工程熱力學(xué)與傳熱學(xué)17)傳熱過程

1、本章主要內(nèi)容本章主要內(nèi)容 基本概念基本概念 通過平壁、圓筒壁的傳熱通過平壁、圓筒壁的傳熱 傳熱的增強(qiáng)與削弱傳熱的增強(qiáng)與削弱2022年3月17日星期四傳熱過程3第一節(jié) 基 本 概 念一、復(fù)合換熱一、復(fù)合換熱概念概念: :同一表面上同時(shí)存在著對(duì)流換熱和輻射換熱同一表面上同時(shí)存在著對(duì)流換熱和輻射換熱的綜合熱傳遞現(xiàn)象的綜合熱傳遞現(xiàn)象. .電廠中熱力設(shè)備和管道的散熱大都是復(fù)合散熱。電廠中熱力設(shè)備和管道的散熱大都是復(fù)合散熱。對(duì)流換熱對(duì)流換熱輻射換熱輻射換熱平平壁壁tftwq對(duì) q輻 復(fù)合換熱示意圖復(fù)合換熱示意圖)()(fwfwttttqqq輻對(duì)輻對(duì)稱為復(fù)合換熱熱阻輻對(duì))(特例：特例：1 1）鍋爐爐膛中高溫

2、煙所對(duì)水冷壁的換熱時(shí)？）鍋爐爐膛中高溫?zé)熕鶎?duì)水冷壁的換熱時(shí)？ 2 2）凝汽器內(nèi)蒸汽與管壁的換熱時(shí)？）凝汽器內(nèi)蒸汽與管壁的換熱時(shí)？2022年3月17日星期四傳熱過程4二、傳熱過程傳熱過程：指高溫（熱）流體通過固體壁面將熱量傳給低溫（冷）流體的過程。 大多數(shù)換熱設(shè)備都是表面式換熱器，其換熱就是傳熱過程；如過熱器的傳熱，水冷壁的傳熱；冷油器中的換熱，凝汽器中的換熱等。特點(diǎn)：傳熱過程有時(shí)存在三種基本傳熱方式；一個(gè)傳熱過程至少由三個(gè)環(huán)節(jié)組成；傳熱過程中，放熱和吸熱同時(shí)進(jìn)行。2022年3月17日星期四傳熱過程5過熱器傳熱過程蒸蒸汽汽煙氣煙氣煙氣煙氣導(dǎo)熱導(dǎo)熱對(duì)流對(duì)流輻射輻射對(duì)流對(duì)流煙氣煙氣蒸汽蒸汽管壁管壁煙

3、氣煙氣管外壁管外壁管內(nèi)壁管內(nèi)壁蒸汽蒸汽 對(duì)流對(duì)流導(dǎo)熱導(dǎo)熱對(duì)流對(duì)流輻射輻射123蒸蒸汽汽電廠中換熱設(shè)備傳熱過程2022年3月17日星期四傳熱過程6鍋爐爐墻的散熱過程其熱路圖為：其熱路圖為：煙氣煙氣墻內(nèi)壁墻內(nèi)壁 保溫保溫1 1外外保溫保溫2 2外外墻外壁墻外壁空氣空氣輻射輻射對(duì)流對(duì)流導(dǎo)熱導(dǎo)熱導(dǎo)熱導(dǎo)熱導(dǎo)熱導(dǎo)熱煙氣煙氣空氣空氣tf2qtf11/1/11/1/21 1/ /12 2/ /23 3/ /3換熱設(shè)備傳熱過程2022年3月17日星期四傳熱過程7包有保溫材料的蒸汽管道的散熱過程蒸汽蒸汽管內(nèi)壁管內(nèi)壁管外壁管外壁( (保溫層內(nèi)層保溫層內(nèi)層) ) 保溫外層保溫外層空氣空氣對(duì)流對(duì)流對(duì)流對(duì)流導(dǎo)熱導(dǎo)熱導(dǎo)熱導(dǎo)

4、熱其熱路圖為：其熱路圖為：q蒸蒸汽汽空空氣氣? ? ? ? ?2022年3月17日星期四傳熱過程8三、傳熱方程式 式中式中:-為傳熱量；為傳熱量；A-為傳熱面積；為傳熱面積； t-為熱流體與冷流體間的平均溫差；為熱流體與冷流體間的平均溫差； K-為傳熱系數(shù)，為傳熱系數(shù)，W/( oC)。kffRtKAttKAttKA1)(21kffrtKttKttKAQq1)(212022年3月17日星期四傳熱過程9傳熱系數(shù)和傳熱熱阻 傳熱系數(shù)：傳熱系數(shù)：在數(shù)值上，傳熱系數(shù)在數(shù)值上，傳熱系數(shù)K K等于冷、熱流體間溫差為等于冷、熱流體間溫差為1 1 o oC C、傳熱面積為、傳熱面積為1 m1 m2 2時(shí)的熱流量

5、值，是一個(gè)表征傳熱過程強(qiáng)時(shí)的熱流量值，是一個(gè)表征傳熱過程強(qiáng)烈程度的物理量。傳熱過程越強(qiáng)，傳熱系數(shù)越大，反之則越烈程度的物理量。傳熱過程越強(qiáng)，傳熱系數(shù)越大，反之則越弱。弱。 傳熱熱阻：傳熱熱阻：整個(gè)面積的傳熱熱阻：整個(gè)面積的傳熱熱阻：單位傳熱面積熱阻：單位傳熱面積熱阻： 不同的傳熱過程，其傳熱系數(shù)和傳熱熱阻的具體表達(dá)式不同不同的傳熱過程，其傳熱系數(shù)和傳熱熱阻的具體表達(dá)式不同KARk1Krk12022年3月17日星期四傳熱過程10導(dǎo)熱和對(duì)流換熱熱阻熱流量與熱流密度RtAt)/(ARrttq/rWC WCm 2 RtAt)/(1ARrttq/11r熱阻WC 熱阻單位WCm 2 導(dǎo)熱對(duì)流換熱2022年

