传热学(第四版)于明志-第10章 传热过程分析与换热器热计算.ppt
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【精品】传热学第十章传热过程和换热器计算PPT课件
传热方程式： Φ= KAΔt
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。
K 1 R tot
10.2 换热器的型式
1 换热器的定义：用于使热量从热流体传递到冷流 体，以满足规定工艺要求的装置。
2 换热器的分类：
混合式：换热器内冷、热流体直接接触、互相混合来实现 热量交换。
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）。
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 1 tm R tkmRh1 R tm Rh2
kA
传热强化途径： （1）加大传热温差 t m ； （2）减小传热热阻 R k 。
Ti
dq
T
dT c
In
Ti
To
T dq
dT c
Out
In
dT h
To
Out
2 算术平均温差
平均温差的一种最简单的形式是算术平均温差，即
tm,算术 tma2 x tmin
tm,对数
tmax tmin ln tmax
tmin
算术平均温差相当于温度呈直线变化的情况，
当 tmax tmin 2时，两者的差别小于4％； 当 tmax tmin1.7时，两者的差别小于2.3％。
通常，对逆流的对 数平均温差进行修 正以获得其他复杂 流动方式下的平均 温差。
tm(tm)ctf
教程中图10-23~10-26分别给出了管壳式换热器和交叉流式 换热器的 。
值取决tc
Rth th tctc
式中：下标h、c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。
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。
K 1 R tot
10.2 换热器的型式
1 换热器的定义：用于使热量从热流体传递到冷流 体，以满足规定工艺要求的装置。
2 换热器的分类：
混合式：换热器内冷、热流体直接接触、互相混合来实现 热量交换。
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）。
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 1 tm R tkmRh1 R tm Rh2
kA
传热强化途径： （1）加大传热温差 t m ； （2）减小传热热阻 R k 。
Ti
dq
T
dT c
In
Ti
To
T dq
dT c
Out
In
dT h
To
Out
2 算术平均温差
平均温差的一种最简单的形式是算术平均温差，即
tm,算术 tma2 x tmin
tm,对数
tmax tmin ln tmax
tmin
算术平均温差相当于温度呈直线变化的情况，
当 tmax tmin 2时，两者的差别小于4％； 当 tmax tmin1.7时，两者的差别小于2.3％。
通常，对逆流的对 数平均温差进行修 正以获得其他复杂 流动方式下的平均 温差。
tm(tm)ctf
教程中图10-23~10-26分别给出了管壳式换热器和交叉流式 换热器的 。
值取决tc
Rth th tctc
式中：下标h、c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。
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PPT学习课件PPT教案
第10页/共66页
气膜冷 却
气膜冷却基本原理是：从高温环境的 壁面上 的孔向 主流引 入二次 气流（ 冷却工 质或射 流）， 这股冷 气流在 主流的 压力和 摩擦力 作用下 向下游 弯曲， 附着在 壁面一 定区域 上，形 成温度 较低的 冷气膜 将壁面 同高温 燃气隔 离，并 带走部 分高温 燃气， 从而对 壁面起 到良好 的冷却 保护作 用。
空气 0.026 W (m C ) （20 C）
第21页/共66页
(6) 一维稳态导热及其导热热阻 如图所示，稳态 q = const，于是积分Fourier定
律有：
