空气侧换热器结霜时传热与阻力特性研究

收稿日期:2002-09-16;　修订日期:2003-02-26

基金项目:国家自然科学基金资助项目(50278021)

作者简介:姚　杨(1963-),女,黑龙江哈尔滨人,哈尔滨工业大学副教授.文章编号:1001-2060(2003)03-0297-04

空气侧换热器结霜时传热与阻力特性研究

姚　杨,姜益强,马最良,谈和平

(哈尔滨工业大学市政环境工程学院,黑龙江　哈尔滨　150090)

摘　要:在质量、动量和能量守恒的基础上,采用分布参数法建立了空气侧换热器结霜时的动态数学模型,该模型耦合了结霜子模型和热交换子模型。利用该模型分析了不同温度和相对湿度下霜的厚度随时间的变化及结霜对空气侧换热器传热与阻力的影响。结果表明:在不同的工况下,空气侧换热器结霜情况不同;空气温度一定时,相对湿度越大,结霜越严重,融霜的时间间隔越短;随着结霜量的增加,换热器的换热量减小,风量也就逐渐减少,阻力却迅速增加。计算出了不同工况下融霜的时间间隔。

关键词:空气源热泵机组;结霜;传热与阻力;分布参数中图分类号:TU831.6 文献标识码:A

符号说明

A—面积/m2; R—水蒸气的气体常数;

A min—空气侧最小流 t—温度/℃;

通面积/m2;u—流速/m?s-1

d—空气的含湿量/kg.kg-1;

w—水蒸气的流量/kg?m-2.s-1; D—管径/m;α—换热系数/W?m-2.K-1;

F PW,L—管壁到制冷剂液体的 α—空隙率;

摩擦力/N?m-3;δ—厚度;

F PW,S—管壁到制冷剂气体的λ—导热系数/W?(m?K)-1

摩擦力/N?m-3;ρ—密度/kg?m-3;

i—焓值/J?kg-1μ—动力粘度/Pa?s;

m—质量流量/kg?s-1; q—热流量/W?m-2;

M—质量/kg;

Q—热量/W或kW;

P—压力/Pa;

下标符号

a—空气; P—管子;

e—蒸发;PW—管壁;

fr—霜;S—过热气体;

i—人口,内部;t—总的;

L—液相;tp—两相的;

o—出口,外部;V—气相。

1　前　言

空气—空气热泵或空气源热泵冷热水机组冬季运行时,当空气侧换热器表面温度低于周围空气的露点温度且低于0℃时,换热器表面就会结霜。霜的形成使得换热器传热效果恶化,且增加了空气流动阻力,使得机组的供热能力降低,严重时机组会停止运行。文献[1]曾对一台空气热泵进行了结霜工况的实验研究,结果表明,当空气侧换热器的空气流量由无霜时的4440m3/h降到结霜后的1200m3/h (即下降了75%)时,空气侧的换热量下降了20%。因此冬季空气侧换热器结霜是影响机组应用和发展的主要问题,研究结霜对换热器性能的影响具有十分重要的意义。

2　空气侧换热器结霜工况模型的建立

空气侧换热器结霜模型包括换热器传热模型和结霜模型两部分,传热模型又包括管内制冷剂侧、管壁及管外空气侧三部分。本文采用分布参数法建立了空气侧换热器结霜工况下的数学模型。

2.1　传热模型

2.1.1　制冷剂侧

冬季工况时,制冷剂在空气侧换热器中的流动可分为两个区,即两相区和过热区。在两相区,当质量流量较高时,环状流一直存在,直到干度x>0.95以上,而从节流装置来的换热器入口制冷剂干度一般在0.2左右,因此空气侧换热器中制冷剂两相区主要呈环状流动。

(1)两相区(环状流)[2]

质量守恒方程

5

5t[αρv+(1-α)ρL]+

5

5Z[αρv u v+

(1-α)ρL u L]=0(1)

第18卷第3期2003年5月

热能动力工程JOURNALOFENGINEERINGFORTHERMALENERGYANDPOWER

Vol.18,No.3

May,2003

能量守恒方程

5

5t[αρv i v+(1-α)ρL i L]+

5

5Z[αρv u v i v+

(1-α)ρL u L i L]=4

D i

q tp(2)式中:

q tp=αtp(t pw,i-t e)。

α

tp

为制冷剂在两相区的换热系数。由于在湿壁区(0.2

动量守恒方程

5

5Z[αρv u2v+(1-α)ρL u2L]=5P

5Z-F PW,L(3)

式(1)～式(3)中有四个未知数u V、u L、P和α,为使方程组封闭可解,必须增加一个空隙率方程。

(2)过热区

质量守恒方程

5ρS 5t+

5

5Z(ρS u S)=0(4)

能量守恒方程

5

5t(ρS i S)+

5

5Z(ρS u S i S)=

4

D

q S(5)

式中:

q S=αS(t PW,i-t e)。

α

S

为制冷剂在过热区的换热系数,采用Dittus-Boelter公式进行计算。

动量守恒方程

5

Z(ρS u2S)=5p

Z-F PW,S(6)

式(4)～式(6)中有三个未知数u S、P和t e,方程组封闭可解。

2.1.2　管壁部分

能量守恒方程

C P,PW M PW 9t PW

9t= Q a- Q r(7)

考虑到管子与肋片材质不同,采用管子与肋片的定压平均比热C P,PW进行计算。

2.1.3　空气侧

质量守恒方程

d(

m a d)

d Z=(πD0)

w(8)

能量守恒方程

d(

m a i a)

d Z

=(πD0) q a,t(9)式中:

q a,t为空气侧的全热换热量,该项换热与结霜特性耦合在一起,使得求解过程变得更加复杂。

空气侧的压降

ΔP

a

=f

(

m a/A min)2

2ρa

　

A t

A min

(10)

式中:f一摩擦因子,f=0.129(

m a D0

A minμa

)-0.227。

2.2　结霜模型

霜的积累速率

m fr是由进出空气侧换热器空气湿度的变化决定的:

m fr= m a(d i-d0)(11)

由于霜的多孔性和分子扩散作用,在表面温度低于0℃的换热器上沉降为霜的水分,一部分用以提高霜层的厚度,一部分用以增加霜的密度[3],即 m fr= mδ+ mρ(12)

计算时,先假设一个霜的初始密度,由下式计算霜的导热系数,再计算霜密度和厚度的变化。

λ

fr

=0.001202ρ0.963

fr

(13)

对于每一个时间步长Δt,霜密度的变化和厚度的变化为:

Δρ

fr

=(

mρ/A tδfr)Δt(14)

Δδ

fr

=(

mδ/A tρfr)Δt(15) 3　空气侧换热器结霜工况模型的求解

模拟计算的换热器为一台空气源热泵冷热水机组的空气侧换热器[4],其单元结构参数见表1,空气侧换热器由16个换热器单元组成,计算工况见表2。

图1和图2为不同工况下霜厚度随时间的变化。图1为空气温度一定(0℃)时,不同相对湿度(65%、75%

、85%)下霜厚度的变化。由图可见,随着时间的增加,霜的厚度迅速增加,而且相对湿度越大,霜厚度增加越快。

图1　不同相对湿度下霜厚度随时间的变化

?

