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第四章 传热及传热设备.ppt

第四章 传热及传热设备

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2017-08-03 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《第四章 传热及传热设备ppt》,可适用于高等教育领域

盐城工学院第四章传热及传热设备第四章传热及传热设备概述热传导对流传热流体无相变的对流传热系数流体有相变的对流传热系数辐射传热总传热速率和传热过程的计算换热器盐城工学院第四章传热及传热设备概述传热的基本方式热传导(导热)对流辐射冷热流体接触方式及设备间壁式传热混合式传热(直接接触式)蓄热式传热物体内部或两个直接接触的物体之间分子振动、碰撞流体质点的位移和混合通过电磁波传递能量盐城工学院第四章传热及传热设备传热速率传热速率(热流量)Q:单位时间内的传热量。单位:JsW。热流密度(热通量)q:单位时间内通过单位传热面积的热量。单位:Wm。关系:q=QA稳态传热与非稳态传热稳态传热:物体中各点温度不随时间变化的热量传递过程。非稳态传热:物体中各点温度随时间变化的热量传递过程。概述盐城工学院第四章传热及传热设备热传导温度场和温度梯度温度场:在某一瞬间空间或物体内所有各点温度分布的总和。即:t=f(xyztheta)t温度xyz空间坐标theta时间温度梯度:傅立叶定律单位时间内传导的热量Q与温度梯度dtdx及垂直于热量方向的导热面积A成正比。Q=lambdaAdtdxlambda导热系数WmmiddotK或Wmmiddot℃dtdxmdash温度梯度负值(温度降低的方向)Qmdash热流量热流方向与温度梯度的方向相反盐城工学院第四章传热及传热设备导热系数lambda:当温度梯度为时单位时间内通过单位导热面积的热量。lambda的大小表征物质的导热能力是物质的一个重要的物性参数(rholambdamu)。影响lambda的因素主要是物质的种类(固、液、气)和温度。总体:lambda固>lambda液>lambda气热传导盐城工学院第四章传热及传热设备平壁的稳定热传导假定壁的材质均匀导热系数lambda不随温度变化视为常数。一维稳定导热即:Deltat=tt为导热的推动力R=blambdaA则为导热的热阻。一、单层平壁热传导盐城工学院第四章传热及传热设备平壁的稳定热传导二、多层平壁第一层第二层第三层对于稳定导热过程:因此热传导盐城工学院第四章传热及传热设备圆筒壁的稳定热传导一、单层圆筒壁圆筒壁与平壁不同点是其面随半径而变化。在半径r处取一厚度为dr的薄层若圆筒的长度为L则半径为r处的传热面积为A=pirL。即:分离变量得积分:热传导盐城工学院第四章传热及传热设备圆筒壁的稳定热传导一、单层圆筒壁进行公式转换b圆筒壁的厚度b=rrmAm对数平均面积。当AA时用算术平均值代。热传导盐城工学院第四章传热及传热设备圆筒壁的稳定热传导二、多层圆筒壁第一层第二层第三层通式可写成与多层平壁计算公式相仿的形式:Am、Am、Am分别为各层圆筒壁的对数平均面积。热传导盐城工学院第四章传热及传热设备例:在一phitimesmm的钢管外层包有两层绝热材料里层为mm的氧化镁粉平均导热系数lambda=Wmmiddot℃外层为mm的石棉层其平均导热系数lambda=Wmmiddot℃。现用热电偶测得管内壁温度为℃最外层表面温度为℃管壁的导热系数lambda=Wmmiddot℃。试求每米管长的热损失及两层保温层界面的温度。解:()每米管长的热损失r==mr==mr==mr==m=Wm盐城工学院第四章传热及传热设备()保温层界面温度t解得:t=℃盐城工学院第四章传热及传热设备对流传热对流传热及类型工业上遇到的对流传热常指间壁式换热器中两侧流体与固体壁面之间的热交换即流体将热量传给固体壁面或者由壁面将热量传给流体的过程称之为对流传热(或称对流给热、放热)。自然对流:由流体内部的温度差而引起流体的密度差产生的强制对流:外力(如泵、鼓风机等)作用下而造成的盐城工学院第四章传热及传热设备热阻主要集中在层流底层中层流底层与湍流主体之间的过渡区内的热量传递是传导与对流的共同作用在湍流主体中由于流体的质点剧烈混合可以认为无传热阻力即温度梯度已消失。对流传热与流体的流动情况及流体的性质等有关其影响因素很多。