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1、传热学学 第四章第四章 传热与与换热器器换热第1页，本讲稿共22页第四章第四章 传热与换热器传热与换热器 在工程中，对于有三种基本换热方式的热量传递过程叫复合换在工程中，对于有三种基本换热方式的热量传递过程叫复合换热。热。通常把辐射和对流换热系数综合考虑，即为复合换热系数，也通常把辐射和对流换热系数综合考虑，即为复合换热系数，也用用表示。表示。第2页，本讲稿共22页第一节第一节 传热过程的分析和计算传热过程的分析和计算 为了方便起见，对于传热过程的计算，依照牛顿冷却定律引为了方便起见，对于传热过程的计算，依照牛顿冷却定律引入一个相当对流换热公式，则传热计算公式为：入一个相当对流换热公式，则传热
2、计算公式为：其中的其中的K叫传热系数，它表示冷热流体为：叫传热系数，它表示冷热流体为：温差为温差为1时，通过单位面积传递时，通过单位面积传递的热量的热量，K的单位是：的单位是：W/(m2.)。K的大小与冷热流体的性质、流动情况，壁的大小与冷热流体的性质、流动情况，壁面材料、形状和尺寸等许多因素有关。面材料、形状和尺寸等许多因素有关。WW第3页，本讲稿共22页第一节第一节 传热过程的分析和计算传热过程的分析和计算 1 tf2 一，通过平壁的稳定传热一，通过平壁的稳定传热（一）通过单层平壁的稳定传热（一）通过单层平壁的稳定传热如图有一单层平壁，面积为如图有一单层平壁，面积为F,F,厚度为厚度为，导
3、热系数为，导热系数为，平壁两侧流体的温度为，平壁两侧流体的温度为t tf1f1和和t tf2f2，两外侧面的温度，两外侧面的温度twtw1 1和和twtw2 2，放热系数为，放热系数为1 1和和2 2 ，在稳定状态下，热流体传给壁面的热，在稳定状态下，热流体传给壁面的热量，通过平壁的导热量以及壁面传给冷流体的热量均应相等。即量，通过平壁的导热量以及壁面传给冷流体的热量均应相等。即w第4页，本讲稿共22页第一节第一节 传热过程的分析和计算传热过程的分析和计算 1 tf2单位面积的传热量为：单位面积的传热量为：w/m2w/（m2.)所以单层平壁的传热系数为：所以单层平壁的传热系数为：第5页，本讲稿
4、共22页第一节第一节 传热过程的分析和计算传热过程的分析和计算 （二）通过多层平壁的稳定传热（二）通过多层平壁的稳定传热1 tf1对于多层平壁单位面积的传热量为：的形式，于是就有多对于多层平壁单位面积的传热量为：的形式，于是就有多层平壁的传热系数为：层平壁的传热系数为：2 tf2w/（m2.)第6页，本讲稿共22页第一节第一节 传热过程的分析和计算传热过程的分析和计算 （二）通过多层平壁的稳定传热（二）通过多层平壁的稳定传热1 tf12 tf2w/m2w对于多层平壁单位面积的传热量为：对于多层平壁单位面积的传热量为：若传热面积为若传热面积为F F，则传热量为：，则传热量为：第7页，本讲稿共22
5、页第一节第一节 传热过程的分析和计算传热过程的分析和计算 一，通过圆筒壁的稳定传热一，通过圆筒壁的稳定传热（一）通过单层圆筒壁的稳定传热（一）通过单层圆筒壁的稳定传热如图为一单层圆筒壁，设内外直径分别为d1、d2，长度为L，导热系数为，且为常数，圆筒内外c侧流体分别维持均匀不变的温度tf1和tf2放热系数为1和2;圆筒内外表面的温度为tw1和tw2，由于管道较长，沿轴向的导热可忽略不计，认为温度仅沿半径方向发生变化，故为一维稳态导热。则流体传给筒壁的热量，通过圆筒壁传递的热量，由圆筒壁传给流体的热量应相等，ttw1tw2r1r21 tf12 tf2第8页，本讲稿共22页第一节第一节 传热过程的
6、分析和计算传热过程的分析和计算 于是：于是：最后得到单层圆筒壁的单位管长传热量为：最后得到单层圆筒壁的单位管长传热量为：w/m第9页，本讲稿共22页第一节第一节 传热过程的分析和计算传热过程的分析和计算 显然，单层圆筒壁的传热系数为：显然，单层圆筒壁的传热系数为：w/（m）整个圆筒壁的传热量为：整个圆筒壁的传热量为：w第10页，本讲稿共22页第一节第一节 传热过程的分析和计算传热过程的分析和计算 （二）（二）多层圆筒壁的传热多层圆筒壁的传热 w/（m）对于对于 多层圆筒壁来说，也可以写成热阻的形式，则有：多层圆筒壁来说，也可以写成热阻的形式，则有：第11页，本讲稿共22页第一节第一节 传热过程
7、的分析和计算传热过程的分析和计算 w/m整个圆筒壁的传热量为：整个圆筒壁的传热量为：w单位管长的传热量为：单位管长的传热量为：第12页，本讲稿共22页第一节第一节 传热过程的分析和计算传热过程的分析和计算 简化计算式为简化计算式为w/m第13页，本讲稿共22页第二节第二节 传热的增强与削弱传热的增强与削弱 工程中的传热问题，除了需要掌握他们的计算方法外，很多场合是要求工程中的传热问题，除了需要掌握他们的计算方法外，很多场合是要求对传热过程予以增强或者削弱。所谓对传热过程予以增强或者削弱。所谓增强传热增强传热，是指从分析影响传热的各种因，是指从分析影响传热的各种因素出发，采取某些技术措施提高换热
