热交换器原理与设计
题型：填空20％名词解释（包含换热器型号表示法）20％
简答10％计算（4题）50％
0 绪论
➢热交换器：将某种流体的热量以一定的传热方式传递给他种流体的设备。
(2013-2014学年第二学期考题[名词解释]) ➢热交换器的分类：按照热流体与冷流体的流动方向分为：顺流式、逆流式、错流式、混流式
➢按照传热量的方法来分：间壁式、混合式、蓄热式。
(2013-2014学年第二学期考题[填空])
1 热交换器计算的基本原理（计算题）
➢热容量（W＝Mc）：表示流体的温度每改变1℃时所需的热量➢温度效率（P）：冷流体的实际吸热量与最大可能的吸热量的比率(2013-2014学年第二学期考题[名词解释])
➢传热有效度（ε）：实际传热量Q与最大可能传热量Q max之比
2 管壳式热交换器
➢管程：流体从管内空间流过的流径。
壳程：流体从管外空间流过的流径。
➢<1-2>型换热器：壳程数为1，管程数为2
➢卧式和立式管壳式换热器型号表示法（P43）(2013-2014学年第二学期考题[名词解释])
记：前端管箱型式:A——平盖管箱B——封头管箱
壳体型式:E——单程壳体 F——具有纵向隔板的双程壳体 H——双分流
后盖结构型式:P——填料函式浮头 S——钩圈式浮头 U——U 形管束
➢管子在管板上的固定：胀管法和焊接法
➢管子在管板上的排列：等边三角形排列（或称正六边形排列）法、同心圆排列法、正方形排列法，其中等边三角形排列方式是最合理的排列方式。
(2013-2014学年第二学期考题[填空])
➢管壳式热交换器的基本构造：⑴管板⑵分程隔板⑶纵向隔板、折流板、支持板⑷挡板和旁路挡板⑸防冲板
➢产生流动阻力的原因：①流体具有黏性，流动时存在着摩擦，是产生流动阻力的根源；②固定的管壁或其他形状的固体壁面，促使流动的流体内部发生相对运动，为流动阻力的产生提供了条件。
➢热交换器中的流动阻力：摩擦阻力和局部阻力
➢管壳式热交换器的管程阻力：沿程阻力、回弯阻力、进出口连接管阻力
➢管程、壳程内流体的选择的基本原则：（P74）
管程流过的流体：容积流量小，不清洁、易结垢，压力高，有腐蚀性，高温流体或在低温装置中的低温流体。
(2013-
2014学年第二学期考题[简答])
壳程流过的流体：容积容量大（特别是常压下气体），刚性结构换热器中换热系数大的流体，高黏度流体，层流区流动的流体，饱和蒸汽
➢管子直径的选择：总的趋向是采用小直径管优点：传热增强，单位体积传热面大，传热面一定时，可使管子长度缩短缺点：流动阻力增加，管数增加，管子与管板连接处的泄露的可能性增大，易积垢。
➢选择流速要尽量使流体呈湍流状态
3 高效间壁式热交换器
➢紧凑性：指热交换器的单位体积中所包含的传热面积大小，单位m2/m3
➢板式热交换器主要部件及作用：
传热板片：①使流体在低速下发生强烈湍流，以强化传热；②提高板片刚度，能耐较高的压力。
密封垫片：防止流体的外漏和两流体之间内漏。
压紧装置：将垫片压紧，产生足够的密封力，使得热交换器在工作时不发生泄漏，通过旋紧螺栓来产生压紧力。
➢板式热交换器的型号表示法（P129）
➢板翅式热交换器的结构基本单元是：隔板、翅片、封条。
(2013-2014学年第二学期考题[填空])
➢翅片作用：扩大传热面积，使换热得以改善，承担主要的传
热任务，加强两隔板之间的作用。
➢翅片的型号表示法（P141）(2013-2014学年第二学期考题[名词解释])
➢翅片选择基本原则：(2013-2014学年第二学期考题[简答]) 平直翅片：流体之间温差较大；流体中含有固体悬浮物；传热过程中有相变的冷凝、蒸发等情况。
锯齿形翅片：流体之间温差较小；流体的粘度较大；传热过程中有相变的冷凝、蒸发等情况；在空分设备中，可逆式热交换器。
多孔翅片：在空分设备中，冷凝蒸发器。
➢翅化比（β）:翅片管外表面积与光管内表面积之比（P165）(2013-2014学年第二学期考题[名词解释])
➢热管正常工作的2个条件：①ΔP c≥ΔP v＋ΔP1＋ΔP g（文字表述：毛细压差应能克服蒸汽从加热段流向冷却段的阻力、冷凝液体从冷却段回流到加热段的阻力以及重力对液体流动的影响）
②热管工况：蒸发段的饱和温度仅稍高于冷凝段的饱和温
度，此温降小于1℃～2℃即近乎等温流动时，被认为是工作正常
➢热管工作原理：工作时，蒸发段因受热而使其毛细材料中的工作液体蒸发，蒸汽流向冷凝段，在这里由于受到冷却使蒸汽凝结成液体，液体再沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发
