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4传热.ppt

4传热

gaozizi55
2011-07-18 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《4传热ppt》,可适用于工程科技领域

第四章传热分析了解传热速率及其影响因素寻找控制热量传递的基本规律任务:了解典型传热设备的结构和特点运用规律强化或削弱传热操作石化产业:传热设备重量占总设备重量的§概述()强化传热过程:§传热在化工生产中的应用传热的三类应用实例传热在化工生产中的重要性:()热能回收和合理利用:()削弱传热过程:传热过程是普遍存在的流体的升温或冷却,产品的分离(蒸发蒸馏)和干燥等。管道设备的保温或保冷。废热回收热能的合理利用传热设备投资占总设备投资的传热是自然界和工程领域中较为普遍的一种传递过程当无外加功时系统中热量总是自发地从温度较高的物体(部分)传递到温度较低的物体(部分)§传热的三种基本方式热力学第二定律注意:有外加功时可以相反如制冷机的工作原理热传递产生的原因:物体内部或物体之间存在温度差问题:传热发生的原因或条件是什么本章主要讨论的自发过程。即温差的存在是实现传热的前提条件或者说是推动力物体各部分之间不发生相对位移仅凭借分子原子和自由电子等微观粒子的热运动而引起的热量传递过程。①固体的传热不良导体的固体:原子,分子在晶格中其平衡位置的振动传热发生场所:传热机理:传热的三种基本方式根据传热的机理不同特点:没有物质的宏观位移,仅是静止物体内的一种传热方式(大部液体)()热传导(导热):②穿过流体层流内层的传热①气体:分子不规则运动时碰撞传热②金属固体:自由电子的运动传热①热对流只发生在流体中特点:①自然对流:流体中各点温度不同引起流体密度差异,使轻者上浮重者下沉。②强制对流:流体因机械搅拌(泵,风机)等外加功加入引起的对流(质点强制运动)热对流的形式注意点:②化工生产中,强制对流的应用比自然对流更普遍和重要引起流动的原因不同对流的规律不同流体中质点(微团)产生相对位移(宏观运动)引起的热量传递过程()热对流(对流):②热对流的强弱与流体流动状况密切相关①自然对流与强制对流常在流体中同时发生()(热)辐射:实际上,只有当物体之间温差较大时,辐射传热现象才较突出。一般来说,当物体的温度超过K(℃)时辐射热能才予以考虑。特点:辐射传热即是物体间相互辐射和吸收能量的总结果物体间的温度差较大时,辐射传热才能成为主要的传热方式注意:①热辐射不需任何介质②热辐射是热能与电磁能的互相转化和转移③理论上只要物体温度T>K均可产生辐射具有实际意义热能转变为电磁波在空间的传递过程§传热过程中冷热流体(接触)热交换方式一热交换的三种基本方式(一)直接接触式换热和混合式换热器直接接触式换热:混合式换热器:优点:适用场合:直接接触式换热器的机理比较复杂它在进行传热的同时往往伴有传质过程例如气体的冷却或水蒸气的冷凝等热、冷流体直接混合进行热交换凉水塔、洗涤塔、文氏管及喷射冷凝器等传热效果好设备结构简单传热效率高工艺上允许两流体互相混合的情况【图片】混合式冷凝器由于冷凝器通常与真空蒸发器相连器内压强为~kPa因此气压管必须有足够的高度一般为~m。蓄热器内装有固体填充物(如耐火砖等)热、冷流体交替地流过蓄热器利用固体填充物来积蓄和释放热量而达到换热的目的。通常在生产中采用两个并联的蓄热器交替地使用如图片所示。蓄热式换热和蓄热器设备体积庞大且不能完全避免两种流体的混合所以这类设备在化工生产中使用得不太多。优点:典型设备:蓄热式换热:蓄热式换热器热流体冷流体热流体冷流体在蓄热器中实现热交换的一种换热方式。实现方式:回转式空气预热器结构简单可耐高温常用于高温气体热量的回收或冷却缺点:间壁两侧流体的热交换间壁式换热和间壁式换热器)间壁式换热优点:适用场合:典型设备:冷、热流体被固体壁面(传热面)所隔开它们在壁面两侧流动。