8、设备单位面积的传热量，使设备趋于紧凑、重量素出发，采取某些技术措施提高换热设备单位面积的传热量，使设备趋于紧凑、重量轻、节省金属材料以及降低动力消耗等；而轻、节省金属材料以及降低动力消耗等；而削弱传热削弱传热是指采取隔热保温措施，使是指采取隔热保温措施，使换热设备热损失降低，以达到节能、安全防护及满足工艺要求等目的：换热设备热损失降低，以达到节能、安全防护及满足工艺要求等目的：第14页，本讲稿共22页第二节第二节 传热的增强与削弱传热的增强与削弱 一、增强传热在冷热流体温度不变的情况下，增强传热的有效方法是提高在冷热流体温度不变的情况下，增强传热的有效方法是提高传热系数。而传热系数的大小是由传
9、热过程中各项热阻决定传热系数。而传热系数的大小是由传热过程中各项热阻决定的，因此，为了增强传热，必须首先分析传热过程中的热阻。的，因此，为了增强传热，必须首先分析传热过程中的热阻。一般换热设备都是金属薄壁，热阻很小可忽略不计，在不计污垢热一般换热设备都是金属薄壁，热阻很小可忽略不计，在不计污垢热阻时，传热系数可写成：阻时，传热系数可写成：w/（m2.)第15页，本讲稿共22页第二节第二节 传热的增强与削弱传热的增强与削弱 一、增强传热从上式可以看出，要想增大传热系数从上式可以看出，要想增大传热系数K，必须增大换热系数小的那一项才有效。，必须增大换热系数小的那一项才有效。在工程中，常采用扩展传热
10、换热系数小的一侧的面积，象肋壁，肋片管、波纹在工程中，常采用扩展传热换热系数小的一侧的面积，象肋壁，肋片管、波纹管、板翅式换热面等。管、板翅式换热面等。除此之外，还有其它的一些增强传热的方法：除此之外，还有其它的一些增强传热的方法：1.改变流动状况。增加流速，增加扰动，采用射流等，但会增大流动阻力。改变流动状况。增加流速，增加扰动，采用射流等，但会增大流动阻力。2.使用添加剂。在气流中加入少量固体颗粒，在蒸汽中加入液滴。使用添加剂。在气流中加入少量固体颗粒，在蒸汽中加入液滴。3.改变表面状况。增加粗糙度，表面涂层，涂张力小的材料以形成珠状凝结，或涂黑改变表面状况。增加粗糙度，表面涂层，涂张力小
11、的材料以形成珠状凝结，或涂黑度大的材料以增强辐射。度大的材料以增强辐射。4.改变换热面形状和大小。如用小直径管子代替大直径管子，用椭圆型代替圆管。此外在凝结换改变换热面形状和大小。如用小直径管子代替大直径管子，用椭圆型代替圆管。此外在凝结换热时尽量选择水平管。热时尽量选择水平管。5.改变能量传递方式。在流道内放置对流改变能量传递方式。在流道内放置对流-辐射板，板与流体进行对流换热，同时，辐射板，板与流体进行对流换热，同时，又以辐射方式与壁面换热。又以辐射方式与壁面换热。第16页，本讲稿共22页第二节第二节 传热的增强与削弱传热的增强与削弱 二、削弱传热在工程中削弱传热主要是在管道外覆盖保温层。
12、在工程中削弱传热主要是在管道外覆盖保温层。第17页，本讲稿共22页第三节第三节 换热器换热器 一、换热器的基本形式与工作原理一、换热器的基本形式与工作原理 在间壁式换热器中，热流体和冷流体可以平行流动，也可以交叉流动。平行流动在间壁式换热器中，热流体和冷流体可以平行流动，也可以交叉流动。平行流动时，若冷热流体流动方向相同，称为顺流式，若冷热流体流动方向相反，则称为逆流时，若冷热流体流动方向相同，称为顺流式，若冷热流体流动方向相反，则称为逆流式。当两种流体流动方向相互垂直时，成横流式或差流式。平行流动时，若冷热流式。当两种流体流动方向相互垂直时，成横流式或差流式。平行流动时，若冷热流体流动方向相
13、同，称为顺流式，若冷热流体流动方向相反，则称为逆流式。当两种流体流动方向相同，称为顺流式，若冷热流体流动方向相反，则称为逆流式。当两种流体流动方向相互垂直时，成横流式或差流式。如果几种情况都有称混流式。体流动方向相互垂直时，成横流式或差流式。如果几种情况都有称混流式。第18页，本讲稿共22页第三节第三节 换热器换热器 二、换热器的设计基本计算二、换热器的设计基本计算 换热器的设计计算常用平均温差法。换热器的设计计算常用平均温差法。第19页，本讲稿共22页第三节第三节 换热器换热器 二、换热器的设计基本计算二、换热器的设计基本计算 式中式中t1,t2分别为冷热流体的温度，而上角标分别表示进出口的
14、温度。但是，热交换的过程分别为冷热流体的温度，而上角标分别表示进出口的温度。但是，热交换的过程中，温度在变化，工程中对于温差的计算，有以下几种方法：中，温度在变化，工程中对于温差的计算，有以下几种方法：1.算术平均温度算术平均温度 如果进出口处冷热流体的温度差分别为如果进出口处冷热流体的温度差分别为 算术平均温度差算术平均温度差 误差较大，误差较大，只有在冷热了流体间温差变化不大时，才可以近似采用。只有在冷热了流体间温差变化不大时，才可以近似采用。第20页，本讲稿共22页第三节第三节 换热器换热器 二、换热器的设计基本计算二、换热器的设计基本计算2.对数平均温度差对数平均温度差第21页，本讲稿共22页第22页，本讲稿共22页