段。
如此循环不已，热量由热管一端传至另一端。
➢热管工作特性：冷凝段，工作液在流动方向上因有蒸汽不断冷凝而增加；蒸发段，工作液在流动方向上因不断蒸发而减少；绝热段，工作液保持不变
➢热管工作极限：①黏性极限②声速极限③携带极限④毛细极限⑤沸腾极限
工作温度低时，最易出现黏性极限及声速极限，在高温下则应防止出现毛细极限及沸腾极限。
(2013-2014学年第二学期考题[填空])
6.3传热强化
➢增强传热的基本途径：①扩展传热面积F②加大传热温差Δt③提高传热系数K
计算题部分：
1.已知t1′=300℃，t1″=210℃，t2′=100℃，t2''=200℃。
试计算下列流动布置时换热器的对数平均温差。
（1）逆流布置；
（2）一次交叉，两种流体均不混合；
（3）1-2型管壳式，热流体在壳侧；
（4）2-4型管壳式，热流体在壳侧；
（5）顺列布置。
解：（1）Δt max=t1″-t2′=210-100=110℃
Δt min=t1′-t2″=300-200=100℃
（2）
由课本图1.14查得=0.92
Δt m=104.90.92=96.5℃
（3）由课本图1.8查得=0.85
Δt m=104.9×0.85=89.2℃
（4）由课本图1.11查得=0.97
Δt m=104.9×0.97=101.8℃
（5）Δt max =t1′-t2′=300-100=200℃
Δt min =t1″-t2″=210-200=10℃
2.1-2型管壳式换热器，用30℃的水来冷却120℃的热油（c0=2100J/（kg K）），冷却水流量为 1.2kg/s，油流量为2kg/s，设总传热系数K=275W/(m2K),传热面积A=20m2，试确定水与油各自的出口温度。
解：取水的定压质量比热c p=4200J/(kg K)，
热油的热容量 W1=M1c0=22100=4200W/K,
冷水的热容量 W2=M2c p=1.24200=5040W/K
因而 W1=W min，W2=W max
则,
,
传热有效度代入数据，得=0.539
又因为,所以解得 t1″=71.5℃【或利用实际传热量Q=εW min(t1′-t2′)=W1(t1′-t1″)，代入数据，解得t1″=71.5℃】
热平衡关系 W1(t1′-t1″)=W2(t2″-t2′),即
4200(120-71.5)=5040(t2″-30),解得t2″=70.3℃
所以水的出口温度为70.3℃，油的出口温度为71.5℃
3.一台逆流式水-水换热器，t1′=87.5℃,流量为每小时9000kg，t2′=32℃，流量为每小时13500kg，总传热系数K=1740W/（m2K），传热面积A=3.75m2，试确定热水的出口温
度。
解：取水的定压质量比热c p=4200J/( kg•K)
热水热容量
冷水热容量
因而W1=W min，W2=W max
【或利用实际传热量Q=εW min(t1′-t2′)=W1(t1′-t1″)，代入数据，解得t1″=64.7℃】
所以热水的出口温度为64.7℃。
4.温度为99℃的热水进入一个逆流型的热交换器，将4℃的冷水加热到32℃，热水流量为9360kg/h，冷水流量为4680kg/h，传热系数为830W/（m2•℃），试计算该热交换器的
传热面积和传热有效度。
水的比热为c p=4186J/（kg•℃）。
解法一：
W1=W max，W2=W min，
R c=W min/W max=4680/9360=0.5，
又
NTU=KF/W min F=NTUW min/K=
解法二：由热平衡方程W1(t1′-t1″)=W2(t2″-t2′)，代入数据，解得t1″=85℃
逆流型换热器的对数平均温差为
【或者用算术平均温差Δt m=(Δt max+Δt min)】
传热量Q=W2Δt2=5441.8(32-4)=152370.4W
又
5.在一台1-2型壳式换热器中，管内冷却水从16℃升高到35℃，管外空气从119℃下降到45℃，空气流量为19.6kg/min，换热器总传热系数K=84W/（m2•K），试计算所需的传热面积。
解：先按逆流算出对数平均温差为
故查图 1.8，,=0.952，故对数平均温差
空气平均温差，查表得空气的比热c p=1009J/(kg•K)
空气的换热量故需传热面积
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