892

? 热能动力工程2003年

图2　不同温度下霜厚度随时间的变化

表1　换热器单元的结构参数

管材铜

管径Φ10×0.5mm

风向管排数4迎风管排数20

管间距S 125.4mm 管排距S 222mm 翅片材料铝

片型

波纹片

片厚0.2mm 片间距 2.0mm 翅化系数

17.8

单根管长

16m

分液路数

10

表2　计算工况

空气

温度/℃

相对湿度

/%风量

/m 3?h -1蒸发温度/℃过热温度/℃冷凝温度/℃过冷温度/℃制冷剂

流量

/kg ?

s -1A 0651062-13-850450.0096B 0751062-13-850450.0096C 0851062-13-850

450.0096E

-4

75

1062

-17

-12

50

45

0.00816

图3　风量随时间的变化

图2为相对湿度一定(75%)时,不同空气温度

(0℃、-4℃

)下霜厚度的变化。由图可见,0℃、75%工况(工况B )下,运行60min 左右就需要融霜,而-4℃、75%工况(工况E )下,则运行115min 时才需融霜。

显然,除霜控制方法常用的时间控制法和时间—温度控制法是不符合霜厚度随时间的变化规律的。如当机组设定的固定除霜时间按工况C 确定时,那么工况B 和工况A 将会出现不必要的除霜,从而影响了机组的效率。同样,许多生产厂家虽采

用时间—温度控制法,但还是采用统一固定的除霜

启动值和除霜时间值,因此由于空气温度、相对湿度的不同,结霜的厚度不同,除霜效果也就不一样。

图3为空气侧换热器中风量随时间的变化。由图可见:

(1)随着结霜量的增加,风量迅速减小。由于室外空气参数的不同,其结霜情况也不同,使得在每种情况下,随着结霜量的增加,风量迅速减小的变化规律各不相同。

图4　空气侧换热器换热量随时间的变化

图5　空气侧压降随时间的变化

(2)相对湿度越大,风量减小得越快。例如,机

组运行30min 后,工况C 的风量由1062m 3/h 减少

到620.58m 3/h,减少了441.42m 3/h,即减少了41.57%;工况B 的风量减少了322.7m 3/h,即减少了30.39%;而工况A 的风量减少了216.21m 3/h,即减少了20.36%。这主要是由于不同工况的结霜厚度不同造成的(见图1),这点可从下面的一组数据明显看出。若以30min 工况C 的结霜厚度(0.45882mm )和减少的风量(441.42m 3/h )作为基准,则工况B 较工况C 少结霜25.21%,风量少减少28.86%;工

况A 较工况C 少结霜50.35%,风量少减少51.02%。

(3)在结霜的后期,由于风量减少很多,使得换热器的换热效果急剧恶化,进而使换热器的性能迅

?

992?第3期姚　杨,等:空气侧换热器结霜时传热与阻力特性研究

速下降。因此,当风量减小到一定程度(初始风量的60%左右)时,就需开始融霜。由图可见,当空气温度为0℃,相对湿度为85%时,机组运行35min左右就要进入融霜工况,而相对湿度为75%时,机组运行55min时才需要融霜。这说明同一台机组在不同地区应用时,由于室外气象条件的不同,融霜的时间间隔也不同,而目前经常采用的固定时间除霜控制方式显然不能满足机组在不同地区应用的要求。

图4为空气温度一定(0℃),不同相对湿度(65%、75%、85%)下机组中空气侧换热器换热量随时间的变化。由图可见,随着结霜量的增加,空气侧换热器的换热量将有所减少,而且相对湿度越大,换热量减少的程度越大。这是因为相对湿度越大,结霜量越多,换热器的传热系数就越小,传热热阻越大,换热量减少得越多。

图5为空气温度一定(0℃)时,不同相对湿度(65%、75%、85%)下空气侧压降随时间的变化。由图可见:

(1)随着结霜量的增加,空气侧的压降迅速增加。显然,空气侧压降的增加是由于结霜厚度的增加,使得翅片间距减小,空气的净流通面积变小,造成进风速度增加而使空气流经换热器的阻力增大。

(2)相对湿度越大,空气侧的压降增加越快。这是因为当空气温度不变时,相对湿度越大,说明空气中所含水蒸气量越多,霜的厚度增长得越快。例如,在30min时,工况C结霜的厚度为0.45882mm,

工况B结霜为0.34316mm,工况A结霜为0.22779 mm,这势必造成空气侧压降的不同。机组运行30 min后,工况C的空气侧压降增加了54.371Pa,工况B增加了30.719Pa,而工况A仅增加了15.842Pa。由此可以明显看出,相对湿度越大时,其压降增加得越快。

(3)不管是何种工况,只要结霜的厚度相同时,其压降也基本一样。例如,霜的厚度达到0.3mm 时,工况C需要15min(见图1),工况B需要24min,工况A需要56min。由图5可以看出,工况C在15 min时,空气侧压降为56.6Pa,工况B在24min时,空气侧压降为57.5Pa;工况A在56min时,空气侧压降为57.5Pa。这充分说明影响空气侧压降的主要因素是霜的厚度。

4　结　论

空气侧换热器结霜过程中,不仅霜的厚度发生变化,霜的密度也在变化,本文同时考虑了结霜的密度和厚度随时间的变化。分别计算了不同工况下霜的厚度随时间的变化。计算结果表明,在不同的工况下,空气侧换热器的结霜情况是不同的。在空气温度一定时,相对湿度越大,结霜越严重,融霜的时间间隔越短;在空气相对湿度一定时,0℃工况的结霜比-4℃工况的结霜严重。随着结霜量的增加,空气侧换热器的换热量减小,风量也将逐渐减小,而阻力却迅速增加。计算出了不同工况下融霜的时间间隔,为采取有效的除霜控制方法提供了依据。

参考文献:

[1]　NATLERDW.Impactofthesuctionlineaccumulatoronthefrost/de2

frostperformanceofanair2sourceheatpumpwithascrollcompressor

[J].ASHREATrans,1990,96:11.

[2]　WANGH,TOUBERS.Distributedandnon2steady2statemodellingof

anaircooler[J].IntJofRefrig,1991,14(2):98-111.

[3]　KONDEPUDISN,NEALDLO.Performanceoffinned2tubeheatex2

changersunderfrostingconditions:Ⅰ&Ⅱ[J].IntJofRefrig,1993, 16(3):175-184.

[4]　姚　杨,姜益强,马最良.空气源热泵冷热水机组空气侧换热器

结霜规律[J].哈尔滨工业大学学报,2002,34(5):660-662.

(辉　编辑)

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空气侧换热器结霜时传热与阻力特性研究=AnInvestigationofHeatTransferandResistanceCharacteristics inCaseofFrostFormationatanAirsideHeatExchanger[刊,汉]/YAOYang,JIANGYi2qiang,MAZui2liang, etal(MunicipalEnvironmentalEngineeringInstituteundertheHarbinInstituteofTechnology,Harbin,China,Post

Code;150001)//JournalofEngineeringforThermalEnergy&Power.-2003,18(3).-297～300 Onthebasisofconservationofmass,momentumandenergyandwiththeuseofadistributionparametermethodady2 namicmathematicalmodelwassetupforanairsideheatexchangerduringfrostformation.Thismodelhascoupledafrost2 ingsub2modelwithaheatexchangersub2model.Themodelwasusedtoanalyzethetime2dependentvariationoffrost thicknessunderdifferenttemperaturesandrelativewetnessvaluesaswellastheimpactoffrostingonairsideheat2ex2 changerheattransferandresistance.Theresultsoftheanalysisindicatethatfrostingconditionwillchangeunderdifferent operatingconditions.Underagiventemperaturethegreatertherelativewetness,themoreseriousisthefrostformation andtheshorteristhetimeintervalforfrostthawing.Atagivenrelativewetnessthefrostingatanoperatingconditionof

