第九章 传热过程分析与换热器的热计算
本章要求掌握的内容： 定量：传热过程的计算；对数平均温差的计算； 间壁式换热器的设计计算及校核计算。 定性：掌握传热过程的热阻分析法；传热过程 强化与削弱措施。
9-1 传热过程的分析和计算
• 传热过程：热量由壁面一侧的流体通过壁面传到另 一侧流体中去的过程称传热过程。 • 传热过程分析求解的 基本关系为传热方程式
叉流之分。
蓄热式换热器：换热器由蓄热材料构成，并分成两半，冷 热流体轮换通过它的一半通道，从而交替式地吸收和放出 热量，即热流体流过换热器时，蓄热材料吸收并储蓄热量， 温度升高，经过一段时间后切换为冷流体，蓄热材料放出 热量加热冷流体。一般用于气体，如锅炉中间转式空气预 热器，全热回收式空气调节器等。
t2
d kdA t
对于热流体:
t2
对于冷流体:
1 d qm1c1dt 1 dt1 d qm1c1 1 d qm 2 c2 dt 2 dt2 d qm 2 c2

1 1 dt dt1 dt2 d d qm1c1 qm 2 c2 1 1 d kdA t qm1c1 qm 2 c2 dt dt d kdAt kdA t
管束式 管翅式 管带式 板翅式
间壁式换热器： 是指冷热流体被壁面隔开进行换热的热
交换器。如暖风机、燃气加热器、冷凝器、蒸发器；
间壁式挨热器种类很多，从构造上主要可分为：管壳式、
肋片管式、板式、板翅式、螺旋板式等，其中以前两种用 得最为广泛。另外，按流体流动方向可有顺流、逆流、交
ln( d o di ) 2 l
上面三式相加

l t fi t fo
do 1 1 1 ln hi d i 2 d i ho d o
对外侧面积而言得传热系数的定义式由下式表示：
k ko 1 do d d 1 o ln o hi di 2 di ho
从热阻的角度来看
解：每米电线在不同的绝缘层外径｛do｝=0.0051+2｛δ｝m
的散热量为：
(t fi t fo ) π(70-40) do do 1 1 1 1 l ln( ) ln 2 di ho d o 2 0.15 0.0051 10d o
取do＝10~70mm，计算结果用图线表示于图中。
以顺流情况为例，作如下假设： （1）冷热流体的质量流量qm2、qm1以 及比热容C2,C1是常数； （2）传热系数是常数； （3）换热器无散热损失； （4）换热面沿流动方向的导热量可 以忽略不计。 要想计算沿整个换热面的平均温差， 首先需要知道当地温差随换热面积的 变化,然后再沿整个换热面积进行平均。
3、交叉流换热器
间壁式换热器的又一种主要型式。其主要特点是冷热流体 呈交叉状流动。根据换热表面结构的不同又可分为管束式、 管翅式及管带式、板翅式等。
管束式
管翅式
板翅式
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。
层流换热器： 3000m 2 / m3或100 m d h 1mm 微型换热器： 15000m 2 / m3或100 m d h 1mm
9.2.2 间壁式换热器主要型式
1、套管式换热器
适用于传热量不大或流体流量不大的情形。
套管式换热器
结构简单，可利用标准管件。
优点
蓄热式换热器
混和式换热器
混合式换热器：冷热流体 直接接触，彼此混合进行
换热，在热交换同时存在
质交换，如空调工程中喷 淋冷却塔，蒸汽喷射泵等；
紧凑式: 700m 2 / m3或d h 6mm 按表面紧凑程度区分 非紧凑式
紧凑程度可用水力直径dh来区别，或用每立方米中的传 热面积即传热面积密度β来衡量。
散热量先增后减，有最大值。
增加电线的绝缘层厚度，可增强电流的通过能力。
一般的动力保温管道很少有必要考虑临界热绝缘直径。
9.2 换热器的型式及平均温差
换热器：用来使热量从热流体传递到冷流体，以满足规 定的工艺要求的装臵。 9.2.1 换热器的分类
按照操作过程
套管式 壳管式(管壳式) 间壁式 交叉流换热器 板式 螺旋板式 混合式 蓄热式
临界热绝缘直径
Φ
l (t fi t fo )
d 1 1 1 ln( o ) hi d i 2 di ho d o
圆管外敷保温层后：
Φ
l (t fi t fo )
d o1 do2 1 1 1 1 ln( ) ln( ) hi d i 21 di 22 d o1 ho d o 2
t2
t1
t1 dt1
t1 t2
t2
dt2
在假设的基础上，并已知冷热流体的 进出口温度，现在来看图中微元换热 面dA一段的传热。温差为：
t1
t1 dt1 dt2
t t1 t2 dt dt1 dt2
在固体微元面dA内，两种流体的换热 量为:
t1 t2
螺旋流动，有自冲刷作用， 适于处理粘性和易结垢流体。
缺点
承压能力差（P<1MPa，t<500º C）
损坏后检修困难。
9.3 换热器中传热过程对数平均温差的计算
9.3.1 简单顺流及逆流换热器的对数平均温差
流动形式不同，冷热流体温差沿换热面的变化规律也不同.
