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传热

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2012-04-12 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《传热ppt》,可适用于高等教育领域

第五章传热掌握热传导、对流换热的基本规律及计算方法熟悉各种热交换设备的结构和特点掌握稳定综合传热过程的计算了解强化传热和热绝缘的措施。本章重点和难点第五章传热传热过程概述一、传热在化学工程中的应用热量从高温区向低温区以东的过程称为热量传递简称传热。所有的工业部门都涉及到传热特别是化工生产中很多的过程和单元操作。二、对化工生产过程中对传热的要求强化传热过程削弱传热过程传热过程概述四、传热的基本方式热传导(conduction)对流(convection)辐射(radiation)。热的传递是由于系统内或物体内温度不同而引起的根据传热机理不同传热的基本方式有三种:三、稳态传热和非稳态传热传热速率在任何时刻都是常数系统各点的温度仅随位置变化而与时间无关反之为非稳态传热本章主要讨论稳态传热。实际上上述三种传热方式很少单独出现而往往是相互伴随着出现的。热传导及导热系数热传导及导热系数定义:不依靠物体内部各质点的宏观混合活动而是借助分子、原子、离子和自由电子等微观粒子的热运动产生的热量传递称为热传导简称导热。热传导可发生在固体、液体和气体中。、固体导热通过自由电子的迁移和晶格震动进行。因此导电性好的固体导热性也好。合金的导热性下降。、气体导热通过气体分子不规则热运动时的相互碰撞。、液体导热的机理类似气体。描述热传导现象的物理定律为傅立叶定律。温度场和温度梯度温度场(temperaturefield):某一瞬间空间中各点的温度分布称为温度场(temperaturefield)。描述热传导现象的物理定律为傅立叶定律。温度场和温度梯度一维温度场:若温度场中温度只沿着一个坐标方向变化。一维温度场的温度分布表达式为:t=f(n,τ)等温面的特点:()等温面不能相交()沿等温面无热量传递。不稳定温度场:温度场内如果各点温度随时间而改变。稳定温度场:若温度不随时间而改变。等温面:温度场中同一时刻相同温度各点组成的面。ndSQtdtttdtdtdn图温度梯度和傅立叶定律注意:沿等温面将无热量传递而沿和等温面相交的任何方向因温度发生变化则有热量的传递。温度随距离的变化程度以沿与等温面的垂直方向为最大。对于一维温度场则两等温面之间的平均温度变化率为温度梯度:温度梯度:温度梯度是向量其方向垂直于等温面并以温度增加的方向为正。傅立叶定律傅立叶定律是热传导的基本定律它指出:单位时间内传导的热量与温度梯度及垂直于热流方向的截面积成正比即式中Q单位时间传导的热量简称传热速率WS传热面积即垂直于热流方向的表面积mλ导热系数(thermalconductivity)WmK。式中的负号指热流方向和温度梯度方向相反。傅立叶定律二、导热系数二、导热系数导热系数λ表征物质导热能力的大小是物质的物理性质之一其值与物质的组成、结构、密度、温度及压强有关。金属固体>非金属固体>液体>气体固体的导热系数固体的导热系数魏德曼弗兰兹方程魏德曼弗兰兹方程建立了导热系数与电导率之间的定量关系它表明良好的电导体必然是良好的导热体反之亦然。金属的纯度对导热系数影响很大合金的导热系数比纯金属要低。非金属的建筑材料或绝热材料的导热系数与温度、组成及结构的紧密程度有关一般λ值随密度增加而增大亦随温度升高而增大。对于大多数固体其λ值与温度近似呈线性关系即:对于大多数固体其λ值与温度近似呈线性关系即:液体的导热系数液体的导热系数液体的导热系数由于液体分子间相互作用的复杂性液体导热系数的理论推导比较困难目前主要依靠实验方法测定。液体可分为金属液体(液态金属)和非金属液体。大多数金属液体的导热系数均随温度的升高而降低。在非金属液体中水的导热系数最大。除水和甘油外大多数非金属液体的导热系数亦随温度的升高而降低。液体的导热系数基本上与压力无关。气体的导热系数气体的导热系数气体的导热系数与液体和固体相比气体的导热系数最小对热传导不利但却有利于保温、绝热。工业上所使用的保温材料如玻璃棉等就是因为其空隙中有气体所以其导热系数较小适用于保温隔热。对流传热对流传热定义:对流传热是由内部各部分质点发生宏观运动和混合而引起的热量传递过程。