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第十章传热和换热器
《传热学》
1

•传热过程
热量从壁面一侧的流体通过壁面传到另一侧
流体中去的过程
•传热方程式
Φ=k⋅A⋅ Δt
关键关键
《传热学》
2

光滑壁面的总传热系数
通 过平壁的传热
1
1
δ
1
++
h
1
λ
h
2
h
1
t
f1
λ
h
2
tf2
k=
δ
说明:（1）h
1
和h
2
为复合换 热表面传热系数
（2）两侧面积相等
《传热学》
3

§10-1 通过肋壁的传热
肋侧总面积
A
o
=A
1
+A
2Φ=h
i
A
i
(t
f1
−t
wi
)< br>Φ=
λ
A
i
t
wi
−t
wo
δΦ=h
o
A
1
(t
wo
−t
fo
)< br>+h
o
η
f
A
2
(t
wo
−tfo
)=h
o
η
o
A
o
(t
wo−t
fo
)
《传热学》
4

A
i
(
t
f
1
−
t
f
2
)
Φ==A
i
11
δ
1
δ
++
++
h
i
A
i
λ
A
i
h
o
η
o
A
o
h
i
λ
h
o
η
o
A
o
定义肋化系数
则传热系数为
t
f
1
−
t
f
2
β
=A
o
A
i
k=
1
1δ
1
++
h
i
λ
h
o
η
o< br>β
5
《传热学》

Δ
t
i
=Const .
R
i
•壁温靠近热阻最小的一侧流体的平均温度
纸杯烧开水
•金属 壁导热热阻小，温差小，所以可认为
金属内外壁温度一致
《传热学》
6

强化传热的突破口
在一定的温差下，强化传热应从热阻最大
的环节入手。
肋片 要加装在表面传热系数较低的一侧，以
降低加肋侧的热阻。
•有一台采暖用的散热器，用管内的 热水
来加热管外的空气。为了提高散热器的散
热效果，如何加装肋片？
《传热学》7

第十章传热和换热器
《传热学》
1

§1 0-3 传热的增强和削弱
一、传热学的目的
1、传热的强化
①设备尺寸减小
空调
②得到有效冷却
《传热学》
电子元器件
2

二、强 化传热
1、原则
强化传热应从热阻最大的环节入手
2、途径
主要集中在对流换 热
《传热学》
3

3、对流换热的强化
①从换热过程的物理机制 来分析
无相变：
减薄边界层、增加流体的扰动
有相变
{
凝结：
减薄液膜、形成珠状凝结
沸腾：增加汽化核心数
《传热学》
4

②从对流换热的实验规律来分析
无相变：
Nu
f
=0.023Re
f
Pr
f
hd
⎛
ρ
ud
⎞
⎟
=< br>0.023
⎜
⎟
⎜
λ
⎝
η
⎠
0.6
0.4
0.8
0.8
n
n
⎛
η
c
p
⎞
⎟
⎜
⎜
λ
⎟
⎠
⎝
0.80.2
提高流速
减小管径
改变物性
λ
c
p
h= 0.023
0.4
η
(
ρ
u
)
d
这一分析 适用于所有单相对流换热
《传热学》
5

③强化单相对流换热的技术手段
粗糙表面
《传热学》
6

扩展表面
《传热学》
7

螺旋管
《传热学》
8
椭圆管

•无源 技术(被动技术)
•有源技术(主动技术)
其主要手段有：
①对换热介质做机械搅拌；
②使换热表面振动；
③使换热流体振动；
④将电磁场作用于流体
《传热学》< br>9

⑤除垢
在换热器运行过程
4、对流换热的强化一般都带来流动 阻力的增加
《传热学》
10

三、隔热保温技术
1、工业应用< br>•热力设备、工程管路
•建筑节能
•低温液化气体的储存和运输
•航天器返回< br>《传热学》
11

2、分类
•高于环境温度的热力设备
保 温：防止热量散失
•低于环境温度的工质和容器
隔热：防止热量传入
《传热学》
12

3、保温效率η
Φ
0
−Φ
x
η
=
Φ
0
一般
η
应大于90％
《传热学》
13

削弱传热的主要方法
覆盖热绝缘材料
一般性的绝热材料
材料超细粉 末颗粒热材料
多层真空绝热材料
{
改变表面状况和材料结构
热辐射: 对表面进行选择性涂层
热传导: 利用空气夹层隔热
热对流: 蜂窝状结构
《传热学》
14

复习
1.传热方程式
2. 通过平壁的传热系数
3. 通过肋壁的传热系数
4. 强化传热的原则及方法（写出五种）《传热学》
1

复习
1.传热方程式
Φ=k⋅A⋅Δtk=
1
1
δ
1
++
h
1
λ
h
2
1
1
δ
1
++
h
i
λ
h
o
η
o
β
2. 通过平壁的传热系数
3. 通过肋壁的传热系数
k=
4. 强化传热的原则及方法
强化传热应从热阻最大的环节入 手
《传热学》
2

第十章传热和换热器
《传热学》
3< /p>

§10-4 换热器的形式和基本构造
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
《传热学》
4

换 热器(Heat Exchanger)的主要形式
间壁式(UndirectionalHeat E xchange)：冷热流体
分别位于固体壁面两侧。
燃气加热器、冷凝器、蒸发器
混 合式(Direct-contact Heat Exchange)：冷热流
体混合进行传热。喷淋冷却塔、空调扇
蓄热式（回热式）(regenerative heat exchange r)：
由蓄热材料组成，并分成两半，冷热流体轮换通过它
的一半通道，交替式地吸收和放出热 量。
空气预热器、全热回收器
《传热学》
5