简化:将流体的全部温度差集中在厚度为deltat的有效膜内有效膜的厚度deltat又难以测定故以h(alpha)代替lambdadeltat用下式描述对流传热的基本关系:牛顿冷却定律对流传热速率盐城工学院第四章传热及传热设备对流传热速率的主要影响因素流体的状态:液体、气体、蒸汽及在传热过程中是否有相变化。有相变化时对流传热系数比无相变化时大的多流体的物理性质:影响较大的物性有密度р、比热Cp、导热系数lambda、粘度mu等流体的运动状况:层流或湍流流体对流的状况:自然对流强制对流传热表面的形状、位置及大小:如管、板、管束、管径、管长、管子排列方式、垂直放置或水平放置等。流体无相变时:alpha=f(ulmu,lambdarhoCpbetagDeltat)盐城工学院第四章传热及传热设备个变量通过因次分析得到如下等关系式:盐城工学院第四章传热及传热设备流体无相变的对流传热系数流体在圆形直管内作强制对流低粘度流体Nu=RePrn即:流体被加热时n=流体被冷却时n=使用范围:Re><Pr<Ldimu<timesPas特性尺寸:管内径di定性温度:流体进出口温度的算术平均值一、流体在圆形直管内作强制湍流盐城工学院第四章传热及传热设备高粘度流体液体被加热时液体被冷却时对于气体不管是加热或冷却皆取。使用范围:Re><Pr<LdimutimesPas特性尺寸:管内径di定性温度:流体进出口温度的算术平均值muwtw工程简化:盐城工学院第四章传热及传热设备短管管子入口处扰动较大所以alpha较高。乘以校正系数epsilon=(diL)使用范围:Re><Pr<LdimutimesPas弯管流体在弯管内流动时由于离心力的作用扰动增大其值较直管的大一些。乘以弯管校正系数epsilonR=diR其中:R弯管的曲率半径m。盐城工学院第四章传热及传热设备二、流体在圆形直管内过渡区范围流体在过渡区范围内即当Re=~之间时在用湍流公式计算出alpha值后再乘以校正系数f。三、流体在圆形直管内作强制层流使用范围:Re<Pr<(RePrdiL)特性尺寸:管内径di定性温度:流体进出口温度的算术平均值muwtw盐城工学院第四章传热及传热设备流体在管束外作强制对流流体在管外垂直流过:流体垂直流过单管垂直流过管束管束:流体在错列管束间通过时受到管束的阻挡湍动程度增大Nu=CepsilonRenPrC、epsilon、n由实验确定。P表盐城工学院第四章传热及传热设备大空间自然对流传热管道、设备表面与周围大气之间的传热。Nu=f(GrPr)Nu=A(GrPr)bA、b通过实验确定。P表盐城工学院第四章传热及传热设备例常压下空气以ms的流速在长为mtimesmm的钢管中流动温度由℃升到℃。试求管壁对空气的对流传热系数。解:此题为空气在圆形直管内作强制对流定性温度t=()=℃查℃时空气的物性数据(附录)如下:Cp=timesJkg℃lambda=Wm℃mu=timesNsmrho=kgmRe=Pr=特性尺寸d=times=mld==空气被加热,k=Nu=RePr=times()times()=alpha=Wm℃盐城工学院第四章传热及传热设备流体有相变时的对流传热系数蒸汽冷凝时的对流传热饱和蒸汽与低于饱和温度的壁面接触时将冷凝成液滴并释放出气化潜热这就是蒸汽冷凝传热。alpha滴状>alpha膜状工业上无法实现滴状冷凝采用膜状冷凝。一、蒸汽冷凝方式盐城工学院第四章传热及传热设备二、蒸汽在水平管外冷凝()r蒸汽气化热取饱和温度ts下的数值JKgrho冷凝液的密度kgmlambda冷凝液的导热系数W(mK)mu冷凝液的黏度PasDeltat饱和温度ts与壁面温度tw之差Deltat=tstwn水平管束在垂直列上的管子数若为单根水平管则n=。定性温度:膜温t=(tstw)特性尺寸:管外径d。盐城工学院第四章传热及传热设备三、影响蒸汽冷凝传热的因素①液膜两侧温差液膜呈滞流:△tuarrrarr冷凝速率uarrrarrdeltauarrrarralphadarr。②凝液物性③蒸气的流向与速度④蒸气中不凝性气体含量的影响puarrrarr不凝性气体含量uarrrarr冷凝时形成ldquo气膜rdquorarralphadarrdarr。⑤蒸气过热⑥冷凝壁面的影响除前述壁面的水平、垂直放置及上、下管排位置外水平管duarr、壁面粗糙度uarr或有氧化层均使膜厚deltauarrrarradarr。