學(xué)習(xí)傳熱學(xué)的工程目標(biāo)各種工程中的換熱問題進(jìn)行計算換熱器設(shè)計……2

第十章

傳熱和換熱器§1

通過肋壁的傳熱§2

有復(fù)合換熱時的傳熱計算§3

傳熱的增強(qiáng)和削弱§4換熱器的型式和基本構(gòu)造§5平均溫度法§6換熱器計算各傳熱方式/模式：導(dǎo)熱、對流、輻射增強(qiáng)/減弱換熱的基本途徑

–

減小/增大換熱熱阻（涉及換熱系數(shù)和面積）傳熱過程與計算：換熱熱阻實現(xiàn)增強(qiáng)/減弱換熱的基本方法

–

增大/減小傳熱系數(shù)導(dǎo)熱材料、對流強(qiáng)化、表面溫度與表面輻射特性

-增大/減小傳熱面積簡單回顧：§1通過肋壁的傳熱設(shè)置肋片目的：加大換熱面積通過肋壁的傳熱過程Tf1

Tw1

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Tf2

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熱阻Tw1Tf1Tw2Tf2Tw2,m？通過肋壁的傳熱過程Tf1

Tw1

Tw2

Tf2

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熱阻Tw1Tf1Tw2Tf2Tw2,m肋片效率：肋面熱阻熱阻Tw1Tf1Tw2Tf2肋面熱阻以A2為計算基準(zhǔn)肋壁總效率肋壁傳熱熱流量以內(nèi)壁面積為基準(zhǔn)7

稱為肋化系數(shù)通過肋壁的傳熱系數(shù)肋壁傳熱熱流量以內(nèi)壁面積為基準(zhǔn)記以內(nèi)壁面積為基準(zhǔn)(>1)所以，加了肋面的傳熱總熱阻減小，換熱系數(shù)增大，有利于換熱的增強(qiáng)。增強(qiáng)的效果則與多個因素有關(guān)。說明：以上分析沒有考慮污垢熱阻。 如果已知，如何考慮？肋片設(shè)置效果的有關(guān)注意事項

當(dāng)壁面兩側(cè)的換熱系數(shù)有明顯的大小不同時，肋片應(yīng) 設(shè)置在哪個表面？ 氣體側(cè)？液體側(cè)?

凝結(jié)/沸騰換熱側(cè)？非相變對流換熱側(cè)？

肋化系數(shù)的大小與兩個面的換熱系數(shù)差別有無關(guān)系？

肋片的間距能否很??？

9

§2

有復(fù)合換熱時的傳熱計算復(fù)合換熱：對流換熱與輻射換熱共存工程實例舉例：壁面對流與輻射計算與分析的處理方法：分項計算之和輻射換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)例題10-1例題10-211

§3

傳熱的增強(qiáng)與削弱增強(qiáng)傳熱的目的：

減小換熱設(shè)備體積（使之緊湊） 減小設(shè)備材料用量（設(shè)備制造成本） 減小運(yùn)行動力消耗（設(shè)備運(yùn)行成本）

削弱傳熱的目的：

減小熱量損失（節(jié)能、降耗） 維持溫度條件（保證安全、工藝條件、特殊要求）

12

3-1增強(qiáng)傳熱的方法

目標(biāo)：減小各環(huán)節(jié)的熱阻（=提高傳熱系數(shù)）

以壁面?zhèn)鳠徇^程為例即是要減小熱阻，最需要改善的是熱阻最大的環(huán)節(jié)13

要充分認(rèn)識污垢影響的嚴(yán)重性污垢的導(dǎo)熱系數(shù)小，形成的熱阻大，有時占總熱阻的比例大，從而成為“瓶頸”。工程中的處理：清污、除垢、過濾、電化學(xué)處理增強(qiáng)傳熱（減小熱阻）的常見方法①擴(kuò)展傳熱面：肋片考核指標(biāo)：單位設(shè)備體積的換熱能力②改變流動狀態(tài)

