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1、第十章第十章 传热和换热器传热和换热器10-1 10-1 通过肋壁的传热通过肋壁的传热 10-2 10-2 有复合换热时的传热计算有复合换热时的传热计算 10-3 10-3 传热的增强和削弱传热的增强和削弱 10-4 10-4 换热器的基本型式与构造换热器的基本型式与构造 10-5 10-5 平均温度差平均温度差 10-6 10-6 换热器计算换热器计算 在表面传热系数较小的一侧采用肋壁是强化传热的一在表面传热系数较小的一侧采用肋壁是强化传热的一种行之有效的方法。下面以平壁的一侧为肋壁的较简种行之有效的方法。下面以平壁的一侧为肋壁的较简单的情况，作为分析肋壁传热的对象。单的情况，作为分析肋壁传
2、热的对象。10-1 10-1 通过肋壁的传热通过肋壁的传热 1 1肋壁的换热量计算肋壁的换热量计算肋壁的换热量计算肋壁的换热量计算稳态下换热情况：稳态下换热情况：光壁换热：壁的导热:(1)(2)肋壁换热：引入肋片的效率：引入肋片的效率：于是肋壁换热：定义肋壁的总效率：定义肋壁的总效率：(3)2 2 2 2 说明说明说明说明(1)(1)加肋后加肋后,换热热阻减小换热热阻减小,其减小的程度与其减小的程度与 有关有关(2)(2)涉及到肋片的间距、高度、厚度、形状、肋的材涉及到肋片的间距、高度、厚度、形状、肋的材料及制造工艺等料及制造工艺等10-2 10-2 有复合换热时的传热计算有复合换热时的传热计
3、算 1 1复合换热复合换热复合换热复合换热对流与辐射并存的换热，称为对流与辐射并存的换热，称为复合换热。复合换热。复合换热。复合换热。2 2 2 2 复合换热的换热量计算复合换热的换热量计算复合换热的换热量计算复合换热的换热量计算qtwqr,hr,tamqc,hc,tf如图所示，设壁温为如图所示，设壁温为t tw,w,气体介质温气体介质温度为度为t tf,f,周围环境温度为周围环境温度为t tamam,对流换对流换热表面传热系数为热表面传热系数为h hc c,壁与周围环境壁与周围环境间的相当发射率为间的相当发射率为。对流换热热流密度：对流换热热流密度：对流换热热流密度：对流换热热流密度：辐射热
4、流密度：辐射热流密度：辐射热流密度：辐射热流密度：复合换热热流密度：复合换热热流密度：复合换热热流密度：复合换热热流密度：复合换热表面传热系数复合换热表面传热系数 例例10-1 10-1 冬季某车间外墙的内壁温度冬季某车间外墙的内壁温度t tw wl0l0o oC C，发射率，发射率0.90.9，车间四周内墙壁温，车间四周内墙壁温t tamam1515o oC C，车间温度，车间温度t tf f2020o oC C。已知外墙内壁对流换热系数已知外墙内壁对流换热系数c c3.2W3.2Wm m2 2 o oC C。求该求该壁每平方米的热流通量，复合换热系数，壁每平方米的热流通量，复合换热系数，车
5、间因辐射而车间因辐射而散热所占百分比。散热所占百分比。团fff*mf w，放解：3.3.3.3.改变流体物性改变流体物性改变流体物性改变流体物性（1 1 1 1）气流中添加少量固体颗粒）气流中添加少量固体颗粒）气流中添加少量固体颗粒）气流中添加少量固体颗粒（2 2 2 2）在蒸汽或气体中喷入液滴）在蒸汽或气体中喷入液滴）在蒸汽或气体中喷入液滴）在蒸汽或气体中喷入液滴4.4.4.4.改变表面状况改变表面状况改变表面状况改变表面状况（1 1 1 1）增加粗糙度）增加粗糙度）增加粗糙度）增加粗糙度（2 2 2 2）改变表面结构）改变表面结构）改变表面结构）改变表面结构（3 3 3 3）表面涂层）表面
6、涂层）表面涂层）表面涂层5.5.5.5.改变换热面形状和大小改变换热面形状和大小改变换热面形状和大小改变换热面形状和大小6.6.6.6.改变能量传递方式改变能量传递方式改变能量传递方式改变能量传递方式一一一一.换热器的定义：换热器的定义：换热器的定义：换热器的定义：10-4 10-4 换热器的基本型式与构造换热器的基本型式与构造 用来使热量从热流体传递到冷流体，以满足规定的工艺要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求的装置二二二二.换热器的分类：换热器的分类：换热器的分类：换热器的分类：蓄热式蓄热式管束式管束式管翅式管翅式板翅式板翅式换热器换热器间壁式间壁式混合式混合式套