0℃ismoreseriousthanatthatof24℃.Withanincreaseinfrostingquantitytherewillbeadecreaseinheattransferrate andagradualdecreaseinairflowrate.Meanwhile,thereisadrasticincreaseinresistance.Keywords:airsourceheat pumpunit,frosting,heattransferandresistance,distributionparameter

换热器的研究发展现状

CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS 2009年第28卷增刊·338· 化工进展 换热器的研究发展现状 支浩，汤慧萍，朱纪磊 （西北有色金属研究院，陕西西安 710055） 摘要：随着现代工业的迅速发展，以能源为中心的环境、生态等问题日益加剧。世界各国在寻找新能源的同时，也更加注重了节能新途径的研发。强化传热技术的应用不但能节约能源、保护环境，而且能大大节约投资成本。 换热器由于其在化工、石油、动力和原子能等工业部门的广泛应用，使得换热器的强化传热技术一直以来受到研究人员的重视，各种研究成果不断涌现。随着经济的发展，各种不同结构和种类的换热器发展很快，新结构、新材料的换热器不断涌现。换热器又称热交换器，是一种将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，也是实现化工生产过程中热量交换和传递不可缺少的设备。换热器既可是一种单独的设备，如加热器、冷却器和凝汽器等；也可是某一工艺设备的组成部分，如石化、煤炭工业中的余热回收装置等。本文主要介绍了现有换热器的分类，各种换热器的特点工作原理及应用情况，对目前换热器的存在问题和发展趋势进行分析。 关键词：换热器；强化换热；研究现状 随着现代工业的迅速发展，以能源为中心的环境、生态等问题日益加剧。世界各国在寻找新能源的同时，也更加注重了节能新途径的研发。强化传热技术的应用不但能节约能源、保护环境，而且能大大节约投资成本。换热器由于其在化工、石油、动力和原子能等工业部门的广泛应用，使得换热器的强化传热技术一直以来受到研究人员的重视，各种研究成果不断涌现[1-4]。 1 换热器的分类方式 随着科学和生产技术的发展，各种换热器层出不穷，难以对其进行具体、统一的划分。虽然如此，所有的换热器仍可按照它们的一些共同特征来加以区分[5-6]，具体如下。 按照用途来分：预热器（或加热器）、冷却器、冷凝器、蒸发器等。 按照制造热交换器的材料来分：金属的、陶瓷的、塑料的、石墨的、玻璃的等。 按照温度状况来分：温度工况稳定的热交换器，热流大小以及在指定热交换区域内的温度不随时间而变；温度工况不稳定的热交换器，传热面上的热流和温度都随时间改变。 按照热流体与冷流体的流动方向来分：顺流式、逆流式、错流式、混流式。 按照传送热量的方法来分：间壁式、混合式、蓄热式等三大类。其中间壁式换热器的冷、热流体被固体间壁隔开，并通过间壁进行热量交换的换热器，因此又称表面式换热器，这类换热器应用最广。 间壁式换热器根据传热面的结构不同可分为管式和板面式。管式换热器以管子表面作为传热面，包括套管式换热器和管壳式换热器等；板面式换热器以板面作为传热面，包括板式换热器、螺旋板换热器、板翅式换热器、板壳式换热器和伞板换热器等。 2 管式换热器 管式换热器主要有套管式换热器和管壳式换热器两种。 2.1套管式换热器 套管式换热器是将不同直径的两根管子套成的同心套管作为元件、然后把多个元件加以连接而成的一种换热器，工作时两种流体以纯顺流或纯逆流方式流动。套管式换热器的优点是：结构简单，适用于高温、高压流体，特别是小容量流体的传热。另外，只要做成内管可以抽出的套管，就可清除污垢，所以它也使用于易生污垢的流体。他的主要缺点是流动阻力大；金属消耗量多；管间接头较多，易发生泄露；而且体积大，占地面积大，故多用于传热面积不大的换热器[5,7]。 2.2管壳式换热器 管壳式换热器又称为列管式换热器，是以封闭在壳体中管束的壁面作为传热面的间壁式换热器，结构一般由壳体、传热管束、管板、折流板（挡板）和管箱等部件组成。目前，国内外工业生产中所用的换热设备中，管壳式换热器仍占主导地位，虽然它在换热效率、结构紧凑性和金属材料消耗等方面，

管壳式换热器强化传热综述

管壳式换热器强化传热综述 摘要根据国内外强化侍热技术的研究现状，着重介绍了管壳式换热嚣在壳程强化待热方面开展的工作及取得的成果。 关键词管壳式换热器壳程强化传热 Abstract In the light of the present statns of study of the technology for intensification of heat transfer both at home and abroad．The work on the intensification of heat transfer in the shell side of the shell and tube heat exchanger is mainly presented as well as the result obtained．Keywords shell and tube heat exchanger shell side intensification of heat transfer 中图分类号：TE965文献标识码：A 随着现代工业的快速发展，对能源的需求越来越大．而利用高效换热器可以吸收化工、石油生产过程中存在的大量余热，既节约了能源，又减少了污染。与板式、板翅式换热器相比，管壳式换热器由于其适用性广、坚固耐用、密封性较好以及其结构简单、清洗方便是石油、化工等领域应用最普遍的一种换热器(占整个换热器设备的70％以上)[1]。因此．如何最大限度地利用热能和回收热能，强化管壳式换热器成为人们所研究的重点之一。 (一)强化传热的途径 单位时间内的换热量Q与冷热流体的温差△t及传热面积F成正比，即：Q=k·F·△t．可见强化传热可以通过增加传热面积F、加大传热温差△t，提高传热系数K3个途径来实现。 1．1增加传热面积F 增加传热面积不应理解为单一扩大设备体积或台数，而应是采用改变传热表面结构或材料性能合理提高设备单位体积的传热面积．使设备高效、紧凑、轻巧。如采用螺旋螺纹管、翅片管、波纹管、粗糙表面管、异形管等方法都能使传热面积增加。 1．2加大传热温差△t 在考虑到实际工艺或设备是否允许的情况下，改变冷热流体温度或改变换热流体同的流动方式如逆流、错流等，就可改变传热温差血，但这种方法受生产工艺、设备条件、环境条件及经济性等方面限制，实际操作时有一定局限性。 1．3提高传热系数k 提高传热系数小的一侧传热面之传热系数．就可使设备总传热系数大幅度提高。当今世界上强化传热研究的重点就是提高传热系数，有一种趋势是改善流体自身流动状态，加强湍

