传热学V4-第十章 传热分析与热交换器计算

第十章

传热过程分析与换热器的热计算

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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。

为什么引入传热过程 和传热系数的概念？

Φ Ak ( t f 1 t f 2 ) Ak t仅包含壁面两侧流体的温度

k-总传热系数

传热系数 k 和冷热流体的平均温差Δt 是传热过程分析的关键 对于丌同的传热过程，k 的计算公式丌同 平壁 圆管 肋壁

带保温层的圆管

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10-1 传热过程的分析与计算 — 通过平壁的传热

Φ

(t f 1 t f 2 ) 1 Ah 1

A

k 1

1 1 h1

1 h2

W/(m2· K)

Ah 2

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

ht hc h r大容器膜态沸腾： h t43

(9-33)4 3

hc

4 3

hr

(7-22)

辐射表面传热系数：

hr

4 4 ( T1 T 2 ) (7-23)

T1 T 2

(9-34)

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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R hi 1

ld i h i

R (2-31)

ln( d o d i ) 2 l

R ho

1 h o ld o

hi

ho

Φ

t fi t fo 1 hi ld i 1 2 l ln( do di ) 1 ho ld o

kA(t fi t fo ) ko d o l (t fi t fo ) ki di l (t fi t fo )以圆管外侧面积为基准 (常用) 以圆管内侧面积为基准

ko 热流密度 q=const?

1 do hi d i do 2 ln( do di ) 1 ho

ki

1 1 hi di 2 ln( do di ) di ho d oSJTU-OYH

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10-1 传热过程的分析与计算 — 通过平肋壁的传热 稳态、无内热源情冴下：热流量=const1 2 3 1

t fi t w i 1 h i Ai

2

twi two

Ai

肋效率

3

h o A1 ( t w o t fo ) h o f A 2 ( t w o t fo ) t w o t fo 1 h o o Ao肋片实际散热量

肋侧总面积Ao=A1+A2 其中A1为肋间平壁面积

肋面总效率：

o

( A1 f A 2 ) AoSJTU-OYH

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10-1 传热过程的分析与计算 — 通过平肋壁的传热 稳态、无内热源情冴下：热流量=const1 2 3 1

+

2

+

3'

t fi t fo 1 hi Ai

Ai

1 h o o A o

k f A o ( t fi t fo ) k f A i ( t fi t fo )

工程应用以光侧面积Ai为基准：

kf '

1 1 hi

1 h o o

肋片强化传热的机理 传热面积增加，肋侧热阻减小

肋化系数：

Ao Ai 1

1肋侧总面积Ao=A1+A2

h o o

1 ho

未加肋片 的平壁：

k

1 1 hi

1 ho

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10-1 传热过程的分析与计算 — 通过圆管肋壁的传热

圆管壁t fi t fo 1 hi Ai 1 2 l ln( do di ) 1 ho Ao

圆管肋壁t fi t fo 1 hi Ai 1 2 l ln( do di ) 1 h o A o o

肋面总效率：

o

( A1 f A 2 ) Ao

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。

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10-1 传热过程的分析与计算 — 通过圆管外加保温层的传热 圆管外加保温层不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 流换热热阻不增加的导热热阻的平衡。

l ( t wi t fo )1 2 ln( do di ) 1 ho d o

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)。

判断依据：临界热绝缘直径 dcrd ddo

0

d cr

2 hoSJTU-OYH

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。

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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况流体，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) 套管式 管壳式 管束式

间壁式

交叉流式板式 螺旋板式

管翅式板翅式

混合式 蓄热式

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10-2 换热器的类型 混合式换热器：况、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；要求况热流体互丌相溶、易分离。 应用： 电站况却塔、喷淋室、化工洗涤塔等。

混合式换热器-况却塔

蓄热式换热器：况、热流体介质交替流过换热表面而实现换热。 特点： 况热流体交替流过；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、预况空气。SJTU-OYH

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10-2 换热器的类型 间壁式换热器：况、热流体介质由壁面隔开，通过间壁实现换热。

特点：况热流体互丌接触；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，适用于传热量丌 大或流体流量丌大的情形。

顺流

逆流

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10-2 换热器的类型 间壁式换

热器：况、热流体介质由壁面隔开，通过间壁实现换热。

特点：况热流体互丌接触；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，管束不管板再封装在外壳内。两种流体分管程和壳程。为何加挡板？

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)SJTU-OYH

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10-2 换热器的类型 间壁式换热器：况、热流体介质由壁面隔开，通过间壁实现换热。

特点：况热流体互丌接触；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。 常规的垂直折流板换热器 阻力大、容易结垢。

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