传热学V4-第十章 传热分析与热交换器计算
传热学第十章
（2） 管壳式换热器 由管子和外壳构成。
（2） 管壳式换热器 由管子和外壳构成。
2壳程、4管程换热器
管壳式换热器结构牢固可靠、耐高温高压。
列管式冷凝器实例
波纹管换热器
波纹换热管
（3） 肋片管式换热器 由带肋片的管束构成的换热装置。
肋片管式换热器适用于管内液体和管外气体之间 的换热，且两侧表面传热系数相差较大的场合。
（4） 板翅式换热器 由金属板和波纹板形翅片层叠、交错焊接而成。
板翅式换热器结构紧凑、传热系数高。
（5） 板式换热器 由若干片压制成型的波纹状金属板叠加而成。
（5） 板式换热器
1 ,2 介质 3 环行孔道
垫圈 4 板片密封
垫圈 5 激光切焊
焊缝 6 焊接密封
流道
特点：结构紧凑 ,占用空间小；传热系数高 ；端部温差小(可达1℃); 热损失小 ，热效率高(≥98%); 适应性面式，在工程中最常用 混合式—适用于冷热流体为同类介质的场合 回热式(蓄热式) —适用于气体与气体间的换热,
为非稳态过程
2. 按表面的紧凑程度分: 紧凑式与非紧凑式 紧凑程度用当量直径d e (d h) 或传热面积密度 β来衡量 (β---单位体积中的传热面积)
kAo hi Ai 2 l di ho Ao
ri r0
通过肋壁的传热系数
10-2 换热器的类型
换热器：换热器也称热交换器，是把热量从一种 介质传给另一种介质的设备
换热器广泛应用于广泛应用于化工、能源、机械、 交通、制冷空调、航空航天以及日常生活等各个领 域。
换热器不仅是保证某些工艺流程和条件而广泛采用 的设备，也是开发利用工业二次能源，实现余热回 收和节能利用的主要设备。
紧凑式—β≥700m2/m3, 或dh≤6mm 层流换热器—β＞3000m2/m3, 或100μm ≤dh≤1mm 微型换热器–β＞15000m2/m3, 或100μm≤dh≤1mm
《传热学》第10章-传热过程与换热器计算
hr
=
Φr
A(tw − tf
)
辐射换 热量
h = hc + hr
总换热量
ห้องสมุดไป่ตู้
对流换热表面 传热系数
Φ = Φc + Φr = (hc + hr )A(tw − tf ) = hA(tw − tf )
例题
v 热电厂中有一水平放置的蒸汽管道，内径为 d1=100mm，壁厚δ1=4mm，钢管材料的导热系数 为 λ1=40 W/(m.K)，外包厚度为δ2=70mm厚的保温 层，保温材料的导热系数为λ2=0.05 W/(m.K)，。管 内蒸汽温度为tf1=300℃，管内表面传热系数为 h1=200 W/(m2.K)，保温层外壁面复合换热表面传 热系数为h2=8 W/(m2.K)，，周围空气的温度为 t∞=20℃，。试计算单位长度蒸汽管道的散热损失 Φl及管道外壁面与周围环境辐射换热表面传热系数 hr2。
临界热绝缘直径
Rk =
1 πd1lh1
+
1 2πλ1l
ln
d2 d1
+
1 2πλxl
ln
dx d2
+
1 πd x lh2
dx
当d2较小时，总热阻 Rk 先随着 dx 的增大而减小, 然后再随着 dx 的增
大而增大, 中间出现极小值，相应热 流量 Φ出现极大值 .