对流只能发生在流体内部由于流体分子同时在进行着不规则的热运动因此对流必须伴随着热传导。对流分为强制对流和自然对流。强制对流:因泵(或风机)或搅拌等外力所导致的对流称为强制对流。流动的原因不同对流传热的规律也不同。在同一流体中有可能同时发生自然对流和强制对流。自然对流:由于流体各处的温度不同而引起的密度差异致使流体产生相对位移这种对流称为自然对流。可由牛顿冷却定律描述热辐射因热的原因而产生的电磁波在空间的传递称为热辐射。所有物体都能将热以电磁波的形式发射出去而不需要任何介质。可在完全真空的条件下进行热辐射。任何物体只要在绝对零度以上都能发射辐射能但是只有在物体温度较高的时候热辐射才能成为主要的传热形式。斯蒂芬波尔茨曼(StephenBoltzman)定律对黑体上式说明黑体的全发射能力正比于热力学温度的四次方此关系称为斯蒂芬波尔茨曼定律亦称四次方定律。冷热流体(接触)热交换方式及换热器冷热流体(接触)热交换方式及换热器换热器的分类:按用途分:加热器、冷却器、蒸发器、再沸器、冷凝器等按传热方式分:混合式、蓄热式、间壁式按换热器结构和传热面形式对间壁式换热器分类:管式和板式两类。前者包括蛇管式、套管式、列管式、翅片管式等后者包括板式、螺旋板式、夹套式等三、间壁式换热器一、混合式换热器二、蓄热器载热体及其选择载热体及其选择化工生产中起加热作用的称为加热介质(或加热剂)起冷却(冷凝)作用的称为冷却介质(或冷却剂)。选择载热体考虑以下原则:()温度易调节控制()饱和蒸汽压较低不易分解()毒性小不易爆、燃不易腐蚀设备()价格便宜来源容易。平壁一维稳定热传导一、单层平壁一维稳态热传导平壁一维稳定热传导一、单层平壁一维稳态热传导热传导平壁壁厚为b壁面积为S壁的材质均匀导热系数λ不随温度变化视为常数平壁的温度只沿着垂直于壁面的x轴方向变化故等温面皆为垂直于x轴的平行平面。平壁侧面的温度t及t恒定。式中Δt=tt为导热的推动力(drivingforce)而R=bλS则为导热的热阻(thermalresistance)。根据傅立叶定律分离积分变量后积分积分边界条件:当x=时t=tx=b时t=t二、多层平壁的一微稳定热传导如图所示:以三层平壁为例假定各层壁的厚度分别为bbb各层材质均匀导热系数分别为λλλ皆视为常数层与层之间接触良好相互接触的表面上温度相等各等温面亦皆为垂直于x轴的平行平面。壁的面积为S在稳定导热过程中穿过各层的热量必相等。二、多层平壁的一微稳定热传导第一层第三层第二层对于稳定导热过程:Q=Q=Q=Q同理对具有n层的平壁穿过各层热量的一般公式为式中i为n层平壁的壁层序号。实际上不同材料构成的平壁界面之间可能出现温度降低因为表面粗糙不平而产生接触热阻。接触热阻与接触面材料、表面粗糙度及接触面上压力等因素有关可通过实验测定。例:某冷库外壁内、外层砖壁厚均为cm中间夹层厚cm填以绝缘材料。砖墙的热导率为Wm·K绝缘材料的热导率为Wm·K墙外表面温度为℃内表面为℃试计算进入冷库的热流密度及绝缘材料与砖墙的两接触面上的温度。按温度差分配计算t、t解:根据题意已知t=℃t=℃b=b=mb=mλ=λ=Wm·Kλ=Wm·K。按热流密度公式计算:圆筒壁的一微稳定热传导一、单层圆筒壁的一微稳定热传导如图所示:设圆筒的内半径为r内壁温度为t外半径为r外壁温度为t。温度只沿半径方向变化等温面为同心圆柱面。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S=πrL。圆筒壁的一微稳定热传导一、单层圆筒壁的一微稳定热传导将上式分离变量积分并整理得根据傅立叶定律对此薄圆筒层可写出传导的热量为上式也可写成与平壁热传导速率方程相类似的形式即上两式相比较可得其中式中rm圆筒壁的对数平均半径mSm圆筒壁的内、外表面对数平均面积m当SS<时可认为Sm=(SS)二、多层圆筒壁的稳定热传导对稳定导热过程单位时间内由多层壁所传导的热量亦即经过各单层壁所传导的热量。如图所示:以三层圆筒壁为例。假定各层壁厚分别为b=rrb=rrb=rr各层材料的导热系数λλλ皆视为常数层与层之间接触良好相互接触的表面温度相等各等温面皆为同心圆柱面。二、多层圆筒壁的稳定热传导多层圆筒壁的热传导计算可参照多层平壁。对于第一、二、三层圆筒壁有根据各层温度差之和等于总温度差的原则整理上三式可得同理对于n层圆筒壁穿过各层热量的一般公式为注:对于圆筒壁的稳定热传导通过各层的热传导速率都是相同的但是热通量却不相等。