7、管式套管式壳管式（管壳式）壳管式（管壳式）交叉流交叉流板式板式螺旋板式螺旋板式增加管程增加管程增加管程增加管程进一步增加管程和壳程进一步增加管程和壳程进一步增加管程和壳程进一步增加管程和壳程2 2 2 2 交叉流换热器：交叉流换热器：交叉流换热器：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间壁式换热器的又一种主要形式。其主要特点是冷热流间壁式换热器的又一种主要形式。其主要特点是冷热流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、管翅式和体呈交叉状流动。交叉流换热器又分管束式、管翅式和体呈交叉状流动。交叉流换热器又分管束式、管翅式和体
8、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。板翅式三种。板翅式三种。板翅式三种。(c)(c)板翅式交叉流换热器板翅式交叉流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。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，一般将大于量指标，一般将大于700m2/m3700m2/m3的换热器称为的换热器称为紧凑式换热器紧
9、凑式换热器紧凑式换热器紧凑式换热器，板翅式换热器多属于紧凑式，因此，日益受到重视。板翅式换热器多属于紧凑式，因此，日益受到重视。3 3 3 3 板式换热器：板式换热器：板式换热器：板式换热器：单流程单流程单流程单流程多流程多流程多流程多流程对角流对角流对角流对角流换热表面由两块金属板卷制而成，优点：换热效果好；缺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。点：密封比较困难。4 4 4 4 螺旋板式换热器：螺旋板式换热器：螺旋板式换热器：螺旋板式换热器：一一一一 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温差简单顺流及逆流换热器的对数平均温差简单顺流
10、及逆流换热器的对数平均温差传热方程的一般形式：传热方程的一般形式：这个过程对于传热过程是通用的，但是当温差这个过程对于传热过程是通用的，但是当温差 沿整个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数平均温差(LMTD)(LMTD)的公式，但是没有给出推导。下面我们的公式，但是没有给出推导。下面我们就来看看就来看看LMTDLMTD的推导过程。的推导过程。9-5 9-5 平均温度差平均温度差 （4 4）换热面沿流动方向的导热量
11、可以忽略不计。）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，即换热面积的变化，即 ，然后再沿整个换热面积进行，然后再沿整个换热面积进行平均平均1.1.对数平均温差的计算对数平均温差的计算对数平均温差的计算对数平均温差的计算以顺流情况为例以顺流情况为例以顺流情况为例以顺流情况为例假设：假设：假设：假设：（1 1）冷热流体的质量流量）冷热流体的质量流量M M2 2、M M1 1以及比热容以及比热容c c2 2,c,c1 1是常数；是常数；(2)(2)传热系数是常数；传热系数是常数；
12、（3 3）换热器无散热损失；）换热器无散热损失；在前面假设的基础上，并已知冷热流体的在前面假设的基础上，并已知冷热流体的进出口温度，现在来看右图中微元换热面进出口温度，现在来看右图中微元换热面dAdA一段的传热。温差为：一段的传热。温差为：在固体微元面在固体微元面dAdA内，两种流体的换热量为内，两种流体的换热量为:对于热流体和冷流体对于热流体和冷流体:对整个换热面进行积分得：对整个换热面进行积分得：在换热器中，热流体的换热量为：在换热器中，热流体的换热量为：冷流体的换热量为：冷流体的换热量为：对于逆流，同样可推导与顺流时相同的计算式对于逆流，同样可推导与顺流时相同的计算式对于逆流，同样可推导