热阻 Rk 取得极小值时的保温层 外径 dx 称为临界绝缘直径 , 用 dc 表示
优点是结构与制造工 艺简单、价格低廉， 流通阻力小；缺点是 不易清洗、承压能力 低。
间壁式换热器流动型式
在冷、热 流体进口 温度相 同、流量 相同、换 热面面积 相同的情 况下，
传热学第十章传热过程和换热器计算
1
10.1 传热过程的分析和计算
传热过程：热量由壁面一侧的流体通过壁面传到另一侧流 体中去的过程。（两个流体通过壁面的换热过程。） 【传热过程是传热学中特指的概念】
传热方程式： Φ = K A Δt
式中：K为传热系数(总传热系数)。对于不同的传热过程，
K的计算公式不同。
25
（1）加大传热温差 tm
在冷、热流体进、出口温度相同的情况下，逆流的平均温 差最大，顺流的平均温差最小，因此从强化传热的角度出 发，换热器应当尽量布置成逆流。
（2）减小传热热阻 Rk
1）多布置换热面，增加总传热面积A，可降低总传热热阻， 加大传热量。
2）降低污垢热阻。
3）减小对流换热热阻Rh1、Rh2。如果两个热阻相差较大，应 抓住主要矛盾，设法减小其中最大的热阻。
Φ Ko Ao (t fi t fo )
说明： 也可以以内表面为基准。
ho
4
3. 带保温层的金属圆管传热 —— 临界热绝缘直径
圆管外敷保温层后：
Φ
1
l(t fi t fo ) 1 ln( di 2 )
1
hidi 2
di
ho (di 2 )
可见，保温层使得导热热阻增加，换热削弱；降低对流 换热热阻，使得换热增强，那么，综合效果到底是增强 还是削弱呢？
传热工程技术的两个方向：强化传热技术与削弱传热技术 （又称隔热保温技术）。
24
无论是强化传热还是削弱传热，一般都是从改变传热温差和 改变传热热阻两方面入手。
以换热器内的传热过程为例：
kAtm
tm 1
tm Rk
tm Rh1 R Rh2
kA
传热强化途径： （1）加大传热温差 tm； （2）减小传热热阻 Rk 。
第10章 传热过程分析与换热器的热计算
2024/8/5
肋面总 效率
(2)肋壁传热过程分析
10.1 传热过程的分析和计算
解得：
2024/8/5
10.1 传热过程的分析和计算
肋壁的传热系数： (a)以肋侧总表面积A0为基准的肋壁传热系数为：
(b)以光侧表面积Ai为基准的肋壁传热系数为：
(c)未加肋时平壁的传热系数为：
得截面Ax处的温差Δtx与Ax的关系为:
将上式沿全换热面积分平均，即可得整个换热 面的平均温差Δtm:
= ……
或：
2024/8/5
2.逆流换热器
2024/8/5
10.3 换热器的平均温差
3. 平均温压的简化计算 －－用算术平均温差代替对数平均温差
条件：
2024/8/5
10.3 换热器的平均温差
2024/8/5
10.4 间壁式换热器的热设计
10.4.3 换热器热设计的效能—传热单元数法 [ (ε-NTU法), 简称传热单元数法 ]
1. 换热器效能ε的定义 (效能ε的概念与计算是传热单元数法的关键)
2024/8/5
10.4 间壁式换热器的热设计
2. 效能ε的计算[式(10-19)—式(10-23)]
2024/8/5
1. 壳管式换热器
10.2 换热器的类型
2024/8/5
10.2 换热器的类型
2024/8/5
1-2型换热器
列管式冷凝器实例
10.2 换热器的类型
2024/8/5
10.2 换热器的类型
波纹管换热器
2024/8/5
波纹换热管
2.套管换热器
10.2 换热器的类型
适用: 传热量不大或流体流量不大的情形
传热学精讲 第十章
第十章 传 热 和 换 热 器 第一节通过肋壁的传热图10-1 通过肋壁传热Φ = 1h 1A (1f t -1w t ) (1) Φ =δλ1A (1w t -2w t ) (2) Φ = 2h 2A '(2w t -2f t )+2h 2A ''(m w t ,2-2f t ) (3) 肋片效率222,222222,222)()(f w f m w f w f m w f t t t t t t A h t t A h --=-''-''=η (4)Φ= 2h (2A ' +2A ''f η) (2w t -2f t ) = 2h 2A η (2w t -2f t ) (5) 肋壁总效率η=222A A A f η''+' 。
肋壁传热公式： Φ =ηλδ221112111A h A A h t t f f ++- =ηλδ2211211A h A h t t f f ++- 1A W （10-1）Φ = 1k 1A (21f f t t -) W （10-2）1k --光壁面面积1A 为基准的传热系数1k =ηβλδ21111h h ++ W/(2m ·K) （10-3）12A A =β 2k --2A 为基准的传热系数，用2k 表示，即Φ = 2212112211A h A A A h A t t f f ηλδ++- =ηβλδβ212111h h t t f f ++-2A = 2k 2A (21f f t t -) （10-4） 式中： 2k =ηβλδβ21111h h ++ W/(2m ·K) （10-5）对1k 热阻 )(f R +λδ对2k 热阻 βλδ)(f R +第二节复合换热时的传热计算图10-2 复合换热对流与辐射并存的换热称为“复合换热”对流换热： c q = c h (w t -f t ) W/2m (1)辐射换热： r q =εb C ⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎭⎫ ⎝⎛44100100m a w T T W/2m (2) r q = b C ⋅εfw m a w t t T T -⎥⎦⎤⎢⎣⎡-44)100()100( (w t -f t )=r h (w t -f t ) W/2m (3)r h =εbC 84410-⨯--fw m a w T T T T (10-6)复合换热热：q = c q +r q = (c h +r h )(w t -f t )= h (w t -f t ) （10-7）[例10-3] 计算某寒冷地区中空玻璃窗传热系数，已知数据列表如下：[解]窗的散热过程可分为3段，即（1）热由室内传给双层窗内侧玻璃；（2）通过空气层；（3）由外侧璃窗传给室外。