浅谈管壳式换热器强化传热

浅谈管壳式换热器强化传热 热能1303梁皓天20132586 随着现代工业的迅速发展，以能源为中心的环境、生态等问题日益加剧。世界各国在寻找新能源的同时，也更加注重了节能新途径的研发。强化传热技术的应用不但能节约能源、保护环境，而且能大大节约投资成本。换热器由于其在化工、石油、动力和原子能等工业部门的广泛应用，使得换热器的强化传热技术一直以来受到研究人员的重视，各种研究成果不断涌现。 管壳式换热器又称谓列管式换热器，是以封闭在壳体中管束的壁面作为传热面的间壁式换热器，结构一般由管箱、壳体、管束、管板、折流板等部件组成。目前，国内外工业生产中所用的换热设备中，管壳式换热器仍占主导地位，虽然它在换热效率、结构紧凑性和金属材料消耗等方面，不如其他新型换热设备，但它具有结构坚固，操作弹性大，适应性强，可靠程度高，选材范围广，处理能力大，能承受高温高压等特点，所以在工程中仍得到广泛应用。管壳式热器固然有其优点，并为产业节能方面做出了巨大的贡献，但在新的节能减排形势下，其缺点（压降大、流动死区、易结垢、震动、传热效果差）严重的限制了其发展和生存的空间，为了节能降耗，提高换热器的传热效率，需要研发能够满足多种工业生产过程要求的高效节能换热器。因此，近年来，高效节能换热器的研发一直受到人们的普遍关注，国内外先后推出了一系列新型高效换热器。 目前传统强化换热的方法大体上可以分为三类，管程强化传热，壳程强化传热，整体强化传热。 管程强化换热主要有两种方式，一是改变管子形状或者提高换热面积，如：螺旋槽管、旋流管、波纹管、缩放管、螺纹管等；二是增强管内的湍流程度，例如，管内设置各种形状的插入物。其中，改变换热管设计的方式，如改变换热管形状，或加大管程流体的湍流程度、传热面积，具体的设计对象包括波纹管、伸缩管、翅片管等。而另一种类型包括管内插物的设计，及通过管内绕丝花环、纽带等，实现管程的湍流程度；相比较来说，在管内插物的形式执行简单、效果较好、投资较少，是目前主要应用的管程强化传热形式。 下面详细介绍一下主要管程强化传热的换热器特点。 （1）螺旋槽管是通过专用轧管设备将圆管在其表面滚压出螺旋线形的凹槽，管子内部形成螺旋线形凸起，如图1所示，管内介质流动时受螺旋线型槽纹的导向使靠近管壁的部分介质沿槽纹方向螺旋流动，这就使得边界层的厚度较大程度的减薄，提高换热的效果；部分介质沿着壁面纵向运动，经过槽纹凸起处产生纵向漩涡，促使边界层分层，加速边界层中介质质点的运动，进而加快了管壁处介质与主体介质的热量传递。 （2）波纹管是将管子加工成内外均呈连续波纹曲线的一种强化管，如图2所示，使管子的纵向截面呈波形，由相切的大小圆弧构成，管内流体的流动状态不断变化，使流体的湍流程度增加从而强化传热。主要适用于管内外介质有加热、冷却热交换的场合，其特点为传热效率高，这一特点是依靠独特的传热元件—波纹管来实现的。波纹管特殊的波峰与波谷设计，使流体在关内外形成强烈扰动，大大提高了换热管的传热系数，其传热系数比传统管式换热器高2~3倍。波纹管在工作过程中，一方面管内外介质始终处于高

换热器计算思考题及参考答案

换热器思考题 1. 什么叫顺流？什么叫逆流（P3）？ 2.热交换器设计计算的主要内容有那些（P6）？ 换热器设计计算包括以下四个方面的内容：热负荷计算、结构计算、流动阻力计算、强度计算。 热负荷计算：根据具体条件，如换热器类型、流体出口温度、流体压力降、流体物性、流体相变情况，计算出传热系数及所需换热面积 结构计算：根据换热器传热面积，计算热交换器主要部件的尺寸，如对管壳式换热器，确定其直径、长度、传热管的根数、壳体直径，隔板数及位置等。 流动阻力计算：确定流体压降是否在限定的范围内，如果超出允许的数值，必须更改换热器的某些尺寸或流体流速，目的为选择泵或风机提供依据。 强度计算：确定换热器各部件，尤其是受压部件(如壳体)的压力大小，检查其强度是否在允许的范围内。对高温高压换热器更应重视。尽量采用标准件和标准材料。 3. 传热基本公式中各量的物理意义是什么（P7）？ 4. 流体在热交换器内流动，以平行流为例分析其温度变化特征（P9）？

5. 热交换器中流体在有横向混合、无横向混合、一次错流时的简化表示（P20）？ 一次交叉流，两种流体各自不混合 一次交叉流，一种流体混合、另一种流体不混合 一次交叉流，两种流体均不混合 6. 在换热器热计算中, 平均温差法和传热单元法各有什么特点（P25、26）? 什么是温度交叉，它有什么危害，如何避免（P38、76）？ 7．管壳式换热器的主要部件分类与代号（P42）？ 8．管壳式换热器中的折流板的作用是什么，折流板的间距过大或过小有什么不利之处（P49～50）？ 换热器安装折流挡板是为了提高壳程对流传热系数，为了获得良好的效果，折流挡板的尺寸和间距必须适当。对常用的圆缺形挡板，弓形切口过大或过小，都会产生流动“死区”，均不利于传热。一般弓形缺口高度与壳体内径之比为0.15～0.45，常采用0.20和0.25两种。 挡板的间距过大，就不能保证流体垂直流过管束，使流速减小，管外对流传热系数下降；间距过小不便于检修，流动阻力也大。一般取挡板间距为壳体内径的0.2～1.0倍，我国系列标准中采用的挡板间距为：固定管板式有150，300和600mm三种；浮头式有150，200， 300，480和600mm五种。 a.切除过少 b.切除适当 c.切除过多 9管壳式换热器中管程与壳程中流体的速度有什么差异（P292）？ 管壳式换热器中管程流体的速度大于壳程中流体的速度。 10．板式换热器与管壳式换热器的比较，板式换热器有什么优点（P125～127）？ ? 1）传热系数高：由于平板式换热器中板面有波纹或沟槽，可在低雷诺数（Re=200

换热器的强化传热三因素

换热器的强化传热 所谓换热器传热强化或增强传热是指通过对影响传热的各种因素的分析与计算，采取某些技术措施以提高换热设备的传热量或者在满足原有传热量条件下，使它的体积缩小。换热器传热强化通常使用的手段包括三类：扩展传热面积（F ）；加大传热温差；提高传热系数（K ）。 1 换热器强化传热的方式 1.1 扩展传热面积F 扩展传热面积是增加传热效果使用最多、最简单的一种方法。在扩展换热器传热面积的过程中，如果简单的通过单一地扩大设备体积来增加传热面积或增加设备台数来增强传热量，不光需要增加设备投资，设备占地面积大、同时，对传热效果的增强作用也不明显，这种方法现在已经淘汰。现在使用最多的是通过合理地提高设备单位体积的传热面积来达到增强传热效果的目的，如在换热器上大量使用单位体积传热面积比较大的翅片管、波纹管、板翅传热面等材料，通过这些材料的使用，单台设备的单位体积的传热面积会明显提高，充分达到换热设备高效、紧凑的目的。 1.2 加大传热温差Δt 加大换热器传热温差Δt是加强换热器换热效果常用的措施之一。 在换热器使用过程中，提高辐射采暖板管内蒸汽的压力，提高热水采暖的热水温度，冷凝器冷却水用温度较低的深井水代替自来水，空气冷却器中降低冷却水的温度等，都可以直接增加换热器传热温差Δt。 但是，增加换热器传热温差Δt是有一定限度的，我们不能把它作为增强换热器传热效果最主要的手段，使用过程中我们应该考虑到实际工艺或设备条件上是否允许。例如，我们在提高辐射采暖板的蒸汽温度过程中，不能超过辐射采暖允许的辐射强度，辐射采暖板蒸汽温度的增加实际上是一种受限制的增加，依靠增加换热器传热温差Δt只能有限度的提高换热器换热效果；同时，我们应该认识到，传热温差的增大将使整个热力系统的不可逆性增加，降低了热力系统的可用性。所以，不能一味追求传热温差的增加，而应兼顾整个热力系统的能量合理使用。 1.3 增强传热系数（K）