q Φ dt
A
dx
定积分
W m 2
t
dx
tw1
dt
Q
tw2
q dx tw2 dt q tw1 tw2 0
。 解：参见前图及一维稳态导热公式有：
第23页/共66页
铜：
q tw1 tw2 375 300 100 1.5106 W m2
0.05
钢： q tw1 tw2 36.4Im 300N a 10o 0g 1e .46105 W m2
0.05
铬砖 ：
q tw1 tw2 2.32 300 100 9.28103 W m2
—— 当流体与壁面温度相差1度时、每单位壁面面积上、单 位时间内所传递的热量。表征对流传热过程强弱的物理量
影响h因素：流速、流体物性、壁面形状大小等 强调：表面传热系数与导热系数的区别 a) 单位上的区别 [W/( m K)]～ [W/( m2 K)] b) 表面传热系数不是一个物性参数，它不仅取决于流体
文字表述：在导热现象中， 单位时间内通过给定截面的 热流量，正比于该截面方向 上的温度变化率和截面面积 ，而热量传递的方向则与温 度升高的方向相反。
气膜冷 却
气膜冷却基本原理是：从高温环境的 壁面上 的孔向 主流引 入二次 气流（ 冷却工 质或射 流）， 这股冷 气流在 主流的 压力和 摩擦力 作用下 向下游 弯曲， 附着在 壁面一 定区域 上，形 成温度 较低的 冷气膜 将壁面 同高温 燃气隔 离，并 带走部 分高温 燃气， 从而对 壁面起 到良好 的冷却 保护作 用。
空气 0.026 W (m C ) （20 C）
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(6) 一维稳态导热及其导热热阻 如图所示，稳态 q = const，于是积分Fourier定
律有：
q Φ dt
A
dx
定积分
W m 2
t
dx
tw1
dt
Q
tw2
q dx tw2 dt q tw1 tw2 0
。 解：参见前图及一维稳态导热公式有：
第23页/共66页
铜：
q tw1 tw2 375 300 100 1.5106 W m2
0.05
钢： q tw1 tw2 36.4Im 300N a 10o 0g 1e .46105 W m2
0.05
铬砖 ：
q tw1 tw2 2.32 300 100 9.28103 W m2
—— 当流体与壁面温度相差1度时、每单位壁面面积上、单 位时间内所传递的热量。表征对流传热过程强弱的物理量
影响h因素：流速、流体物性、壁面形状大小等 强调：表面传热系数与导热系数的区别 a) 单位上的区别 [W/( m K)]～ [W/( m2 K)] b) 表面传热系数不是一个物性参数，它不仅取决于流体
文字表述：在导热现象中， 单位时间内通过给定截面的 热流量，正比于该截面方向 上的温度变化率和截面面积 ，而热量传递的方向则与温 度升高的方向相反。
传热学教.pptL01绪论2
机械工程学院
下周三(3月21号)前作业交到办公室(主楼2204)
37
The End！
11
续
管壳式换热器
家用热水器
机械工程学院
地球-环境
12
热传递的重要性
• 为何多用户家庭要用更大体积的热水器？
–因为需要更多的热水，所以需要更多的热量， 所以需要更多的传热量，所以需要更对的换热 面积，所以需要更大的体积。 - 热量的传递速 率（快慢）是决定热水器体积的主要因素。
• 温室效应？
– 因为从太阳辐射到地球热量要多于从地球辐射 到太空的热量，因此存在净热量吸收，地球被 加热。 - 热量传递的光谱特性。
8
3. 生活与工业生产的"热"现象
温度的感知; 露水的形成; 热处理中金属相 变; 化学反应(普通化学第一章,化学中的热效应)
热力学, 工程热力学, 物理化学 热科学：研究热能、热量及热现象的科学 工程热力学, 传热学, 燃烧学, 制冷与低温,
物理化学, 化学热力学
机械工程学院 9
4. 关于学科的几个定义
机械工程学院 32
热辐射所遵循的自然规律
- Stefen-Boltzman定律
实验发现： 高温物体发射“更多”的热量
F Tw ？
10个100 ℃(373 K)铁块 10个3 457 ℃ (3 730 K)铁块
哪个更烫？
机械工程学院
FT4
F AT 4
33
热辐射的黑度概念
同温度的黑色表面铁块和抛光表面的铁块热辐射 热量相同？
一、玻耳兹曼能量分布律; 二、重力场中的等温气压公式
12-8 分子平均碰撞次数和平均自由程
