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9.3 换热器的对数平均温差
(1)套管式换热器的工作特点
见图9－12，热流体沿程放出热量 温度不断下降，冷流体沿程吸热温度上 升，且冷、热流体间的温差是不断变化 的。因此，利用传热方程式来计算整个 传热面的热流量时必须使用整个面积上 的平均温差计为 tm ，传热方程式为：
kAtm
R
ln( do di )
2l
Rho
1
holdo
5
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Φ
l(t fi t fo)
1 1 ln( do )
1
kodol(t fi t fo)
hidi 2 di hodo
以外侧面积为基准的传热系 数计算式：
ko
do
1 do ln( do ) 1
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在详细讨论了导热、对流、辐射三种热量传递的特点和 计算方法以后，本章将综合应用这些知识来分析一些典型工 程传热问题。在实际传热问题中不同的传热方式常常同时起 作用。分析有那些热量传递方式在起作用，以及选用什么方 法或公式进行计算是解决问题的基本功。
本章的主要内容： (1)分析与计算通过几种不同几何形状固体壁面的传热过 程。 (2)间壁式换热器热力设计方法。 (3)归纳与总结强化或消弱热量传热过程的方法。
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1、通过平壁的传热
K的计算公式？
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
(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。
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(5) 螺旋板式换热器：换热表面由两块金属板卷制而成， 有点：换热效果好；缺点：密封比较困难。
(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、管翅式和板翅式三种。
(c) 板翅式交叉流换热器
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把单位体积内所包含的换热面积作为衡量换热器紧凑程度的 衡量指标，一般将大于700m2/m3的换热器称为紧凑式换热 器，板翅式换热器多属于紧凑式，因此，日益受到重视。
界直径称为临界热绝缘直径。也就是说，do2在do1～dcr之间， 是增加的，当do2大于dcr时，降低。
保温管道外表面的Bi数>2时，增加保温层厚度可进一步 减少热损失；若Bi数<2时，增加保温层厚度反起到强化换热 的作用。
一般保温动力管道外经大于此值，所以很少有必要考虑
2临020/3界/28 热绝缘直径的问题。
圆管外加保温层时，由于保温材料的导热系数都很小，
敷设保温层后换热面积的增加是由于简单地扩大直径而致，
增加的幅度有限。因而一般是导热热阻的增加量大于对流换
热热阻的减少量，使总热阻增加(消弱了传热)。
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所以，表面上看来截然 相反的两件事—肋片强化换 热、保温层消弱换热，其内 部却有以上辨证的关系。(见 图9-3)，而且在一定条件下 肋片与保温层的作用还可能 相互转化。见例题9-3(详细 讲解讨论：当绝缘层外经小 于30mm时，增加绝缘层厚 度非但不会消弱传热，反而 会增加散热)。
本节的主要内容 换热器的结构形式(主要为间壁式)及换热器中冷热流 体的平均温压的计算方法。
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1 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
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？这要看d/ddo2 和d2/ddo22的值
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(do2 )
1 hi d i
1 21
ln(
do1 ) di
1 22
ln(
do2 ) do1
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9.2 换热器的型式
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换热器的定义：凡是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通称换热器。
换热器的分类：
三种类型换热器简介
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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
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9.1 传热过程的分析和计算
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传热过程？ 基本计算式(传热方程式)？
k A(t f 1 t f 2 )
k 1
ARtot
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。
本节将对通过平壁、圆筒壁的传热系数作进一步分析。 肋壁是工程技术中广泛用来增强换热的金属壁面，本节将详 细讨论通过肋壁的传热系数计算式，并对与此相关的临界换 热绝缘直径作相应的分析。
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4 临界热绝缘直径
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(1)圆管外加肋片(用于强化换热)与圆管外加保热层(主要用于消 弱传热)对总换热热阻的影响。
这一问题的回答取决于增加表面积后所引起的对流换热 热阻减小的程度及导热热阻增加的程度的相对大小。
圆管外加肋片增加了外表面积，在增加表面积(减少对流 换热热阻)的同时也增加了导热热阻。由于肋片都是用金属做 成，导热系数很大，而且肋片所增加的换热面积的倍数较高， 因而，对流换热热阻的减小量大于导热热阻的增加量。使总 热阻明显降低(强化了换热)。
板翅式
螺旋板式
混合式
蓄热式
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间壁式—冷热流体分别位于固体壁面两侧，而由壁面间接 隔开来。
混合式—冷热流体通过直接接触、相互混合来实现换热。 回热式—冷热流体交替地通过同一换热表面而实现热量交 换的设备称为蓄热式换热器。
在蓄热式换热器中，固体壁面除了换热外还起到蓄热的 作用：高温流体流过时，固体壁面吸收并积蓄热量，然后释 放给接着流过的低温流体，这种换热器的热量传递过程是非 稳态的。
管束有的采用U 形管，可以避免 因管子受热膨胀 引起的热效应。
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TB,in (shellside)
TA,out
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TB,out
进一步增加管程和壳程
TA,in (tube side)
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1
1
Ai
1
1
1
hi h00 A0 hi h00
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式中： A0称A为i 肋化系数，即加肋后的总表面积与该表面
未加肋时的表面积之比。
1 ，使外侧的热阻从 1 h降0 到
热量Q增大。
1 (，h0从0而使) 换
应当注意，在工程传热计算中，为了表征一种强化表面相 对于光滑表面的优越性，一般都以未加肋时的表面积(或胚 管面积)作为计算总传热系数及热流量的面积。在对比各种 肋片表面的传热性能时，必须对计算面积有清楚的了解。
Ai (t f 1 t f 2 )
1 1
hi hooΦl(t Nhomakorabeafi t fo )
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
传热过程包括管内流体到管内侧壁面，管
内侧壁面到管外侧壁面，管外侧壁面到管
外流体三个环节。
hi
内部对流： hidil(t f 1 twi )
ho
圆柱面导热：
Φ l(twi two )
1 ln( do )
2 di
外部对流： hodol(two t f 2 )
1
Rhi lhidi 2020/3/28
1NANJING NORMAL UNIVERSITY ho d o 2
Φ l(t fi t fo ) (do2 )
d
ddo2
l(t fi (d
t o2 )
fo )
2
1
22do2
1 h2do22
d 0 ddo2
do2
22
h2
dcr
or Bi do2h2 2
2
可见，确实是有一个极值存在。这个散热量为最大值的临
传热学
Heat Transfer
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第9章 传热过程和换热器的计算