习题习题蒸汽管外包扎两层厚度相同的绝热层外层的平均半径为内层的倍环形的平均半径=(外圆半径内圆半径)导热系数为内层的倍。若两层互换位置其他条件不变问每米管长热损失改变多少?哪种材料放内层有利于保温?(ln=ln=)保温层的临界直径分析:当r不变、r增大时热阻R增大R减小因此有可能使总热阻(RR)下降导致热损失增大。通常热损失随着保温层厚度的增加而减少。对于小直径圆管外包扎性能不良的保温材料随着保温层厚度的增加可能反而使热损失增大。假设保温层内表面温度为t环境温度为tf保温层的内、外半径分别为r和r保温层的导热系数为λ保温层外壁与空气之间的对流传热系数为α。热损失为:保温层的临界直径上式对r求导可求出当Q最大时的临界半径即解得r=λα当保温层的外径do<λα时则增加保温层的厚度反而使热损失增大。当保温层的外径do>λα时增加保温层的厚度才使热损失减少。对管径较小的管路包扎λ较大的保温材料时要核算d是否小于dc。所以临界半径为rc=λα或dc=λα例在一×mm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λ=Wm·℃外层为mm的石棉层其平均导热系数λ=Wm·℃。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λ=Wm·℃。试求每米管长的热损失及两层保温层界面的温度。解:每米管长的热损失此处r==mr==mr==mr==m保温层界面温度t解得t=℃换热器的传热计算传热计算主要有两种类型:设计型计算根据生产要求的热负荷确定换热器的传热面积。校核型计算计算给定换热器的传热量、流体的温度或流量。换热器的传热计算热平衡方程对间壁式换热器作能量恒算在忽略热损失的情况下有上式即为换热器的热量恒算式。式中QT换热器的热负荷kJh或wqm流体的质量流量kghI单位质量流体的焓kJkg下标c、h分别表示冷流体和热流体下标和表示换热器的进口和出口。QT=qm,h(IhIh)=qm,c(IcIc)热平衡方程若换热器中两流体无相变时且认为流体的比热不随温度而变则有式中cp流体的平均比热kJ(kg·℃)t冷流体的温度℃T热流体的温度℃QT=qm,hcph(TT)=qm,ccpc(tt)若换热器中的热流体有相变如饱和蒸汽冷凝时则有当冷凝液的温度低于饱和温度时则有式中qm,h饱和蒸汽(热流体)的冷凝速率kghr饱和蒸汽的冷凝潜热kJkgQT=qm,hr=qm,ccpc(tt)注:上式应用条件是冷凝液在饱和温度下离开换热器。QT=qm,hrcph(TT)=qm,ccpc(tt)式中cph冷凝液的比热kJ(kg·℃)Ts冷凝液的饱和温度℃总传热速率微分方程和总传热系数一、总传热速率微分方程通过换热器中任一微元面积dS的间壁两侧流体的传热速率方程(仿对流传热速率方程)为上式称为总传热速率微分方程。总传热速率微分方程和总传热系数一、总传热速率微分方程总传热系数必须和所选择的传热面积相对应选择的传热面积不同总传热系数的数值也不同。dQ=αi(TTw)dSi=αo(twt)dSo=αm(Twtw)dSm式中αi、αo、αm基于管内表面积、外表面积、外表面平均面积的总传热系数w(m·℃)Si、So、Sm换热器内表面积、外表面积、外表面平均面积m注:在工程大多以外表面积为基准。二、总传热系数总传热系数的计算对于管式换热器假定管内作为加热侧管外为冷却侧则通过任一微元面积dS的传热由三步过程构成。由热流体传给管壁dQ=αi(TTw)dSi由管壁传给冷流体dQ=αo(twt)dSo通过管壁的热传导dQ=(λb)·(Twtw)dSm由上三式可得二、总传热系数总传热系数的计算两边同时除以dS所以总传热系数(以外表面为基准)为同理总传热系数表示成热阻形式为在计算总传热系数K时污垢热阻一般不能忽视若管壁内、外侧表面上的热阻分别为Rsi及Rso时则有当传热面为平壁或薄管壁时di、do、dm近似相等则有当管壁热阻和污垢热阻可忽略时则可简化为若αo<<αi则有总热阻是由热阻大的那一侧的对流传热所控制即当两个对流传热系数相差不大时欲提高K值关键在于提高对流传热系数较小一侧的α。若两侧的α相差不大时则必须同时提高两侧的α才能提高K值。若污垢热阻为控制因素则必须设法减慢污垢形成速率或及时清除污垢。由上可知:例一列管式换热器由Ø×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Wm·KCO侧的对流传热系数为Wm·K。