第九章傳熱過(guò)程分析與換熱器熱計(jì)算

1、第九章 傳熱過(guò)程分析與換熱器熱計(jì)算,§ 9-1 傳熱過(guò)程的分析和計(jì)算 傳熱過(guò)程 基本計(jì)算式(傳熱方程式),傳熱過(guò)程分析求解的基本關(guān)系為傳熱方程式,,,式中 為傳熱系數(shù)（在容易與對(duì)流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)想混淆時(shí)，稱總傳熱系數(shù)）。,1、通過(guò)平壁的傳熱,,由于平壁的兩側(cè)的面積是相等的，因此傳熱系數(shù)的數(shù)值不論對(duì)哪一側(cè)來(lái)說(shuō)都是一樣的。,2 通過(guò)圓管的傳熱,在穩(wěn)態(tài)條件下，通過(guò)各環(huán)節(jié)的熱流量是不變的。,圓柱面導(dǎo)熱：

2、,外部對(duì)流：,內(nèi)部對(duì)流：,對(duì)外側(cè)面積而言得傳熱系數(shù)的定義式由下式表示：,,,從熱阻的角度來(lái)看,上面三式相加,3、通過(guò)肋壁的傳熱,在表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)較小的一側(cè)采用肋壁是強(qiáng)化傳熱的一種行之有效的方法。下面以平壁的一側(cè)為肋壁的較簡(jiǎn)單的情況，作為分析肋壁傳熱的對(duì)象。,,,,,,式中， 為肋面總效率。,,定義肋化系數(shù)： 則傳熱系數(shù)為所以，只要 就可以起到強(qiáng)化

3、換熱的效果。,4、臨界熱絕緣直徑,為了減少管道的散熱損失，采用在管道外側(cè)覆蓋熱絕緣層或稱隔熱保溫層的辦法。熱流體通過(guò)管道壁和絕緣層傳熱給冷流體傳熱過(guò)程的熱阻為,,管道的散熱量為,根據(jù) ，可解得,這個(gè) 成為臨界熱絕緣直徑記為,§ 9-2 換熱器的型式及平均溫差,用來(lái)使熱量從熱流體傳遞到冷流體，以滿足規(guī)定的工藝要求的裝置統(tǒng)稱換熱器。分為間壁式、混合式及蓄熱式（或稱回?zé)崾剑┤箢悺?1、間壁式換熱器的主

4、要型式,適用于傳熱量不大或流體流量不大的情形。,（1）套管式換熱器,（2）殼管式換熱器,這是間壁式換熱器的一種主要形式，又稱管殼式換熱器。,,,1-2型換熱器,2-4型換熱器,（3）交叉流換熱器,它是間壁式換熱器的又一種主要型式。根據(jù)換熱表面結(jié)構(gòu)的不同又可有管束式、管翅式及板翅式等的區(qū)別 。,（4）板式換熱器,板式換熱器拆卸清洗方便，故適合于含有易污染物的流體的換熱。,,（5）螺旋板式換熱器,這種換熱器換熱效果較好，缺點(diǎn)是換熱器的密封比

5、較困難。,2 簡(jiǎn)單順流及逆流換熱器的對(duì)數(shù)平均溫差,傳熱方程的一般形式：,這個(gè)過(guò)程對(duì)于傳熱過(guò)程是通用的，下面推導(dǎo)簡(jiǎn)單順流及逆流換熱器的平均溫差計(jì)算式。,順流時(shí)平均溫差的推導(dǎo),以順流情況為例，作如下假設(shè)：（1）冷熱流體的質(zhì)量流量qm2、qm1以及比熱容C2,C1是常數(shù)；（2）傳熱系數(shù)是常數(shù)；（3）換熱器無(wú)散熱損失；（4）換熱面沿流動(dòng)方向的導(dǎo)熱量可以忽略不計(jì)。,在前面假設(shè)的基礎(chǔ)上，并已知冷熱流體的進(jìn)出口溫度，現(xiàn)在來(lái)看圖9-13中微元換