化工基础习题解答《传热过程及换热器》(张近主编)

传热过程及换热器 1.燃烧炉的平壁是一层耐火砖和一层普通砖砌成，内层耐火砖厚度为230mm ，外层普通砖厚度为240mm ，当达到定态传热时，测得炉内壁温度是700℃，外表面温度是100℃，为了减少热量损失，在普通砖外面加砌一层厚度为40mm 的保温材料，当定态后测得内壁面温度为720℃，保温材料外表面温度为70℃。求加保温材料前后每平方壁面热损失是多少？耐 火砖、普通砖、保温材料的热导率分别为1.163W·m -1·℃-1， 0.5815W·m -1·℃-1，0.07W·m -1·℃-1。 解：根据多层平壁热传导公式：i i i t Q A δλΣΔ=Σ 加保温材料前：Σt i =t 1-t n+1=700-100=600℃ 0.230.241.1630.5815 0.6105i i δλΣ=+= 26000.6105 982.8W/m Q A == 加保温材料后：Σt i =t 1-t n+1=720-70=650℃ 0.230.240.041.1630. 1.185815007 20.i i δλΣ=++= 2545W/m 1.1862 50Q A == 2.如习题1加保温材料后测得内壁面温度为720℃，保温材料外表面温度为70℃。计算耐火砖与普通砖、普通砖与保温材料间的交界面温度。 解：加保温材料后，传热速率为：2545W/m 1.1862 50Q A == 根据平壁热传导公式：1211 545t t Q A δλ?== t 1=720；λ1=1.163W·m -1·℃-1，δ1=0.24m 代入上式解得： t 2=1110.23720545 1.163 6211.Q t A δλ??=?×=℃ 同理得 t 3=3430.0470545031.74.08Q t A δλ+ ?=+×=℃ 3.平壁炉的炉壁内层为120mm 厚的耐火材料和外壁厚度为230mm 建筑材料砌成，两种材料的导热系数为未知，测得炉内壁面温度为800℃，外侧壁面温度113℃，后来在普通建筑材料外面又包一层厚度为50mm 的石棉以减少热损失，包扎后测得炉内壁面温度为800℃，耐火材料与建筑材料交界面温度为686℃，建筑材料与石棉交界面温度为405℃，石棉外侧温度为77℃，问包扎石棉后热损失比原来减少的百分数？

换热器的强化传热

换热器的强化传热 0前言 换热器是工业生产领域中应用十分广泛的热量交换设备。如在化工厂用于换热设备的费用约占设备总费用的10%～20%;在炼油厂中换热设 备约占全部工艺设备的35%～40%;其它如动力、原子能、冶金、食品、交通、家电等工业部门也有着广泛的应用。对一个传热过程而言,初投资与传热面积大小相关,因此,如何节约传热面积,研究换热器的强化传热技术 十分重要。所谓强化传热技术就是当高温流体与低温流体在某一传热面两侧流动时,使单位时间内2种流体间交换的热量Ｑ尽可能增大。由传热速率方程Ｑ=ＫＡｍΔｔｍ可知:增加传热面积Ａｍ、增大传热温差Δｔｍ、提高总传热系数Ｋ均可以提高传热速率。 1增大传热温差Δｔｍ 增大传热的平均温差Δｔｍ是强化传热的一种有效手段。由Δｔｍ =(Δｔ1-Δｔ2)/ｌｎ(Δｔ1/Δｔ2)可知:要提高Δｔｍ就要增加Δｔ1,减小Δｔ2。由于流体的进、出口温度主要由生产工艺条件决定,要增加Δｔ1减小Δｔ2,其主要措施是:对无相变的流体,使冷、热流体逆流或接近逆流。这样不但可以增大传热温差,还有助于减少结构中的温差应力。 2增加传热面积Ａｍ 增加传热面积不应靠加大设备外部尺寸来实现,应从设备内部结构考虑,提高换热器的紧凑性。一般通过下述途径来增加单位体积设备的有效传热面积:(1)采用最合适的内外导流筒结构,最大限度地消除管壳式换热器

挡板处的传热不活跃区。(2)热传递面采用扩展表面,尽可能增加它的有效传热面积,如在对流传热系数较少一侧的传热壁面上装翅片、筋片、销钉等。 (3)改良热传递表面性能,将管子内、外表面扎制成各种不同的表面形状, 增加管内、外表面传热面积,如螺纹管、横纹管、周向波纹管、表面多孔管。 (4)采用螺旋式、板式等结构紧凑的新型换热器。 3提高总传热系数Ｋ (1/Ｋ)=Ａ2/(α1×Ａ1)+Ｒｓ1×(Ａ2/Ａ1)+(ｂ/λ)×(Ａ2/Ａｍ)+Ｒｓ2+1/α2 式中:Ａ1———管内壁传热面积;Ａ2———管外壁传热面积;α1———管内侧对流传热系数;α2———管外侧对流传热系数;ＲＳ1———管内侧污垢热阻;ＲＳ2———管外侧污垢热阻;λ———管壁材料的导热系数;ｂ———管壁厚度。从上式中可知:要提高传热系数,就必须减少各项热阻。如尽可能减少管子壁厚ｂ,管子选用导热系数λ大、抗腐蚀性的材料,增大对流传热系数α,减小污垢热阻Ｒｓ。 (1)选用高强度限和屈服限、抗腐蚀性能高、导热性能好的材料,如渗铝管换热器、镀锌管换热器。热管是一种新型传热元件,具有效率高、压降小、结构简单、紧凑性好等优点,发展较为迅速。 (2)增大对流传热系数α。通过有源强化(即利用外部能量的机械和流体 振动,电场、磁场冲击的办法改善流动状态而强化传热)和非源强化(即 改变传热元件本身的表面形状和表面处理方法获得粗糙表面的扩展表面,

4-4-传热过程计算

知识点4－4 传热过程计算 【学习指导】 1．学习目的 通过本知识点的学习，掌握换热器的能量衡算，总传热速率方程和总传热系数的计算。在传热计算的两种方法中，重点掌握平均温度差法，了解传热单元数法及应用场合。 2．本知识点的重点 换热器的能量衡算，总传热速率方程和总传热系数的计算，用平均温度差法进行传热计算。 3．本知识点的难点 传热单元数法。 4．应完成的习题 4-4 在某管壳式换热器中用冷水冷却热空气。换热管为φ25×2.5 mm的钢管，其导热系数为45 W/(m·℃)。冷却水在管程流动，其对流传热系数为2600 W/(m2·℃)，热空气在壳程流动，其对流传热系数为52 W/(m2·℃)。试求基于管外表面积的总传热系数以及各分热阻占总热阻的百分数。设污垢热阻可忽略。 4-5 在一传热面积为40m2的平板式换热器中，用水冷却某种溶液，两流体呈逆流流动。冷却水的流量为30000kg/h，其温度由22℃升高到36℃。溶液温度由115℃降至55℃。若换热器清洗后，在冷、热流体量和进口温度不变的情况下，冷却水的出口温度升至40℃，试估算换热器在清洗前壁面两侧的总污垢热阻。假设： （1）两种情况下，冷、热流体的物性可视为不变，水的平均比热容为4.174 kJ/(kg·℃)； （2）两种情况下，αi、αo分别相同；