12-9 气体的迁移现象
传热学课件讲义
2020/12/15
二、基本概念
1、温度场（Temperature field） 指某一瞬时物体内各点的温度分布状态。温度是标量，温度场是时间
和空间的函数，也是标量场。 在直角坐标系中：； 在柱坐标系中：； 在球坐标系中：。
根据温度场表达式，可分析出导热过程是几维、稳态或非 稳态的现象，温度场是几维的、稳态的或非稳态的。
传热学
2020/12/15
第一章 导热理论基础
绪论 §１ 基本概念和傅里叶定律 §２ 导热系数 §3 导热微分方程式 §４ 导热过程的单值性条件
2020/12/15
绪论
一、传热学的研究内容
热量传递的具体方式、传热速率大小及其影响因素。 ⑴传热的三种基本方式及各自的规律； ⑵工程中实际传热过程的规律； ⑶提出控制传热（强化传热和削弱传热）的基本方法。 工程热力学从理论上分析热力系统的状态、能量传递 和迁移的多少以及系统的变化方向与性能的好坏。但是， 能量是以何种方式传递和迁移？传递和迁移的速率如何？ 以及能量状态随时间和空间的分布如何？热力学都没有 给予回答。
二、传热学的研究方法
传热学的研究方法主要有：理论分析方法；实验研究方法；比拟(类比) 方法；数值计算方法
理论分析方法
将所研究问题的基本物理特征和具体规律用一个理想化的数学模型表述 出来，并选择适当的数学方法进行求解。常用的数学解析方法一般可分 为精确解法(即直接求解常微分方程或者偏微分方程)和积分方程近似解法 两大类。
2020/12/15
导热过程的单值性条件
一、单值性条件
导热问题的单值性条件通常包括如下四项：
几何条件：表征导热物体的几何形状和大小（属于三维，二维或 一维问题）；
物理条件：说明导热系统的物理特性（即物性量和内热源的特 点）；
传热过程及换热器
• 逆流时，冷热流体的最高温度集中在换热 器的同一侧，使得该处的壁温特别高。
27
2 其中一种流体发生相变
《传热学》讲义
• 这时候没有顺流和逆流之分
28
3 蛇行管
《传热学》讲义
只要管内流体流动方向改变5次以上 • 这时候就可以作为顺流和逆流处理
29
《传热学》讲义
1
《传热学》讲义
套管式换热器
2
《传热学》讲义
管壳式换热器
3
《传热学》讲义
管壳式换热器
4
《传热学》讲义
管壳式换热器（1-2型）
5
《传热学》讲义
管壳式换热器（2-4型）
6
《传热学》讲义
管壳式换热器（螺旋折流板）
7
《传热学》讲义
板式换热器
8
《传热学》讲义
螺旋板式换热器
9
《传热学》讲义
t t
0
ln
tx t
k Ax
15
《传热学》讲义
tx t e(kAx )
tm
1 A
A 0
t xdAx
tm
1 A
A 0
tekAx dAx
t ' A
1
k
e k Ax
A
0
t ' ekA 1
三 其它复杂流动布置的平均温差的计算
tm (tm )ctf
• (tm )ctf 是给定的冷热流体的进出口温度布
置成逆流时的LMTD
• 是小于1的修正系数
• 图9-15~9-18分别给出了管壳式换热器和交叉流
换热器的
24
27
2 其中一种流体发生相变
《传热学》讲义
• 这时候没有顺流和逆流之分
28
3 蛇行管
《传热学》讲义
只要管内流体流动方向改变5次以上 • 这时候就可以作为顺流和逆流处理
29
《传热学》讲义
1
《传热学》讲义
套管式换热器
2
《传热学》讲义
管壳式换热器
3
《传热学》讲义
管壳式换热器
4
《传热学》讲义
管壳式换热器（1-2型）
5
《传热学》讲义
管壳式换热器（2-4型）
6
《传热学》讲义
管壳式换热器（螺旋折流板）
7
《传热学》讲义
板式换热器
8
《传热学》讲义
螺旋板式换热器
9
《传热学》讲义
t t
0
ln
tx t
k Ax
15
《传热学》讲义
tx t e(kAx )
tm
1 A
A 0
t xdAx
tm
1 A
A 0
tekAx dAx
t ' A
1
k
e k Ax
A
0
t ' ekA 1
三 其它复杂流动布置的平均温差的计算
tm (tm )ctf
• (tm )ctf 是给定的冷热流体的进出口温度布
置成逆流时的LMTD
• 是小于1的修正系数
• 图9-15~9-18分别给出了管壳式换热器和交叉流
换热器的
24
【精品】传热分析与热交换器计算PPT课件
10-3 换热器中传热过程的平均温差
平均温差Δtm： 回顾 P.245 恒壁温下管内强制对流换热换热量的计算
WHY?