如各种管壳式和板式结构的换热器间壁式,表面式或间接式换热器冷、热流体不允许混合的场合。应用广泛形式多样【图片】间壁两侧流体间的传热冷、热流体通过间壁两侧的传热过程包括以下三个步骤:如图所示通常将流体与固体壁面之间的传热称为对流传热过程将热、冷流体通过壁面之间的传热称为热交换过程简称传热过程()传递至另一侧的热量以对流方式传递给冷流体。()热量以热传导方式由管壁的一侧传递至另一侧()热流体以对流方式将热量传递给管壁间壁式换热是本章讨论的重点。传热换热器是化工生产传热过程中最常用的设备之一为便于讨论传热的基本原理首先对间壁式换热器予以简单介绍。a套管式换热器)典型的间壁式换热器热流体冷流体固体壁面TTttb管壳式换热器管程流体:流体在管内流动壳程流体:流体在壳与管束之间从管外表面流过单程管壳式换热器:管程流体在管束内只流过一次双程管壳式换热器:管程流体在管束内流过两次多程(如四程、六程等)换热器:流体在管束内来回流过多次单程管壳式换热器双程列管式换热器壳体管束挡板隔板传热速率和热通量是评价换热器性能的重要指标传热速率Q:单位时间内通过传热面的热量W热通量q:指每单位面积的传热速率W㎡二基本概念传热速率Q和热通量q总传热速率方程式K总传热系数换热器设计和强化传热的重要依据与热量衡算式联合可解决传热计算问题本章除非另有说明讨论的都是定态传热。定态传热和非定态传热化工传热过程既可以是连续进行亦可间歇进行。传热系统中不积累能量传热速率Q在任何时刻都为常数并且系统中各点的温度t仅随位置变化而与时间无关传热系统中各点的温度t既随位置又随时间而变定态传热:非定态传热:§热传导温度场:注:由于对于一定时刻又对应一定位置等温线和等温面:故在同一时刻空间固定的一点其温度是唯一的故同一时刻空间中不同等温面之间不可能相交。§傅立叶定律一几个基本概念用来描述物体或空间各点任一时刻温度分布的物理概念由同一时刻空间中温度相同的点连成的线称等温线。无数等温线组成的面称等温面温度梯度:(与流体力学中速度梯度概念类似)单位时间内,物体或物体内部不同两点之间因导热所传递的热量Q与其温度梯度∂t∂n及垂直于热流方向的传热面积A成正比。两等温面之间温度差∆t和其间的垂直(法向)距离∆n之比的极限值即为二傅立叶定律:即:对一维稳定温度场或()“−”意义:热流方向与温度梯度相反。()A的方向:垂直于热流方向即与∂t∂n垂直。()λ热导率或导热系数(Wm·℃)式中:即指∂t∂n=℃mA=m时单位时间由于传导所传递的热量Q。表征物质导热能力大小是物质的物理性质。傅立叶定律:λ物理意义:或非金属:导热系数λ与其组成致密性与温度有关。§导热系数λ固体导热系数λ金属:λ随t↑而↓,随杂质含量↑急剧↓(故纯金属λ最大)λ一般随密度和温度的↑而↑。液体导热系数λ:较小但大于固体绝热材料金属液体(大多数)λ:比较大随温度的↑而↑非金属液体λ:水λ最大,一般随温度的↑略有↓一般纯液体的λ大于溶液的λ气体导热系数λ:比液体λ更小约为液体λ的温度越高压强越大(高压下),气体λ越大总的规律:()平壁无限大边界效应可以忽略。§平壁的稳态热传导()材质均匀各向同性(λ不随温度变化视为常数或取平均)单层平壁的稳态热传导假设:()通过平壁的传热稳定传热为一维方向(X轴向)b根据Fourier定律对于单层平壁有:x=b,t=tx=,t=t(λ=常数)或平均导热系数其中则:多层平壁的稳定热传导Q讨论:稳定传热时Q为常数温差与热阻成正比热阻越大的平壁其内的温度降低越多。接触热阻问题在接触处有明显的温度降低由于空穴存在空气λ小产生接触热阻导致传热速率下降利用此原理可以隔热如房屋的夹墙结构。接触热阻一般通过实验测定或凭经验估计§圆筒壁的稳定热传导单层圆筒壁的稳定热传导于是:则:()圆筒很长(忽略边界效应)bQrr假定:()各向同性材质均匀同平壁假定()稳定传热L式中:(圆筒壁厚)()当rr≤时采用算术平均半径进行计算所产生的误差比对数平均大约在工程上是可行的。