第十章 传热过程与换热器

若二侧表面传热系数相差不大时，两侧同时强化。
一、增强传热的方法 （1）加大传热温差Δt
温差是增加传热的驱动力，可使热流量增加。 采用逆流方式布置换热面。
（2）减小传热面总热阻Rt
从减小导热热阻、对流热阻和辐射热阻着手 减小最大热阻效果最好
考虑问题全面：流动阻力、合理的流动速度、经 济性
（3）增大传热面积 a、延伸体 b、增加粗糙度 c、改变表面结构 表面涂层(辐射)
在井口处采用套管式换热器利用热水加热产出的高 含蜡原油。热水进、出口温度分别为90℃、45℃，热 水流量是0.7kg/s，比热为4.18kJ/(kg℃)；产出原油的 温度为35℃，加热后原油温度为60℃，原油比热为2.56 kJ/(kg℃)，忽略换热器的热损失。问： （1）该换热器是顺流还是逆流？ （2）该井的原油产量是多少？ （3）水和油之间的换热量是多少？ （4）该换热器的对数平均温差是多少？
一个储存水果的房间的墙是由红砖、软木板 两层材料构成，厚度分别为70mm、50mm，红 砖的导热系数为0.4W/(mK)，软木板的导热系数 为0.044W/(mK)，其中一面墙的高与宽为3m及 6m。冬天，室内温度为2℃，室外为-10℃，室内 墙壁与环境之间的表面传热系数为6W/(m2K)， 室外刮大风时表面传热系数为60W/(m2K)。计算 通过这面墙散失的热量以及墙的传热系数。 热水在两根相同的管道内以相同的流速流动，管 外分别采用空气冷却和水冷却。经过一段时间后，两 管内产生相同厚度的水垢。问水垢的产生对哪一根管 道的传热系数影响大？为什么？
• 混合式 换热器：冷热流体直接接触，彼此混 合进行换热，在热交换同时存在质交换，如 空调工程中喷淋冷却塔、蒸汽喷射泵、电厂 冷水塔等；
• 回热式换热器：换热器由蓄热材料构成，并分 成两半，冷热流体轮换通过它的一半通道，从 而交替式地吸收和放出热量，即热流体流过换
热器时，蓄热材料吸收并储蓄热量，温度升高， 经过一段时间后切换为冷流体，蓄热材料放出 热量加热冷流体。一般用于气体，如锅炉中间
二、保温隔热技术 削弱传热的目的
– – – – –
减少热损失 保证流体温度，满足工业要求 保证设备的正常运行 减少环境热污染，保证可靠的工作环境 保证工作人员的安全
削弱传热的方法
1、覆盖热绝缘材料。常用的材料日前有：岩 棉、泡沫塑料、微孔硅酸切、珍珠岩等。 2、改变表面状况。即改变表面的辐射特性及 附加抑制对流的元件。 3、遮热板
物意：反映换热器综合技术经济性能的指标。A －投资成本；Ｋ－运行成本
f (C, NTu)的关系
以顺流为例：
若：
逆流：
特例(1)
（２）
顺流：
逆流：
二种方法的优缺点
用于设计计算时，用对数平均温差和ε－NTu 法，工作量差不多。 用于核计算时，用ε－NTu 法较方便，工作量少些。
例题：有一套管式换热器，热液体的进出口温度为200℃ 和150 ℃冷液体的进出口温度为100℃和170℃，试 求△tm和NTU。
何时一侧加肋片？何时二侧同时加
用冷却水冷却变压器油的冷油器，实验测得其总 传热系数k如附图所示。试问：（1）该换热器的热阻 主要在哪一侧？（2）如两种流体的流速差不多，你 认为介质甲是水还是油，为什么？
为强化一台冷油器的传热，有人用提高冷 却水流速的办法，但发现效果并不显著，请分 析其原因何在？ 北方的冬季用热水散热器采暖（管内热水加 热空气），到了深冬只增加热水流速，能不能 显著增加散热量？
qm1以及比热容C2,C1是常数；
（2）传热系数是常数；
（3）换热器无散热损失；
（4）换热面沿流动方向的导热
量可以忽略不计。
顺流时：
逆流时：
其它流动形式的对数平均温差 对于其它流动形式的换热器，均是在逆流换 热器的基础上再乘一修正系数，即：
1－2、1－4等多流程管壳式换热器的 修正系数
但一般动力管道外径均大于此值。
5. 强化传热的原则（以平板为例）：
可以提高二侧的表面传热系数或一侧的表面传热 系数，但有个前提条件，经济性问题
从这例子可以看出，强化传热，必须从分 热阻下手，抓住分热阻最大的一项着手，设法 降低此项热阻。（设法提高表面传热系数小的 一项）一般情况下，气体的表面传热系数远远 小于液体的表面传热系数，也就是要强化气侧 的换热。
第十章
传热过程与换热器
第一节 传热过程的分析和计算 •１．定义 ： 热流体通过固体壁面把热量传给 冷流体的过程。
•２．通过单层平壁的传热
热流体与固体壁左侧有：
固体壁面间换热：
固体壁面与冷流体间换热：
稳态导热有：
tf1
1 h1
tw1
tw 2
tf 2

热阻图
1 h2
传热方程式
单层平壁 传热热阻 单位面积热热阻
