热 工 学 基础

1. 热工学基础 第二部分 单元10 传热学原理 应用举例

2. 10.1 换热器选型及计算┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄（4） 10.1.1 间壁式换热器的类型及特点┄┄┄┄┄（6） 单元10 传热学原理应用举例┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄（3） 10.1.2 换热器的热力计算原理┄┄┄┄┄┄┄（17） 10.1.3 换热器的选择及评价┄┄┄┄┄┄┄┄（24） 10.2 维护结构热工计算┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄（28） 参考文献 ┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄（37） 单元10 传热学原理应用举例

3. 单元10 传热学原理应用举例 • 【知识点】 • 换热器的类型及特点；换热器热力计算公式；维护结构最小热阻的概念及维护结构热阻计算公式及计算方法。 • 【能力目标】 • 掌握：换热器的类型及特点；相关计算公式。 • 理解：换热器的评价及选择的方法；维护结构最小热 阻的概念。 • 熟悉：换热器热力计算公式及计算方法；维护结构热 阻计算公式及计算方法。 • 应用：使用换热器热力计算公式进行选型计算和校核 计算；正确选择换热器；维护结构最小热阻的 校核和计算。

4. 10.1 换热器选型及计算 • 换热器是实现两种或两种以上温度不同的流体相互换热的设备。按工作原理不同可分为三类。 • （1）间壁式换热器 • 冷热流体被一壁面隔开，如暖风机、燃气加热器、冷凝器、蒸发器。 • （2）混合式换热器 • 冷热流体直接接触，彼此混合进行换热，在热交换时存在质交换，如空调工程中的喷淋室、蒸汽喷射泵等。 10.1 换热器选型及计算

5. 10.1 换热器选型及计算 • （3）回热式换热器 • 回热式换热器的换热面交替地吸收和放出热量，热流体流过换热面时温度升高，换热面吸收并储蓄热量，然后冷流体流过换热面，换热面放出热量加热冷流体，如锅炉中回热式空气预热器、全热回收式空气调节器等。 • 作为换热器的基础知识，本章仅介绍间壁式换热器。间壁式换热器种类很多，从构造上主要可分为：管壳式、肋片管式、板式、板翘式、螺旋板式等，其中以前两种用得最为广泛。

6. 10.1 换热器选型及计算 • 10.1.1.1 管壳式换热器 • 图10.1为管壳式换热器示意图。流体Ⅰ在管外流动，管外各管间常设置一些圆缺形的挡板，其作用是提高管外流体的流速（挡板数增加，流速提高），使流体能充分流经全部管面，改善流体对管子的冲刷角度，从而提高壳侧的换热系数。此外，挡板还可以起支承管束、保持管间距离等作用。流体Ⅱ在管内流动。流体Ⅱ从管的一端流到另一端称为一个管程，当管子总数及流体流量一定时，管程数分得越多，则管内流速越高。图10.1为单壳程双管程的换热器。图10.2（a）为2壳程4管程，图10.2（b）为3壳程6管程。 10.1.1 间壁式换热器的类型及特点

7. 10.1 换热器选型及计算 图10.1 管壳式换热器示意图 1—管板；2—外壳；3—管子；4—挡板；5—隔板； 6、7—管程进口、出口; 8、9—壳程进口、出口

8. 10.1 换热器选型及计算 • 管壳式热交换器结构坚固，易于制造，适应性强，处理能力大，高温、高压情况下亦可应用，换热器表面清洗较方便。这一类型换热设备是工业上用得最多，历史最久的一种，是占主导地位的换热设备。其缺点是材料消耗大，不紧凑。除图10.2的类型外，U形管式及套管式（一根大管中套一小管）换热器也属此类。 图10.2 多壳程与多管程换热器 （a）2壳程 4管程; （b）3壳程 6管程

9. 10.1 换热器选型及计算 • 10.1.1.2 肋片管式换热器 • 肋片管亦称翘片管，图10.3为肋片管式换热器结构示意图。在管子外壁加肋，肋化系数可达25左右，大大增加了空气侧的换热面积，强化了传热。与光管相比，传热系数可提高1～2倍。这类换热器结构较紧凑，适用于两侧流体换热系数相差较大的场合。 图10.3 肋片管式换热器

10. 10.1 换热器选型及计算 • 肋片管式换热器结构上最值得注意的是肋的形状和结构以及镶嵌在管子上的方式。肋的形状可做成圆盘式、带槽或孔式、皱纹式、钉式和金属丝式等。肋与管的连接方式可采用张力缠绕式、嵌片式、热套胀接、焊接、整体轧制、铸造及机加工等。肋片管的主要缺陷是肋片侧的流动阻力较大。不同的结构与镶嵌方式对流动阻力，特别是对传热性能影响很大。当肋根与管之间接触不紧密而存在缝隙时，将形成接触热阻而使传热系数降低。