（3）忽略壁面热阻和热损失。 4-6 在套管换热器中用水冷却油，油和水呈并流流动。已知油的进、出口温度分别为140℃和90℃，冷却水的进、出口温度分别为20℃和32℃。现因工艺条件变动，要求油的出口温度降至70℃，而油和水的流量、进口的温度均不变。若原换热器的管长为1m，试求将此换热器管长增至若干米后才能满足要求。设换热器的热损失可忽略，在本题所涉及的温度范围内油和水的比热容为常数。 4-7 冷、热流体在一管壳式换热器中呈并流流动，其初温分别为32℃和130℃，终温分别为48℃和65℃。若维持冷、热流体的初温和流量不变，而将流动改为逆流，试求此时平均温度差及冷、热流体的终温。设换热器的热损失可忽略，在本题所涉及的温度范围内冷、热流体的比热容为常数。 4-8 在一管壳式换热器中，用冷水将常压下的纯苯蒸汽冷凝成饱和液体。已知苯蒸汽的体积流量为1600 m3/h，常压下苯的沸点为80.1℃，气化潜热为394kJ/kg。冷却水的入口温度为20℃，流量为35000kg/h，水的平均比热容为4.17 kJ/(kg·℃)。总传热系数为450 W/(m2·℃)。设换热器的热损失可忽略，试计算所需的传热面积。 4-9 在一传热面积为25m2的单程管壳式换热器中，用水冷却某种有机物。冷却水的流量为28000kg/h，其温度由25℃升至38℃，平均比热容为4.17 kJ/(kg·℃)。有机物的温度由110℃降至65℃，平均比热容为1.72 kJ/(kg·℃)。两流体在换热器中呈逆流流动。设换热器的热损失可忽略，试核算该换热器的总传热系数并计算该有机物的处理量。 4-10 某生产过程中需用冷却水将油从105℃冷却至70℃。已知油的流量为6000kg/h，水的初温为22℃，流量为2000kg/h。现有一传热面积为10 m2的套管式换热器，问在下列两种流动型式下，换热器能否满足要求： （1）两流体呈逆流流动； （2）两流体呈并流流动。 设换热器的总传热系数在两种情况下相同，为300 W/(m2·℃)；油的平均比热容为1.9 kJ/(kg·℃)，水的平均比热容为4.17kJ/(kg·℃)。热损失可忽略。

强化换热

强化传热技术综述 理工学院装控L081 康世雄08L0503121 1 绪论 随着现代工业的迅速发展,以能源为中心的环境、生态等问题日益加剧,节能是非常重要的,也是当务之急,世界各国都在寻找新能源和节能新途径。换热器作为换热设备,广泛应用于冶金、化工等各个工业领域中,强化传热技术的应用不但节能环保,而且节约了投资和运营成本,所以,换热器的强化传热技术一直以来都 是一个重要课题,受到研究人员的重视,各种研究成果不断涌现。 当今世界，由于工业，经济的巨大发展，世界各国普遍面临着能量短缺问题，开发新能源以及如何高效利用现有能源得到了世界各国的普遍关注。由于换热设备在工业生产中的广泛应用，提高换热器效率，研究强化换热的新技术成为人们日益关注的传热学新课题。(强化换热的方法及新进展) 换热器是种类繁多，广泛应用于石油化工、冶金、电力、造纸、船舶、机电、分区供热、暖通空调、余热利用、核工业、食品饮料、医药纺织等工业领域。据资料统计，在现代石油化工企业中，换热器的投资约占装置建设总投资的 30%~40%，在合成氨生产中，换热器约占全部设备总台数的40%，世界各国不断地从事着对新型高校换热设备的研究，以期提高热能利用率，不断降低对天然能源的消耗，因此换热器在减少企业的建设投资和提高企业的经济效益方面具有不可忽视的重要影响。要达到此目的，就迫切需要研究各种高效能紧凑节能型的换热器。(强化传热节能技术的研究) 随着现代新工艺、新技术、新材料的不断发展和能源问题的日益严重, 必然带来更多的高性能、高参数换热设备的需求。换热器的性能对产品质量、能量利用率以及系统的经济性和可靠性起着重要的作用, 有时甚至是决定性的作用。目前在发达的工业国家热回收率已达96%, 换热设备在石油炼厂中约占全部工艺 设备投资的35% ~ 40% 。其中管壳式换热器仍然占绝对的优势, 约70% 。其余30%为各类高效紧凑式换热器、新型热管和蓄热器等设备, 其中板式、板翅式、热管及各类高效传热元件的发展十分迅速。随着工业装置的大型化和高效率化, 换热器也趋于大型化, 并向低温差设计和低压力损失设计的方向发展。当今换热

新版化工原理习题答案(05)第五章传热过程基础

第五章 传热过程基础 1．用平板法测定固体的导热系数，在平板一侧用电热器加热，另一侧用冷却器冷却，同时在板两侧用热电偶测量其表面温度，若所测固体的表面积为0.02 m 2 ，厚度为0.02 m ，实验测得电流表读数为0.5 A ，伏特表读数为100 V ，两侧表面温度分别为200 ℃和50 ℃，试求该材料的导热系数。 解：传热达稳态后电热器的加热速率应与固体的散热（导热）速率相等，即 L t t S Q 2 1-=λ 式中 W 50W 1005.0=?==IV Q m 02.0C 50C 200m 02.0212=?=?==L t t S ，，， 将上述数据代入，可得 ()() ()()C m W 333.0C m W 5020002.002 .05021??=??-??=-= t t S QL λ 2．某平壁燃烧炉由一层400 mm 厚的耐火砖和一层200 mm 厚的绝缘砖砌成，操作稳定后，测得炉的内表面温度为1500 ℃，外表面温度为100 ℃，试求导热的热通量及两砖间的界面温度。设两砖接触良好，已知耐火砖的导热系数为10.80.0006t λ=+，绝缘砖的导热系数为 20.30.0003t λ=+，W /(m C)??。两式中的t 可分别取为各层材料的平均温度。 解：此为两层平壁的热传导问题，稳态导热时，通过各层平壁截面的传热速率相等，即 Q Q Q ==21 （5-32） 或 2 32212 11b t t S b t t S Q -=-=λλ （5-32a ） 式中 115000.80.00060.80.0006 1.250.00032t t t λ+=+=+?=+ 21000.30.00030.30.00030.3150.000152t t t λ+=+=+?=+ 代入λ1、λ2得 2.0100)00015.0315.0(4.01500)000 3.025.1(-+=-+t t t t 解之得 C 9772?==t t ())()C m W 543.1C m W 9770003.025.10003.025.11??=???+=+=t λ