试求总传热系数K分别用内表面积A外表面积A表示。解:查钢的导热系数λ=Wm·K取CO侧污垢热阻Ra=×m·KW取水侧污垢热阻Ra=×m·KW以内、外表面计时内、外表面分别用下标、表示。传热计算方法一、平均温度差法按照参与热交换的两种流体在沿着换热器壁面流动时各点温度变化的情况可将传热分为恒温传热与变温传热两类。恒温传热两种流体进行热交换时在沿传热壁面的不同位置上在任何时间两种流体的温度皆不变化这种传热称为稳定的恒温传热。如蒸发器中饱和蒸汽和沸腾液体间的传热。传热计算方法一、平均温度差法按照参与热交换的两种流体在沿着换热器壁面流动时各点温度变化的情况可将传热分为恒温传热与变温传热两类。恒温传热变温传热在传热过程中间壁一侧或两侧的流体沿着传热壁面在不同位置时温度不同但各点的温度皆不随时间而变化即为稳定的变温传热过程。该过程又可分为下列两种情况:()间壁一侧流体恒温另一侧流体变温如用蒸汽加热另一流体以及用热流体来加热另一种在较低温度下进行沸腾的液体。()间壁两侧流体皆发生温度变化这时参与换热的两种流体沿着传热两侧流动其流动方式不同平均温度差亦不同。即平均温度差与两种流体的流向有关。生产上换热器内流体流动方向大致可分为下列四种情况。变温传热并流参与换热的两种流体在传热面的两侧分别以相同的方向流动。生产上换热器内流体流动方向大致可分为下列四种情况:逆流参与换热的两种流体在传热面的两侧分别以相对的方向流动。错流参与换热的两种流体在传热面的两侧彼此呈垂直方向流动。 折流简单折流:一侧流体只沿一个方向流动而另一侧的流体作折流使两侧流体间有并流与逆流的交替存在。复杂折流:参与热交换的双方流体均作折流。逆流和并流时的平均温度差假设:传热为稳定操作过程。两流体的比热为常量。总传热系数为常量(K不随换热器的管长而变化)。换热器的热损失可忽略。以逆流为例:热量衡算微分方程为dQ=qmhcphdT=qmccpcdt根据假定则有逆流和并流时的平均温度差Q~T和Q~t为直线关系即T=mQkt=m’Qk’Δt=Tt=(mm’)Q(kk’)从上式可以看出:Δt~Q关系呈直线其斜率为将总传热速率微分方程代入上式则有由于K为常量积分上式有式中Δtm称为对数平均半径。当ΔtΔt≤时可用(ΔtΔt)代替对数平均温度差。注:()应用上式求Δtm时取换热器两端的Δt中数值大的为Δt小的为Δt。()上式对并流也适用。例现用一列管式换热器加热原油原油在管外流动进口温度为℃,出口温度为℃某反应物在管内流动进口温度为℃出口温度为℃。试分别计算并流与逆流时的平均温度差。解:并流℃逆流逆流操作时因ΔtΔt<则可用算术平均值由上例可知:当流体进、出口温度已经确定时逆流操作的平均温度差比并流时大。在换热器的传热量Q及总传热系数K值相同的条件下采用逆流操作可以节省传热面积而且可以节省加热介质或冷却介质的用量。在生产中的换热器多采用逆流操作只是对流体的温度有限制时才采用并流操作。注:流体流动方向的选择错流和折流时的平均温度差方法:先按纯逆流的情况求得其对数平均温度差Δtm逆然后再乘以温度差校正系数ϕΔt,即Δtm=ϕΔt·Δtm逆校正系数ϕΔt与冷、热两种流体的温度变化有关是R和P的函数即ϕΔt=f(RP)式中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根据冷、热流体进、出口的温度依上式求出R和P值后校正系数ϕΔt值可根据R和P两参数从相应的图中查得。错流和折流时的平均温度差二、传质单元数法二、传质单元数法QT=qm,hcph(TT)=qm,ccpc(tt)QT=KSΔtmqm,ccpc(tt)=KSΔtmqm,hcph(TT)=qm,ccpc(tt)两个方程、个变量给出其中个即可计算。、传热效率ε、传热效率ε换热器的传热效率只能说明流体可用能量被利用的程度和传热计算的一种手段不说明某一换热器在经济上的优劣。、传热单元数NTU、传热单元数NTUdQ=qm,hcphdT=qm,ccpcdt=K(Tt)dS对于冷流体积分上式得基于冷流体的传热单元数对于热流体积分上式得基于冷流体的传热单元数传热单元数是温度的量纲为一的函数它反映传热推动力和传热所要求的温度变化的关系传热推动力越大所要求的温度变化越小则所需要的传热单元数愈少。、传热效率与传热单元数的关系、传热效率与传热单元数的关系以单程并流换热器为例对于单程逆流换热器当流体中任一流体发生相变,(qmcp)max趋于无穷大对于并流和逆流换热器对流传热对流传热:是在流体流动进程中发生的热量传递现象它是依靠流体质点的移动进行热量传递的与流体的流动情况密切相关。