在这一章里讨论几种典型的传热过程，如通过平壁、圆筒壁和肋壁的传热过程通过分析得出它们的计算公式。由于换热器是工程上常用的热交换设备，其中的热交换过程都是一些典型的传热过程。因此，在这里我们对一些简单的换热器进行热平衡分析，介绍它们的热计算方法，以此作为应用传热学知识的一个较为完整的实例。在实际的工业过程和日常生活中存在着的大量的热量传递过程常常不是以单一的热量传递方式出现，而多是以复合的或综合的方式出现。在这些同时存在多种热量传递方式的热传递过程中，我们常常把传热过程和复合换热过程作为研究和讨论的重点。
， 9－1
式中，Q为冷热流体之间的传热热流量，W；F为传热面积，m2；为热流体与冷流体间的某个平均温差，oC；k为传热系数，W/( oC)。在数值上，传热系数等于冷、热流体间温差=1 oC、传热面积A=1 m2时的热流量值，是一个表征传热过程强烈程度的物理量。在这一章中我们除对通过平壁的传热过程进行较为详细的讨论之外，还要讨论通过圆筒壁的传热过程，通过肋壁的传热过程，以及在此基础上对一些简单的包含传热过程的换热器进行相应的热分析和热计算。
和
称为辐射换热系数。如果包围物体距离换热表面比较远，可以将其温度视为与流体温度相同，于是有：
, 5-2
tw1
tw2
tf2
图9－2通过平壁的传热过程
[/td][/tr]
[/table]
。
， 9－3
热流体通过一个圆筒壁（也就是管壁）把热量传给冷流体，就是一个简单的通过平壁的热量传递过程，如图9－3所示。该传热系统由热流体与圆筒壁表面之间的换热过程、圆筒壁的导热过程和冷流体与圆筒壁表面的换热过程组成。今设热、冷流体的温度分别为tf1和tf2，换热系数分别为α1和α2,圆筒壁的内外直径以及长度分别为d1、d2和l,而圆筒壁内外壁面的温度分别为tw1和tw2，于是在稳态条件下通过圆筒壁的传热热流可以写为如下的热阻形式：
。
。 9－4
由于圆筒壁的内外表面与内外直径的大小相关，只有内直径较大和圆筒壁较薄的情况下才可近似认为圆筒壁的内外壁面相等，因而在定义通过圆筒壁传热的传热系数时，就必须首先确定传热系数的定义表面。
。 9－5
。 9－6
。对照公式9－4，可以得出传热过程的传热热阻的表达式为：
， 9－7
。 9－8
式中的Rf为换热表面上附加的污垢热阻。
例9－1有一个气体加热器，传热面积为11.5m2 ，传热面壁厚为1mm ,导热系数为45 W/(m×℃)，被加热气体的换热系数为83 W/(m2×℃)，热介质为热水，换热系数为5300 W/(m2×℃)；热水与气体的温差为42℃，试计算该气体加热器的传热总热阻、传热系数以及传热量，同时分析各部分热阻的大小，指出应从哪方面着手来增强该加热器的传热量。
于是单位面积的总传热热阻为= 0.0122591 (m2×℃)/W ，
分析上面的各个分热阻，其中热阻最大的是单位面积的换热热阻，要增强传热必须增加a2 的数值。但是这会导致流动阻力的增加，而使设备运行费用加大。实际上从总的热阻，即来考虑，可以通过加大换热面积来达到减小热阻的目的。
例9－2 夏天供空调用的冷水管道的外直径为76mm ,管壁厚为3mm ,导热系数为
解：已知t1=5℃，t0=36℃，q1= 70W/m，d1= 0.07 m，d2=0.076m，d3为待求量，a1=3150 W./ (m2×℃)，a0= 11 W/(m2×℃)，l1=43.5 W/(m×℃)，l2=0.037 W/(m×℃)。
代入数据有
=-10.64391-0.0289/d3，此式可用试算法求解，最后得到 d3=0.07717m
3 临界热绝缘直径
