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1、机械工程与材料能源学部机械工程与材料能源学部 能源与动力工程学院能源与动力工程学院1传传 热热 学学第十章第十章 传热过程分析及换热器传热过程分析及换热器热计算热计算机械工程与材料能源学部机械工程与材料能源学部 能源与动力工程学院能源与动力工程学院2传传 热热 学学10-1 传热过程分析和计算传热过程分析和计算1.通过平壁的传热通过平壁的传热xth1,t1h2,t2tw1tw2q1=q2=q3=q传热系数传热系数传热方程传热方程h1和和h2的计算的计算机械工程与材料能源学部机械工程与材料能源学部 能源与动力工程学院能源与动力工程学院3传传 热热 学学 若若一一侧侧，如如左左侧侧介介质质为为H2
2、O+CO2等等具具有有辐辐射射、吸吸收收特特性性的的气气体体，且且温温度度很很高，需要考虑辐射特性。高，需要考虑辐射特性。传热方程：传热方程：xth1,t1h2,t2t2tw2机械工程与材料能源学部机械工程与材料能源学部 能源与动力工程学院能源与动力工程学院4传传 热热 学学2.通过圆管的传热通过圆管的传热h0,tf0hi,tfitwitw0rr0ri0tl1=2=3=对外侧而言：对外侧而言：机械工程与材料能源学部机械工程与材料能源学部 能源与动力工程学院能源与动力工程学院5传传 热热 学学h0,tf0hi,tfitwitw0rr0ri0tl对外侧而言：对外侧而言：习惯上，工程计算都以管外侧面
3、积为习惯上，工程计算都以管外侧面积为基准，因此基准，因此k未加角码未加角码“0”。从总热阻角度：从总热阻角度：不考虑结垢不考虑结垢机械工程与材料能源学部机械工程与材料能源学部 能源与动力工程学院能源与动力工程学院6传传 热热 学学3.通过肋壁的传热通过肋壁的传热hitfih0tf0twiAiA1A2A0=A1+A2tw0理想散热量理想散热量肋效率肋效率机械工程与材料能源学部机械工程与材料能源学部 能源与动力工程学院能源与动力工程学院7传传 热热 学学hitfih0tf0twiAiA1A2A0=A1+A2tw0肋面总效率肋面总效率机械工程与材料能源学部机械工程与材料能源学部 能源与动力工程学院能
4、源与动力工程学院8传传 热热 学学以肋侧表面积以肋侧表面积A0为基准的肋壁传热系数：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为基准的为基准的肋壁传热系数：肋壁传热系数：肋化系数：肋化系数：工工程程计计算算中中，为为表表征征一一种种强强化化表表面面相相对对光光滑滑表表面面的的优优越越性性，一一般般都都以以未未加加肋肋时时的的表表面面积积（或或扎扎制制肋肋片片前前胚胚管管面面积积）做做计计算算总总传传热热系系数数及及传传热热量量的的面面积积。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对比各种肋片表面传热性
5、能时，必须对计算面积有清楚的了解由由外侧热阻外侧热阻：机械工程与材料能源学部机械工程与材料能源学部 能源与动力工程学院能源与动力工程学院9传传 热热 学学4.临界热绝缘直径临界热绝缘直径反比反比h0,tf0hi,tfitwitw0rr0ri0tlh0,tf0绝缘层绝缘层twtw0rr0ri0tl通过绝缘层的换热量：通过绝缘层的换热量：临界热绝缘直径，记为临界热绝缘直径，记为dcr由由通过圆管的换热量：通过圆管的换热量：机械工程与材料能源学部机械工程与材料能源学部 能源与动力工程学院能源与动力工程学院10传传 热热 学学例例1：蒸蒸汽汽管管道道，管管道道外外侧侧包包有有水水泥泥珍珍珠珠岩岩保保温
6、温层层，管管的热损失。的热损失。保温材料导热系数：保温材料导热系数：=0.1W/(mK)外界对流换热系数：外界对流换热系数：h0=9W/(K)临界热绝缘直径临界热绝缘直径dcr:机械工程与材料能源学部机械工程与材料能源学部 能源与动力工程学院能源与动力工程学院11传传 热热 学学例例2：铝铝线线外外径径绝绝缘缘层层厚厚度度不同时每米电线的散热量。不同时每米电线的散热量。绝缘材料导热系数：绝缘材料导热系数：=0.15W/(mK)外界对流换热系数：外界对流换热系数：h0=10W/(K)临界热绝缘直径临界热绝缘直径dcr:机械工程与材料能源学部机械工程与材料能源学部 能源与动力工程学院能源与动力工程