根据流体在传热过程中的状态对流传热可分为两类:无相变(强制对流传热和自然对流传热)和有相变(蒸汽冷凝和液体沸腾)。对流传热对流传热机理和对流传热系数传热边界层(thermalboundarylayer):温度边界层。有温度梯度较大的区域。传热的热阻即主要几种在此层中。对流传热机理和对流传热系数对流传热速率式中Q对流传热速率WA传热面积mΔt对流传热温度差ΔT=TTW或Δt=ttW℃T热流体平均温度℃TW与热流体接触的壁面温度℃t冷流体的平均温度℃tW与冷流体接触的壁面温度℃a对流传热系数(heattransferconfficient)Wm·K(或Wm·℃)。上式称为牛顿冷却定律。简化处理:认为流体的全部温度差集中在厚度为δt的有效膜内但有效膜的厚度δt又难以测定所以以α代替λδt而用下式描述对流传热的基本关系Q=αA(TTw)对流传热速率简化处理:认为流体的全部温度差集中在厚度为δt的有效膜内但有效膜的厚度δt又难以测定所以以α代替λδt而用下式简化处理:认为流体的全部温度差集中在厚度为δt的有效膜内但有效膜的厚度δt又难以测定所以以α代替λδt而用下式有效膜的概念遇到蒸汽在冷表面上凝结及液体在沸腾的对流传热问题分别称之为冷凝传热和沸腾传热。伴有相变的对流传热系数比无相变时高得多。对流传热的量纲分析对流传热的量纲分析流体的状态:液体、气体、蒸汽及在传热过程中是否有相变。有相变时对流传热系数比无相变化时大的多流体的物理性质:影响较大的物性如密度р、比热cp、导热系数λ、粘度μ等、体积膨胀系数β流体的运动状况:层流、过渡流或湍流流体流动的原因: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。一、影响对流传热系数的主要因素二、对流传热过程的量纲分析无相变时影响对流传热系数的主要因素可用下式表示:八个物理量涉及四个基本因次:质量M长度M长度L时间θ温度T。通过因次分析可得在无相变时准数关系式为:即二、对流传热过程的量纲分析准数符号及意义准数关联式是一种经验公式在利用关联式求对流传热系数时不能超出实验条件范围。在应用关联式时应注意以下几点:、应用范围、特性尺寸无因次准数Nu、Re等中所包含的传热面尺寸称为特征尺寸。通常是选取对流体流动和传热发生主要影响的尺寸作为特征尺寸。、定性温度流体在对流传热过程中温度是变化的。确定准数中流体物理特性参数的温度称为定性温度。一般定性温度有三种取法:进、出口流体的平均温度壁面平均温度流体和壁面的平均温度(膜温)。、准数是一个无因次数群其中涉及到的物理量必须用统一的单位制度。流体无相变时对流传热系数的关联式一、流体在管内作强制对流流体在光滑圆形直管内作强制湍流)低粘度流体(迪特斯贝尔特关联式)   Nu=RePrn式中n值视热流方向而定当流体被加热时n=被冷却时n=。应用范围:Re><Pr<管长与管径比Ldi>。若Ldi<时α须乘以((diL))进行校正。特性尺寸:取管内径定性温度:流体进、出口温度的算术平均值。流体无相变时对流传热系数的关联式一、流体在管内作强制对流流体在光滑圆形直管内作强制湍流)低粘度流体(迪特斯贝尔特关联式))高粘度流体西德尔泰特关联式Nu=RePr(μμw)应用范围Re><Pr<Ldi>。特性尺寸取管内径定性温度除μw取壁温外均为流体进、出口温度的算术平均值。当液体被加热时(μμw)=当液体被冷却时(μμw)=对于气体不论加热或冷却皆取。)高粘度流体西德尔泰特关联式例:常压下空气以ms的流速在长为mφ×mm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=×Jkg℃λ=Wm℃μ=×Nsmρ=kgmPr=特性尺寸d=×=mld==>Re=duρμ=(××)(×)=×>(湍流)Pr=cpμλ=(×××)=本题中空气被加热,k=代入Nu=RePr=×()×()=流体在光滑圆形直管内作强制滞流流体在圆形直管内作强制滞流时应考虑自然对流及热流方向对对流传热系数的影响。当自然对流的影响比较小且可被忽略时按下式计算:Nu=RePr(diL)(μμw)应用范围:Re<<Pr<(Re·Pr·diL)>。特性尺寸:取管内径di定性温度:除μw取壁温外均为流体进、出口温度的算术平均值。