别在于：顺流：逆流：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2.36 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9-13 - 9-16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 R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（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InOutInOut(3) 那么是不是所有的换热器都设计成逆流形式的就最好呢？不是，因为一台换热器的设计要考虑很多因素，而不仅仅是换热的强弱比如，逆流时冷热流体的最高温度均出现在换热器的同一侧，使得该处的壁温特别高，可能对换热器产生破坏，因此，对于高温换热器，又是需要故意设计成顺流(4) 对于有相变的换热器，如蒸发器和冷凝器，发生相变的流体温度不变，所以不存在顺流还是逆流的问题xTIn OutxTIn Out冷凝蒸发 9-3 平均温差法热计算 换热器热计算分两种情况：设计计算和校核计算(1)设计计算：设计一个新的换热器，以确定所需的换热面积(2)校核计算：对已有或已选定了换热面积的换热器，在非设(3) 计工况条件下，核算他能否胜任规定的新任务。

换热器热计算的基本方程式是传热方程式及热平衡式式中， 不是独立变量，因为它取决于 以及换热器的布置一旦 和 以及 中的三个已知的话，我们就可以计算出另外一个温度因此，上面的两个方程中共有8个未知数，即需要给定其中的5个变量，才可以计算另外三个变量对于设计计算而言，给定的是 ，以及进出口温度中的三个，最终求对于校核计算而言，给定的一般是 ，以及2个进口温度，待求的是换热器的热计算有两种方法：平均温差法 1 平均温差法：就是直接应用传热方程和热平衡方程进行热2 计算，其具体步骤如下：对于设计计算（已知 ，及进出口温度中的三个，求 ）(1)初步布置换热面，并计算出相应的总传热系数k(2)根据给定条件，由热平衡式求出进、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 (4)由传热方程式计算所需的换热面积A，并核算换热面流体的流动阻力(5)如果流动阻力过大，则需要改变方案重新设计对于校核计算（已知 ，及两个进口温度，求 ）(1)先假设一个流体的出口温度，按热平衡式计算另一个出口温度(2)根据4个进出口温度求得平均温差(3)根据换热器的结构，算出相应工作条件下的总传热系数k(4)已知kA和 ，按传热方程式计算在假设出口温度下的(5)根据4个进出口温度，用热平衡式计算另一个 ，这个值和上面的 ，都是在假设出口温度下得到的，因此，都不是真实的换热量(6)比较两个 值，满足精度要求，则结束，否则，重新假定出口温度，重复(1)(6)，直至满足精度要求。

9-5 传热的增强强化传热的目的：缩小设备尺寸、提高热效率、保证设备安全削弱传热的目的：减少热量损失根据不同的需求，对于实际传热的传热过程，有时需要强化，有时则需要削弱显然，根据不同的传热方式，强化和削弱传热的手段应该不同，本节主要针对对流换热过程的强化和削弱1 强化传热的原则和手段(1) 强化换热的原则：哪个环节的热阻大，就对哪个环节采取强化措施举例：以圆管内充分发展湍流换热为例，其实验关联式为：(2) 强化手段: a 无源技术(被动技术) ；b 有源技术(主动式技术)a 无源技术(被动技术)：除了输送传热介质的功率消耗外，无需附加动力其主要手段有：涂层表面；粗糙表面(图9-28)；扩展表面(图9-29)；扰流元件(图9-30a)；涡流发生器(图9-30b) ；螺旋管(图9-30c) ；添加物； 射流冲击换热b 有源技术(主动式技术)：需要外加的动力其主要手段有：对换热介质做机械搅拌；使换热表面振动；使换热瘤体振动；将电磁场作用于流体以促使换热表面附近流体的混合；将异种或同种流体喷入换热介质或将流体从换热表面抽吸走9-6 保温隔热技术(1) 需求背景(2) 高于环境温度的热力设备的保温多采用无机的绝热材料(3) 低于环境温度时，有三个档次的绝热材料可供选择， a 一般性的绝热材料；b 抽真空至10Pa的粉末颗粒热 材料；c 多层真空绝热材料。

4) 保温效率 0 单位长度裸管的散热量，W/m； x 单位长度包有厚x(单位：mm)保温材料的 管子的散热量，W/m。