11. 10.1 换热器选型及计算 • 10.1.1.3 板式换热器 • 板式换热器是由若干传热板片叠置压紧组装而成，板四角开有角孔，流体由一个角孔流入，即在两块板形成的流道中流动，而经另一对角线角孔流出（该板的另外两个角孔则由垫片堵住），流道很窄，通常只有3～4 mm，冷热两流体的流道彼此相间隔。为了强化流体在流道中的扰动，板面都做成波纹形。板片间装有密封垫片，它既用来防漏，又用以控制两板间的距离。冷热两流体分别由板的上、下角孔进入换热器，并相间流过奇数及偶数流道，然后再从下、上角孔流出。传热板片是板式换热器的关键元件，不同类型的板片直接影响到传热系数、流动阻力和承受压力的能力。板片的材料，通常为不锈钢，对于腐蚀性强的流体（如海水冷却器），可用钛板。

12. 10.1 换热器选型及计算 • 板式换热器传热系数高、阻力相对较小（相对于高传热系数）、结构紧凑、金属消耗量低、使用灵活性大（传热面积可以灵活变更）、拆装清洗方便等，已广泛应用于供热采暖系统及食品、医药、化工等部门。目前板式换热器性能已达：最佳传热系数7 000 W/（m2·℃）（水-水），最大处理量1 000 m3/h，最高操作压强28 bar（1 bar＝100 kPa），紧凑性250～1 000 m2/m3，金属消耗16 kg/m2。 • 图10.4为板式换热器的结构原理图 。 图10.4 板式换热器结构原理图

13. 10.1 换热器选型及计算 • 10.1.1.4 板翅式换热器 • 板翅式换热器结构方式很多，但都是由若干层基本换热元件组成，如图10.5（a）所示，在两块平隔板1中夹着一块波纹形导热翅片3，两端用侧条2密封，形成一层基本换热元件，许多这样的元件交错叠合（使相邻两流道流动方向交错）焊接起来构成板式换热器。图10.5（b）是一种叠合方式。波纹板可做成多种形式，图10.5（a）为平直形翅片，还有锯齿翅片、翅片带孔、弯曲翅片等形式，目的是增加流体的扰动，增强传热。板翅式换热器由于两侧都有翅片，做气气换热，传热系数对空气可达350 W/(m2·℃)。板翅换热器结构非常紧凑，轻巧，每立方米体积中容纳的传热面积可高达4 300 m2，承压可达100 bar。但它容易堵塞，清洗困难，不易检修。适用于清洁和无腐蚀的流体换热。

14. 10.1 换热器选型及计算 图10.5 板翅式换热器结构原理图 1—平隔板；2—侧条；3—翅片；4—流体 图10.6 螺旋板换热器

15. 10.1 换热器选型及计算 • 10.1.1.5 螺旋板换热器 • 螺旋板换热器结构原理如图10.6所示，它是由两块平行的金属板卷制起来，构成两个螺旋通道，再加上下盖及连接管即成换热器，其制造工艺简单。冷热两种流体分别在两个螺旋通道中流动，如图10.6中所示，流体1从中心进入，沿螺旋形通道流到周边流出；流体2则由周边进入，沿螺旋通道流到中心流出。螺旋流道有利于提高传热系数。例如水水型，传热系数K值可达2 200 W/（m2·℃）。螺旋流道的冲刷效果好，污垢形成速度低，仅是管壳式的十分之一。此外，结构比管壳式紧凑，一般单位体积的传热面积约为管壳式的2倍。使用板材制造，比管材价廉。缺点是不易清洗，承压能力低，一般用于压力10 bar以下场合。

16. 10.1 换热器选型及计算 • 10.1.1.6 浮动盘管式换热器 • 浮动盘管式换热器如图10.7所示，是20世纪80年代从国外引进的一种新型半即热式换热器，它由上（左）、下（右）两个端盖、外筒、热介质导入管、 冷凝水（回水）导出管及垂直（水 平）浮动盘管组成。垂直（水平） 浮动盘管是由紫铜管经多次成型加 工而成，各部分之间均采用螺栓连 接，为设备的检修提供了可靠的条 件。这种换热器具有以下优点：换 热效率高、结构紧凑、自动化程度 高、便于清垢、热媒温度调节方便。 图10.7 浮动盘管式 换热器的结构和附件

17. 10.1 换热器选型及计算 • 换热器的计算分为两种情况，一种是设计计算，另一种是校核计算。设计计算的目的是根据生产任务给定的换热条件（冷热媒的温度、换热量）确定换热器的形式、换热面积及结构参数。而校核计算的目的则是根据已知的换热器的结构形式和换热面积，校核换热器能否满足预定的换热要求，一般是校核流体的出口温度和换热量能否达到要求。 10.1.2 换热器的热力计算原理

18. 10.1 换热器选型及计算 • 10.1.2.1 换热器传热计算的基本公式

19. 10.1 换热器选型及计算 • 10.1.2.2 平均温差 • 在前述传热基本计算公式中，冷热两流体沿传热面进行换热，其温度沿流向是不断变化的，故温度差Δt也是不断变化的，而且随流体在换热器中流动情况与流体种类的不同，温度变化的规律也不同，因此传热计算时需取它的平均温差。在表面式换热器中，热流体与冷流体可以平行流动，也可以交叉流动，平行流动时，还可以再分为顺流和逆流。当两种流体的流动方向相互垂直时，称为横流或叉流，如图10.8所示。 图10.8 流体在换热器中的流动方式