7、学院12传传 热热 学学didcrddi若若didcr，则，则d0，消弱传热；，消弱传热；d0dcr，didcrRRcRd机械工程与材料能源学部机械工程与材料能源学部 能源与动力工程学院能源与动力工程学院13传传 热热 学学 讨论讨论1.强化传热强化传热2.圆筒壁圆筒壁削削弱传热弱传热b）在）在h极小一侧加肋片极小一侧加肋片a）一般一般小、小、大大/极小，可以忽略极小，可以忽略则则h1或或h2didcrddididcrRRcRd机械工程与材料能源学部机械工程与材料能源学部 能源与动力工程学院能源与动力工程学院14传传 热热 学学例例2：铝铝线线外外径径绝绝缘缘层层厚厚度度不同时每米电线的散热量
8、。不同时每米电线的散热量。计算换热量：计算换热量：分析：分析：计算：计算：机械工程与材料能源学部机械工程与材料能源学部 能源与动力工程学院能源与动力工程学院15传传 热热 学学10-2 换热器类型及平均温差换热器类型及平均温差蓄热式：蓄热式：炼铁高炉、炼钢平炉用来预冷或预热空气炼铁高炉、炼钢平炉用来预冷或预热空气火力发电厂冷却塔、化工厂火力发电厂冷却塔、化工厂 混合式：混合式：间壁式：间壁式：应用最广，冷、热两流体由壁面应用最广，冷、热两流体由壁面间隔开来而分别位于壁面两侧间隔开来而分别位于壁面两侧机械工程与材料能源学部机械工程与材料能源学部 能源与动力工程学院能源与动力工程学院16传传 热热
9、 学学1）套管式换热器）套管式换热器2）壳管式换热器）壳管式换热器1.间壁式换热器的主要型式间壁式换热器的主要型式机械工程与材料能源学部机械工程与材料能源学部 能源与动力工程学院能源与动力工程学院17传传 热热 学学3）交叉流换热器）交叉流换热器机械工程与材料能源学部机械工程与材料能源学部 能源与动力工程学院能源与动力工程学院18传传 热热 学学4）板式换热器）板式换热器5）螺旋板式换热器）螺旋板式换热器机械工程与材料能源学部机械工程与材料能源学部 能源与动力工程学院能源与动力工程学院19传传 热热 学学(hot)(cold)2.简单顺流及逆流换热器的对数平均温差简单顺流及逆流换热器的对数平均
10、温差(hot)(cold)机械工程与材料能源学部机械工程与材料能源学部 能源与动力工程学院能源与动力工程学院20传传 热热 学学由图可见：由图可见：热流体沿程放热，温度不断下降；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冷热流体间的温差沿程不断变化传热量：传热量：整整个个传传热热面面积积上上的的平均温差平均温差机械工程与材料能源学部机械工程与材料能源学部 能源与动力工程学院能源与动力工程学院21传传 热热 学学顺流：顺流：热流体下标热流体下标“1”冷流体下标冷流体下标“2”1）冷冷热热流流体体的的质质量量流流量量分分别
11、别为为qm1、qm2。比比 热热 容容 C1、C2，且且 C1=Const、C2=Const；2）传热系数在整个换热表面上不变；）传热系数在整个换热表面上不变；3）换热器无散热损失；换热器无散热损失；4）换换热热表表面面中中沿沿管管子子轴轴向向的的导导热热量量可可以忽略不计。以忽略不计。hotcold假设：假设：热流体：热流体：冷流体：冷流体：通过通过dA的温差：的温差：通过通过dA的热量：的热量：机械工程与材料能源学部机械工程与材料能源学部 能源与动力工程学院能源与动力工程学院22传传 热热 学学；并利用；并利用 ；将：将：微分微分分离分离变量变量积分积分可见，当地温差随换热面呈指数变化，则
12、沿整个换热面的平均温差为：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：机械工程与材料能源学部机械工程与材料能源学部 能源与动力工程学院能源与动力工程学院23传传 热热 学学对数平对数平均温差均温差同样适用于逆流换热，只是同样适用于逆流换热，只是统一表达形式：统一表达形式：机械工程与材料能源学部机械工程与材料能源学部 能源与动力工程学院能源与动力工程学院24传传 热热 学学3.其它复杂布置时换热器平均温差计算其它复杂布置时换热器平均温差计算适用于套管式、螺旋板式换热器计算适用于套管式、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：对于壳管式、交叉流式换热器平均温差
13、的计算：是将给定的冷、热流体的进出口温是将给定的冷、热流体的进出口温度布置成逆流时的对数平均温差度布置成逆流时的对数平均温差是小于是小于1的修正系数的修正系数这样，复杂布置时平均温差的计算就归结为获得修正系数这样，复杂布置时平均温差的计算就归结为获得修正系数工程应用中，通常采用查表获取修正系数工程应用中，通常采用查表获取修正系数机械工程与材料能源学部机械工程与材料能源学部 能源与动力工程学院能源与动力工程学院25传传 热热 学学10-3 换热器的热计算换热器的热计算热计算热计算设计计算设计计算不是独立变量不是独立变量校核计算校核计算换热器热计算的基本方程式是换热器热计算的基本方程式是传热方程式
