第10传热与换热器
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 。
10传热学-传热过程和换热器
tf1 tf 2
K
For steady heat transfer through a series composite wall
K
1 1 n i 1 h1 i 1 i h2
二、通过圆筒壁的传热 (heat transfer through a cylinder)
二、对保温隔热材料的要求 1. 有最佳密度：使用时，应尽量使其使用密 度接近最佳密度； 2. 热导率小：选用热导率小的材料； 3. 温度稳定性好：在一定温度范围内，物性 值稳定 4. 有一定的机械强度； 5. 吸水、吸湿性小：水分会使材料导热系数 大大增加。 三、最佳保温隔热厚度
四、保温结构 为防止水或湿气进入，外加保护层。 为减少对环境的辐射散热，外加铝箔或聚酯镀铝薄膜。 五、保温隔热效率 设备和管道保温隔热前后的散热量(或冷损失量)之差 与保温隔热前散热量0(或冷损失量)之比，即：
Heat transfer rate:
KAt KA(t f 1 t f 2 )
where A—surface area, m2 t—temperature difference, C K—overall heat transfer coefficient, W/m2· C
一、通过平壁的传热 (heat transfer through a plane wall)
注意：对于低温、超低温管道和设备的保冷，一般的 保温隔热材料不能满足要求，须采用多层镀铝薄膜和 网状玻璃纤维布并抽真空。
0 0
§3 换热器(Heat exchangers)
一、换热器的种类(Heat exchanger types) 1. 按原理分 间壁式换热器：冷热流体被固体壁隔开，如蒸发 器、冷凝器等。 混合式换热器：在这种换热器中，两种流体相互 混合，依靠直接接触交换热量。如水和空气直接 接触的冷却水塔。 回热式(或蓄热式、再生式)换热器：在这种换热 器中，冷热流体交替地与固体壁接触，使固体壁 周期地吸热和放热，从而将热流体的热量传给冷 流体。如锅炉的再生式空气预热器和燃气轮机的 空气预热器。
《传热学》杨世铭-陶文铨-第十章传热分析与计算
t x
t
Ax dt k dA 0 t
t x ln kAx t
t x texp(kAx )
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： 1 A 1 A
t m
A
0
t x dA x
A
0
t exp( kAx )dA x
l (t fi t fo ) Φ (d o 2 )
d 0 dd o 2 do2
d l (t fi t fo ) 1 1 2 2 dd o 2 (do 2 ) 22 do 2 h2 do 2
22 d cr or h2
Bi
t h th R tc tc
式中：下标1、2分别表示两种流体，上角标 ` 表示进口， `` 表示出口，图表中均以P为横坐标，R为参量。
（2）P的物理意义：流体2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1 （3）R的物理意义：两种流体的热容量之比
t h t h qmc cc R tc tc qmh ch
Φ
l (t fi t fo )
d 1 1 1 ln( o ) hi d i 2 di ho d o
圆管外敷保温层后：
Φ
l (t fi t fo )
d o1 do2 1 1 1 1 ln( ) ln( ) hi d i 21 di 22 d o1 ho d o 2
TB,out TA,in (tube side)
增加管程
TB,in (shell side) TA,in (tube side) TA,out TB,out
TB,in (shell side)
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 )
传热与换热器设计
m
t m
t 1 t 2 ln( t1 )
t 2
K
i
0
1
R1 R2
第二部分 GB151-1999
1、GB151-1999标准的适用范围
（1）本标准适用于固定管板式、浮头式、U 形管式和填函式换热器；
（2）适用的参数为： DN≤2600mm，PN≤35MPa， 且DN×PN≤1.75×104（mm·MPa）。
第二部分 GB151-1999
（2）而当管程压力高于壳程压力时，GB151规 定：接头试压应按图样规定，或按供需双方商定 的方法进行。出现上述工况时，一般按如下处理 方法：