13、与顺流时相同的计算式对于逆流，同样可推导与顺流时相同的计算式或者我们也可以将对数平均温差写成如下或者我们也可以将对数平均温差写成如下统一形式统一形式统一形式统一形式(顺流顺流和逆流都适用和逆流都适用)顺流和逆流的区别在于：顺流和逆流的区别在于：顺流和逆流的区别在于：顺流和逆流的区别在于：顺流：顺流：顺流：顺流：逆流：逆流：逆流：逆流：平均温差的另一种更为简单的形式是算术平均温差，即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，当同进出口温度下的对数平均
14、温差，当 时，两者的差时，两者的差别小于别小于4 4；当；当 时，两者的差别小于时，两者的差别小于2.32.3。2.2.2.2.算术平均温差算术平均温差算术平均温差算术平均温差3.3.3.3.其他复杂布置时换热器平均温差的计算其他复杂布置时换热器平均温差的计算其他复杂布置时换热器平均温差的计算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以上所讨论的对数平均温差(LMTD)(LMTD)只是针对纯顺流和纯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。都是
15、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，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。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是给定的冷热流体的进出口温度布置成逆流时的LMTDLMTD，是小于是小于1 1的修正系数。的修正系数。（3 3）R R的物理意义：两种流体的热容量之比的
16、物理意义：两种流体的热容量之比（2 2）P P的物理意义：流体的物理意义：流体2 2的实际温升与理论上所能达到的实际温升与理论上所能达到 的最大温升之比，所以只能小于的最大温升之比，所以只能小于1 1（4 4）对于管壳式换热器，查图时需要注意流动的对于管壳式换热器，查图时需要注意流动的“程程”数数（1 1）值取决于无量纲参数值取决于无量纲参数 P P和和 R R关于关于关于关于 的注意事项的注意事项的注意事项的注意事项4.4.4.4.各种流动形式的比较各种流动形式的比较各种流动形式的比较各种流动形式的比较InOutInOut(1)(1)顺流和逆流是两种极端情况，在相同的进出口温度下，顺流和逆流
17、是两种极端情况，在相同的进出口温度下，逆流的逆流的 最大，顺流则最小；最大，顺流则最小；（2 2）顺流时）顺流时 ，而逆流时，而逆流时，则可能大于则可能大于 ，可见，逆流布置时的换热最强。可见，逆流布置时的换热最强。(4)(4)对于有相变的换热器，如蒸发器和冷凝器，发生相变的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。流体温度不变，所以不存在顺流还是逆流的问题。xTIn Out冷凝冷凝xTIn Out蒸发蒸发(3)(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
18、虑很多因素，而不仅仅？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生破坏，因此，对于高温换热器，又是需要故意设计成顺流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传热方程式传热方程式传热方程式及及及及热平衡式热平衡式热平衡式热平衡式10-6 10-6 换热器计算换热器计算 换热器热计算分两种情况：换热器热计算分两种