20. 10.1 换热器选型及计算 图10.9 顺流时流体温度变化

21. 10.1 换热器选型及计算 图10.10 逆流时流体温度变化

22. 10.1 换热器选型及计算

23. 10.1 换热器选型及计算

24. 10.1 换热器选型及计算 • 换热器的类型很多，在选型和设计时，一般应考虑下列几项基本的要求： • （1）达到换热量、温度等要求； • （2）强度可靠； • （3）便于制造、安装和检修； • （4）经济合理。 • 这些要求时常是互相制约的。例如，对于腐蚀性介质，则要求采用昂贵的耐腐蚀材料，从而影响造价。紧凑式换热器虽然传热性能优异，但设备投资较大，或检修不方便，为了给换热器的选型和设计提供依据，就需要对换热器的性能进行定量的评价。 10.1.3 换热器的选择及评价

25. 10.1 换热器选型及计算 • 换热器性能评价涉及热力学性能（不可逆损失）、传热性能、机械性能（容积、强度、重量、材质）、可靠性及经济性（投资、运行、维修），故全面评价换热器性能是一项困难的工作，从国内外做过的大量研究工作看，评价方法根据不同的情况大致有以下一些类型： • （1）单一性评价 • 即就换热器的各单项性能进行评价，是一种较简单易行的方法，例如用传热系数、压力降、换热器效能、单位传热面积的价格等作为评价比较的指标，这些指标把传热与其他因素分开考虑，虽不全面，但它适宜于对同类型换热器在相同工作条件下进行比较判别。

26. 10.1 换热器选型及计算 • （2）传热量与功率耗比的评价 • 在前述增强传热的诸多措施中，强化传热往往伴随阻力增加，使运行的动力消耗（泵或风机）增加，因而在评价中提出了消耗单位功率（W）所能传递热量（Q）的评价指标，即Q / W，它把传热与阻力损失综合在一个指标中，反映了换热器两项主要性能的综合效果。与此类似的指标还有传热系数与功率消耗比。通过实验测试或模型计算找出该指标的变化系数，用以评价换热器性能。它可用于不同类型换热器之间的比较。

27. 10.1 换热器选型及计算 • （3）传热面积与其他性能比的评价 • 除上述传热量与功率消耗比之外，还有以传热面积为基准的一些性能指标，如单位传热面积的换热器体积、金属消耗量、造价、占地面积等等。这些性能指标，在某些情况下，往往成为选型的重要依据，而且这些指标较为准确地表达了同类型换热器的主要优点或缺陷，在前述换热器结构介绍中已经提到了其中的一些。

28. 10.2 维护结构热工计算 • 我国20世纪60年代至70 年代中期，由于片面地强调降低基本建设造价和减轻结构自重，在设计中缺乏全面的技术经济观点和节能意识，导致一再削弱维护结构隔热水平，使得大量民用建筑冬冷夏热，采暖和空调能耗大大增加，经济和社会效益都很差。直到70年代中期能源危机以后特别是改革开放以来，这种情况才引起重视并逐步改变。在现在的建筑设计中，对于建筑的节能设计非常重视，并作为强制性的条文写入规范，对建筑维护结构的传热系数和热阻提出了明确的要求。以下就结合传热学的知识，对规范中维护结构的最小热阻的计算作一介绍。 10.2 维护结构热工计算

29. 10.2 维护结构热工计算 表10.1 表10.2

30. 10.2 维护结构热工计算 表10.3 表10.4

31. 10.2 维护结构热工计算

32. 10.2 维护结构热工计算

33. 10.2 维护结构热工计算

34. 10.2 维护结构热工计算

35. 10.2 维护结构热工计算

36. 10.2 维护结构热工计算

37. 参考文献 • 参考文献 • 1 刘春泽.热工学基础.北京：机械工业出版社，2004 • 2 余宁.热工学基础.北京：中国建筑工业出版社，2005 • 3 景朝辉.热工理论及应用.北京：中国电力出版社，2004 • 4 余宁.热工学与换热器.北京：中国建筑工业出版社，2001 • 5 章熙民，任泽霈，梅飞鸣.传热学.第3版.北京：中国建筑工业 出版社 • 6 刘芙蓉，杨珊壁.热工理论基础.北京：中国建筑工业出版社 • 7 杨世铭，陶文铨.传热学.北京：高等教育出版社，1998 • 8 翟秀静，刘奎仁.新能源技术.北京，化学工业出版社，2005 • 9 黄敏.热工与流体力学基础.北京：机械工业出版社，2003 • 10 魏龙.热工与流体力学基础.北京：化学工业出版社，2006 • 11 庄骏.热管技术及其工程应用.北京：化学工业出版社，2001

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