管壳式换热器强化传热技术概述

管壳式换热器强化传热技术概述 马越 中国矿业大学化工学院，江苏徐州，221116 摘要：总结了近年来国内外新型管壳式换热器的研究进展，从管程、壳程、管束三方面介绍了管壳式换热器的发展历程、结构改进及强化传热机理，并与普通弓形折流板换热器进行对比，概括了各式换热器的强化传热特点。最后指出了换热器的研究方向。 关键词：管壳式换热器;强化传热;研究方向 Overview of the Shell and Tube Heat Exchangers about Heat Transfer Enhancement Technology MA Yue CUMT,Xuzhou,jiangsu,221116 Abstract：Abstract : The research progress of shell and tube heat exchanger were summarized. The developmentstructural improvement and heat transfer enhancement of the heat exchangers were introduced throughthree aspects e. g. tube pass shell pass and the whole tub bundle etc. Compared with the traditional segmental bame heat exchanger various types of heat exchangers’characteristics about heat transfer enhancement were epitomized. At last，the studying directions of heat exchangers were pointed out. Key words：shell and tube heat exchanger;heat transfer enhancement;studying direction 1引言 《“十二五”节能减排综合性工作方案》明确提出，到2015年，全国万元国内生产总值能耗下降到0. 869吨标准煤；“十二五”期间，实现节约能源6. 7亿吨标准煤。主要实施的措施是调整优化产业结构，加快淘汰落后产能，推动传统产业改造升级，加快节能减排技术开发和推广应用，重点推广高效换热器等节能减排技术。我国石化行业的换热设备以管壳式换热器为主，而且传统弓形折流板换热器占到总量的70%-80%。弓形折流板换热器固然有其优点，并在产业节能方面做出了巨大贡献，但在新的节能减排形势下，其缺点(压降大、存在大量流动死区、振动大、传热效率低等)严重限制了自身的生存和发展空间，同时也推进了强化传热理论和换热器的发展。 2 强化传热理论的工程应用 根据强化传热理论，在管的两侧范围内，需要增大传热系数较小的一侧才能有效改进总传热系数。由于无法确定所有工况下，需要增大管内或管外的传热系数以得到最高的总传热系数，因此，强化传热理论在工程中的应用不是单一的模式，而是呈现出3种趋势，即对管内、管外、管束整体的强化传热。无论是那种类型的强化传热结构，都已经细化出许多更新类型，且其适用的工作环境和强化效果各异。2.1管程强化传热 高效强化传热管的研究一直是传热领域最活跃和最有生命力的重要研究课题。管程强化传热技术可归结为两个方面，其一是改变换热管形状以加大管程流体湍流程度或传热面积，如螺纹管、伸缩管、

换热器的传热计算

换热器的传热计算 换热器的传热计算包括两类：一类是设计型计算，即根据工艺提出的条件，确定换热面积；另一类是校核型计算，即对已知换热面积的换热器，核算其传热量、流体的流量或温度。这两种计算均以热量衡算和总传热速率方程为基础。 换热器热负荷Q 值一般由工艺包提供，也可以由所需工艺要求求得。Q=W c p Δt ，若流体有相变，Q=c p r 。 热负荷确定后，可由总传热速率方程（Q=K S Δt ）求得换热面积，最后根据《化工设备标准系列》确定换热器的选型。 其中总传热系数K= 0011 h Rs kd bd d d Rs d h d o m i i i i ++++ （1） 在实际计算中，总传热系数通常采用推荐值，这些推荐值是从实践中积累或通过实验测定获得的，可以从有关手册中查得。在选用这些推荐值时，应注意以下几点： 1. 设计中管程和壳程的流体应与所选的管程和壳程的流体相一致。 2. 设计中流体的性质（粘度等）和状态（流速等）应与所选的流体性质和 状态相一致。 3. 设计中换热器的类型应与所选的换热器的类型相一致。 4. 总传热系数的推荐值一般范围很大，设计时可根据实际情况选取中间的 某一数值。若需降低设备费可选取较大的K 值；若需降低操作费用可取较小的K 值。 5. 为保证较好的换热效果，设计中一般流体采用逆流换热，若采用错流或 折流换热时，可通过安德伍德（Underwood ）和鲍曼（Bowman ）图算法对Δt 进行修正。 虽然这些推荐值给设计带来了很大便利，但是某些情况下，所选K 值与实际值出入很大，为避免盲目烦琐的试差计算，可根据式（1）对K 值估算。 式（1）可分为三部分，对流传热热阻、污垢热阻和管壁导热热阻，其中污垢热阻和管壁导热热阻可查相关手册求得。由此，K 值估算最关键的部分就是对流传热系数h 的估算。

换热器的强化传热

换热器的强化传热 摘要：所谓换热器传热强化或增强传热是指通过对影响传热的各种因素的分析与计算，采取某些技术措施以提高换热设备的传热量或者在满足原有传热量条件下，使它的体积缩小。换热器传热强化通常使用的手段包括三类：扩展传热面积（F）；加大传热温差；提高传热系数（K）提高工业生产经济效益，要求开发适用于不同工业过程要求的高技能换热设备[1]。这可利用热源的温度越来越低，换热允许温差将变得更小，当然，对换热技术的发展和换热器性能的要求也就更高[2]。换热器的开发与研究成为人关注的课题。大量的强化传热技术应用于工业装置，我国换热器产业在技术水平上获得了快速提升，板式换热器日渐崛起。与此同时，近几年,我国在大型管壳式换热器、大直径螺纹锁紧环高压换热器、高效节能板壳式换热器、大型板式空气预热器方面也获得了重大突破[3]。国外在换热器的强化传热研究、强化传热元件开发、新型壳程结构设计中也有了突破性的进展[4] 关键词: 换热器; 节能减排; 强化传热；结构；优化；优化设计 1 换热器强化传热的方式 1.1 扩展传热面积F 扩展传热面积是增加传热效果使用最多、最简单的一种方法。在扩展换热器传热面积的过程中，如果简单的通过单一地扩大设备体积来增加传热面积或增加设备台数来增强传热量，不光需要增加设备投资，设备占地面积大、同时，对传热效果的增强作用也不明显，这种方法现在已经淘汰。现在使用最多的是通过合理地提高设备单位体积的传热面积来达到增强传热效果的目的，如在换热器上大量使用单位体积传热面积比较大的翅片管、波纹管、板翅传热面等材料，通过这些材料的使用，单台设备的单位体积的传热面积会明显提高，充分达到换热设备高效、紧凑的目的。 1.2 加大传热温差Δt 加大换热器传热温差Δt是加强换热器换热效果常用的措施之一。在换热器使用过程中，提高辐射采暖板管内蒸汽的压力，提高热水采暖的热水温度，冷凝器冷却水用温度较低的深井水代替自来水，空气冷却器中降低冷却水的温度等，都可以直接增加换热器传热温差Δt。但是，增加换热器传热温差Δt是有一定限度的，我们不能把它作为增强换热器传热效果最主要的手段，使用过程中我们应该考虑到实际工艺或设备条件上是否允许。例如，我们在提高辐射采暖板的蒸汽温度过程中，不能超过辐射采暖允许的辐射强度，辐射采暖板蒸汽温度的增加实际上是一种受限制的增加，依靠增加换热器传热温差Δt只能有限度的提高换热器换热效果；同时，我们应该认识到，传热温差的增大将使整个热力系统的不可逆性增加，降低了热力系统的可用性。所以，不能一味追求传热温差的增加，而应兼顾整个热力系统的能量合理使用。

传热过程分析与换热器的热计算(杨世铭,陶文栓,传热学,第四版,答案)