1）用0.9ΦReL的应力值计算壳程的试验压力， 以尽量提高壳程试验压力使其达到管程试验压力， 但此时必须注意壳程其它元件是否也能承受在此 试验压力下的强度及密封性能。
第二部分 GB151-1999
用上述办法不能提高到规定的管程试验压力 时，可采取以下办法：
① 若差距不大，可以考虑适当增加厚度； ② 如仍然相差甚远，则只能以壳程允许的 最大试验压力试压，其后，再在壳程用氨渗透、 卤素渗透或氦渗透进行补充性试验。 2）对于可抽式管束，可先打管程高压，用 窥视镜从管板背面检查泄露情况。
第一部分 传热基本知识
⑤蒸汽一般走壳程，便于排液，传热系数也大。 ⑥粘度大的流体一般走壳程，便于提高流速。 ⑦给热系数小的流体如气体，应走壳程，易于提
高速度。 ⑧流量小的流体走壳程，易改变流动状态提高湍
动程度。
第一部分 传热基本知识
二、传热基本方程：
Qe K A t m
A
K
Qe t
蚀裕量的厚度。视换热管胀接和焊接取不同 的厚度。见GB151第5.6.2.1和5.6.2.2条。
(完整版)第十章换热器例题
h1 h2 8000 6175.3
A 5 108 17933.5
m2
Ktm 3485.1 8
l A
17933.5
7.615
dn 0.025 30000
2020/8/20
m
返回
13
【例10-6】有一台逆流壳管式冷油器，
新运行时，润滑油的进出口温度分别为 100℃和60℃，冷却水的进出口温度分别为 30℃和50℃，已知换热器的传热面积为 1.8m2，传热系数为340W/（m2·K）。
水的比热容 cp2=4.19 kJ/（kg·K）
2020/8/20
6
解：该题中氨发生凝结，热容量（qmc）
max →∞，故热容比C=
→0 qmc min
qmc max
根据已知条件，该换热器传热单元数
NTU KA 900 114 1.02 qm2c2 24 4.19 103
换热器效率 1 eNTU 1 e1.02 0.639
冷凝换热量 qm c min t1 t2
=0.639×24×4190(38-28) =642.6×103 W
2020/8/20
7
冷却水出口温度
t 2根据ε的定义,由 t2 t2 0.639
t1t2
可得 t2 t2 (t1 t2 ) 34.4 ℃ qm2c2 (t2 t2 ) 643.6 103 W
2020/8/20
返回
8
【例10-4】某电厂的凝汽器是由单一壳
体和30000根管所组成的两次交叉流壳管式
换热器，管子是直径为25mm的薄壁结构，
蒸汽在管外表面凝结的换热系数为8000W/
（m2·K），靠流量为1.2×104kg/s的冷却水
传热学答案+第五版+章熙民(完整版)
绪论1.冰雹落体后溶化所需热量主要是由以下途径得到：Qλ——与地面的导热量fQ——与空气的对流换热热量注：若直接暴露于阳光下可考虑辐射换热，否则可忽略不计。
6．夏季：在维持20℃的室内，人体通过与空气的对流换热失去热量，但同时又与外界和内墙面通过辐射换热得到热量，最终的总失热量减少。
（T T〉外内）冬季：在与夏季相似的条件下，一方面人体通过对流换热失去部分热量，另一方面又与外界和内墙通过辐射换热失去部分热量，最终的总失热量增加。
（T T〈外内）。
挂上窗帘布阻断了与外界的辐射换热，减少了人体的失热量。
7．热对流不等于对流换热，对流换热 = 热对流 + 热传导热对流为基本传热方式，对流换热为非基本传热方式8．门窗、墙壁、楼板等等。
以热传导和热对流的方式。
9．因内、外两间为真空，故其间无导热和对流传热，热量仅能通过胆壁传到外界，但夹层两侧均镀锌，其间的系统辐射系数降低，故能较长时间地保持热水的温度。
当真空被破坏掉后，1、2两侧将存在对流换热，使其保温性能变得很差。
10．tR R Aλλ=⇒1t R R A λλ==2218.331012m --=⨯ 11．q t λσ=∆const λ=→直线const λ≠ 而为λλ=（t ）时→曲线 12. iRα1R λ3R λ0R α1f t −−→ q首先通过对流换热使炉子内壁温度升高，炉子内壁通过热传导，使内壁温度生高，内壁与空气夹层通过对流换热继续传递热量，空气夹层与外壁间再通过热传导，这样使热量通过空气夹层。
（空气夹层的厚度对壁炉的保温性能有影响，影响aα的大小。