间壁式换热器有以 下几种形式
管壳式换热器
板式换热器
肋片管式换热器
《传热学》
6< /p>

管程
壳程
管壳式换热器
《传热学》
7

< br>管程(Tube Pass)：由管子组成的通道
壳程(Shell Pass)：管外壳内通道
管程数：流体在管内流动方向数
壳程数：流体在壳内流动方向数
壳管式换热器的命名壳 程数-管程数
1-2型：壳程为1，管称为2；
2-4型：壳程为2，管称为4。
《传 热学》
8

管壳式换热器
《传热学》
9

板式换热器
《传热学》
10

肋片管（翅片管）式换热器
《传热 学》
11

第十章传热和换热器
《传热学》
1

< br>§10-5 平均温差
一、简单顺、逆流换热器平均温差的计算
传热方程的一般形式Φ=kAΔt
m
注意
《传热学》
2

1、简化模型
以顺流情况为例
假设：
•冷热流体的质量流量q
m2
、q
m 1
以及比热容c
2
、
c
1
是常数；
•传热系数是常 数；
•换热器无散热损失；
•换热面沿流动方向的导热量可以忽略不计。
《传热学》< br>3

2、分析方法
取x处一微
元来分析
热流体
冷 流体
Δt=t
1
−t
2
dΦ=k⋅dA⋅Δt
dΦ=−q< br>m1
c
1
⋅dt
1
dΦ=q
m2
c
2
⋅dt
2
《传热学》
4

dΦ=−q
m1< br>c
1
⋅dt
1
dΦ=q
m2
c
2
⋅ dt
2
1
⇒d
t
1
=−dΦ
q
m1
c
1
1
⇒d
t
2
=dΦ
q
m2
c
2
dΔt=d
(
t
1
−t
2
)
=dt
1
−dt
2
⎛
11
⎞
⎟
dΔ
t
=−
⎜
+dΦ=−
μ
dΦ
⎜
qcqc
⎟
mcc
⎠⎝
mhh
dΦ=k⋅dA⋅Δt
《传热学》
5< /p>

dΔt=−
μ
dΦ=−
μ
k⋅dA⋅Δt
dΔ t
=−
μ
k
dA
Δt
∫
Δt
x
Δ t
′
A
x
d
Δ
t
=−
μ
k
∫
dA
0
Δt
Δt
x
ln=−
μ
kA< br>x
Δt
′
《传热学》
6

Δt
x
=Δt
′
⋅e
1
A
Δ
t
m
=
∫
Δt
x
dA
x

0
A
1
A
−
μ
kA
x
Δ
t
m
=

∫Δ
t
′
e
dA
x
A
0
A
'< br>⎛
⎞
Δ
t
⎜
1
−
μ
kA
x
⎟
=−
e
⎟
A
⎜
k
μ
0
⎠
⎝
'
Δt
−
μ
kA
=−e−1
μ
kA
(−
μ
kA
x
)
()
《传热学》
7

Δt
−
μ
kA
Δt
m
=−e−1< br>μ
kA
'
()
Δt
x
=Δt
′
⋅e
(−
μ
kA
x
)
1
'''
Δ
t< br>m
=−Δ
t
−Δ
t
μ
kA
()
《传 热学》
8

1
(
Δt''−Δt'
)
Δtm
=−
μ
kA
Δ
t
x
=−
μ
kA
x
ln
Δt
′
Δ
t
''
=−
μ
kA
ln
Δt
′
Δt
′′
−Δ
t
′
Δt
m
=
Δ
t
′′
ln
Δt
′
《传热学》
9
对数平均温差
LMTD

热流体
逆流时（课后作业）
冷流体
Δt=t
1
−t
2
dΦ=k⋅ dA⋅Δt
dΦ=−q
m1
c
1
⋅dt
1
dΦ=− q
m2
c
2
⋅dt
2
《传热学》
10

′
−
t
2
′
Δ
t
′
=t
1
《传热学》
′′
−t
2
′′
Δt
′′
=t
1
11
′
′
−t
2
′′
Δt
′′
=t
1
′′
−t
2
Δt
′
=t
1

Δ
t
max
−Δ
t
min
Δ< br>t
m
=
Δ
t
max
ln
Δ
t
min
Δt
max
=max
(
Δt',Δt''
)
Δt
min
=min
(
Δt',Δt''
)
《传热学》< br>12

3、算术平均温差
Δt
max
+Δt
mi n
Δ
t
m
=
2
Δt
max
Δt
m in
≤2≤4%
Δt
max
Δt
min
≤1.7
《 传热学》
13
≤2.3%

4、温度曲线
t
1
'
t
1
''
t
2
''
t
1
't
2
''
t
1
''
t
2
'
t
2
'
t
1
'
t
1
''
t
2
''
t
1
'
t
2
''
t
1''
t
2
'
14
t
2
'
《传热学》< /p>

三、其它复杂流动布置时平均温差的计算
Δt
m
=
ψ< br>(Δt
m
)
ctf
•是给定的冷热流体的进出口温度布
置成逆 流时的LMTD
(Δt
m
)
ctf
•
ψ
是小于1的 修正系数
《传热学》
15

1、ψ值取决于无量纲参数P和R
′ ′
−
t
2
′
t
2
,P=
′
−t< br>2
′
t
1
2、P的物理意义
′
−
t
1
′′
t
1
R=
′′
−t
2
′
t
2
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
《传热学》
16

四、各种 流动形式的比较
1、顺流和逆流
•顺流和逆流是两种极端情况，在相同的进出口
温度下 ，逆流的平均温差最大，顺流的平均温
差最小；
′′
则可能大于
t
1
′′
1
′′
，而逆流时，
t
2
′′< br>，•顺流时
t
2
可见，逆流布置时的换热最强；
•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。
《传热学》
17