传热分析与热交换器计算.ppt

第十章传热过程分析与换热器的热计算,传热学 Heat Transfer,10-1 传热过程的分析与计算,传热过程：热量由壁面的一侧流体通过固体壁面传递到另一侧流体的过程。,仅包含壁面两侧流体的温度,k总传热系数,为什么引入传热过程和传热系数的概念？,对于不同的传热过程，k 的计算公式不同,平壁圆管肋壁带保温层的圆管,传热系数 k 和冷热流体的平均温差t 是传热过程分析的关键,传热学 Heat Transfer,10-1 传热过程的分析与计算 通过平壁的传热,W/（m2K）,说明：h1和 h2的计算采用对流换热表面传热系数计算公式；计及辐射时对流换热系数采用复合换热表面传热系数 ht,传热学 Heat Transfer,10-1 传热过程的分析与计算 通过圆管的传热,热阻分析法适用范围：一维、稳态、无内热源,以圆管内侧面积为基准,以圆管外侧面积为基准(常用),(2-31),热流密度 qconst？,传热学 Heat Transfer,10-1 传热过程的分析与计算 通过平肋壁的传热,稳态、无内热源情况下：热流量const,1,2,3,肋面总效率：,肋效率,肋片实际散热量,传热学 Heat Transfer,10-1 传热过程的分析与计算 通过平肋壁的传热,稳态、无内热源情况下：热流量const,工程应用以光侧面积Ai为基准：,肋化系数：,未加肋片的平壁：,传热面积增加，肋侧热阻减小,肋片强化传热的机理,传热学 Heat Transfer,10-1 传热过程的分析与计算 通过圆管肋壁的传热,圆管壁,肋面总效率：,圆管肋壁,圆管加肋后虽然由于do的增加使得导热热阻增加，但是由于肋片导热系数较大，且肋片增加的面积十分大，所以总热阻仍然显著降低。,传热学 Heat Transfer,10-1 传热过程的分析与计算 通过圆管外加保温层的传热,圆管外加保温层与圆管外加肋壁形式上一致，均减小了对流换热热阻，而增加了导热热阻。,圆管外加保温层后强化 or 削弱换热取决于减小的对流换热热阻与增加的导热热阻的平衡。,判断依据：临界热绝缘直径 dcr,圆管外加保温层后如果外径do大于dcr，则散热量随do的增加而减小（一般动力管道）；如果小于dcr，则散热量随do的增加而增加（电线-例题10-2）。,平壁加保温层总是使热阻增加，散热量减小。球壁加保温层也存在临界热绝缘直径。,传热学 Heat Transfer,10-2 换热器的类型,换热器（热交换器）：用来使热量从热流体传递到冷流体，以满足规定工艺中对温度要求 的装置。,换热器的分类（按工作原理）,传热学 Heat Transfer,混合式换热器：冷、热流体介质直接接触，相互混合实现换热。特点：直接接触混合；传热传质同时进行；要求冷热流体互不相溶、易分离。应用：电站冷却塔、喷淋室、化工洗涤塔等。,混合式换热器-冷却塔,蓄热式换热器：冷、热流体介质交替流过换热表面而实现换热。特点：冷热流体交替流过；传热过程非稳态；一般气体介质。应用：空气分离器、高炉、平炉等用来预热、预冷空气。,10-2 换热器的类型,传热学 Heat Transfer,间壁式换热器：冷、热流体介质由壁面隔开，通过间壁实现换热。特点：冷热流体互不接触；按照流动方向分为顺流、逆流和交叉流。分类：套管式、管壳式、交叉流式、板式、螺旋板式等,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。,顺流,逆流,10-2 换热器的类型,传热学 Heat Transfer,间壁式换热器：冷、热流体介质由壁面隔开，通过间壁实现换热。特点：冷热流体互不接触；按照流动方向分为顺流、逆流和交叉流。分类：套管式、管壳式、交叉流式、板式、螺旋板式等,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。,1-2型管壳换热器（壳程数-管程数）,壳程数:壳侧流体流经壳体的个数；管程数:管内流体流动方向的改变次数+1。