14、传热方程式及及热平衡式热平衡式共有共有8个自变量个自变量对设计计算：对设计计算：对校核计算：对校核计算：设定设定 和和4个进、出口温度中的个进、出口温度中的3个温度，最个温度，最终求终求 设定设定 和和2个进口温度个进口温度 ，最终求最终求出口温度出口温度 机械工程与材料能源学部机械工程与材料能源学部 能源与动力工程学院能源与动力工程学院26传传 热热 学学换热器热计算的方法换热器热计算的方法平均温差法平均温差法传热单元数法传热单元数法1.换热器设计计算的平均温差法换热器设计计算的平均温差法具体设计计算步骤：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）初步布置换热器，并计算出
15、相应的传热系数k3）由冷、热流体的）由冷、热流体的4个进、出口温度确定个进、出口温度确定tm，计算式注意保持，计算式注意保持修正系数修正系数具有合适的数值。具有合适的数值。2）根根据据给给定定条条件件，由由热热平平衡衡式式 求求出出进进、出出口口温温度度中的那个特定温度中的那个特定温度4）有传热方程）有传热方程 求出所需的换热面积求出所需的换热面积A，并核算换热面积，并核算换热面积两侧流体的流动阻力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）如流动阻力过大，改变方案重新设计设定设定 和和4个进、出口温度个进、出口温度中的中的3个温度，最终求个温度，最终求 机械工程与材料能源学部机
16、械工程与材料能源学部 能源与动力工程学院能源与动力工程学院27传传 热热 学学2.换热器校核计算的平均温差法换热器校核计算的平均温差法具体设计计算步骤：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）根据换热器的结构，算出相应工作条件下的总传热系数k 1）先假设一个流体的出口温度，按热平衡方程）先假设一个流体的出口温度，按热平衡方程 求出求出另一个流体的出口温度另一个流体的出口温度2）根据）根据4个进、出口温度求得平均温差个进、出口温度求得平均温差tm4）已知）已知kA和和tm，求，求，此时由于流体出口温度是假设的，因，此时由于流体出口温度是假设的，因此求出的此求出的未
17、必真实。未必真实。设定设定 和和2个进口温度个进口温度 ，最终求出口温度最终求出口温度 5）由）由4个进、出口温度，用热平衡方程式求得另一个个进、出口温度，用热平衡方程式求得另一个，同理，这，同理，这个个也是假设的。也是假设的。6）比较）比较4）、）、5）步骤求得的两个）步骤求得的两个值，一般两者不一致，再重新值，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假设一个流体出口温度重复以上步骤1）到）到6）直到）直到4）、）、5）两）两个个相差相差2%5%。机械工程与材料能源学部机械工程与材料能源学部 能源与动力工程学院能源与动力工程学院28传传 热热 学学3.换热器的结垢及结垢热阻换热
18、器的结垢及结垢热阻 污垢增加了热阻，使传污垢增加了热阻，使传热系数减小，这种热阻成为热系数减小，这种热阻成为污垢热阻，用污垢热阻，用Rf表示表示:k为有污垢后的换热面的传热系数，为有污垢后的换热面的传热系数，k0为为洁净换热面的传热系数。洁净换热面的传热系数。对于两侧均已结构的管壳式换热器，以管对于两侧均已结构的管壳式换热器，以管子外表面为计算依据的传热系数可以表示成：子外表面为计算依据的传热系数可以表示成：管壁导管壁导热热阻热热阻外侧污外侧污垢热阻垢热阻内侧污内侧污垢热阻垢热阻内侧表面内侧表面传热系数传热系数外表面与内外表面与内表面面积比表面面积比外侧表面外侧表面传热系数传热系数肋面总效率（若表面未加肋面总效率（若表面未加肋，则肋，则0=1）机械工程与材料能源学部机械工程与材料能源学部 能源与动力工程学院能源与动力工程学院29传传 热热 学学作业：作业：10-310-3，1313v简答：vP23.1,3,5,6vP88.1,3,4vP151.1,2,6vP185.1,2,6vP224.1,2,5vP286.1,4,9vP338.1,5,8vP387.1,3,4,6,7,8vP445.1,4,5,7,8,9第九章 传热过程分析与