第10章传热过程分析和换热器计算
第10章传热过程分析和换热器计算传热是热力学的一个重要分支，它研究热能在物体之间或物体内部的传递过程。
在工程领域，传热分析和换热器计算是非常重要的。
本文将介绍传热过程的分析方法和换热器的计算方法。
传热过程分析的方法主要有传导、对流和辐射三种。
传导是指物体内部热量的传递过程。
传导热量的传递方式有热传导、传流和扩散三种。
热传导是指物体内部的微观粒子通过碰撞传递热量。
传流是指流体内部的微观粒子通过对流传递热量。
扩散是指在固体或流体中，由于密度、浓度或化学势的差异而引起的物质运动和热量传递。
对流是指通过流体的传热过程。
对流传热有自然对流和强制对流两种。
自然对流是指由于密度差异造成的流体运动和热量传递。
强制对流是指由外力驱动的流体运动和热量传递，如风扇、泵等。
辐射是指通过电磁波的传热过程。
辐射传热不需要介质，可以在真空中传播。
辐射传热的热流密度与物体的温度和表面性质有关。
根据传热方式的不同，可以选择适当的传热模型进行传热计算。
常用的传热模型有一维传热模型、二维传热模型和三维传热模型。
一维传热模型适用于长条形物体的传热计算，如管道、棒材等。
二维传热模型适用于平面物体的传热计算，如板状物体等。
三维传热模型适用于体积物体的传热计算，如容器等。
换热器是一种用于传热的设备，广泛应用于化工、能源、建筑等行业。
换热器的主要功能是将一个物质的热量传递给另一个物质，实现热能的转化和利用。
换热器的计算是为了确定换热器的传热面积、传热系数和传热效率等参数。
换热器的计算主要涉及换热面积的计算、传热系数的计算和传热效率的计算。
换热面积的计算可以根据所需的传热量和传热系数来确定。
传热系数的计算可以通过实验或计算方法来得到。
传热效率是指换热器实际传热量与理论最大传热量之间的比值。
在换热器的计算过程中，需要考虑流体的流量、流速、温度差等因素。
同时，还需要考虑换热器的结构和材料等因素。
根据具体的需求和条件，可以选择适当的换热器类型和设计参数。
传热过程的计算及换热器2
传热过程的计算及换热器2传热过程的计算及换热器2传热是物体间因温度差而引起的热能传递过程。
在工程实际中，传热过程的计算是非常重要的，尤其是在换热器设计和运行中。
本文将对传热过程的计算方法和换热器进行详细介绍。
一、传热过程的计算方法1.传热方程求解：传热方程主要包括热传导方程、对流传热方程和辐射传热方程。
热传导方程适用于固体传热，对流传热方程适用于流体传热，辐射传热方程适用于热辐射传热。
通过对这些方程进行求解，可以得到传热过程中的温度分布和传热速率。
2.传热电阻法：传热电阻法是根据传热过程中各个物体的热阻来计算传热速率的方法。
传热过程中，一般包括热源（或热池）、传热介质和传热表面。
根据热阻的串/并联关系，可以将传热系统简化为一个等效的传热电路，然后通过电路的电流和电阻来计算传热速率。
3.传热系数法：传热系数法是根据传热过程中的传热系数来计算传热速率的方法。
传热系数是指传热介质和传热表面之间传热的能力，可以通过实验测定或者理论计算来获取。
根据传热系数的定义和传热公式，可以直接计算传热速率。
二、换热器换热器是用来实现热能传递的设备，广泛应用于化工、电力、石油、冶金、轻工等行业，是工业生产中的重要设备之一、换热器的主要功能是将两种介质之间的热量传递给另一种介质，实现冷热介质的热能转化。
换热器按照结构特点可以分为管壳式换热器和板式换热器。
管壳式换热器由壳体、管束和管板等组成，各种不同的构造形式可以满足不同的工艺要求。
板式换热器是利用板状换热元件将冷热介质进行交叉传热，具有紧凑、高效、节能的优点。
换热器的性能主要是通过换热系数和压力损失来评价的。
换热器的换热系数是指单位时间内传递热量与温度差的比值，表示换热器的传热能力，可以通过实验测定和理论计算来获取。
压力损失是指流体通过换热器时产生的阻力损失，与换热器的结构和流体特性密切相关。
换热器的设计和运行中，需要考虑的因素包括传热面积的确定、流体流速的选择、换热介质的性质以及换热器的材料选择等。
第十章传热和换热器
tw,
q qc qr (hc hr ) tw t f
qr , tam
h tw t f
qc , hc , t f
§ 10-3 换热器的型式和基本构造
一、分类
1.按结构型式分: 1)间壁式: 冷、热流体被固体壁面隔开。
如：暖风机、冷凝器、蒸发器等。
暖风机
风冷冷凝器
2)混合式: 冷、热流体互相混合。 如：喷淋式冷却塔、蒸汽喷射器。
以管壳式换热器为例，说明方法的要点.
总传热系数可表示为:
1 k
1 ho
Rw
Rf
1 hi
do di
(a)
Rw 管壁导热热阻
R f 污垢热阻
工业换热器中的管内流体的流动一般都是处于 旺盛湍流状态，hi 与流速u的0.8次方成正比.则
two
ho A1 two t fo ho f A2 two t fo
h0A0 (tw0 t f 0 )
为肋面总效率:
A1 A2 f
A0
1
tf1 tf2
1
hi Ai Ai ho A0
则以光壁为基准的传热系数:
ki
1
1
1
hi ho
定义肋化系数： Ao Ai
1, 1
（3）根据结构，算出传热系数K。(带有假设性)
（4）由传热方程(换热面积A已定),得到 。
（5）由热平衡方程得出’(出口温度均是未知量,也 带假设性.) （6）与’的误差<5%,则满足计算要求. 否则重新假设t,重复上述步骤.
2. 传热单元数法
1)换热器的效能定义：
实际传热量 最大可能传热量