19、情况：设计计算和校核计算设计计算和校核计算设计计算和校核计算设计计算和校核计算(1)(1)(1)(1)设计计算：设计计算：设计计算：设计计算：设计一个新的换热器，以确定所需的换热面积设计一个新的换热器，以确定所需的换热面积(2)(2)(2)(2)校核计算：校核计算：校核计算：校核计算：对已有或已选定了换热面积的换热器，在非设对已有或已选定了换热面积的换热器，在非设 计工况条件下，核算他能否胜任规定的新任务计工况条件下，核算他能否胜任规定的新任务式中，式中，不是独立变量，因为它取决于不是独立变量，因为它取决于 以以及换热器的布置。另外，根据公式可知，一旦及换热器的布置。另外，根据公式可知，一旦
20、和和 以及以及 中的三个已知的话，我中的三个已知的话，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中共有8 8个未知数，即个未知数，即以及以及 中的三个中的三个需要给定其中的需要给定其中的5 5个变量，才可以计算另外三个变量。个变量，才可以计算另外三个变量。对于对于设计计算设计计算而言，给定的是而言，给定的是 ，以及进出口，以及进出口温度中的三个，最终求温度中的三个，最终求对于对于校核计算校核计算而言，给定的一般是而言，给定的一般是 ，以及，以及2 2个进口个进口温度，待求的是温度，待求的是1.1.1.1.平均温差法平均温差法平均温差
21、法平均温差法换热器的热计算有两种方法：换热器的热计算有两种方法：平均温差法平均温差法;效能效能-传热单元传热单元数数(-NTU)-NTU)法法 （1 1 1 1）设计计算步骤）设计计算步骤）设计计算步骤）设计计算步骤已知参数：已知参数：中的中的5 5个个未知参数：未知参数：步骤：步骤：a.a.由由 求出其中的未知的那求出其中的未知的那个参数个参数 b.b.选择换热器型式，初步布置换热面，并计算两侧流体选择换热器型式，初步布置换热面，并计算两侧流体的表面传热系数及总传热系数的表面传热系数及总传热系数c.c.根据换热器型式和两流体进出口温度计算对数平均温差根据换热器型式和两流体进出口温度计算对数平
22、均温差d.d.计算传热面积计算传热面积A Ae.e.核算两侧流体流动阻力，若阻力过大，则需改变换热器的核算两侧流体流动阻力，若阻力过大，则需改变换热器的布置和型式，重新进行设计计算布置和型式，重新进行设计计算（2 2 2 2）校核计算步骤）校核计算步骤）校核计算步骤）校核计算步骤已知参数：已知参数：未知参数：未知参数：(1)(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温度步骤：步骤：(2)(2)根据根据4 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(3)(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
23、构，算出相应工作条件下的总传热系数k k(4)(4)已知已知kAkA和和 ，按传热方程式计算在假设出口温度下的，按传热方程式计算在假设出口温度下的(5)(5)根据根据4 4个进出口温度，用热平衡式计算另一个个进出口温度，用热平衡式计算另一个 ，这个，这个值和上面的值和上面的 ，都是在假设出口温度下得到的，因此，都，都是在假设出口温度下得到的，因此，都不是真实的换热量不是真实的换热量(6)(6)比较两个比较两个 值，满足精度要求，则结束，否则，重新假值，满足精度要求，则结束，否则，重新假定出口温度，重复定出口温度，重复(1)(6)(1)(6)，直至满足精度要求。，直至满足精度要求。2.2.2.2
24、.效能效能效能效能-传热单元数法传热单元数法传热单元数法传热单元数法(1)(1)(1)(1)换热器的效能和传热单元数换热器的效能和传热单元数换热器的效能和传热单元数换热器的效能和传热单元数 换热其效能的定义是基于如下思想：当换热器无限长，换热其效能的定义是基于如下思想：当换热器无限长，对于一个对于一个逆流换热器逆流换热器逆流换热器逆流换热器来讲，则会发生如下情况来讲，则会发生如下情况a.a.当当 时，时，则，则b.b.当当 时，时，则，则于是，我们可以得到于是，我们可以得到然而，实际情况的传热量然而，实际情况的传热量q q总是小于可能的最大传热量总是小于可能的最大传热量q qmaxmax，我们