()当r→∞时计算公式类似于平壁公式。讨论:多层圆筒壁传热于是:同理对多层圆筒壁的稳定传热有:其中:§对流传热掌握对流传热的机理理解对流传热系数的意义和影响因素。学习目的本知识点的重点对流传热机理。对流传热在工程技术中非常重要。许多工业部门中经常遇到两流体之间或流体与壁面之间的热交换问题这类问题需用对流传热的理论予以解决。一对流传热速率方程和对流传热系数基本概念加热剂:起加热作用的流体热交换:冷、热流体通过壁面进行热量传递的过程。载热体:运载热量的流体。并、逆流:两股流体流向相同(相反)的流动。冷却剂:起冷却作用的流体对流传热:运动流体与固体壁面之间的热量传递过程依靠流体质点的移动进行热量传递与流体流动状况密切相关。对流传热分类:流动的流体与外界的传热强制对流自然对流根据流体在传热过程中的状态对流传热可分为两类:()流体有相变的对流传热:()流体无相变的对流传热:强制对流自然对流蒸汽冷凝和液体沸腾等对流传热过程机理不尽相同影响对流传热速率的因素也有区别主体湍流区→过渡流区→层流内层区→平壁A侧)换热过程分析:A温度T>B温度tA流体在平壁上的流动状态总传热方向:因T>t故热量Q从A传向B温度降低方向T→t平壁B侧→层流内层区→过渡区→主体湍流区B流体在平壁上的流动状态()传热及温度变化情况ABC()流体在平壁上的流动状态壁面两侧冷热流体的热量传递对流传热过程分析既有对流(强制和自然对流)传热又有导热。温度沿与流动相垂直方向的变化程度与过渡区厚度成正比。传热方式是导热流体质点间无宏观混合。该层中的温度变化较大且与层流内层厚度成正比。阻力主要集中在该层强化对流传热就是要减薄该层。导热温度基本呈直线变化。传热方式主要是强制对流(自然对流作用不显著)湍流区温度趋于均匀认为无传热阻力。a湍流区中的传热及温度分布:b过渡流区的传热与温度情况c层流内层区中传热温度情况d平壁中的传热及温度变化对流传热速率方程:目前的工程计算仍按半经验法处理传热Tt式中:α对流传热系数W(m·℃)A总传热面积m。Δt对流传热温度差℃αA对流传热热阻℃W。牛顿冷却定律有效膜δ有效膜δ层流底层α反映了对流传热的快慢,α愈大表示对流传热愈快。对流传热系数α对流传热系数的定义式意义:α不是流体的物理性质而是受诸多因素影响的一个系数反映对流传热热阻的大小。α在数值上等于单位温度差下、单位传热面积的对流传热速率。表α值的范围解决方法:研究各种对流传热情况下α的大小、影响因素及计算式。牛顿冷却定律存在的问题:牛顿冷却定律表达了复杂的对流传热问题但它并非理论推导的结果而是一种推论即假设单位面积的传热速率与温差成正比。该公式形式虽然简单但它并未揭示对流传热过程的本质并未减少计算困难只不过将所有复杂的因素都转移到对流传热系数中实质上是将矛盾集中到对流传热系数α。研究对流传热问题的核心注意:在间壁式换热器的计算中需要求出传热管长的平均α的获得主要有三种方法:)理论分析法:建立理论方程式用数学分析的方法求出的精确解或数值解。目前只适用于一些几何条件简单的几个传热过程如管内层流、平板上层流等。二对流传热系数的确定)类比方法:把理论上比较成熟的动量传递的研究成果类比到热量传递过程。)实验方法:用因次分析法、再结合实验建立经验关系式。传热学及传递过程的研究内容实验表明:α与流体的物性、温度、流动状况以及壁面几何状况等诸多因素有关。影响对流传热系数的因素:)流动状态:层流和湍流的传热机理有本质的区别层流:传热基本上依靠分子扩散作用的导热方式,质点无混杂运动。湍流:湍流主体的传热为涡流作用引起的热对流质点呈混杂运动传热充分。但在壁面附近的层流内层中仍为热传导。)对流情况:自然对流强制对流(流动和传热规律不同)自然对流:流体内部存在温度差因而各部分的流体密度不同引起流体质点的相对位移。