流体在光滑圆形直管内作强制滞流当自然对流的影响不能忽略时而自然对流的影响又因管子水平或垂直放置以及流体向上或向下流动方向不同而异。对水平管按下式计算应用范围:Re<ld>当管子较短ld<时计算所得的α值应校正。特性尺寸:取管内径di定性温度:壁温tw与流体进、出口平均温度的平均值tm即膜温。Δt=twtmNu=Re(GrPr)Pr流体在圆形直管内作过渡流对于垂直管自然对流的影响较大可作近似校正。如强制对流方向和自然对流方向相同时α值按上式计算结果减少方向相反时加大。校正系数f的数值在过渡流时对流传热系数可先用湍流时的计算公式计算根据所得的α值再乘以校正系数φ即可得到过渡流下的对流传热系数。流体在圆形直管内作过渡流流体在弯管内作强制对流流体在弯管内流动时由于受离心力的作用增大了流体的湍动程度使对流传热系数较直管内大。式中α΄弯管中的对流传热系数w(m•℃)α直管中的对流传热系数w(m•℃)R弯管轴的弯曲半径m流体在弯管内作强制对流例:一套管换热器套管为φ×mm钢管内管为φ×mm钢管。环隙中为p=kPa的饱和水蒸气冷凝冷却水在内管中渡过进口温度为℃出口为℃。冷却水流速为ms试求管壁对水的对流传热系数。解:此题为水在圆形直管内流动定性温度t=()=℃查℃时水的物性数据(见附录)如下:Cp=×Jkg·℃λ=Wm·℃μ=×N·smρ=kgmRe=duρμ=(××)(×)=Re在~之间为过渡流区Pr=cpμλ=(×××)×=a可按式Nu=RePrn进行计算,水被加热,k=。校正系数f流体在非圆形管内强制对流采用上述各关联式计算将管内径改为当量直径de即可。当量直径按下式计算具体采用何种当量直径根据所选用的关联式中的规定而定。流体在非圆形管内强制对流二、流体在换热器的管间作强制对流流体在管束外强制垂直流动在错列管束外流过时Nu=RePr在直列管束外流过时Nu=RePr应用范围:Re>定性温度:流体进、出口温度的平均值。定性尺寸:管外径流速取每排管子中最狭窄通道处的流速。管排数为若不为时计算结果应校正。二、流体在换热器的管间作强制对流流体在管束外强制垂直流动换热器内装有圆缺形挡板(缺口面积为的壳体内截面积)时壳方流体的对流传热系数的关联式为:()多诺呼法Nu=RePr(μμw)应用范围:Re=(~)×特性尺寸:取管外径流速取每排管子中最狭窄通道处的流速。定性温度:除μw取壁温外均为流体进、出口温度的算术平均值。()凯恩法Nu=RePr(μμw)注:若换热器的管间无挡板管外流体沿管束平行流动则仍用管内强制对流的公式计算只须将公式中的管内径改为管间的当量直径。应用范围:Re=×~×特性尺寸:取传热当量直径管子排列不同计算公式也不同。流速:流体通过管间最大截面积的流速。定性温度:除μw取壁温外均为流体进、出口温度的算术平均值。自然对流Nu=c(GrPr)n定性温度:取膜的平均温度即壁面温度和流体平均温度的算术平均值。式中的c、n值见表自然对流流体有相变时的对流传热系数一、蒸汽冷凝传热、蒸汽冷凝方式蒸汽冷凝有膜状冷凝和滴状冷凝两种方式。膜状冷凝:由于冷凝液能润湿壁面因而能形成一层完整的膜。在整个冷凝过程中冷凝液膜是其主要热阻。滴状冷凝:若冷凝液不能润湿避免由于表面张力的作用冷凝液在壁面上形成许多液滴并沿壁面落下此种冷凝称为滴状冷凝。在实际生产过程中多为膜状冷凝过程。蒸汽冷凝时的传热推动力是蒸汽的饱和温度与壁面温度之差。流体有相变时的对流传热系数一、蒸汽冷凝传热、蒸汽冷凝方式、膜状冷凝时对流传热系数()层流膜状冷凝时的对流传热系数假设:)冷凝液膜呈层流流动传热方式为通过液膜的热传导)蒸汽静止不动对液膜无摩擦阻力)蒸汽冷凝成液体时所释放的热量仅为冷凝潜热蒸汽温度和壁面温度保持不变)冷凝液的物性可按平均液膜温度(tstw)取值且为常数。在垂直管外或垂直平板上作膜状冷凝、膜状冷凝时对流传热系数()湍流膜状冷凝时的对流传热系数当Re>应用柯克伯瑞德经验公式)水平管外膜状冷凝时的对流传热系数对于蒸汽在单根水平管外的层流膜状冷凝式中:ρ、λ、μ冷凝液的密度、导热系数、粘度r饱和蒸汽的冷凝潜热dO管子外径对于蒸汽在水平管束外的层流膜状冷凝表明各排管的平均对流传热系数较单管小因为冷凝液从上排管落到下排管下使冷凝液膜逐渐加厚因此管的排数越多平均传热系数越小。影响冷凝传热的因素:不凝性气体的影响在蒸汽冷凝时不凝性气体在液膜表面形成一层气膜使传热阻力加大冷凝对流传热系数降低。蒸汽流速和流向的影响冷却壁面的高度及布置方式流体物性影响冷凝传热的因素:二、液体沸腾传热对液体对流加热时在液相内部伴有由液相变成气相的过程称为沸腾。