（图10-9）,10-2 换热器的类型,为何加挡板？,传热学 Heat Transfer,间壁式换热器：冷、热流体介质由壁面隔开，通过间壁实现换热。特点：冷热流体互不接触；按照流动方向分为顺流、逆流和交叉流。分类：套管式、管壳式、交叉流式、板式、螺旋板式等,新型管壳式换热器：螺旋折流板换热器、折流杆换热器。,10-2 换热器的类型,常规的垂直折流板换热器阻力大、容易结垢。,传热学 Heat Transfer,间壁式换热器：冷、热流体介质由壁面隔开，通过间壁实现换热。特点：冷热流体互不接触；按照流动方向分为顺流、逆流和交叉流。分类：套管式、管壳式、交叉流式、板式、螺旋板式等,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、管带式、板翅式等。,10-2 换热器的类型,传热学 Heat Transfer,间壁式换热器：冷、热流体介质由壁面隔开，通过间壁实现换热。特点：冷热流体互不接触；按照流动方向分为顺流、逆流和交叉流。分类：套管式、管壳式、交叉流式、板式、螺旋板式等,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。,10-2 换热器的类型,传热学 Heat Transfer,间壁式换热器：冷、热流体介质由壁面隔开，通过间壁实现换热。特点：冷热流体互不接触；按照流动方向分为顺流、逆流和交叉流。分类：套管式、管壳式、交叉流式、板式、螺旋板式等,螺旋板式换热器：换热表面由两块金属板卷制而成。优点：换热效果好，缺点：密封比较困难。,10-2 换热器的类型,传热学 Heat Transfer,10-3 换热器中传热过程的平均温差,平均温差tm：回顾 P.245 恒壁温下管内强制对流换热换热量的计算,WHY?,换热器中，冷热流体温度沿换热面是不断变化的，其局部的换热温差也是沿程变化，而利用牛顿冷却公式计算换热量时用总面积的平均温差tm，其与换热器的型式和冷热流体的流动方向均有关。,Hot,Cold,t,传热学 Heat Transfer,10-3 换热器中传热过程的平均温差,平均温差的推导（基本假设）：冷热流体的质量流量、比热容以及传热系数都是常数；换热器无散热损失（热流体放热冷流体吸热）；忽略换热面流动方向导热；,当地温差随局部换热面积的变化,沿整个换热面积进行积分平均,平均温差的推导（基本思路）：,传热学 Heat Transfer,平均温差的推导：套管式换热器,10-3 换热器中传热过程的平均温差,传热学 Heat Transfer,对数平均温差,算术平均温差,进、出口流体温差中之大者,进、出口流体温差中之小者,算术平均温差相当于冷热流体沿程温度线性变化,对数平均温差：冷热流体温度曲线间面积。,10-3 换热器中传热过程的平均温差,传热学 Heat Transfer,间壁式换热器换热量计算中平均温差的计算：套管式、板式、螺旋板式换热器：直接用对数平均温差。（注意顺流、逆流）顺流：逆流：管壳式、交叉流式换热器：,逆流布置时的对数平均温差,小于1 的修正系数,ctf:counter-flow,表示了某种流动型式接近逆流的程度，一般设计要求 0.9图10-23 10-26分别给出了管壳式换热器和交叉流式换热器的。,相同进出口温度下：顺流的平均温差最小，逆流的平均温差最大；尽量采用逆流布置,10-3 换热器中传热过程的平均温差,传热学 Heat Transfer,10-4 间壁式换热器的热计算,换热器的热计算类型,设计计算(计算换热面积),校核计算(计算流量、进出口温度),传热学 Heat Transfer,传热方程式,热平衡方程式,对数平均温差,1,2,3,已知：6个变量中的5个求：kA计算步骤：1.选择换热器型式，初步布置换热面，并计算总传热系数 k；2.根据给的条件，由方程2求出6个变量中未知的1个，以及传热量；3.利用方程3计算所选型式换热器的对数平均温差（0.8）；4.