则每单位体积的流体所产生的升力:强制对流:外力的作用如泵、搅拌器等迫使流体流动。u影响大。或Cp,λ,ρ,μβ且均与相态温度t和压力p有关)传热面的形状位置和大小传热面大小:流道尺寸(管径管长板高和进口效应))传热有、无流体相变情况传热面位置:(水平,垂直),管束排列方式传热面形状:圆管,平板,环隙翅片形式等流体有无相变化对传热有不同的影响有流体相变:如蒸汽在冷壁面上的冷凝和液体在热壁面上的沸腾总之:)流体的性质各种情况下对流传热系数求算的特征数关系式)特征数关系式通式因次分析法由实验可知流体无相变时:根据π定律可用=个独立的特征数之间的关系式表示即则有无相变强制对流:无相变自然对流:表特征数的名称、符号和含义)各特征数(准数)的特点及意义也可取壁温讨论经验关联式应用的几点注意事项:a适用范围由于关联公式是在不同实验条件下得到的,故应用时应根据实际情况选用相应的公式,且准数范围不能超出规定即应切合其使用条件。b特征(定性)尺寸:常以对传热发生重要影响的设备尺寸定量如对管道:一般取d,或de(非圆管道)对平壁:一般取厚度或高度(长度)c物性的定性温度因物性随温度变化在传热过程中流体在不同位置温度不同物性随之变化。一般取法:进、出口流体的算术平均值作定性温度。或膜温式中:流体被加热时n=流体被冷却时n=应用条件:Re>μ≤cP<Pr<(也有<Pr<)ld>(也有ld>)定性温度:流体进、出口算术平均温度☺思考:与u、d有何比例关系?()圆直管内强制湍流(低粘度液体及气体)流体在管内作强制对流传热三、流体无相变时对流传热系数的经验关联式()圆直管中强制湍流(高粘度流体)应用范围:Re><Pr<ld>定性温度特征尺寸:同上当壁温难以确定时μμ壁可按以下处理:气体(加热、冷却)μμ壁=液体被加热μμ壁=液体被冷却μμ壁=()弯形圆管中强制湍流时对流传热系数先求出Re再根据流动状态及流体粘度(高、低粘度)选择公式计算α。最后乘以弯管效应校正系数R弯管道弯曲半径适应条件:Re=~其余同上:()短管中强制湍流时对流传热系数当ld<时根据流动状态及流体粘度(高、低粘度)选择公式计算α。最后乘以管入口效应校正系数()过渡流时圆直管中对流传热系数原则:按相应情况下湍流(高、低粘度)公式计算乘以校正因子f即可。应用条件:Re=~其余同上应用范围:Re<<Pr<Gr<dl>定性温度:同上当Gr>时自然对流的影响不可忽略上式按校正系数相乘予于修正。()圆直管内强制层流流时的对流传热系数、流体在管外强制对流传热管外流动由于结构件因素易产生边界层分离现象从而使局部传热系数在不同位置相差较大同时管外流动时的传热系数还与流体横过管束时管子的错列、直列排列方式有关通式:式中:具体查表适应条件:四、流体有相变时的对流传热蒸汽冷凝时的状况膜状滴状产生原因:冷凝壁有润湿作用形成冷凝液膜特点:传热阻力集中于膜中导热系数小热阻大故给热系数α小。产生原因:壁面无润湿作用(光滑)。特点:传热阻力小给热系数α大。过程比较:一蒸汽冷凝传热系数冷凝方式故冷凝器的设计总是按膜状冷凝来处理工业上遇到的大多数是膜状冷凝()蒸汽在水平管外的膜状冷凝时的对流传热系数蒸汽冷凝的对流传热系数经验关联式()蒸汽在垂直管板上膜状冷凝时的对流传热系数层流:Re<湍流:Re>定性温度:膜温特征尺寸:单组分饱和蒸汽冷凝时气相内温度均匀都是饱和温度没有温度差故热阻集中在冷凝液膜内。因此对一定的组分液膜的厚度及其流动状况是影响冷凝传热的关键因素。凡是有利于减薄液膜厚度的因素都可提高冷凝传热系数。这些因素为:()流体物性:由膜状冷凝传热系数计算式可知.影响冷凝传热的因素()冷凝液膜两侧的温度差:当液膜呈滞流流动时都影响冷凝传热系数。()蒸汽的流速和流向:蒸汽和液膜同向流动:蒸汽和液膜逆向流动:摩擦力将是液膜加速厚度减薄但这种力若超过液膜重力液膜会被蒸汽吹离壁面此时随蒸汽u的增加()蒸汽中不凝气体含量的影响:若蒸汽中含有空气或其它不凝性气体则壁面可能为气体(λ小)层所遮盖增加了一层附加热阻使α急剧下降。