kAtm
Hot
换热器中，冷热流体温度沿换热面
是不断变化的，其局部的换热温差
Cold
也是沿程变化，而利用牛顿冷却公
式计算换热量时用总面积的平均温
差Δtm，其与换热器的型式和冷热流 体的流动方向均有关。
仅包含壁面两侧流体的温度
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
对于不同的传热过程，k 的计算公式不同
平壁 圆管 肋壁 带保温层的圆管
SJTU-OYH
Shanghai Jiao Tong University SJTU-OYH
Shanghai Jiao Tong University SJTU-OYH
传热分析与热交换器计算
Shanghai Jiao Tong University
传热学 Heat Transfer
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 A(tkf1tf2)A k t k－总传热系数
10-2 换热器的类型Fra bibliotek间壁式换热器：冷、热流体介质由壁面隔开，通过间壁实现换热。
特点：冷热流体互不接触；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。其主要特点是冷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。
Shanghai Jiao Tong University
传 热 学30页PPT
水，M2 20oC
图0-1 传热学与热力学的区别
(2) 传热学以热力学第一定律和第二定律为基础，即 始终从高温热
源向低温热院传递，如果没有能量形式的转化，则 始终是守恒的
3 传热学应用实例
自然界与生产过程到处存在温差 传热很普遍
a 人体为恒温体。若房间里气体的温度在夏天和 冬天都保持20度，那么在冬天与夏天、人在房间里所 穿的衣服能否一样？为什么？ b 夏天人在同样温度（如：25度）的空气和水中的感 觉不一样。为什么？ c 北方寒冷地区，建筑房屋都是双层玻璃，以利于保 温。如何解释其道理？越厚越好？
tw2
t r
Φ
tw1
tw2
t R
A
R
A
r
导热热阻 单位导热热阻
t
dx
tw1
dt
Q
tw2
0
tw1
Q
A
x
tw2
图0-2 导热热阻的图示
例 题 1-1
例题 1-1 一块厚度δ =100 mm 的平板， 两侧表面分别维 持在 tw 130 oC ,0 tw 210 oC .0试求下列条件下的热流密度。
(2)物质的属性：可以在固体、液体、气体中发生 (3)导热的特点：a 必须有温差；b 物体直接接触；c
依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而传递 热量；d 在引力场下单纯的导热只发生在密实固体 中。
(4) 一维稳态导热及其导热热阻 如图0-2所示，稳态 q = const。
q
tw1
q — 热流密度 Wm2 h — 表面传热系数 W (m 2K)
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2020/10/10
57-20
顺流换热器
假设： （1）冷热流体的质量流量qm2、qm1以及比热容c2, c1
其中： ko
do
1 do ln( do ) 1
hidi 2 di ho
2020/10/10
计算采用面积：Ao
57-5
3. 通过肋壁的传热过程计算
肋壁面积： Ao A1 A2 稳态下换热情况：
hi t fi
Ai
hi Ai (t fi twi )
t wi
Ai (twi
two )
ho A1(two t fo ) ho f A2 (two t fo )
1
k 1 1 hi hoo
计算采用面积：Ai
所以，只要 o 1 就可以起到强化换热的效果。
2020/10/10
57-7
4 .临界热绝缘直径（带保温层的圆管传热）
A(t f 1 t f 2 )
1 1
h1 h2
Ai (t f 1 t f 2 )
1 1
hi hoo
Φ
l(t fi t fo )
三种类型换热器简介
2020/10/10
间壁式
套管式
交 壳叉 管流 式(换管热壳器式)
管束式 管翅式
板式
板翅式
螺旋板式
混合式
蓄热式
57-11
2. 间壁式换热器的主要型式
（1）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，适用于传热量不大或流 体流量不大的情形。
Hot fluid
§ 10-3 换热器中传热过程平均温差计算
2020/10/10
57-19
1. 简单顺流及逆流换热器的平均温差计算 传热方程的一般形式：
kAtm
th
这个方程对于传热过程是通
用的，但是当温差 tm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，以及遇
