第五章换热器

1
2
2.通过圆管壁的稳态传热过程 通过热流体与圆管内壁的换热量：
Q 1 A1 (t f 1 t w1 ) R 1
1
hi t f 1 t w1 1
Q
Q
圆管管壁间的热流量：
Q t w1 t w 2 1 2 l ln d2 d1
R 1
1 A1
h2 o
Q
21
1 d1l
用A1m ln
2 d 2l
2 l ( r2 r ) 1 A1m
2 o
A2 A1
A2 A1 A1m
Q=
t f1 t f 2 1
1 A1

r
A1m

1
W
K
1 A2
2 A2
1 A1

rA2
A1m

1
(W/m C)
2
三、临界热绝缘直径d2c
第九章 传热过程和换热器
§9-1 传热过程的分析与计算 §9-2 换热器的种类和基本结构 §9-3 管壳式换热器的热计算 1. 对数平均温差法 2. 有效度－传热单元数法 §9-5 传热的强化和削弱
§9-1 传热过程的分析与计算
一、传热过程
1.定义：热流体通过 固体壁把热量传给冷流体 的过程。 从定义可以看出，热 量传递由导热（固体壁内 ），对流换热以及辐射换 热组合而成。 研究传热过程的目的：增强传热、消弱传热。
• 解:Q=mhcph(th1-th2) =50/3600×4.18×1000×（80-45） =2032W tc2=tc1+Q/(mccpc) =25+2032/(727.86/3600*1005)=35℃
1
A
A
(
1 mh c p h

1 mc c p c
) kAx
0
t1e
( 1 mh c p h
dAx
(
t1 1 m c h ph 1 m c c pc ) kA

1 mc c p c
) kA
(e
1)
①
ln
t 2 t1
(
(
1 mh c ph
t m 同侧温差之差 ln （同侧温差之比）
4、对于多流程壳管式、交叉流、混流式换热器的 t m
Q kA(tm )逆 F
校正系数： F f ( P, R)
P t c 2 t c1 t h1 t c1
逆流平 均温差
R
t h1 t h2 t c 2 t c1
查表P174
5. 对数平均温差法计算步骤 • 设计计算： 已知： h1、t c1、t c 2 t h2 、 C p 、 C p 、K m h m c t 求: A ①求 Q Q mc p tc 2 tc1
c
②求 th2 Q mc p th1 th 2
• 函数 R x
dRK dd x
f (d x )
1
有一个极值存在
0
1 1 d x l 22 2 d x
22
得
d 2c
2
d2c称为临界热绝缘直径
临界绝热直径公式还可以改写为：
2 d 2c
Bi 2
上式中Bi 是管道外表面的毕渥数。
二、几种典型的传热过程
1.通过平壁的稳态传热过程 热流体与固体壁左侧换热：
Q A1 (t f 1 t w1 )
R 1 1 t f 1 t w1 Q
1
2
固体壁面换热：
Q A (t w1 t w2 ) /
R
1 A

A
1

t w1 t w 2 Q
tw2 t f 2 Q
§9-3
管壳式换热器的热计算
换热器的热计算分为两种类型： (1) 设计计算：根据换热条件和要求，设计一台新 换热器，为此需要确定换热器的类型、结构及换热面 积。主要涉及到求解换热器的传热面积。 (2) 校核计算：核算已有换热器能否满足换热要求， 一般需要计算流体的出口温度、换热量及流动阻力等。 主要涉及到求解冷热流体的出口温度。 换热器计算的两种方法： 1.平均温差法； 2. 有效度-传热单元数法( - NTU法)
(
mh c ph

mc c pc
)kAx
可见，温差随换热面呈指数变化，则沿整个换热面 的平均温差为：
t m 1
A
A
0
t x dAx
1
A
A
(
1 mh c p h

1 mc c p c
) kAx
0
t1e
dAx
t m
1
A
A
0
t x dAx
ln
d2 d1

t w1 t w 2
Q
圆管外壁与冷流体的换热量：
Q 2 A2 (t w 2 t f 2 ) R 2
1
式中A 是工程中用最外侧面积
2 A2

tw2 t f 2 Q
Q
tf1 tf 2 1
1 A 1

1 2l
ln
d2 d1

1

tf1 tf 2 1
2 A2
d1l1

1 2l
ln
d2 d1

1
d 2l 2
由于对圆管壁来说，面积是随着半径的变化而变化 的，所以此时的传热系数有个选择基准面的问题，通常 选择外侧面作为基准面。 因此在传热过程中有： Q kA2 (t f 1 t f 2 ) 则：
ko 1 d2 d11 d2 2 ln d2 d1 1
1 mc c pc
dQ
则：
1 1 )dQ d t dth dtc ( mh c ph mc c pc dQ kdAt
dt (
1 mh c ph

1 mc c pc (
)dQ ( 1
1 mh c ph 1

1 mc c pc
)kdAt
dt t
mh c ph

mc c pc
)kdA
dt t
t
(
1 mh c ph 1

1 mc c pc 1 mc c pc 1
)kdA
Ax
dt t t x t1
t1
(
mh c ph 1

)k
dA
0
ln
2、换热器中流体温度分布
3. 简单顺流及逆流换热器的对数平均温差 传热方程的一般形式为： Q kA(th tc ) kAt 这个方程对于传热过程是通用的，但是当温差Δt沿 整个壁面不是常数时， Δt应为对数平均温差Δtm，即：
Q kAt m
推导：作如下假设：（顺流为例） （1）冷热流体的质量流量 m 以及比热容 c p 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。
壳管式换热器
（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。
肋片管式换热器
（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。
t m t1 t 2 ln t1 t 2
t m
t1 t 2 ln t1 t 2
顺流和逆流的区别在于：
顺流： t1 th1 tc1 逆流：
t1 t h1 tc 2
t 2 t h 2 tc 2 t 2 t h 2 tc1
或者我们也可以将对数平均温差写成如下统一形式： （顺流和逆流都适用）
一、对数平均温差法
1、换热器传热计算的基本公式：
（1）热平衡方程式 Q mh c ph th1 th 2 mc c pc tc 2 tc1
符号规则： 下标：1---进口； 2---出口。 下标：h----热流体； c----冷流体。 （2）传热方程 Q kAtm 式中： t m 对数平均温差
h
③求
t m
t m
t 1 t 2 ln t 1 t 2
④求 A
A
Q kt m
• 例题：某1-1型壳管式换热器利用水的余热 预热空气。热水以50kg/h的流量流过管内 ，进口温度为80℃，出口温度为45 ℃；空 气在管外从相反的方向流过，空气流量 727.86kg/h，进口温度为25 ℃。冷热流体 的比热为cph=4.18kJ/(kg* ℃)，cpc=1.005 kJ/(kg* ℃)。管内、外表面的对流换热系 数各为500W/(m2· ℃)和50W/(m2· ℃)，管 的内直径和外直径分别为100mm和 120mm，管子材料的导热系数为36W/(m* ℃)。试求所需的换热面积。
1 1

1 mc c pc
)kA
②
t 2 t
e
mh c p h
mc c p c
) kA
③
①+②+③→
t m t1 ln t 2 t1 ( t 2 t1 1) t1 t 2 ln t1 t 2
对数平 均温差
按照相同的处理方法，可得到逆流的对数平均温差：
• 为了减少管道的散热损失，采用在管道外侧 覆盖热绝缘层或称隔热保温层的办法。 • 是否绝缘层越厚保温效果越好呢 ？
RK 1