6、熱面dA一段的傳熱。溫差為：,在固體微元面dA內(nèi)，兩種流體的換熱量為:,對(duì)于熱流體:,對(duì)于冷流體:,,,,,可見(jiàn)，當(dāng)?shù)販夭铍S換熱面呈指數(shù)變化，則沿整個(gè)換熱面的平均溫差為：,,,,(1),(2),(3),,(1)、(2)、(3)相加,對(duì)數(shù)平均溫差,不論順流還是逆流，對(duì)數(shù)平均溫差可統(tǒng)一用以下計(jì)算式表示：,,平均溫差的另一種更為簡(jiǎn)單的形式是算術(shù)平均溫差，即,3、復(fù)雜布置時(shí)換熱器平均溫差的計(jì)算套管式換熱器及螺旋板式換熱器的平均溫差可以方便的按

7、逆流或順流布置的公式來(lái)計(jì)算。但對(duì)于殼管式換熱器及交叉流式換熱器的平均溫差一般采用以下公式來(lái)計(jì)算：,,,4、各種流動(dòng)型式的比較在相同的進(jìn)、出口溫度條件下：①逆流的平均溫差最大；②順流的平均溫差最??；③交叉流適中。 因此，換熱器應(yīng)當(dāng)盡量布置成逆流，而盡可能避免作順流布置。 但逆流也有缺點(diǎn)，即熱流體和冷流體的最高溫度 集中在換熱器的同一端。,,,,,,§ 9-3 換熱器的熱計(jì)算,分為設(shè)計(jì)計(jì)算和校核計(jì)算。換熱

8、器熱計(jì)算的基本公式為,,,傳熱方程式:,熱平衡方程式：,1、換熱器計(jì)算的平均溫差法平均溫差法用作設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)步驟如下：（1）初步布置換熱面，計(jì)算出相應(yīng)的傳熱系數(shù) 。（2）根據(jù)給定條件，由熱平衡式求出進(jìn)、出口溫度 中的那個(gè)待定的溫度 。（3）由冷、熱流體的4個(gè)進(jìn)、出口溫度確定平均溫 差，計(jì)算時(shí)要注意保持修正系數(shù) 具有合適 的數(shù)值。（4）由傳熱方程求出所需要的換熱面積 ，并核算

9、 換熱面兩側(cè)有流體的流動(dòng)阻力。（5）如流動(dòng)阻力過(guò)大，改變方案重新設(shè)計(jì)。,,,,,對(duì)于校核計(jì)算具體計(jì)算步驟：（1）先假設(shè)一個(gè)流體的出口溫度，按熱平衡式計(jì)算另一個(gè)出口溫度（2）根據(jù)4個(gè)進(jìn)出口溫度求得平均溫差（3）根據(jù)換熱器的結(jié)構(gòu)，算出相應(yīng)工作條件下的總傳熱系數(shù)k,（4）已知k、A和 ，按傳熱方程式計(jì)算在假設(shè)出口溫度下的（5）根據(jù)4個(gè)進(jìn)出口溫度，用熱平衡式計(jì)算另一個(gè) ，這個(gè)值和上面的 ，都是在假設(shè)出口溫度下得到

10、的，因此，都不是真實(shí)的換熱量（6）比較兩個(gè) ? 值，滿足精度要求，則結(jié)束，否則，重新假定出口溫度，重復(fù)(1)~(6)，直至滿足精度要求。,2 效能-傳熱單元數(shù)法(1)傳熱單元數(shù)和換熱器的效能,,,換熱器的效能按下式定義：,換熱器交換的熱流量：,①,下面揭示換熱器的效能與哪些變量有關(guān)。 以順流換熱器為例，并假設(shè) 則有,根據(jù)熱平衡式得：,②,于是,式①， ②相加：,整理：,由上一節(jié)知道,③,帶入③式