对于冷凝而言温差仍为tStW虽然过热蒸气的温度高但蒸气的比热较小。puarrrarrrdarr设备耐压要求越高。盐城工学院第四章传热及传热设备液体沸腾时的对流传热沸腾:液体加热时在液体内部伴有由液相变成气相产生气泡的过程。沸腾传热的对流传热系数远远大于单相传热的对流传热系数。沸腾:管内沸腾大容器饱和沸腾实验表明:alpha~Deltat可分为几个阶段:自然对流核状沸腾(泡状沸腾)膜状沸腾盐城工学院第四章传热及传热设备辐射传热基本概念设投射到某物体上辐射能Q物体吸收QA反射QRQD透过。Q=QAQRQD令A=QAQR=QRQD=QDQ则:ARD=A=R=D=黑体R=A=D=绝对白体、镜体D=透热体盐城工学院第四章传热及传热设备StefanBoltzmann定律(四方定律)辐射能力E:物体在一定T下单位面积、单位时间内所发射的全部波长的总能量Wm。C:黑体辐射系数C=WmK表示了黑体的辐射能力与其表面T的关系EpropT盐城工学院第四章传热及传热设备总传热速率和传热过程计算热流体通过间壁与冷流体进行热量交换的传热过程分为三步进行:()热流体以对流传热方式将热量传给固体壁面()热量以热传导方式由间壁的热侧面传到冷侧面()冷流体以对流传热方式将间壁传来的热量带走。图中还示出了沿热量传递方向从热流体到冷流体的温度分布情况。盐城工学院第四章传热及传热设备热量衡算方程热量衡算方程反映了冷、热流体在传热过程中温度变化的相互关系。根据能量守恒原理在传热过程中若忽略热损失单位时间内热流体放出的热量等于冷流体所吸收的热量。对于整个换热器其热量的衡算式为图为一稳态逆流操作的套管式换热器热流体走管内冷流体走环隙。式中Q为整个换热器的传热速率或称为换热器的热负荷W下标和分别表示流体的进口和出口。Q=qmhcph(TT)=qmccpc(tt)盐城工学院第四章传热及传热设备热量衡算方程对于换热器的一个微元段传热面积为dA冷热流体之间的热量传递满足式中qm为冷热流体质量流率kgsdH表示单位质量流体焓值增量kJkgdQ为微元传热面积dA上的传热速率W。下标h和c分别表示热流体和冷流体。如果在换热器中存在热损失则在换热器中的传热速率为式中Qh为热流体对环境的散热量WQC为冷流体对环境的散热量W。dQ=qmhdHh=qmcdHcQ=qmh(HhHh)Qh=qmc(HcHc)Qc盐城工学院第四章传热及传热设备传热速率方程如前图所示在换热器中任取一微元段dl对应于间壁的微元传热面积dAo热流体对冷流体传递热量的传热速率可表示为mdashmdash微分传热速率方程式中K#表示局部传热系数W(mmiddot℃)th、tc分别为热流体和冷流体的局部平均温度℃。()盐城工学院第四章传热及传热设备传热速率方程由传热热阻的概念传热速率方程还可以写为式中R=KA为换热器的总传热热阻℃W。式中K表示总平均传热系数简称总传热系数或传热系数W(mmiddot℃)A为换热器的总传热面积Dtm表示冷热流体的平均传热温差℃。对于整个换热器传热速率方程可写为盐城工学院第四章传热及传热设备总传热系数计算总传热系数的计算如图所示设两流体通过间壁进行换热。在换热器中任取一微元段dl间壁内、外侧的传热面积分别为dAi和dAo。壁面的导热系数为l壁厚为b。内、外侧流体的温度分别为T和t对流传热系数分别为ai和ao。间壁内侧、外侧的温度分别为Tw和tw。据牛顿冷却定律和傅立叶定律内侧间壁外侧盐城工学院第四章传热及传热设备总传热系数计算在稳态条件下式中Q为换热器总传热面积上的传热速率W(Tt)为传热的总推动力℃。Q=Q=Q=Q与传热基本方程式Q=KADeltatm比较得盐城工学院第四章传热及传热设备总传热系数计算传热面为圆筒壁时AneAneAm这时总传热系数K则随所取的传热面不同而异。对应于A=A=Ai的总传热系数Ki对应于A=A=Ao的总传热系数Ko盐城工学院第四章传热及传热设备总传热系数计算对于内、外径分别为di和do长为L的圆管总传热系数Ko还可以表示为式中dm表示管壁的平均直径m。在工程上一般以圆管外表面作为传热过程中传热面积的计算基准。对于厚度为b的平壁由于内、外侧的传热面积相等其总传热系数K可表示为()(b)盐城工学院第四章传热及传热设备总传热系数计算污垢热阻如果间壁内、外两侧的污垢热阻分别用Rsi和Rso表示则根据串联热阻的叠加原理总传热热阻可以表示为工业上常见流体污垢热阻的大致范围为times~timesmmiddotKW。