例9－3有一直径为2mm的电缆，表面温度为50℃，周围空气温度为20℃，空气的换热系数为15 W/(m2×℃)。电缆表面包有厚1mm，导热系数为0.15 W/(m×℃)的橡皮，试比较包橡皮与不包橡皮散热量的差别。
图中；
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[/table]
电缆包橡皮后构成一个不完整的传热过程，其单位管长的散热量为
临界热绝缘直径具体的表达式是可以通过对传热计算方程求极值而得出。对方程9－4求保温层的外直径d2的导数，并令其为零，有
从9－10中不难看出，临界热绝缘直径与保温材料的导热系数成正比，而与表面的换热系数成反比。由于大多数绝热保温材料的导热系数是可变的，如材料密实和干燥的程度等，而换热系数又是随环境而变，因而在工程实际中应注意临界热绝缘直径的可变性。
4 通过肋壁的传热
图9－6给出了一侧有肋化表面的通过平壁的传热传热过程。由传热过程在稳态条件下的热平衡关系式可以得出：
式中η2为肋面效率，可以由肋化表面的热平衡关系导出，即对于肋化侧有
；Ab为肋基面积；Af为肋面面积；A2＝Ab＋Af为肋侧总面积。
， 9－11
1 换热器的类型
换热器是用于两种流体之间进行热量传递和交换的设备，其应用十分广阔，其种类非常之多。总体上可以分为三个大类，即：间壁式换热器――冷、热流体在进行热量交换过程中被固体壁面分开而不能互相混合的换热设备；混合式换热器――冷、热流体在互相混合中实现热量和质量交换的设备；蓄热式（回热式）换热器――冷、热流体交替通过蓄热介质达到热量交换的目的设备。图9－7给出了这三种换热器的典型实例，从中使我们对换热器有一个一般的了解。
出于传热学应用的目的，我们在这里主要讨论间壁式换热器，因为它实现热量交换的过程就是上述讨论的典型传热过程，也就是热流体通过固体壁面把热量传给冷流体的过程。对于间壁式换热器按其流动特征可以分为顺流式、逆流式和岔流式换热器；而按其几何结构可分为套管式换热器、管壳式换热器、板式换热器以及板翅、管翅等紧凑式换热器等。下面我们将以简单流型的顺流和逆流式换热器为对象分析其流动和传热性能，给出过程的计算方法。
2 换热器的对数平均温差
（顺流方式） 〔逆流方式〕 图9－8套管式换热器及其温度沿换热面的分布示意图 考虑一个套管式换热器，如图9－8所示。从图中可以看出，它是一个单流程的换热器，其流动和换热构成一个典型的传热过程。如果假定该换热器的热流体进、出口温度分别为；冷流体进、出口温度分别为；热流体的质量流量为m1比热为cp1而冷流体的质量流量为m2比热为cp2；传热系数为K而传热面积为A，那么按照其在顺流情况下和逆流情况下可以示意性画出冷热流体温度随换热面积的变化图，同时换热器的传热量的计算式为： ，]图9－9 1－2、1－4等多流程管壳式换热器的修正系数 |
这里给出了几种流动形式的修正图表，如图9－9、10、11和12所示。
]图9－11一次交叉流，两种流体各自都不混合时的修正系数 |
9-3换热器的热计算1、换热器的效能 从上述的讨论可知，一个换热器只要给出冷热流体的进出口温度差，就可以求得其对数平均温差，从而利用传热方程在已知换热器传热量的情况下计算换热器传热面积，或者在已知传热面积和传热系数的情况下计算传热量。但是，在某些情况下只能知道换热器冷热流体的进口温度，即使知道了冷热流体的热容流率，以及传热面积和传热系数，还是不能直接得出冷热流体的出口温度。为了方便换热器的传热计算，这里定义换热器的效能如下： ，9－16 式中，为换热器的最大可能的传热量，也就是热容流率最小的一个Cmax乘以换热器两流体之中最大的温差。之所以称为最大可能的传热量是因为在极端的情况下换热器可能达到的传热量，如对于逆流式换热器当换热面积无限大时，热容流率小的流体的温度改变值就是换热器的最大温差；对于顺流式换热器当一侧流体的热容流率为无限大，且换热面积也为无限大时，另一侧流体的温度改变也能达到换热器的最大温差（请参照图9－8来理解这段文字）。当换热器的效能可以得到时，换热器的传热量就可以由定义式中得出：]图9－14逆流换热器的图 |