因此在冷凝器的设计和操作中都必须考虑排除不凝气。()冷凝壁面的表面情况:对α的影响也很大若壁面粗糙不平或有氧化层则会使膜层加厚增加膜层阻力因而α降低()冷凝壁面的影响:a垂直壁面(板或管)若沿冷凝液流动方向的尺寸增大沿途积存的液体增多则液膜增厚使α下降但当高度尺寸增至某一程度时液膜进入湍流α有开始增大。问题:冷凝液面从上面各排流到下面各排使液膜逐渐增厚因此下面管子的α比上排的要低。故在设计和安装冷凝器时应正确安放冷凝壁面。b水平布置的管束:措施:为了减薄下面管排上液膜的厚度一般需减少垂直列上的管子数目或把管子的排列旋转一定的角度使冷凝液沿下一根管子的切向流过如图片所示。沸腾过程:对液体加热时有液相变为气相的过程即在液体内部产生气泡或气膜因液体沸腾时必伴有液体流动故属于对流传热过程。二液体沸腾时对流传热系数池内沸腾:将加热表面浸入液体的自由表面之下液体在壁面受热沸腾。管内沸腾:液体在管内流动过程中于管内壁发生的沸腾。其传热机理要较池内沸腾复杂得多。工业上的液体沸腾主要有两种:本节主要讨论池内饱和沸腾至于管内沸腾请参阅有关专著。池内沸腾时热通量q和α的大小取决于加热壁面温度与液体饱和温度之差下图为常压下水在池内沸腾时的热通量q=QA、α与t之间的关系曲线。液体沸腾曲线沸腾过程大致分三个阶段:自然对流阶段:核状沸腾阶段:膜状沸腾状态:在实践中为保持理想的传热效果常使沸腾温差保持在核状沸腾阶段△t=~K过高可引起局部过热而烧坏设备(暴沸现象)影响沸腾传热的主要影响因素①液体性质:λ,ρ,μ,σ④加热壁面状况:加热壁面的材质和粗糙度对沸腾传热有重要影响。③操作压强②温度差即一般尽可能控制在核状区使液体σ和μ↓有利于气泡的生成和脱离强化了对流传热清洁的加热壁面α较高而当壁面被油脂沾污后因油脂的导热性能较差会使α急剧下降壁面越粗糙气泡核心越多越有利于沸腾传热。凡是有利于气泡生成和脱离的因素均有助于强化沸腾传热习题课例:一根φ×mm的钢管,管内走某有机溶液,流量为kgh比热为kJ(kgK)黏度为cP导热系数为W(mK)。温度由℃加热至℃。求管内对流传热系数。解:可以使用管内湍流对流传热系数计算公式§传热过程计算在传热计算的两种方法中重点掌握平均温度差法。学习目的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。a掌握换热器的能量衡算b掌握总传热速率方程和总传热系数K的计算c掌握传热相关计算方法平均温度差法传热单元数法换热器的传热计算:设计型计算:即根据工艺提出的条件确定换热器的传热面积A校核型计算:即对已知A的换热器核算其传热量Q、流体的流量qm或温度T或t以热量衡算和传热速率方程为基础一、能量衡算:间壁式换热器式中:──冷热流体的质量流量kgh或kgs──热流体进出口的比焓kJkg。热焓法热负荷Q:单位时间内换热器中冷热流体因温度变化吸收或放出的热量。对于整个换热器其热量衡算式为:假设换热器绝热良好(热损失可以忽略)在单位时间内换热器中热流体放出的热量等于冷流体吸收的热量。──冷流体进出口的比焓kJkg。()()两流体均无相变且流体的比热容不随温度变化或可取流体平均温度下的比热容时式可分别表示为:Q──换热器的热负荷kJh或kW。()比热法式中Cp──流体的定压比热容kJ(kg·℃)t──冷流体的温度℃T──热流体的温度℃。()流体有相变例如饱和蒸汽冷凝时则式可表示为r──饱和蒸汽的汽化热kJkg。()式中:条件:冷凝液在饱和温度下离开换热器()冷凝液的温度低于饱和温度时则式变为式中:Cp──冷凝液的定压比热容kJ(kg·℃)Ts──冷凝液的饱和温度℃。()注意:热负荷和传热速率的区别和联系热负荷:由工艺条件决定是对换热器的要求传热速率:换热器本身在一定操作条件下具有的换热能力是换热器本身的特性对于一个能满足工艺要求的换热器传热速率必须略大于或等于热负荷。