四、管壳式换热器的近期发展
按流动方向分类： 1. 顺流式
3. 叉流式
2. 逆流式 4. 混合流式（杂流式）
按流程分类：
单流程： 双流程： 多流程：
10-3 换热器中传热过程平均温差的计算
1. 简单顺、逆流换热器平均温差的计算
在换热器中，热流体沿程放出热量温度不断下降；冷流体沿程吸收 热量而温度不断上升。当利用传热方程式来计算整个传热面上的热流 量时，必须使用整个传热面积上的平均温差(又称平均温压)，记为Δtm 。据此，传热方程式的一般形式应为: Φ=kAΔtm
逆流的缺点是：热流体和冷流体的最高温度集中在换热器的同一端，使得 该处的温度特别高，这是应该避免的。
例：已知一换热器，热流体进口温度t1’=3000C,出口温度 为t1’’ = 2100C；冷流体进口温度t2’=1000C,出口温度 为t2’’=2000C。求换热器在顺流布置和逆流布置时的 对数平均温差，试说明哪一种布置换热效果好。
每米管长的传热量：
ql h11d12t1f1 ln td fd21 2h21d2 kl(tf1tf2)
1 kl 1 1 lnd2 1
h1d1 2 d1 h2d2
对于多层圆管
பைடு நூலகம்
1
kl 11d1i n1 21ilnddi i121dn1
3. 通过肋壁的传热过程计算
加肋侧的面积A2＝肋片表面积A2’ ＋两肋片之间壁的表面积A2”
图9-7 板式换热器示意图
5）螺旋板式换热器。螺旋板式换热器的换热表面是由两块金属板卷 制而成，冷、热流体在螺旋状的通道中流动，图9-8所示是其两个方向的 截面示意图。这种换热器换热效果较好，缺点是换热器的密封比较困难。
图10-12-8 螺旋板式换热器
三、提高换热器紧凑性的途径 缩小体积、减轻重量
对于蒸汽加热的暖气包，由于蒸汽凝结换热系数h1远远 大于暖气包对室内空气自然对流时的h2，使这一传热过程中的 总热阻完全决定于h2一侧的换热热阻。因此在h2一侧加导热热 阻较小的肋片是最有效的改进措施。
在表面传热系数较小的一侧采用肋壁是强化传热 的一种行之有效的方法。
例1： 一平壁一侧加肋，加肋后面积为A2，肋化系数 =13，肋壁总效率tot=0.9。壁的厚度=10mm，材料的 导热系数=50W/(m·K)，相对应的换热系数为 h1=200W/(m2 ·K)和h2=10W/(m2 ·K) ，流体温度tf1=75C 和tf2=15 C。求以A1为基准，其单位面积的传热量q1， 并与不加肋时的传热量q比较。
在三类换热器中以间壁式换热器应用最广，本节将对其结构 型式及换热器中冷、热流体间的平均温差的计算方法作比较详 细的介绍。近年发展起来的热管换热器是一种有相变的间壁式 换热器，其工作原理具有一定特点．第十章中有专门介绍。
二、间壁式换热器的主要形式 管式热交换器
间壁式热交换器
板式热交换器
壳管式热交换器 肋片管式热交换器 套管式热交换器
q1A Q 11tf1 tf21 k1(tf1tf2)
h1
h2 tot
W /m 2
k1
1
1
1
以A1为基准的肋壁的传热系数
h1 h2 tot
在冷热介质温度一定时，要增强传热可以加大h1、h2、λ、A1、 A2以及减小δ。最有效的措施是改变上列某些值后，可减小各 项分热阻中最大的那一个热阻值。
图9-4 简单的壳管式换热器示意图
为了提高管程流体的流速，在图9-4所示的换热器中，一端的封头里 加了 一块隔板，构成了两管程的结构，称为l-2型换热器(此处l表示壳程 数，2表示管程数)。图9-5所示是一个1-2型换热器的剖面图。
图9-5 1-2型换热器剖面示意图
3）交叉流换热器。它是间壁式换热器的又一种主要型式。根据换热 表面结构的不同又可有管束式、管翅式及板翅式等的区别，如图9-6所示
和砖墙内侧的温度。（不考虑门、窗的传热影响）
4. 临界热绝缘直径(与热绝缘层经济厚度)
在圆管外覆盖一层热绝缘材料时 则每米管长的总热阻为：
R 总 ,lh 1 1 d 1 2 11ln d d 1 2 212ln d d 2 x h 21 d x
R ql
R总,l (3)
(4)
(1)+(2)
d
Q k(A t1t2)k A tm
热流体放出的热量 冷流体吸收的热量
Q 1qm 1c1(t1 t1 ) Q 2qmc2(t2 t2 )