()盐城工学院第四章传热及传热设备总传热系数计算换热器中总传热系数的范围在进行换热器的传热计算时通常需要先估计传热系数。表列出了常见的列管式换热器中传热系数经验值的大致范围。盐城工学院第四章传热及传热设备传热过程的平均温度差恒温差传热在换热器中间壁两侧的流体均存在相变时两流体温度分别保持不变这种传热称为恒温差传热。在恒温差传热中由于两流体的温差处处相等传热过程的平均温差即是发生相变两流体的饱和温度之差。变温差传热若间壁传热过程中有一侧流体没有相变则流体的温度沿流动方向是变化的传热温差也随流体流动的位置发生变化这种情况下的传热称为变温差传热。在变温差传热时传热过程平均温差的计算方法与流体的流动排布型式有关。盐城工学院第四章传热及传热设备传热过程的平均温度差以逆流传热过程为例设热流体的进、出口温度分别为T和T冷流体的进、出口温度分别为t和t。假定:()冷、热流体的比热容cpc、cph在整个传热面上都是常量()总传热系数K在整个传热面上不变()换热器无散热损失。并流逆流错流折流盐城工学院第四章传热及传热设备传热过程的平均温度差取传热面积为dA的微元段为研究对象列出dA段内热量衡算微分式:dQ=qmhcphdT=qmccpcdtqmhcph=常数Q与热、冷流体的温度呈直线关系qmhcph=常数Q与冷、热流体之间的温度差Deltat=Tt必然也呈直线关系其斜率为:传热基本方程式:dQ=KDeltatdA盐城工学院第四章传热及传热设备传热过程的平均温度差传热系数K值视为常数积分得:移项令:则:对数平均温度差盐城工学院第四章传热及传热设备传热过程的平均温度差讨论:)Deltatm虽是从逆流推导来的但对并流和单侧传热也适用)当t=t时)习惯上将较大温差记为t较小温差记为t)当tt时Deltatm可用算术平均值代替Deltatm=(DeltatDeltat)盐城工学院第四章传热及传热设备传热过程的平均温度差.错流和折流时的传热温差如图所示按照冷、热流体之间的相对流动方向流体之间作垂直交叉的流动称为错流如一流体只沿一个方向流动而另一流体反复地折流使两侧流体间并流和逆流交替出现这种情况称为简单折流。错流折流盐城工学院第四章传热及传热设备传热过程的平均温度差通常采用图算法分三步:①先按逆流计算对数平均温差tm逆②求出平均温差校正系数psiDeltat查图psiDeltat③计算平均传热温差:平均温差校正系数psiDeltat这是由于在列管式换热器内增设了折流挡板及采用多管程使得换热的冷、热流体在换热器内呈折流或错流导致实际平均传热温差低于纯逆流时的tm逆。Deltatm=psiDeltatmiddotDeltatm逆psiDeltat=f(RmiddotP)R=(TT)(tt)=热流体的温降冷流体的温升P=(tt)(Tt)=冷流体的温升两流体的最初温差盐城工学院第四章传热及传热设备传热过程的平均温度差不同流动排布型式的比较进出口温度条件相同时逆流的平均温差最大并流的平均温差最小对于其他的流动排布型式其平均温差介于两者之间。在实际的换热器中应尽量采用逆流流动而避免并流流动。但是在一些特殊场合下仍采用并流流动以满足特定的生产工艺需要。采用折流和其他复杂流动的目的是为了提高传热系数然而其代价是减小了平均传热温差。盐城工学院第四章传热及传热设备例:一列管式换热器由Oslash*mm的钢管组成。管内为CO流量为kgh由℃冷却到℃。管外为冷却水流量为kgh进口温度为℃。CO与冷却水呈逆流流动。已知水侧的对流传热系数为WmmiddotKCO侧的对流传热系数为WmmiddotK。取CO侧污垢热阻R=*mmiddotKW取水侧污垢热阻R=*mmiddotKW。试求总传热系数Ko(K)。解:查钢的导热系数lambda=WmmiddotK盐城工学院第四章传热及传热设备例:列管换热器由若干根长为m、直径为phitimesmm的钢管组成。要求将流率为kgs的苯从K冷却到KK的水在管内与苯逆流流动。已知水侧和苯侧的传热系数分别为和kW(mmiddotK)钢的导热系数lambda=WmmiddotK污垢热阻可忽略。若维持水出口温度不超过K试求所需的管数。取苯的比热CP为kJ(kgmiddotK)密度rho为kgm管壁导热系数lambdaw为W(mmiddotK)。解:苯侧传热量Ko=WmKAo=ndol=n=mn=asymp根

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