第10章 传热过程分析与换热器的热计算 课堂讲解 课后作业 【10-3】一卧式冷凝器采用外径为25mm ，壁厚1.5mm 的黄铜管做成热表面。已知管外 冷凝侧的平均传热系数 )/(700520K m W h ?=，管内水侧平均的表面传热系数)/(30042K m W h i ?=。试计算下列两种情况下冷凝器按管子外表面面积计算的总传热系数 (1) 管子内外表面均是洁净的 (2) 管内为海水，流速大于1m/s ，结水垢，平均温度小于50℃，蒸汽侧有油。 【解】 【10-13】一台1-2型壳管式换热用来冷却11号润滑油。冷却水在管内流动，C t C t ?="?='502022，，流量为3kg/s ；热油入口温度为600C ，)/(3502K m W k ?=。试计算： (1) 油的流量； (2) 所传递的热量； (3) 所需的传热面积。 【10-17】在一逆流式水-水换热器中，管内为热水，进口温度100,=t ℃出口温度为 80,,=t ℃；管外流过冷水，进口温度20,2=t ℃，出口温度70,,2=t ℃；总换热量KW 350=Φ， 共有53根内径为16mm 、壁厚为1mm 的管子。管壁导热系数()k m w */40=λ，管外流体的表面传热系数()k m w h */15000=，管内流体为一个流程。假设管子内、外表面都是洁净的。试确定所需的管子长度。 【解】计算管内平均换热系数。 ()908010021=+=f t ℃ ()()95.1Pr ,*/68.0,*/109.3146==?=-k m w s m Kg u λ ()()()28.4330/60ln 701002080=---=?m t ℃， ,38.8,2dL n A m A π== 本题中冷热流体总温差为43.3℃，管外冷流体侧占68﹪，管内侧约占32﹪，故不必考虑温差的修正。 【10-22】欲采用套管式换热器使热水与冷水进行热交换，并给出s kg q C t s kg q C t m m /0233.0,35,/0144.0,2002211=?='=?='。取总传热系数为2225.0),/(980m A K m W k =?=，试确定采用顺流与逆流两种布置时换热器所交换的热量、冷却水出口温度及换热器的效能。 【10-27】一台逆流式换热器刚投入工作时在下列参数下运行：360,1=t ℃，300,, 1=t ℃，

第五章 传热过程分析和换热器计算

第九章 传热过程分析和换热器计算 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。 9－1传热过程分析 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。 对于前者，传热过程是定义为热流体通过固体壁面把热量传给冷流体的综合热量传递过程，在第一章中我们对通过大平壁的传热过程进行了简单的分析，并给出了计算传热量的公式 t kF Q ?=， 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，m 2；t ?为热流体与冷流体间的某个平均温差，o C ；k 为传热系数，W/(?2m o C)。在数值上，传热系数等于冷、热流体间温差t ?=1 o C 、传热面积A =1 m 2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。 对于后者，复合换热是定义为在同一个换热表面上同时存在着两种以上的热量传递方式，如气体和固体壁面之间的热传递过程，就同时存在着固体壁面和气体之间的对流换热以及因气体为透明介质而发生的固体壁面和包围该固体壁面的物体之间的辐射换热，如果气体为有辐射性能的气体，那么还存在固体壁面和气体之间的辐射换热。这样，固体壁面和它所处的环境之间就存在着一个复合换热过程。下面我们来讨论一个典型的复合换热过程，即一个热表面在环境中的冷却过程，如图9－1所示。由热表面的热平衡可知，表面的散热热流应等于其与环境流体之间的对流换热热流加上它与包围壁面之间的辐射换热热流，即r c Q Q Q +=,式中 图9－1热表面冷却过程

第10章 传热过程分析与换热器的热计算(杨世铭,陶文栓,传热学,第四版,答案)

第10章 传热过程分析与换热器的热计算 课堂讲解 课后作业 【10-3】一卧式冷凝器采用外径为25mm ，壁厚1.5mm 的黄铜管做成热表面。已知管外冷凝 侧的平均传热系数)/(700520K m W h ?=，管内水侧平均的表面传热系数 )/(30042K m W h i ?=。试计 (1)(2)【流动，t ?='202 (1)(2)(3)【80,,=℃； 根内径 为h 15000=度。 ?m t 的修正。 【10-22】欲采用套管式换热器使热水与冷水进行热交换，并给出s kg q C t s kg q C t m m /0233.0,35,/0144.0,2002211=?='=?='。取总传热系数为2225.0),/(980m A K m W k =?=，试确定采用顺流与逆流两种布置时换热器所交换的热量、冷却水出口温度及换热器的效能。 【10-27】一台逆流式换热器刚投入工作时在下列参数下运行：360,1=t ℃，300,,1=t ℃，30,2=t ℃，200,,2=t ℃，11c q m =2500W/K ，K=800() k m W ?2。运行一年后发现，在11c q m 、22c q m 、

及,1t 、, 2t 保持不变的情形下，冷流体只能被加热到162℃，而热流体的出口温度则高于300℃。试确定此情况下的污垢热阻及热流体的出口温度。 【解】不结垢时， ()2.210160/270ln 160270=-=?m t ℃，()2892.02.2108003003602500m t k A m =?-?=?Φ= K W c q c q m m /4.882170602500302003003601122==--=. 结垢后，()W t c q m 116471301624.882222=-?==Φδ。 又 1255030162,,,2,,211--t t q c q m ?m t k ,,1【r i 条件 即 由此得 【T ∞的气流 ε，∞=300K ， mc 解得T

如何强化换热器中传热过程

如何强化换热器中传热过程 所谓换热器传热过程的强化就是力求使换热器在单位时间内、单位传热面积传递的热量尽可能增多。其意义在于：在设备投资及输送功耗一定的条件下，获得较大的传热量，从而增大设备容量，提高劳动生产率；在保证设备容量不变情况下使其结构更加紧凑，减少占有空间，节约材料，降低成本；在某种特定技术过程使某些工艺特殊要求得以实施等。传热过程的强化有以下几条途径： （1）增大传热面积增大传热面积，可以提高换热器的传热速率。但增大传热面积不能靠增大换热器的尺寸来实现，而是要从设备的结构入手，提高单位体积的传热面积。工业上往往通过改进传热面的结构来实现。目前已研制出并成功使用了多种高效能传热面，它不仅使传热面得到充分的扩展，而且还使流体的流动和换热器的性能得到相应的改善。例如用翅（肋）片，用轧制、冲压、打扁或爆炸成型等方法将传热面制造成各种凹凸形、波纹型、扁平状等，将细小的金属颗粒烧结或涂敷于传热表面或填充于传热表面间，以实现扩大传热面积的目的，减少管子直径，增加单位体积的传热面积。 （2）增大平均温度差增大平均温度差，可以提高换热器的传热效率。平均温度差的大小主要取决于两流体的温度条件和两流体在换热器中的流动型式。一般来说，物料的温度由生产工艺来决定，不能随意变动，而加热介质或冷却介质的温度由于所选介质不同，可以有很大的差异。例如，在化工中常用的加热介质是饱和水蒸汽，若提高蒸汽的压力就可以提高蒸汽的温度，从而提高平均温度差。但需指出的是，提高介质的温度必须考虑到技术上的可行性和经济上的合理性。另外，采用逆流操作或增加管壳式换热器的壳程数使增大，均可得到较大的平均温度差。 （3）增大总传热系数增大总传热系数，可以提高换热器的传热效率。由总传热系数的计算公式可见， 要提高值，就必须减少各项热阻。但因各项热阻所占比例不同，故应设法减少对值影响较大的热阻。一般来说，在金属材料换热器中，金属材料壁面较薄且导热系数高，不会成为主要热阻；污垢热阻是一个可变因素，在换热器刚投入使用时，污垢热阻很小，不会成为主要矛盾，但随着使用时间的加长，污垢逐渐增加，便可成为障碍传热的主要因素；对流传热热阻经常是传热过程的主要矛盾，也应是着重研究的内容。减少热阻的主要方法有：提高流体的速度；增强流体的扰动；在流体中加固体颗粒；在气流中喷入液滴；采用短管换热器；防止结垢和及时清除垢层。 传热过程强化但单纯追求S、Δtm及K 的提高是不行的。因为所采取的强化措施往往使流动阻力增大，其他方面的消耗或要求增高。因此，在采取强化措施的时候，要对设备结构、制造费用、动力消耗、运行维修等予以全面考虑，采取经济而合理的强化方法。