到的换热器等，需要用到平均 温差。
tc
th dth th tc dtc tc
2020/10/10
57-3
1. 通过平壁的传热过程计算
k
1
1
1
h1 h2
说明： (1) h1和h2的计算；（2）如果计及辐射时对 流换热系数应该采用等效换热系数(总表面传热系数)
单相对流：ht hc hr 膜态沸腾：ht4 3 hc4 3 hr4 3
hr
(T14 T24 )
T1 T2
hoo Ao (two t fo )
肋面总效率
2020/10/10
o
( A1
f
Ao
A2 )
A1
ho
A2 t fo
t wo
57-6
1
tf1 tf2
1
Ai (t f 1 t f 2 )
1 Ai
hi Ai Ai hoo Ao hi hoo Ao
定义肋化系数: 则传热系数为:
Ao Ai
TA,out TB,in (shellside)
TB,out TA,in (tubeside)
2020/10/10
57-13
增加管程
TB,in (shell side)
TB,out
TA,in (tubeside) TA,out
2020/10/10
57-14
进一步增加管程和壳程
TB,in (shellside)
d 0 ddo2
do2
22பைடு நூலகம்
ho
dcr
或者 Bi do2ho 2
2
可见，确实是有一个极值存在。do2在do1 ~ dcr之间， 是增加的，当do2大于dcr时， 降低。
2020/10/10
P463例题
57-9
§ 10-2 换热器的类型
2020/10/10
57-10
1. 换热器的分类：
换热器的定义：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
Cold fluid
T T1
Th (Hot) T2
Tc (cold)
x
2020/10/10
顺流
Hot fluid
Cold fluid
T
T1
Th
Tc
逆流
T2 x
57-12
(2) 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，管束与 管板再封装在外壳内。两种流体分管程和壳程。
2020/10/10
57-8
l(t fi t fo )
1 1 ln( do1 ) 1 ln( do2 ) 1
hidi 21 di 22 do1 hodo2
d
l(t fi t fo )
ddo2 1 1 ln( do1 ) 1 ln( do2 )
1
1
22do2
hodo22
hidi 21 di 22 do1 hodo2
TA,out
3-6型
2-4型
TB,out
TA,in (tube side)
2020/10/10
57-15
(3) 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体呈交叉状流动。交叉流换热器 又分管束式、管翅式、管带式和板翅式四种。
2020/10/10
（C）管带式
(d) 板翅式交叉流换热器 57-16
(4) 板式换热器：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。
2020/10/10
57-17
(5) 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。
2020/10/10
57-18
1 1 ln( do ) 1
hidi 2 di hodo
圆管外敷保温层后：
Φ
l(t fi t fo )
1 1 ln( do1 ) 1 ln( do2 ) 1
hidi 21 di 22 do1 hodo2
可见，保温层使得导热热阻增加，换热削弱；另一方 面，降低了对流换热热阻，使得换热赠强，那么，综 合效果到底是增强还是削弱呢？
第十章 传热过程分析与换热器热计算
本章学习目的 (1)分析实际传热问题的能力 (2)综合应用三种基本传热方式及其相关公式的能力 (3)了解换热器的基本知识和设计过程
2020/10/10
57-1
§10-1 传热过程的分析和计算
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57-2
k A(t f 1 t f 2 )
式中：k是传热系数(总传热系数)。对于不同的传热 过 程，k的计算公式也不同。
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57-4
2. 通过圆管的传热过程计算
内部对流： t fi twi hidil
圆柱面导热： twi
two
Φ
2l
ln
do di
外部对流：
two
t fo
hodol
hi ho
Φ
l(t fi t fo )
1 1 ln( do )
1
kodol(t fi t fo )
hidi 2 di hodo