实际传热量： M1c1(t'1t"1 ) M 2c2 (t"2 t'2 )
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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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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 ) Ao
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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＝const
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 t4
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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
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 o
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Cold
顺流
逆流
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10-3 换热器中传热过程的平均温差 对数平均温差
Hot Cold 对数平均温差： 冷热流体温度曲线 间面积。
进、出口流体 温差中乊大者
进、出口流体 温差中乊小者
tm
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。
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
R hi 1
ld i h i
R
(2-31)
ln( d o d i ) 2l
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 )
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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10-1 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。
t x f ( Ax )
沿整个换热面积进行积分平均
tm 1 A
A 0
t xdA x
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10-3 换热器中传热过程的平均温差 平均温差的推导： 套管式换热器
Hot Cold
Hot
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
交叉流换热器：间壁式换热器的又一种主要形式。其主要特点是况热流体呈交叉状流动。 交叉流换热器又分管束式、管翅式、管带式、板翅式等。
t max t min ln t max t min
算术平均温差
进、出口流体 温差中乊大者
进、出口流体 温差中乊小者
tm
t max t min 2
顺流
算术平均温差相当于况热流体沿程温度线性变化
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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
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。
1 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
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
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
螺旋板式换热器：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。
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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。
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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。
10-3 换热器中传热过程的平均温差 平均温差Δtm： 回顼 P.245 恒壁温下管内强制对流换热换热量的计算
kA t m
WHY?
Hot
换热器中，况热流体温度沿换热面 是丌断变化的，其局部的换热温差 也是沿程变化，而利用牛顽况却公 式计算换热量时用总面积的平均温 差Δtm，其不换热器的型式和况热流 体的流动方向均有关。
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＝const
1 2 3 1
t fi t w i 1 h i Ai
2
twi two
Ai
肋效率
3
f A 2 ( t w o t fo ) t w o t fo 1 h o o Ao
3
(9-33)
4 3
hc
4 3
hr
(7-22)
辐射表面传热系数：