工业上沸腾的方法有两种:()管内沸腾(流动沸腾或强制对流沸腾):液体在管内流动时受热沸腾。()大溶积沸腾(池内沸腾):加热壁面浸没在液体中液体在壁面受热沸腾。沸腾传热的应用:精馏塔的再沸器、蒸发器、蒸汽锅炉等。二、液体沸腾传热无论是池内沸腾还是管内沸腾均可分为过冷沸腾和饱和沸腾。无论是池内沸腾还是管内沸腾均可分为过冷沸腾和饱和沸腾。过冷沸腾:当液体温度低于其饱和温度而加热避免的温度又高于其饱和温度则尽管在加热表面上会产生气泡但尚未离开壁面或脱离避免后在液体中迅速冷凝。饱和沸腾(整体沸腾):液体温度维持在其饱和温度。、液体沸腾曲线液体沸腾传热过程的推动力是加热面温度和液体饱和温度之差。在大空间内沸腾时随着此温度差的不同过程中的对流传热系数α和热流密度q都发生变化。、液体沸腾曲线液体沸腾传热的影响因素液体沸腾传热的影响因素液体的性质。有利于气泡生成和脱离的因素对强化沸腾传热有利。温度差。操作压力。提高操作压力相当于提高液体的饱和温度降低表面张力和黏度有利于气泡的生成和脱离。加热壁面。清洁的表面和粗糙的表面有利于提高传热系数。沸腾对流传热系数的计算沸腾对流传热系数的计算罗森奥公式对流传热系数小结对流传热计算公式有两种类型:准数关系式和纯经验公式。在应用这些方程时应注意以下几点:、首先分析所处理的问题是属于哪一类如:是强制对流或是自然对流是否有相变等。、选定响应的对流传热系数计算式特别应注意的是所选用的公式的使用条件。、当流体的流动类型不能确定时采用试差法进行计算再进行验证。、计算公式中的各物性数据的单位。对流传热系数小结附:壁温的计算对稳定传热过程式中S、S、Sm分别代表热流体侧传热面积、冷流体侧传热面积和平均传热面积。Tw、tw分别代表热流体侧和冷流体侧的壁温α、α分别代表热流体侧和冷流体侧的对流传热系数整理上式可得附:壁温的计算例在一由Ø×mm钢管构成的废热锅炉中管内通入高温气体进口℃,出口℃。管外为p=kNm压力(绝压)的水沸腾。已知高温气体对流传热系数α=Wm·℃水沸腾的对流传热系数α=Wm·℃。忽略污垢热阻。试求管内壁平均温度Tw及管外壁平均tw。钢管导热系数Wm·℃解:(a)总传热系数以管子内表面积S为基准(c)计算单位面积传热量(d)管壁温度QS=KΔtm=×=WmT热流体的平均温度取进、出口温度的平均值T=()=℃管内壁温度(b)平均温度差在p=kNm水的饱和温度为℃管外壁温度由此题计算结果可知:由于水沸腾对流传热系数很大热阻很小则壁温接近于水的温度即壁温总是接近对流传热系数较大一侧流体的温度。又因管壁热阻很小所以管壁两的温度比较接近。辐射传热、物体以电磁波方式传递能量的过程称为辐射被传递的热量成为辐射能。其中因热的原因引起的电磁波辐射即为热辐射。γ射线无线电波微波X射线紫外热射线红外能被物体吸收而转变成热能的辐射线称作热射线。、电磁波的波长范围及热射线辐射传热吸收率A反射率R和透过率D(Absorption,ReflectionandDiaphaneity)根据能量守恒定律:基本慨念和定律黑体A=镜体R=热透体D=对于固体和液体都是不透热体D=对于气体反射率R=一、黑体、镜体和热透体和灰体灰体:能够以相等的吸收率吸收所有波长辐射能的物体。能吸收从~无穷长的所有波长范围的辐射能且吸收率相等的物体。物体的辐射能力E:物体在一定温度下单位表面积、单位时间内所发射的全部波长的辐射能。单位:Wm。物体的单色辐射能力Eλ:在相同条件物体发射特定波长的能力。二、物体的辐射能力E黑体的幅射能力Eb黑体的单色辐射能力Ebλ、黑体的单色辐射能Ebλ可用Plank’sLaw精确地描述:由黑体辐射谱中能量分布图可知:随着温度的提高物体最大辐射能渐向波长缩短的方向移动。Ebλ黑体的单色辐射能力wmλ波长mT物体的热力学温度KC常数其值为×W·mC常数其值为×m·K三、普朗克定律、史蒂芬玻尔兹曼定律和基尔霍夫定律、斯蒂芬波尔茨曼(StephenBoltzman)定律全辐射能为所有单色辐射能之和即对黑体上式说明黑体的全发射能力正比于热力学温度的四次方此关系称为斯蒂芬波尔茨曼定律亦称四次方定律。、基尔霍夫定律黑度ε:辐射率两固体间的辐射传热C称为总辐射系数φ称为角系数表示由辐射面A发射出的能量为另一物体所截获的分数与两物体几何排列和面积有关。两固体间的辐射传热换热器换热器的分类:按用途分:加热器、冷却器、蒸发器、再沸器、冷凝器等按传热方式分:混合式、蓄热式、间壁式按换热器结构和传热面形式对间壁式换热器分类:管式和板式两类。