25、将我们将q/qq/qmaxmax定义为换热器的效能，并用定义为换热器的效能，并用 表示，即表示，即对于一个已存在的换热器，如果已知了效能对于一个已存在的换热器，如果已知了效能 和冷热流体的进口和冷热流体的进口温差，则实际传热量可很方便地求出温差，则实际传热量可很方便地求出那么在未知传热量，之前，那么在未知传热量，之前，又如何计算？和那些因素有又如何计算？和那些因素有关？以关？以顺流顺流换热器为例，并假设换热器为例，并假设 ，则有，则有根据热平衡式得：根据热平衡式得：于是于是热容比热容比热容比热容比式式，相加：相加：式式代入下式得：代入下式得：+当当 时，同样的推导过程可得：时，同样的推导过程可
26、得：上面的推导过程得到如下结果，对于上面的推导过程得到如下结果，对于顺流：顺流：当当 时时上面两个公式合并，可得：上面两个公式合并，可得：换热器效能公式中的换热器效能公式中的 依赖于换热器的设计，依赖于换热器的设计，则依赖于则依赖于换热器的运行条件，因此，换热器的运行条件，因此，在一定程度上表征了换热器综在一定程度上表征了换热器综合技术经济性能，习惯上将这个比值（无量纲数）定义为传热合技术经济性能，习惯上将这个比值（无量纲数）定义为传热单元数单元数NTUNTU，即，即因此，因此，与顺流类似，与顺流类似，逆流逆流逆流逆流时：时：当冷热流体之一发生相变时当冷热流体之一发生相变时，相当于，相当于 ，
27、即，即 ，于是上面效能公式可简化为，于是上面效能公式可简化为当两种流体的热容相等时，即当两种流体的热容相等时，即 公式可以简化为公式可以简化为顺流：顺流：顺流：顺流：逆流：逆流：逆流：逆流：(2)(2)(2)(2)用效能用效能用效能用效能-传热单元数法计算换热器的步骤传热单元数法计算换热器的步骤传热单元数法计算换热器的步骤传热单元数法计算换热器的步骤a a a a 设计计算设计计算设计计算设计计算 显然，利用已知条件可以计算出显然，利用已知条件可以计算出 ，而带求的，而带求的k k，A A则包含在则包含在NTUNTU内，因此，对于设计计算是已知内，因此，对于设计计算是已知 ，求，求NTUNTU
28、，求解过程与平均温差法相似，不再重复，求解过程与平均温差法相似，不再重复 由于由于k k事先不知，所以仍然需要假设一个出口温度，具事先不知，所以仍然需要假设一个出口温度，具体如下：体如下：假设一个出口温度假设一个出口温度 ，利用热平衡式计算另一个，利用热平衡式计算另一个 利用四个进出口温度计算定性温度，确定物性，并结合利用四个进出口温度计算定性温度，确定物性，并结合换热器结构，计算总传热系数换热器结构，计算总传热系数k k 利用利用k,Ak,A计算计算NTUNTUb b b b 校核计算校核计算校核计算校核计算（，及两个进口温度，求，及两个进口温度，求 ）利用利用NTUNTU计算计算 利用利用
29、(9-17)(9-17)计算计算，利用，利用(9-14)(9-14)计算另一个计算另一个 比较两个比较两个，是否满足精度，否则重复以上步骤，是否满足精度，否则重复以上步骤从上面步骤可以看出，假设的出口温度对传热量从上面步骤可以看出，假设的出口温度对传热量 的影响的影响不是直接的，而是通过定性温度，影响总传热系数，从而不是直接的，而是通过定性温度，影响总传热系数，从而影响影响NTUNTU，并最终影响，并最终影响 值。而平均温差法的假设温度直值。而平均温差法的假设温度直接用于计算接用于计算 值，显然值，显然-NTU-NTU法对假设温度没有平均温差法法对假设温度没有平均温差法敏感，这是该方法的优势。
30、敏感，这是该方法的优势。思考题：思考题：1.1.试说明通过平板与圆管的传热系数的计算方法试说明通过平板与圆管的传热系数的计算方法？2.2.肋化系数和肋面总效率是怎样定义的？肋效率肋化系数和肋面总效率是怎样定义的？肋效率,肋化肋化系数和肋面总效率之间有什么区别？系数和肋面总效率之间有什么区别？3.3.换热器有那些主要形式换热器有那些主要形式?4.4.什么是换热器的效能和传热单元数什么是换热器的效能和传热单元数.5.5.在换热器热计算中在换热器热计算中,平均温差法和传热单元法各有平均温差法和传热单元法各有什么特点什么特点?6.6.强化传热系数的原则是什么强化传热系数的原则是什么?7.7.强化传热和削弱传热的方法有哪些强化传热和削弱传热的方法有哪些?8.8.试说明换热器设计计算和校核计算的步骤。试说明换热器设计计算和校核计算的步骤。