q m 1 c 1 (t1 t1 ) q m 2 c 2 (t2 t2 )
qm1c1 W1
qm2c2 W2
单位时间内流过冷流、体热的热容量
d Q q m 1 c 1 d 1 tq m 2 c 2 d 2t
ql
费
用
R总,l
O d2
dcr
d3
d
经济厚度
绝缘层厚度
热绝缘层经济厚度:每年的热损失与热绝缘投资最少时对应的热 绝缘厚度称为热绝缘层经济厚度。
例：有一外径为0.015m的管道要作保温处理。现有两种隔热材 料，其一A:的导热系数为0.209w/(m0c);其二B:的导热系数为 0.058w/(m0c)。已知管的换热系数为13.96w/(m0c)。试问选择 哪一种材料合适？
t
t
t 1
t 1
t 1
t 2
t 1
t 2
t 2
A
t 2 A
t
t
t 1
t 1
t 1
t 1
t 2
t 2
t 2
A
t 2 A
对数平均温差公式推导
设t1′，t1〃，qm1和c1分别表示热流体的进出口温度、流量 和比热容； t2′，t2〃，qm2和c2分别表示冷流体的进出口温度、 流量和比热容。（四个假设书中：P 324）
t' t
0
ln
t '' t '
mk A
d(t)mdQ t'' t' mQ
t ' t '' Q t ' kA
ln t ''
由tm
Q得 kA
t '' ln mkA
t '
t
＝
m
t ' ln
t t '
''
t ''
对数平均温差
对逆流换热过程
d Q q m 1 c 1 d1 t q m 2 c 2 d2t
q1 /q = 4347.6/570.3 = 7.623
例2：墙厚240mm，室内空气的温度为20 C ，室外空 气的温度为-10 C ；砖墙的导热系数=0.95W/(m·K)， 室内空气对墙面的换热系数为h1=8W/(m2 ·K) ，室外空 气的换热系数为h2=37W/(m2 ·K) （考虑了辐射换热的 因素）。试求冬季室内、外空气通过砖墙传递的热量
tot
A2'' A2
A2' A2
f
肋壁总效率
加肋侧流体的换热量 Qh2(tw 2tf2)A 2 tot
肋壁的导热热量
Q A1(tw1 tw2)
不加肋侧与流体的换热量 Qh1(tf1tw1)A1
肋壁的传热公式
Q
tf1tf2
1 1
k1A1(tf1tf2) W
h1A1 A1 h2A2 tot
t
t 1 t 2
dt 1
dQ q m1c1
dQ W1
t 1
dt 2
dQ qm2c2
dQ W2
t 2 A
t
＝
m
t
'
t t '
''
11 d(t1t2)(W1W2)dQ
ln
t ''
对数平均温差
tm
tmax tmin ln tmax
t”
t
t 1 t 2
tmin
当 tmax 2时 t m in
A2 >A1
肋化系数 ：
A2 A1
肋片越高，肋距越小，肋化系 数就越大。
肋片与流体的换热量 h2(tw2 tf2)A2'
h2(tw2tf2)A2'f
f 为肋片效率 加肋侧与流体的换热量
Qh2(tw2tf2)A2'' h2(tw2tf22)A2'f
h2(tw2tf2)A2(A A22'' A A22' f )
t
＝
m
1 2
(t m a x
t m in
)
t 1
t’ t 2 A
2. 其他复杂布置时流换热器平均温差的计算
叉流和混合流 （壳管式换热器与交叉流式换热器）
tm
t
tmaxtmin ln tmax
tmin
逆流时的对数平均温差
计算P、R 值，查图表定
3. 各种流动形式的比较
在各种流动形式中，顺流和逆流可以看作是两种极端情况。在相同的进、 出口温度条件下，逆流的平均温差最大，顺流的平均温差最小。而其他各种 流动形式介与顺流和逆流之间。
图9-6 交叉流换热器示意图
4）板式换热器。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，两相邻平板之间用特殊设计的密封垫片隔开，形成一个通道，冷、 热流体间隔地在每个通道中流动。为强化换热并增加板片的刚度，常在平 板上压制出各种波纹。板式换热器中冷、热流体的流动有多种布置方式， 图9-7所示为1-1型板式换热器的逆流布置，这里的1-1型表示冷、热流体 都只流过一个通道。板式换热器拆卸清洗方便，故适合于含有易污染物的 流体(如牛奶等有机流体)的换热。
O d2
dcr
d3