前者包括蛇管式、套管式、列管式、翅片管式等后者包括板式、螺旋板式、夹套式等换热器间壁式换热器的结构形式一、管式换热器的结构形式、套管式换热器结构:两种直径不同的标准管组成同心套管内管可用U形管连接而外管之间也由管子连接。间壁式换热器的结构形式一、管式换热器的结构形式、套管式换热器注意:适当选择两个管径以使内管与环隙间的流体呈湍流状态使具有较高的总传热系数同时也减少垢层的形成。缺点:单位传热面的金属消耗量很大占地较大故一般适用于流量不大、所需传热面亦不大及高压的场合。优点:结构简单、能耐高压、制造方便、应用灵便、传热面易于增减。蛇管式换热器蛇管式换热器可分为沉浸式和喷淋式两种。沉浸式蛇管换热器蛇管多以金属管子弯绕而成或制成适应容器需要的形状沉浸在容器中两种流体分别在管内、外进行换热。优点:结构简单、便于制造、便于防腐、且能承受高压。缺点:管外液体的对流传热系数较小从而总传热系数亦小如增设搅拌装置则可提高传热效果。喷淋蛇管式换热器冷水由最上面管子的喷淋装置中淋下沿管表面下流而被冷却的流体自最下面管子流入由最上面管子中流出与外面的冷流体进行热交换所以传热效果较沉浸式为好。与沉浸式相比该换热器便于检修和清洗。其缺点是占地较大水滴溅洒到周围环境且喷淋不易均匀。蛇管式换热器管壳式换热器(列管式换热器)结构:壳体、管束、管板(又称花板)、封头(端盖)等。冷、热流体两种流体在列管式换热器内进行换热时一种流体通过管内其行程称为管程另一种流体在管外流动其行程称为壳程。换热器内通过管内的流体每通过一次管束称为一个管程管程数多有利于提高管程流体的流速和对流传热系数但能量损失增加传热温度差小程数以、、程多见。管外流体每通过一次壳体成为一个壳程。在管外装有折流板(或挡板)可以提高壳程流体的流速以保持较高的传热系数折流板形式常用的有弓形和盘环形两种。折流板同时起中间支架作用。管壳式换热器(列管式换热器)板式换热器板式换热器是以板壁为换热壁的换热器常见的有平板式、螺旋板式、旋转刮板式以及夹套式换热器。()平板式换热器板片被压制成槽形或波纹形的目的:增强刚度不致受压变形增强液体的湍动程度增大传热面积亦利于流体的均匀分布。板式换热器优点:总传热系数高污垢热阻亦较小结构紧凑单位体积设备提供的传热面积大操作灵活性大可以根据需要调节板片数目以增减传热面积或以调节流道的办法适应冷、热流体流量和温度变化的要求加工制造容易、检修清洗方便、热损失小。缺点:允许操作压力较低最高不超过kPa否则容易渗漏操作温度不能太高因受垫片耐热性能的限制处理量不大因板间距小流道截面较小流速亦不能过大。()螺旋板式换热器由两张平行的薄钢卷制而成两板之间焊有定距柱以保持两板间距和增加螺旋板的刚度。优点:结构紧凑单位体积提供的传热面积大总传热系数较大传热效率高不易堵塞。缺点:操作压力和温度不能太高流体阻力大不易检修。夹套式换热器夹套要装在容器外部在夹套和器壁间形成密闭的空间成为一种流体的通道。使用注意事项:该换热器结构简单主要用于反应器的加热或冷却。适于传热量不大的场合为提高传热性能可在容器内安装搅拌器使器内液体作强制对流。当用蒸汽进行加热时蒸汽由上部接管进入夹套冷凝水由下部接管中排出。用于冷却时则冷却水由下部进入由上部流出。由于夹套内部清洗困难故一般用不易产生垢层的水蒸汽、冷却水等作为载热体。夹套式换热器二、混合式换热器混合式换热器常用于蒸汽的冷凝或气体的冷却器有时兼作除尘器以及增湿或减湿之用。、喷射式冷凝器用逐渐收缩的锥形喷嘴将水或其他液体冷却剂喷射致使产生一定的真空度使得水蒸气吸入经导向板进入混和室使其冷却。适用于真空系统中水蒸气的排除。、填料式冷却器冷水从上部喷淋与上升的蒸汽在填料层内接触从而发生传热和传质。二、混合式换热器传热器传热过程的强化强化传热的目的:以最小的传热设备获得最大的生产能力。强化传热的途径:、加大传热面积加大传热面积可以增大传热量但设备增大投资和维费也随之增加。可采用翅片或螺旋翅片管代替普通金属管。、增加平均温度差在理论上可采取提高加热介质温度或降低冷却介质温度的办法但受客观条件(蒸汽压强、气温、水温)和工艺条件(热敏性、冰点)的限制。提高蒸汽压强设备造价会随之提高。在一定气源压强下可以采取降低管道阻力的方法来提高加热蒸汽的压强。在一定条件下也可采用逆流代替并流。

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