11、得,把上一節(jié)中 帶入上式得,④,⑤,當(dāng) 時(shí)，類似推導(dǎo)可得,⑥,將⑤⑥合并寫成,⑦,令,⑦可寫成,類似的推導(dǎo)可得逆流換熱器的效能為,稱為傳熱單元數(shù),,當(dāng)冷熱流體之一發(fā)生相變時(shí)，即 趨于無(wú)窮大時(shí)，于是上面效能公式可簡(jiǎn)化為,當(dāng)兩種流體的熱容相等時(shí)， ? 公式可以簡(jiǎn)化為,順流：,逆流：,根據(jù) 及 的定義及換熱器兩類熱計(jì)算的任務(wù)可知，設(shè)計(jì)計(jì)算是已知 求 ，而校核計(jì)算則是由 求取

12、 值。它們計(jì)算步驟都與平均溫差中對(duì)應(yīng)計(jì)算大致相似，故不再細(xì)述。,,,,,,3、用效能—傳熱單元數(shù)法（法）計(jì)算換熱器的步驟,4 換熱器設(shè)計(jì)時(shí)的綜合考慮 換熱器設(shè)計(jì)是綜合性的課題，必須考慮出投資，運(yùn)行費(fèi)用，安全可靠等諸多因素。5 換熱器的結(jié)垢及污垢熱阻 污垢增加了熱阻，使傳熱系數(shù)減小，這種熱阻成為污垢熱阻，用Rf表示，式中：k為有污垢后的換熱面的傳熱系數(shù)，k0為潔凈換熱面的傳熱系數(shù)。,對(duì)于兩側(cè)均已結(jié)構(gòu)的管殼式換熱器

13、，以管子外表面為計(jì)算依據(jù)的傳熱系數(shù)可以表示成：如果管子外壁沒(méi)有肋化，則肋面總效率?o = 1。管殼式換熱器的部分污垢熱阻可以在表9-1種查得。,§ 9-4 傳熱的強(qiáng)化和隔熱保溫技術(shù),強(qiáng)化傳熱的目的：①縮小設(shè)備尺寸；②提高熱效率；③保證設(shè)備安全。削弱傳熱的目的：減少熱量損失,1、增強(qiáng)傳熱的方法,（1）擴(kuò)展傳熱面 擴(kuò)展傳熱壁換熱系數(shù)小的一側(cè)的面積，是增強(qiáng)傳熱中使用最廣泛的一種方法，如肋壁、肋片管、波紋

14、管、板翅式換熱面等，它使換熱設(shè)備傳熱系數(shù)及單位體積的傳熱面積增加，能收到高效緊湊的效益。,（2）改變流動(dòng)狀況 增加流速、增強(qiáng)擾動(dòng)、采用旋流及射流等都能起增強(qiáng)傳熱的效果，但這些措施將引起流動(dòng)阻力的增加。,a、增加流速 增加流速可改變流態(tài)，提高紊流強(qiáng)度。,,b、流道中加插入物增強(qiáng)擾動(dòng) 在管內(nèi)或管外加進(jìn)插入物，如金屬絲、金屬螺旋環(huán)、盤片、麻花鐵、翼形物，以及將傳熱面做成波紋狀等措施都可增強(qiáng)擾動(dòng)、破壞流動(dòng)邊界

15、層，增強(qiáng)傳熱。,c、采用旋轉(zhuǎn)流動(dòng)裝置 在流道進(jìn)口裝渦流發(fā)生器，使流體在一定壓力下從切線方向進(jìn)入管內(nèi)作劇烈的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，用渦旋流動(dòng)以強(qiáng)化傳熱。d、采用射流方法噴射傳熱表面 由于射流撞擊壁面，能直接破壞邊界層，故能強(qiáng)化換熱。它特別適用于強(qiáng)化局部點(diǎn)的傳熱。,（3）使用添加劑改變流體物性 流體熱物性中的導(dǎo)熱系數(shù)和容積比熱對(duì)換熱系數(shù)的影響較大。在流體內(nèi)加入一些添加劑可以改變流體的某些熱物理性能，達(dá)到強(qiáng)化傳熱的效果。添加劑可以