在实际设计时通常将两者在数值上视为相等。区别:联系:即通过热量衡算热负荷=传热速率传热面积A传热方式)在恒温差传热时:)在变温差传热时:()并流二、传热平均温度差法三类变温差传热:()逆流()一侧发生相变时当二侧无相变时尽管与流动相垂直的某一截面(Tt)不随时间变化但会随位置变化(T-t)→(T`-t`)如图()所示。平均温度差问题的提出问题:式的基本前提是此时如何用表达?若令:则:或:表示即:解决方法:采用平均方法(算术、对数、几何?)解决假定:()传热达到稳定换热器与外界无热交换(热损失为零)于是:在微元传热面积dA上所传递的热量从换热器的微元传热面积考虑平均温度差公式的推导故冷热流体的温度差()总传热系数为常数(或变化时有具体函数关系式表示)()冷、热流体质量流量为常数比热容均不随温度改变又:从冷热流体的传热情况分析故:或:即:积分整理:△tm为对数平均温差。注意与对数平均半径的类似性当△t△t≤时,△tm可用算术平均值法代替,误差。注意:讨论:()此式既适用于逆流又适用于并流(有相变亦可)逆流、并流比较:I)平均温差大(当冷、热二流体进出口温度一定时)II)节省冷却剂或加热剂用量b并流优势I)控制出口端冷流体的温度。II)高粘度流体的加热使温度迅速升高增强流动性。a逆流操作的优点()对于错折流先按逆流处理再引入校正系数注意折流、错流时<逆流应使当时,应增加壳程数以提高。三、总传热系数K总传热系数计算公式当冷、热流体通过间壁换热时其传热机理如下:即冷热流体通过间壁换热是一个"对流传导对流"的串联过程。②热量由高温壁面以导热方式通过间壁传给低温壁面③热量由低温壁面以对流方式传给冷流体。①热流体以对流方式将热量传给高温壁面分别写出各步方程:对流传热对流传热热传导对稳态传热过程各串联环节速率必然相等即或根据串联热阻叠加原理可得:比较得:与若取A=A可得:(a)()(b)(c)若取A=A可得:若取A=Am可得:污垢热阻:通常污垢热阻比传热壁的热阻大得多因而设计中应考虑污垢热阻的影响。设管壁内、外侧表面上的污垢热阻分别为根据串联热阻叠加原理式a可表示为()及提高总传热系数K途径的分析b当管壁热阻和污垢热阻均可忽略时上式可简化为a若传热面为平壁或薄管壁时()上式可简化为:若α>>α则K≈α称为管壁外侧对流传热控制此时欲提高K值关键在于提高管壁外侧的α。若α≈α则称为管内、外侧对流传热控制此时必须同时提高两侧的α才能提高K值。若α>>α则K≈α称为管壁内侧对流传热控制此时欲提高K值关键在于提高内侧的α。若管壁两侧α很大即两侧的对流传热热阻很小而污垢热阻很大则称为污垢热阻控制此时欲提高K值必须设法减慢污垢形成速率或及时清除污垢。可见K值总是接近于α小的流体的α值且永远小于α的值,欲提高K值关键是提高较小的给热系数α。c如何提高总传热系数K.列管式换热器中的总传热系数K的经验值五壁温计算即:重要结论:壁温tw值应接近α值大的那个流体的温度且α相差愈大壁温tw愈接近于α大的那个流体的温度。若则壁温若考虑污垢热阻影响则有:讨论:习题课设计型问题举例例 在套管式油冷却器里热油在mm的金属管内流动冷却水在套管环隙内流动油和水的质量流量皆为kgh油的进、出口温度分别为℃和℃水的进口温度为℃。油侧对流传热系数为kWmK水侧的对流传热系数为kWmK油的比热为kJkgK试分别计算逆流和并流操作所需要的管长。忽略污垢热阻及管壁导热热阻。解:LMTD法逆流时:(以外表面为基准)Q、t、K与逆流时相同(以外表面为基准)并流时:结论:在相同条件下习题课操作型问题举例例有一台现成的卧式列管冷却器想把它改作氨冷凝器让氨蒸汽走管间其质量流量kgh冷凝温度为℃冷凝传热系数=kWmK。冷却水走管内其进、出口温度分别为℃和℃污垢及管壁热阻取为mKW(以外表面计)。假设管内外流动可近似视为逆流。