以上是换热器在简单的顺流和逆流情况下的效能计算公式，对于比较复杂的流动形式，其效能的计算公式可以参阅有关文献。为了便于工程计算，常用的换热器效能的计算公式已经绘制成相应的线算图，使用时就可以很方便地查出。这里给出了几种流动形式的图。 <font]图9－15一种流体混合的叉流式换热器图 |
换热器在经过一段时间的实际运行之后，常常在换热面上集结水垢、淤泥、油污和灰尘之类的覆盖物。这些覆盖物垢层在传热过程中都表现为附加的热阻，使传热系数减小，从而导致换热性能下降。由于垢层的厚度以及它的导热性能难以确定，我们只能采用它所表现出来的传热热阻值的大小来进行传热计算。这种热阻常称之为污垢热阻，记为rf,其单位为。由于污垢热阻通常是由实验确定的，常写为如下形式： ， 9－25 表9－1污垢热阻的参考数值 在使用表中数值时一定要注意它是单位面积的热阻，也称面积热阻，对于换热器的传热过程中两侧表面积不相等的情况，在计算有污垢的传热表面的传热系数时，一定要考虑表面积的影响。对于一台管壁两侧均已结垢的换热器，其以管子外壁面为计算依据的传热系数可表示为 而以管子内表面为计算依据的传热系数则为 式中，分别为管子内、外侧的换热系数；分别为管子内、外侧的污垢热阻；为管壁的导热热阻；分别为管子的内、外表面积；为肋面效率，如果外壁面没有肋化则。 9-4 传热的增强和削弱重点内容： 控制传热的分析思路。 所谓增强传热，是指从分析影响传热的各种因素出发，采取某些技术措施提高换热设备单位传热面积的传热量，使设备趋于紧凑、重量轻、节省金属材料以及降低动力消耗等。而削弱传热，是指采取隔热保温措施降低换热设备热损失，以达节能、安全防护及满足工艺要求等目的。 这里系统分析传热过程的强度控制进行。 方法：首先要对传热过程各个环节规律有着清晰的理解，尤其是其各项热阻的组成。传热的控制实质上就是热阻的控制，但要抓住主要矛盾，即最大的热阻项。 一、强化传热的基本途径根据传热过程方程式 强化传热的基本途径有三个方面： 1 、 提高传热系数：应采取有效的提高传热系数的措施，如必须提高两侧表面传热系数中较小的项。另外应注意：在采取增强传热措施的同时，必须注意清除换热设备运行中产生的污垢热阻，以免抵消强化传热带来的效果。 2 、 提高换热面积：采用扩展表面，即使换热设备传热系数及单位体积的传热面积增加，如肋壁、肋片管、波纹管、板翅式换热面等；当然必须扩展传热系数小的一侧的面积，才是使用最广泛的一种增强传热的方法。 3 、 提高传热温差：在冷、热流体温度不变的条件下，通过合理组织流动方式，提高传热温差。 二、增强传热的方法1 、扩展传热面 2 、改变流动状况：增加流速、增强扰动、采用旋流及射流等都能起增强传热的效果，但这些措施都将使流动阻力增大，增加动力消耗。 3 、使用添加剂改变流体物性：流体热物性中的导热系数和体积比热容对表面传热系数的影响较大。在流体内加入些添加剂可以改变流体的某些热物理性能，达到强化传热的效果。 4 、改变表面状况：如增加粗糙度、改变表面结构、表面涂层等。 三、削弱传热的方法1 、覆盖热绝缘材料。常用的材料日前有：岩棉、泡沫塑料、微孔硅酸切、珍珠岩等。 2 、改变表面状况。即改变表面的辐射特性及附加抑制对流的元件。 3 、遮热板 |
发表于 2022-9-19 11:06:37