增大流速 設(shè)置擾動裝置或物件 設(shè)置引起旋轉(zhuǎn)流動的裝置或物 加大流體對壁面的沖擊及擾動③改變流體物性

氣體中加入固體顆粒，形成氣-固懸浮體 增大體積比熱容，增強(qiáng)對邊界層的擾動，增強(qiáng)輻射換熱蒸汽或氣體中加入霧化的液滴④改變換熱表面特性 增加表面粗糙度=>加大對對流換熱、凝結(jié)換熱的邊 界層的擾動改變表面結(jié)構(gòu)=>（沸騰換熱）增多氣化核心、降 低汽化核心形成條件；凝結(jié)換熱表面的凝結(jié)液匯 集與增多暴露表面表面涂層=>凝結(jié)換熱：低表面能（液滴張力角） 涂層促成（或保持）珠狀凝結(jié)；輻射換熱：波長 選擇性表面涂層可增強(qiáng)或減弱輻射換熱⑤改變換熱面幾何特征（形狀、尺寸等）

如管內(nèi)對流換熱=>小管徑有利于提升對流換熱系數(shù)；異型截面管有利于減小當(dāng)量水力直徑=>從而提高換熱系數(shù)；凝結(jié)換熱的表面尺寸越小越有利于減小凝結(jié)液膜的厚度，從而減小液膜的導(dǎo)熱熱阻，進(jìn)而增大凝結(jié)換熱系數(shù)⑥改變能量傳遞方式如在對流換熱流道中增設(shè)“對流-輻射板”結(jié)構(gòu)，可大大增強(qiáng)流體與換熱表面的換熱能力.金屬絲網(wǎng)，陶瓷板、陶瓷環(huán)等.分析：由于增設(shè)金屬絲網(wǎng)，流體與管內(nèi)表面的換熱熱流密度增加多少？可能與哪些因素有關(guān)？代價是什么？tWtf？？？？？CombinedConvection-Radiation

HeatTransfer例題10-3⑦利用外部力產(chǎn)生振蕩，加大邊界層的擾動機(jī)械力聲波或超聲波靜電場當(dāng)然，有幾個相關(guān)問題需要綜合考慮：比如制造成本、運(yùn)行（動力、能耗）成本、設(shè)備的維護(hù)、性能的持久性、等總之，一切可以減小熱阻–

導(dǎo)熱、對流（包括沸騰與凝結(jié)）、輻射等各個環(huán)節(jié)–

的措施，均可以考慮用來增強(qiáng)換熱。20

3-2削弱傳熱的方法

增加各環(huán)節(jié)的熱阻（=減小傳熱系數(shù)）

措施上主要包括：

絕熱（保溫）材料（的開發(fā)） 結(jié)構(gòu)上的考慮 絕熱材料+特別結(jié)構(gòu) 改表面涂層材料（針對輻射）21

§4換熱器的型式和基本構(gòu)造按工作原理的換熱器分類兩種或兩種以上溫度不同的流體之間進(jìn)行熱量交換的設(shè)備間壁式：不同流體被固體壁面分隔混合式（直接接觸式）：不同流體相互直接接觸回?zé)崾剑夯責(zé)岵牧祥g歇地與冷、熱流體接觸， 實現(xiàn)流體間的熱量交換本節(jié)內(nèi)容：間壁式換熱器22

按流體流動特征（方向）分類順流式：兩種流體的流 動方向相同逆流式：兩種流體的流動方 向正好相反岔流式：兩種流體的流動方 向垂直或以其他角 度交叉4-1管殼式換熱器

4-2肋片管式換熱器

4-3板式換熱器

4-4板翅式換熱器

4-5螺旋板式換熱器

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換熱設(shè)備計算需要解決（確定）的問題溫度熱流量換熱系數(shù)換熱面積A換熱面冷熱流體換熱器基本計算公式針對不同的條件需要確定的問題設(shè)計計算

校核計算換熱器計算的兩種類型根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)給定的換熱條件，比如流體的類型及流量、進(jìn)出口溫度等，設(shè)計一臺換熱器，一般需要確定換熱器的型式、結(jié)構(gòu)及面積。A對于已有(或選定)的換熱器進(jìn)行校核，以確認(rèn)能否達(dá)到所要求的換熱目的。一般需要計算流體的出口溫度、換熱量的大小、以及流動阻力等。共同的問題溫差的確定因為沿程的溫差不一樣31