试校核该换热器传热面积是否够用。列管式换热器基本尺寸如下:换热管规格mm管长l=m管程数m=总管数N=根外壳直径D=mm附:氨冷凝潜热r=kJkg℃下水的物性:解:LMTD法=kWmK换热面积够用§热辐射§热辐射基本概念热辐射热能在空间以电磁波的形式进行传播和转化。辐射波长范围:λ=~μm可见光~μm红外~μm占主导地位紫外~μm④具有反射折射和吸收性质服从光的反射和折射定律。注意具有实际意义的辐射传热特点:①热辐射不需任何介质②热辐射是热能与电磁能的互相转化和转移③理论上只要物体温度T>K均可产生辐射吸收率反射率透过率吸收率透过率反射率根据能量守恒:决定于物性表面状况温度及辐射线的波长透热体白体黑体(均为理想物体)(绝对)黑体:a=如表面无光泽的黑色物体(绝对)白体:ρ=如磨光后的反射体Cu,Al,Ag等金属透热体:τ=如单原子和对称双原子气体固体液体与气体的热辐射特点)固体和液体的热辐射特点)气体的热辐射特点b气体的发射和吸收是在整个气体容积内进行的。a不能透过大多数液体和固体(密度所致),即结论:对热辐射线不能透过的物体其反射能力越大吸收能力则越小反之亦然。只有能够互相照见的物体之间才能进行辐射传热b其表面情况对热辐射影响较大。a在真空和大多数气体(惰性气体和对称双原子气体)中可以完全透过。非透热体透热体§物体的辐射能力与StephenBoltzman定律一黑体的辐射能力与StephenBoltzman定律辐射能力一定温度下物体在单位表面、单位时间内所发射的全部辐射能(整个波长范围)用E表示。(Wm)黑体辐射能力:(Wm)其中:应用时通常改写为:其中:StephenBoltzman定律或四次方定律二、实际物体的辐射能力、黑度与灰体、黑度εε属物性与材料性质和温度、压力、浓度等有关、实际物体的辐射能力或①实际的发射能力在相同温度下小于黑体的发射能力。②由于黑体是全吸收a=故可推论发射能力(吸收能力)越大的物体其吸收(发射)能力亦越大。可见:由此可见:①灰体仍是一种理想物体②灰体的吸收率a与辐射能波长λ无关③对非透热体其透热率τ=aρ=工业实际:常见固体当作灰体处理实际物体:对不同波长的辐射能有不同的吸收率但某些物体这种变化不太大故可近似地用灰体表示这也是引入灰体的实际意义一般固体和液体都是非透热体、灰体:能以相同的吸收率部分吸收所有波长辐射能的物体§克希霍夫(Kirchhoff)定律设①两壁非常接近且平行②壁I为灰体壁II为黑体则:壁I(灰体)发射能:E被I吸收aEb被I反射(a)Eb壁II(黑体)发射能:Eb平衡时(温度相同时):即:一、灰体辐射能力与其吸收率a之间的关系Eb壁IT>壁IITb或(a)Eb由此可得:同一温度下在其物理意义上的差别ε:黑度、发射率、可以实验测得和查图。a:吸收率难于实验测得。Kirchhoff定律与比较工程计算中多用物体的黑度代替吸收率②黑体的发射能力Eb只与黑体的温度T有关克希霍夫定律:或①任何灰体的发射能力E与其吸收率a之比均相等且等于同温度下绝对黑体的发射能力Eb。二、吸收率与黑度之间的关系(数值上)§两固体间的辐射传热一、辐射传热速率的计算从高温物体传给低温物体的辐射传热速率可用下式计算:φ角系数总辐射系数,式中:A辐射传热面积m²注意:φ表示从表面发射的总热辐射能量到达表面上的分数。若两物体表面积不相等时A取其中较小的一个。①即对于相距很小面积为A的两平行灰体壁面:角系数②当两平壁相距较远或表面积不等时引入角系数φ③一物体被另一物体包围的辐射传热讨论:aA<<A此时:中心点辐射bA≈A此时:注意:要求被包围的表面应为平表面或凸表面辐射传热面积A应用被包围的物体表面积A角系数:类无限大平行平壁辐射【例】车间内有一高和宽各为m的炉门(黑度ε=)其表面温度为℃室内温度为℃。()试求由于炉门辐射而引起的散热速率。()若在炉门前mm处放置一块尺寸和炉门相同而黑度为的铝板作为热屏则散热速率可降低多少?