）13．已知：360mm σ=、0.61()W m K λ=•118f t=℃2187()Wh m K =•210f t =-℃22124()Wh m K =• 墙高2.8m ，宽3m求：q 、1w t 、2w t 、φ解：1211t q h h σλ∆=++＝18(10)45.9210.361870.61124--=++2W m111()f w q h t t =-⇒11137.541817.5787w f q t t h =-=-=℃ 222()w f q h t t =-⇒22237.54109.7124w f q t t h =+=-+=-℃ 45.92 2.83385.73q A W φ=⨯=⨯⨯=14.已知：3H m =、0.2m σ=、2L m =、45λ=()W m K •1150w t =℃、2285w t =℃求：tR λ、R λ、q 、φ解：40.27.407104532tK R W A HL λσσλλ-====⨯⨯⨯ 30.2 4.4441045t R λσλ-===⨯2m K W •3232851501030.44.44410t KW q m R λ--∆-==⨯=⨯ 3428515010182.37.40710t t KW R λφ--∆-==⨯=⨯ 15．已知：50idmm =、 2.5l m =、85f t =℃、273()Wh mK =•、25110W q m = 求：iw t 、φ()i w f q h t h t t =∆=-⇒i w f qt t h=+ 51108515573=+=℃ 0.05 2.551102006.7i Aq d lq W φππ===⨯⨯=16.已知:150w t =℃、220w t =℃、241.2 3.96()Wc m K=•、1'200w t =℃ 求： 1.2q 、'1.2q 、 1.2q ∆解：12441.2 1.2()()100100w w t t q c ⎡⎤=-⎢⎥⎣⎦44227350273203.96()()139.2100100W m ++⎡⎤=⨯-=⎢⎥⎣⎦12''441.21.2()()100100w w t t qc ⎡⎤=-⎢⎥⎢⎥⎣⎦442273200273203.96()()1690.3100100W m ++⎡⎤=⨯-=⎢⎥⎣⎦'21.2 1.2 1.21690.3139.21551.1Wq q q m ∆=-=-=17．已知：224A m =、215000()W h mK =•、2285()Wh m K =•、145t=℃2500t =℃、'2285()Wk h mK ==•、1mm σ=、398λ=()W m K • 求：k 、φ、∆解：由于管壁相对直径而言较小，故可将此圆管壁近似为平壁 即：12111k h h σλ=++＝3183.5611101500039085-=⨯++2()W m k • 383.5624(50045)10912.5kA t KWφ-=∆=⨯⨯-⨯=若k ≈2h '100k k k -∆=⨯％8583.56 1.7283.56-==％ 因为：1211h h ，21h σλ即：水侧对流换热热阻与管壁导热热阻远小于燃气侧对流换热热阻，此时前两个热阻均可以忽略不记。
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1
h2
通过圆管的传热
ql
1
h12r1
tf1
21
tf2
lnrr12
1
h22r2
h1
h2
1
k
r2 r2 ln( r2 ) 1
h1r1 2 r1 h2
第10传热与换热器
9
三、肋壁强化传热效果分析
加肋前：
加肋后：
只要 1 就可以起到强化换热的效果。
注意：在 h 较小一侧（即热阻较大一侧）的换热表面设置肋片，
复合换热的分析与计算； 传热过程的分析与计算； 对数平均温差的计算； 间壁式换热器的设计计算和校核计算
定性分析：
传热过程的热阻分析方法； 传热过程强化与削弱的原则与措施； 综合传热问题的分析方法。
第10传热与换热器
3
பைடு நூலகம்
主要内容
通过肋壁的传热 有复合换热时的传热计算 传热的增强和削弱 换热器的型式和基本构造 平均温度差 换热器计算 换热器性能评价简述
第10传热与换热器
15
解：辐射表面传热系数为：
则复合换热表面传热系数 壁面的散热热流密度为：
辐射散热量所占比例为： 50% 。
第10传热与换热器
16
例10-1
利用竖壁自然对流换热关联式计算hc； 判断热流方向，计算hr。 结果表明： 在一般常温下，如果hc较小，则辐射不可忽
略； 如果Tam升高或降低1 ℃，qr所占比例增加
第10传热与换热器
4
§ 1通过肋壁的传热
第10传热与换热器
5
一、肋壁总效率η
定义：
ηf和η谁大
h2A2'(tw2tf2)h2A2''(tw2,mtf2)
h2A2'(tw2tf2)h2f A2(tw2tf2)
h2A2(tw2tf2)
( A2' f A2'' )
肋壁总效率