利用方程1计算传热面积A；5.校核流动阻力。,LMTD 设计计算,10-4 间壁式换热器的热计算 平均温差法LMTD,传热学 Heat Transfer,传热方程式,热平衡方程式,对数平均温差,1,2,3,已知：，两者之一，两者之一求：另外两个温度计算步骤：1.假设其中一个未知温度，由方程2计算另外一个未知温度及传热量；2.利用方程3计算所选型式换热器的对数平均温差；3.利用方程1计算传热量；4.步骤1得到的传热量计算步骤4的传热量，重新假定温度迭代；5.步骤1，4传热量偏差 25，OK！,LMTD 校核计算,10-4 间壁式换热器的热计算 平均温差法LMTD,传热学 Heat Transfer,传热方程式,热平衡方程式,对数平均温差,1,2,3,已知：kA，两者之一，四者之三求：另外一个温度和一个qmc计算步骤（课后思考）,LMTD 校核计算,利用LMTD法进行换热器的校核计算一般需要迭代,-NTU法,10-4 间壁式换热器的热计算 平均温差法LMTD,传热学 Heat Transfer,10-4 间壁式换热器的热计算 效能-传热单元数法-NTU,换热器的效能：换热器的实际换热效果与最大可能的换热效果之比。1,实际换热量：,理想换热器最大可能的换热量：热容量小的流体出口温度另一种流体的入口温度,分母：冷热流体的进口温差；分子：冷热流体进出口温差中的大者,传热学 Heat Transfer,换热器的效能：换热器的实际换热效果与最大可能的换热效果之比。1,基于-NTU法的实际换热量：,只需冷热流体的进口温差,如何计算？,顺流,逆流,传热单元数,两种特殊情况：,有相变；冷热流体qmc相等。,10-4 间壁式换热器的热计算 效能-传热单元数法-NTU,传热学 Heat Transfer,基于-NTU法的设计计算,已知：4个温度中的3个求：kA计算步骤：1.选择换热器型式，初步布置换热面，并计算总传热系数 k；2.由热平衡方程计算未知的温度，计算；3.查图得到NTU；4.根据NTU定义计算换热面积A；5.校核流动阻力。,10-4 间壁式换热器的热计算 效能-传热单元数法-NTU,传热学 Heat Transfer,基于-NTU法的校核计算,已知：求：计算步骤：1.假定出口温度，计算总传热系数 k；2.计算NTU；3.查图得到；4.根据 计算换热量；5.由，计算出口温度；6.迭代计算至传热量偏差25，OK！,10-4 间壁式换热器的热计算 效能-传热单元数法-NTU,传热学 Heat Transfer,-NTU法与LTMD法的比较：,校核计算中均需要假设温度。-NTU法假设的出口温度对传热量的影响不是直接的，而是通过定性温度，影响总传热系数，从而影响NTU，并最终影响 值。而平均温差法的假设温度直接用于计算 值，显然-NTU法对假设温度没有平均温差法敏感，这是该方法的优势。LMTD法可以计算，从而简便有效的评估换热器不同流动型式的优劣。制冷低温行业一般用-NTU法，电站锅炉行业一般用LMTD法。,10-4 间壁式换热器的热计算,传热学 Heat Transfer,10-4 间壁式换热器的热计算 换热器的结垢与污垢热阻,换热器长期运行后换热面覆盖污垢层使得传热系数减小，效能下降。,k-有污垢后的换热面的传热系数；k0-洁净换热面的传热系数,m2K/W,污垢热阻,管壳式换热器单侧污垢热阻查表10-110-4；管壳式换热器双侧污垢后总传热系数（以外表面积Ao为基准）：,传热学 Heat Transfer,10-5 热量传递过程的控制（强化与削弱）,实质：一定温差下增加传热量，并减少金属消耗 和阻力损失。目的：A,tm一定时增加 k来增加；,tm一定时增加 k来减小A；重点：对流和辐射换热，特别是对流换热。,传热的强化,传热的削弱（隔热保温）,传热学,实质：一定温差下增加热阻，减少传热量。目的：减小热量（冷量）损耗，节能（冰箱、空调）保持温度恒定，减小温度波动；提高低温下外表面温度，避免结霜；防止温度不均匀引起的热应力；热工作环境下的人员隔热保温。