传热方程的一般形式：
k At m
换热器中冷流体温度沿换热面是不断变化的，因此，冷却 流体的局部换热温差也是沿程变化的。
do 1 1 1 1 ln k Ao hi Ai 2 l d i ho Ao
9.1.3
通过肋壁的传热
肋壁面积： Ao A1 A2 稳态下换热情况：
hi Ai (t f 1 t w1 )
Ai (t w1 t wo )
ho A1 (t wo t fo ) ho f A2 (t wo t fo ) ho o Ao (t wo t fo )
ht hc hr
9.1.2 通过圆管的传热
hi
内部对流：
hidi l (t f 1 t wi )
ho
1 lhi di
1 ho ldo
(twi two ) 圆柱面导热：Φ 1 do ln( ) 2 l di
外部对流： hod ol (t wo t f 2 )
t x Ax A ln kAx t t exp( kA) t
(2)、(3)代入(1)中
1 A t m t exp( k Ax )dA x A 0 t exp( k A) - 1 k A
(1)
t ln kA t
定义肋化系数： Ao Ai 则传热系数 k f
1 1 hi hoo 1
工程上一般都以未加肋时的表面积为基准计算肋壁传热系数
Ai (t fi t f 0 ) 1 1 Ai 1 hi Ai Ai hoo Ao hi hoo Ao
Ax dt t t k 0 dA t x t exp( kAx ) t x
t x ln kAx t
可见，当地温差随换热面呈指数变化，则沿整个换热面的平 均温差为：
1 A 1 A tm t x dAx texp( kAx )dAx A 0 A 0
肋面总效率
o
( A1 f A2 ) Ao
A0 (t fi t f 0 ) 1 1 1 Ao Ao 1 hi Ai Ai hoo Ao hi Ai Ai hoo
t fi t f 0
以肋侧表面积为基准的肋壁传热系数 1 kf 1 Ao Ao 1 hi Ai Ai hoo
kf Ai 1 hi hoo Ao 1 1 1 hi hoo 1
t fi t f 0
所以，只要 o 1 就可以起到强化换热的效果。 由于β值常常远大于1，而使η0β的值总是远大于1，这就
使肋化侧的热阻显著减小，从而增大传热系数的值。
9.1.4
d o1 do2 1 1 1 1 (d o 2 ) ln( ) ln( ) hi d i 21 di 22 d o1 ho d o 2 l (t fi t fo ) d l (t fi t fo ) 1 1 Φ 2 2 (d o 2 ) dd o 2 (do 2 ) 22 do 2 h2 do 2 d 22 0 do2 d cr or Bi d o 2 h2 2 dd o 2 h2
板 式 换 热 器
板式换热器
结构紧凑、体积小、重量轻。
优点
流体湍动程度大，强化 传热效果好。 便于清洗和维修。 密封周边长，易泄漏。
缺点
承压能力低（P<2MPa由两块金属板卷制而成，
螺旋板式换热器
结构紧凑，单位体积 传热面积大。
优点
两种流体都能以高速流 动，传热效率高。
1-2型换热器
TB,in (shell side)
TA,out
TB,out
T A,in (tube side)
进一步增加管程和壳程 2-4型换热器
管壳式换热器
结构坚固，对压力和温度的 适用范围大。
优点
管内清洗方便，清洁流体宜 走壳程。 处理量大。
缺点
传热效率、结构紧凑性、 单位换热面积的金属耗 量等不如新型换热器。
kAt f 1 t f 2
式中K为传热系数（在容易与对流换热表面传热 系数想混淆时，称总传热系数）。