A2
第10传热与换热器
或减小4%；
第10传热与换热器
17
例10-2
水平管常壁温条件下自然对流换热，同 时考虑辐射换热。
外壁温度tw2未知，须试算。 计算表明：
用发射率低的材料处理表面，可显著降低散 热损失。
采用好的保温材料并同时降低管道表面辐射 系数，是节能的有效措施。
第10传热与换热器
18
例10-3
热量由室内以复合换热方式（自然对流 和辐射）传递到窗内侧玻璃； 热量以复合换方式热通过窗内空气层； 热量由窗外侧玻璃以复合换热方式传递 给室外环境。 中空玻璃窗热流密度及传热系数
第10传热与换热器
11
§ 2有复合换热时的传热计算
复合换热 ：在平壁、圆筒壁、肋壁的传 热中，当壁面上除对流换热外，还同时 存在辐射换热。
当换热流体为气体（自然对流）时，可能要考虑 表面的辐射换热。 分析原则：需要确定复合换热热阻或 复合换热表面传热系数。
第10传热与换热器
12
对流换热热流量： qc hc(twtf )
第十章 传热与换热器
Heat Exchangers
第10传热与换热器
1
本章的学习目的
分析实际传热问题的能力 传热过程？ 综合应用三种基本传热方式及其相关公式的 能力 基本计算式(传热方程式)？ kA(t f 1 t f 2 )
了解换热器的基本知识和设计过程
第10传热与换热器
2
基本要求
定量计算：
第10传热与换热器
19
例10-3计算表明
在一般计算时，可以忽略玻璃的导热热 阻； 与单层窗相比，双层窗节能50%； 采用Low-e玻璃，再节能40%； 真空夹层，节能达近80%； 若空气夹层换热按纯导热计算，误差大， 不可取。
第10传热与换热器
20
§3 传热的增强和削弱
增强传热，是指从分析影响传热的各种因素 出发，采取某些技术措施提高换热设备单位 传热面积的传热量，使设备趋于紧凑、重量 轻、节省金属材料以及降低动力消耗等。 削弱传热，是指采取隔热保温措施降低换热 设备热损失，以达节能、安全防护及满足工 艺要求等目的。 方法：热阻的控制，但要抓住主要矛盾，即 最大的热阻项。
第10传热与换热器
23
板翅式换热器
波纹管
管壳式换热器
涡流发生器
第10传热与换热器
多孔陶瓷板
24
三、削弱传热的方法
覆盖热绝缘材料； 改变表面状况； 遮热板 。
第10传热与换热器
25
例题 1 :在换热表面加肋片是强化传热的重要措 施之一。当采用加肋片增强无限大平壁传热时， 最有效的方法是肋片应加在哪一侧，为什么 ?
第10传热与换热器
21
一、强化传热的基本途径
根据传热过程方程式
强化传热的基本途径 ：
提高传热系数
提高换热面积 （采用小管、加肋）
提高传热温差 （逆流）
第10传热与换热器
22
二、增强传热的方法
扩展传热面 ； 改变流动状况 ； 使用添加剂改变流体物性 ； 改变表面状况 ； 改变换热面形状和大小； 改变能量传递方式； 靠外力产生振荡，强化换热。
辐射热流量： qr Cb1Tw0041Tam 004
qr
Cb
(1Tw0t)w 04t(1Tf am 0)04(twtf
)hr(twtf
)
复合换热热流量为：
第10传热与换热器
13
复合换热表面传热系数
hr与hc不同，除与tw，tf有关外，还与发 射率及周围环境温度有关。
在采暖和保温等工程中，把复合换热表 面传热系数作为常数处理。
可以有效地降低换热热阻，从而获得较好的传热效果。而在热阻 较小一侧的换热表面设置肋片，可以有效地控制该表面的温度。
第10传热与换热器
10
分析：
肋间距越小，传热效果越好，但不应小于2δt； 肋高越大，肋片效率越小，但表面积越大，肋 化系数越大，需综合考虑； 两侧h相差3～5倍时（冷凝器）采用低β的螺 纹管； h相差10倍以上时（蒸汽-空气加热器）采用高 β的肋片管； h都低，双侧空气，双侧加肋（板翅式换热 器）。
计算hr时，应分析传热过程的热流方向。
第10传热与换热器
14
冬季一车间的外墙内壁温tw =10℃；车 间内的固体表面温度tm＝16.7℃；车间 内气温tf＝20℃。已知车间内的固体表 面与外墙内壁的发射率均为ε=0.9，外 墙内壁对流换热表面传热系数 hc＝ 3.21W/(m2·K) 。求外墙热流密度 ? 外 墙内壁复合换热表面传热系数 ? 热损失 中辐射散热所占比例 ?
6
二、通过肋壁的传热量
光壁换热： 壁的导热： 肋壁换热：
定义肋化系数
β大于1
第10传热与换热器
7
分别可得 以光壁面面积为基准的传热系数 K 1 ， 以肋壁面面积为基准的传热系数 K 2 。
此公式与平壁的传热系数有
何不同？可否用于肋片管？
第10传热与换热器
8
通过平壁的传热
1
k
hK公11的式计？算