§5

平均溫度差在基本計算公式 中，是一個平均傳熱溫差。在不同型式的換熱器中，換熱器的溫差有不同的特點。分析：局部傳熱溫差隨換熱表面的變化而變化換熱器傳熱溫差的特點32

順流和逆流條件下，局部傳熱溫差隨換熱表面變化tAtA

順流逆流熱流體冷流體冷流體熱流體思考： ①極端理想條件下，冷/熱流體可能達(dá)到的的出口溫度？ ②其他條件相同的條件下，哪種布置更有利？33

什么參數(shù)能反映兩種情形下的換熱性能的不同呢？tAtA換熱溫差！

平均溫度差（以順流為例）tAAxX位置處的局部溫差34

假設(shè)：換熱系數(shù)可近似當(dāng)成定值A(chǔ)dAtAx熱流體失熱=冷流體得熱已知：M1,c1,M2,c2,K,A

進(jìn)出口溫差求：換熱平均溫度差平均溫差從傳熱過程定義平均溫差從熱平衡關(guān)系確定平均溫差dt1dt2從熱平衡關(guān)系確定平均溫差A(yù)dAtAxdt1dt236

AdAtAx從熱平衡關(guān)系確定平均溫差dt1dt2一種做法,可行，但稍顯麻煩教材中的辦法更簡潔37

AdAtAx從熱平衡關(guān)系確定平均溫差dt1dt2對數(shù)平均溫差38

對于叉排等其他情形，平均換熱溫差采用逆流對數(shù)溫差，并作修正。（參見圖10-14、15、16）可以證明，逆流的對數(shù)平均溫差的表達(dá)式類似，只需要將公式中的溫度差視為同一側(cè)的溫差.例題：10-4、10-5、10-639

設(shè)計計算

校核計算已知：已知：§6

換熱器計算設(shè)計（計算）：校核：Ak換熱器型式、結(jié)構(gòu)、流程安排、換熱面積換熱器型式、結(jié)構(gòu)、流程安排、換熱面積每種計算中，均為中間計算量兩種計算方法:

平均溫差法和效能-傳熱單元數(shù)法6-1

平均溫差法(LMTD)依賴于三個基本關(guān)系式//LogarithmicMeanTemperatureDifference設(shè)計計算求：A(型式、流程已經(jīng)確定）按什么樣的步驟計算？求解步驟：已知：壁面導(dǎo)熱、肋片、肋壁導(dǎo)熱對流換熱、凝結(jié)換熱、沸騰換熱輻射換熱…..Arewedoneyet?YES!!例題10-7壁面導(dǎo)熱、肋片、肋壁導(dǎo)熱對流換熱、凝結(jié)換熱、沸騰換熱輻射換熱…與流體的溫度有關(guān)LMTD法的校核計算求：已知：換熱器型式、結(jié)構(gòu)、流程安排、A按什么樣的步驟計算？求解步驟：需要采用試算法-〉依賴基本關(guān)系式相同（三個）假設(shè)一個出口溫度之后，按設(shè)計計算的步驟進(jìn)行？Arewedoneyet?NO??！需要檢驗假設(shè)是否正確YES?。?-2

傳熱單元數(shù)法(-NTU法)兩個新概念：NTUstandsfor

NumberofTransferUnits--換熱器效能NTU--傳熱單元數(shù)

（一會兒就認(rèn)識）

換熱器效能

實際換熱量

最大可能換熱量只有小熱容量的流體的出口溫度才可能達(dá)到最理想的溫度值另一側(cè)流體的進(jìn)口溫度！

可能的兩個定義式熱流體的熱容量小冷流體的熱容量小換熱器的效能與換熱器的設(shè)計計算、校核計算有什么關(guān)系？能否/如何把計算中所涉及到的變量關(guān)聯(lián)起來？有無方便之處？共通定義式順流條件下的換熱器效能（假定冷流體-2-為小熱容流體）AdAtAdt1dt2瞬流條件下局部溫差隨面積的變化關(guān)系熱平衡關(guān)系冷流體2為小熱容、順流下的換熱器效能熱流體1

為小熱容順流下的換熱器效能冷流體2為小熱容順流下的換熱器效能順流下的換熱器效能順流下的換熱器效能傳熱單元數(shù)