16、是固體或液體，它與換熱的主流體組成氣-固、液-固、汽-液以及液-液混合流動(dòng)系統(tǒng)。,a、氣流中添加少量固體顆粒 固體顆粒提高了流體的容積比熱和它的熱容量，增強(qiáng)氣流的擾動(dòng)程度，固體顆粒與壁面撞擊起到破壞邊界層和攜帶熱能的作用，增強(qiáng)了熱輻射。,b、在蒸汽或氣體中噴入液滴 在蒸汽中加入珠狀凝結(jié)促進(jìn)劑； 在空氣冷卻器入口噴入水霧，使氣相換熱變?yōu)橐耗Q熱。,（4）改變表面狀況,a、增加粗糙度b、改變表面結(jié)構(gòu)c、表面涂層,（5

17、）改變換熱面形狀和大小 如用小直徑管子代替大直徑管子，用橢圓管代替圓管的措施而收到提高換熱系數(shù)的好處。此外，在凝結(jié)換熱中盡量采用水平管亦是一例。（6）改變能量傳遞方式 由于輻射換熱與熱力學(xué)溫度4次方成比例，一種在流道中放置“對(duì)流-輻射板”的增強(qiáng)傳熱方法正逐步得到重視。,,,（7）靠外力產(chǎn)生振蕩，強(qiáng)化換熱 用機(jī)械或電的方法使傳熱面或流體產(chǎn)生振動(dòng)； 對(duì)流體施加聲波或超聲波，使流體交替地受到壓縮和膨

18、脹，以增加脈動(dòng)； 外加靜電場(chǎng)，對(duì)流體加以高電壓而形成一個(gè)非均勻的電場(chǎng)，靜電場(chǎng)使傳熱面附近電介質(zhì)流體的混合作用加強(qiáng)，強(qiáng)化了對(duì)流換熱。,2 確定傳熱過(guò)程分熱阻的威爾遜圖解法 利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以測(cè)定壁面和流體的溫度，從而獲得平均溫差，利用熱平衡方程式獲得熱流量，換熱面積可以根據(jù)設(shè)計(jì)情況獲得，這樣就可以通過(guò)傳熱方程式計(jì)算出總表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。這是威爾遜圖解法的基礎(chǔ)。 我們已管殼式換熱器為例，說(shuō)明如何應(yīng)用威爾遜圖解法獲得各個(gè)

19、分熱阻?？偙砻?zhèn)鳠嵯禂?shù)可以表示成：,工業(yè)換熱器中的管內(nèi)流體的流動(dòng)一般都是處于旺盛湍流狀態(tài)，hi 與流速u0.8成正比，因此，可以寫成 的形式，帶入上式：,上式右邊的前三項(xiàng)可認(rèn)為是常數(shù)，用 b 表示，物性不變的情況下， 可以認(rèn)為是常數(shù)，用m表示，于是上式可變?yōu)楦淖児軆?nèi)流速u，則可以測(cè)得一系列的總表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，然后繪制成圖，則是一條直線，如圖(9-31)所示,從這個(gè)圖中可以獲得b，m，和ci，從而，管子內(nèi)側(cè)的

20、對(duì)流換熱系數(shù)這樣就將內(nèi)部熱阻從總傳熱系數(shù)中分離出來(lái)，然后，當(dāng)換熱器運(yùn)行一段時(shí)間后，再進(jìn)行同樣過(guò)程的測(cè)量，可以獲得另外一條曲線，則兩條曲線截距之差就是污垢熱阻，這樣又把污垢熱阻分離出來(lái)了。,3、隔熱保溫技術(shù) 絕熱技術(shù)（隔熱保溫技術(shù)）對(duì)于減少熱力設(shè)備的熱損失、節(jié)約能源具有顯著經(jīng)濟(jì)效益。在新技術(shù)領(lǐng)域，絕熱技術(shù)對(duì)于實(shí)現(xiàn)某些過(guò)程具有特別重大的意義。例如，各種高速飛行器（如航天飛機(jī)等）在通過(guò)大氣層時(shí)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的氣動(dòng)加熱，若無(wú)適當(dāng)?shù)?/p>