解:()放置铝板前由于炉门辐射而引起的散热速率于是又故由于炉门被车间四壁所包围则以下标、和分别表示炉门、房间和铝板。假定铝板的温度为T则当传热达稳态时炉门对铝板的辐射传热速率必等于铝板对房间的辐射传热速率此即由于炉门辐射而引起的散热速率。因A=A且两者相距很小故可认为是两个极大平行平面间的相互辐射故(a)故()放置铝板后由于炉门辐射而引起的散热速率炉门对铝板的辐射传热速率为:铝板对房间的辐射传热速率为则:(b)于是:解得:式中将T值代入式b得放置铝板后因辐射引起的散传速率可减少的百分率为二、辐射传热的强化和削弱、改变物体表面的黑度、采用遮热板§设备热损失计算辐射和对流的联合传热设备热损失:包括二部分壁面与空气对流热损失辐射热损失自然对流强制对流平壁圆筒壁流速u≥ms流速u≤ms①对流热损失:②辐射热损失:③总热损失αT的经验计算式:至略P例:P略§换热器间壁式换热器分类:§列管式换热器(管壳式换热器)列管式(管壳式)换热器是一种传统的、应用最广泛的热交换设备。由于它结构坚固且能选用多种材料制造故适应性极强尤其在高温、高压和大型装置中得到普遍应用。一、列管式换热器构造温度补偿问题:浮头补偿浮头式换热器温差在℃以上时要考虑温度补偿问题二、列管式换热器分类一端管板用法兰与壳体连接固定另一端在壳体中自由伸缩整个管束可以由壳体中拆卸出来。适用于壳体与管束间温差大且需经常进行管内外清洗的场合。补偿圈补偿固定管板式换热器换热器两端管板和壳体是连为一体的。其特点:结构简单、制造成本低适用于壳体和管束温差小、管外物料比较清洁、不易结垢的场合。当壳体和管子之间的温差较大(~℃)且壳体承受压力不太高时可采用补偿圈(又称膨胀节)。U型管补偿U型管式换热器用于壳体与管子间温差大的场合但管内清洗比较困难。三、选用、设计原则冷却剂或加热剂的选定:冷、热流体的走向:常用的冷却剂有:水、空气、液氨等常用的加热剂有:水蒸汽、热空气、烟道气、热油、联苯混合物等⑥粘度大的或流量较小的流体一般原则:①不洁净的或易结垢的流体②腐蚀性流体③压力高的④温度远高于环境的或远低于环境的流体⑤蒸汽§其它类型的间壁式换热器一、夹套式换热器二、沉浸式蛇管换热器三、喷淋式换热器四、套管式换热器五、螺旋板换热器:▲传热效率高  传热效率为列管式换热器的~倍▲阻力小  以较低的压力损失处理大容量蒸气或气体有自清刷能力因其介质呈螺旋形流动污垢不易沉积清洗容易可用蒸气或碱液冲洗简单易行适合安装清洗装置介质走单通道允许流速比其它换热器高。六、板式换热器板式换热器是由一组波纹金属板组成,板上有孔,供传热的两种流体通过。金属板片安装在一个侧面有固定板和活动压紧板的框架内,并用夹紧螺栓夹紧。板式换热器作为一种新型、高效、节能的换热设备已越来越在众多领域广泛应用,并且有逐步取代其它类型之趋势§强化传热途径的讨论强化传热过程:提高冷热流体间的传热速率。可知增大K,A,△tm都可以提高Q(a)增大A不应只考虑设备尺寸应从结构着手提高紧凑性。存在二个问题即:流动阻力增大制造和运行费上升减小管径增加管数。如改进换热面的结构采用新型高效的换能设备(b)增大tm取决于两流体的温度(一般由生产工艺规定)变化范围小如用螺纹管波纹管代替光滑管或翅片管换热器。)采用逆流操作:螺旋板式和套管式换热器可使流体作严格逆流)尽量采用高温加热剂或低温冷却剂。当一方为蒸汽换热时增大蒸汽压强使其温度提高(温度不超过度)措施:(c)增大K值措施:)增大u增强流体的湍动程度,减小层流内层的厚度,提高α如a增加列管式换热器的管程壳程和挡板b在管内加入麻花铁螺旋圈或金属丝片等添加物。但应考虑流速加大流动阻力增大及结构复杂清理检修困难)垢阻的影响:减小垢阻和降低管壁热阻(勤清洗)措施:防止结垢和及时清除垢层Thanks!Thanks!

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