对于两侧均已结垢的管壳式换热器，以管子 外表面为计算依据的传热系数可以表示成：
k
1 1 Ao 1 R f i Rw R f o hi Ai ho
管壳式换热器的部分污垢热阻可以在有关 表中查得。
（2）污垢热阻的计算
温度为t0的原油以质量流量qm（kg/s） 流 入一内径为D的架空管道。已知管外空气的温 度为tf，管内原油与空气间的传热系数（基于 管内壁面积）为k（W/（m2K)）。假定t0、tf、 qm、k及原油的比热c（J/(kg· K)）等物性参数 均为常数。试分析原油温度t沿流动方向x的变 化规律。
kAtm
顺流和逆流的区别： 顺流时： t 2 t1
t 2 t1 逆流式：
或
t 2 t1
在相同的进出口温度条件下
tmc tmp
Ac Ap
逆流也有缺点，即热流体和冷流体的最高温 度 集中在换热器的同一端
以顺流情况为例，作如下假设：
（1）冷热流体的质量流量qm2、
第二节 换热器的分类及平均温压（差） 一、换热器的分类
换热器：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。 按照工作原理分类
分为间壁式、混合式及蓄热式（或称回热式） 三大类。
间壁式换热器：是指冷热流体被壁面隔开进行
换热的热交换器。如暖风机、燃气加热器、冷 凝器、蒸发器； 间壁式挨热器种类很多，从构造上主要可 分为：管壳式、肋片管式、板式、板翅式、 螺旋板式等，其中以前两种用得最为广泛。 另外，按流体流动方向可有顺流、逆流、交 叉流之分。
4、板式换热器 板式换热 器拆卸清洗 方便，故适 合于含有易 污染物的流 体的换热。
5、螺旋板式换热器
换热器换热效果较好，缺点是换热器的密封 比较困难。
6、热管换热器
（2）按流动方向分
1、顺流式换热器
2、逆流式换热器
3、交叉式换热器 4、混合式换热器
三、平均传热温差
对任何形式的换热器，传热方程式中的平 均传热温差Δt均是冷热流体的平均温差。但 是，流动形式不同，冷热流体温差沿换热面的 变化规律也不同。传热温差也不同。 传热方程式：
4．临界热绝缘直经 对于平板，加保温后，一定能够降低散热量 （消弱传热） 对于圆管（球），加保温层也一定能降低散 热量吗？ 以管道为例
ro r2 1 1 1 1 Rt ln ln 2hi r1 21 r1 2 r2 2ho ro
为了计算方便，忽略内侧的对流热阻和 管壁的导热热阻，实际上也是可行的。此时 的总热阻为： r 1 1
解：
（１）从而此套管式换热器为逆流式套管换热器
（2）
根据： 可得：
或者
第四节
传热的强化和隔热保温技术
强化传热的目的
缩小设备尺寸；
提高热效率； 保证设备安全。 有源技术和无源技术
1．强化传热的原则及方法
原则：针对分热阻最大的一侧。
方法：若两侧表面传热系数相差较大，则应强化小的 一侧 a．提高流速（紊流）； b．设法使液体产生扰动或涡流； c．采用机械振动。
第三节 换热器的热计算
• 分为设计计算和校核计算。 •换热器热计算的基本公式为 传热方程式:
kAtm
热平衡方程式：
t1 qm2cp 2 t2 t2 qm1cp1 t1
• 1、换热器计算的平均温差法
平均温差法用作设计计算时步骤：
– 初步布置换热面，计算出相应的传热系数K。 – 根据给定条件，由热平衡式求出进、出口温度 中的那个待定的温度Δtm。 – 由冷、热流体的4个进、出口温度确定平均温差， 计算时要注意保持修正系数 Ψ 具有合适的数值。 – 由传热方程求出所需要的换热面积A，并核算换 热面两侧有流体的流动阻力。 – 如流动阻力过大，改变方案重新设计。
2、换热器设计时的综合考虑 换热器设计是综合性的课题，必须考虑出投 资，运行费用，安全可靠等诸多因素。 3、换热器的结垢及污垢热阻 污垢增加了热阻，使传热系数减小，这种热 阻成为污垢热阻，用Rf表示，
1 1 Rf kA k0 A
式中：k为有污垢后的换热面的传热系数，k0 为洁净换热面的传热系数。
转式空气预热器，全热回收式空气调节器等。
二、间壁式换热器的主要形式 （1）按结构来分 1、套管式
适用于传热量不大或流体流量不大的情形。
2、管壳式
管程、壳程、折流挡板
TB,in (shell side)
TA,out
TB,out
TA,in (tube side)
进一步增加管程和壳程
3、交叉流换热器（ 分管束式、管翅式及板翅式）
4 效能（有效度）---传热单元数数，即ε－NTu法 用对数平均温度法来核核换热器，因需要迭 代，所以计算量很大，而且对计算结果的准确 性也有一定的误差，在这种情况下，采用效能 （有效度） ---传热单元数数，即ε－NTu法。
几个参数 a. 热容量：
b. 热容比Ｃ