重点：导热和辐射换热。采用k 很小的绝热材料，增加导热热阻；遮热罩增加辐射热阻，减小表面发射率。,保温效率,重点,传热学 Heat Transfer,强化传热：增加传热系数 增加传热面积（肋片）增加温差（逆流布置）,强化传热的原则：针对传热环节中热阻最大的环节采取措施，一般均为对流换热热阻；传热过程中两侧流体对流换热系数差别大时，在h 小的一侧加肋片；传热过程中两侧流体的Ah 接近时，可以同时采取强化措施（双侧强化管）；必须综合考虑强化传热的效果、流动阻力、经济性成本和运行费用等。,强化传热的措施（从减小导热热阻和辐射热阻角度出发）：减小导热热阻（增加壁面导热系数，减小壁厚）；减小污垢热阻（水处理、定期清洗）；减小辐射热阻（包括表面辐射热阻和空间辐射热阻，例如增加表面发射率）,10-5 热量传递过程的控制（强化与削弱）,传热学 Heat Transfer,强化传热的措施（从减小对流热阻的角度出发）：,单相对流换热：破坏和减薄边界层厚度，增加流动扰动和湍流度；凝结换热：珠状凝结、减薄液膜、加速液膜排出；沸腾换热：增加汽化核心数。,对流换热的影响因素,对流换热的实验关联式,对流换热的物理机制,流动状况：增加流速、强制对流、相变；换热面形状尺寸及表面状况：短管、小直径管、弯管、肋片管、增加表面粗糙度、改变表面涂层实现珠状凝结等；流体的物性：将风冷变为水冷、沸腾时水中加盐颗粒等。,圆管内强制对流充分发展段：,10-5 热量传递过程的控制（强化与削弱）,传热学 Heat Transfer,强化传热的具体方法：,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。涂层表面；粗糙表面(图10-37)；扩展表面(图10-38)；扰流元件(图10-40)；涡流发生器(图10-41)；螺旋管(图10-41)；添加物；射流冲击换热有源技术(主动式技术)：需要外加的动力。对换热介质做机械搅拌；使换热表面振动；使换热流体振动；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。,10-5 热量传递过程的控制（强化与削弱）,传热学 Heat Transfer,威尔逊图解法确定传热过程分热阻及污垢热阻：,管壳式换热器（管内流动为充分发展的旺盛湍流）：,威尔逊图解法步骤：1.保持b不变，改变内侧流体速度，测量得到ko，整理成曲线1；2.由曲线1确定m，根据1式计算管内侧对流换热系数和内侧热阻；3.保持mX不变，改变管外侧流量，计算管外侧热阻；4.运行一段时间后测量得到曲线2，曲线1，2间截距差为污垢热阻。,1,10-5 热量传递过程的控制（强化与削弱）,传热学 Heat Transfer,本章重点：为什么引入传热过程和传热系数？传热过程中热阻的串联、并联，复合表面传热系数的概念；传热系数的计算（注意与基准表面相关），基于热阻相对大小判断主要强化措施；临界绝缘直径的概念；换热器的主要型式，壳管式换热器管程数与壳程数的含义；对数平均温差的物理意义及计算方法；顺流、逆流布置的特点（对数平均温差？）；换热器热计算的两种方法，及其涉及的基本方程；强化传热的措施。,传热学 Heat Transfer,作业：10-110-610-1710-3210-4210-55,传热学 Heat Transfer,补充习题：为强化冷油器的传热（壳侧油、管侧水），有人用提高冷却水流速的方法，发现效果不明显。试分析原因。一管束式交叉流换热器，管内热水，管外空气冷却。有人提出：为提高冷却效果，管外加肋片，并将管子材料由钢管改为铜管。试评价两种措施的有效性。一台套管式冷油器，传热面积为8m2，传热系数为560W/(m2K)。质量流量为2.25kg/s、比热容为2000 J/(kg K)的油进口温度为80，出口温度为40。冷却水逆流布置，进口温度为12。试分别用LMTD和-NTU法求水的质量流量。,