6、3月17日星期四傳熱過程11傳熱系數(shù)的大致數(shù)值范圍冷流體冷流體熱流體熱流體總傳熱系數(shù)總傳熱系數(shù) KW/(m2)水水1000 2500水氣體10 100氣氣10 30水輕油340 910水重油60 280有機(jī)溶劑有機(jī)溶劑115 ?40水水蒸氣冷凝2000 6000氣體水蒸氣冷凝30 300水低沸點(diǎn)烴類冷凝455 1140水沸騰水蒸氣冷凝2000 4250輕油沸騰水蒸氣冷凝455 10202022年3月17日星期四傳熱過程12第二節(jié) 平壁和圓筒壁的傳熱一、通過平壁的傳熱1、單層平壁的傳熱傳熱過程的三個(gè)環(huán)節(jié)1）左流體左壁面； 2）左壁面右壁面；3）右壁面右流體；對(duì)流、輻射對(duì)流、輻射對(duì)流、輻射對(duì)流、輻

7、射導(dǎo)熱導(dǎo)熱2022年3月17日星期四傳熱過程13（1）傳熱量及總熱阻計(jì)算21111Krk21f2f111 t-tkrttKq21f2f111 t-tAAARttKAkAAAAKRk21111211111krK單位面積傳單位面積傳熱總熱阻：熱總熱阻：熱流密度：熱流密度：整個(gè)面積傳整個(gè)面積傳熱總熱阻：熱總熱阻：傳熱量：傳熱量：傳熱系數(shù)傳熱系數(shù)由串聯(lián)熱阻疊加原理得傳熱過程總熱阻有2022年3月17日星期四傳熱過程14（2）壁溫計(jì)算）壁溫計(jì)算 其計(jì)算與多層平壁導(dǎo)熱時(shí)界面溫度的計(jì)算方法相同：其計(jì)算與多層平壁導(dǎo)熱時(shí)界面溫度的計(jì)算方法相同：111Attfw222Attfw2022年3月17日星期四傳熱過程1

8、52、多層平壁的傳熱、多層平壁的傳熱多層平壁傳熱的熱路圖qtf1tf21/1/11/1/21 1/ /12 2/ /2222111111krk2222211111111AAAAAkRkkrtqkRt如：鍋爐爐墻散熱，汽輪機(jī)汽缸壁散熱均屬多層如：鍋爐爐墻散熱，汽輪機(jī)汽缸壁散熱均屬多層平壁傳熱問題。平壁傳熱問題。2022年3月17日星期四傳熱過程16二、通過圓筒壁的傳熱 電廠中，大都數(shù)換熱設(shè)備采用管式換熱器，傳熱通過管壁電廠中，大都數(shù)換熱設(shè)備采用管式換熱器，傳熱通過管壁來實(shí)現(xiàn)的。來實(shí)現(xiàn)的。圖圖1）管內(nèi)流體）管內(nèi)流體內(nèi)壁；內(nèi)壁； 2）內(nèi)壁）內(nèi)壁外壁；外壁；3）右壁面）右壁面右流體；右流體；對(duì)流對(duì)流對(duì)

9、流、輻射對(duì)流、輻射導(dǎo)熱導(dǎo)熱2022年3月17日星期四傳熱過程171、單層圓筒壁傳熱的特點(diǎn)和計(jì)算 由串聯(lián)熱阻疊加原理得單層圓筒壁傳熱過程的總熱阻由串聯(lián)熱阻疊加原理得單層圓筒壁傳熱過程的總熱阻LdddLLdRk2212111ln211kRt:熱流量tKdddddtAq22122112221ln2:令量單位外表面面積的熱流2022年3月17日星期四傳熱過程182、圓筒壁傳熱的簡化計(jì)算 當(dāng)管壁較?。╠2/d12)或計(jì)算要求不高時(shí)，常將圓筒壁簡化為平壁來計(jì)算。WtdKtKAmm21f2f1m11) t-L(td管壁厚度)(2112dd K- 按平壁計(jì)算的傳熱系數(shù)；按平壁計(jì)算的傳熱系數(shù)； Am-按計(jì)算直徑

10、計(jì)算的傳熱面積；按計(jì)算直徑計(jì)算的傳熱面積； dm-計(jì)算直徑，當(dāng)計(jì)算直徑，當(dāng)12時(shí)，取時(shí)，取dm=1/2(d2+d1) 當(dāng)當(dāng)12時(shí)，取時(shí)，取dm=d12022年3月17日星期四傳熱過程193、多層圓筒壁傳熱 以雙層為例：以雙層為例：LdddLddLLdRk22232121111ln21ln211 雙層傳熱熱阻：雙層傳熱熱阻： n層傳熱熱阻：層傳熱熱阻：LdddLLdRniiiik2211111ln2112022年3月17日星期四傳熱過程20第三節(jié) 傳熱的增強(qiáng)與削弱一、增強(qiáng)傳熱一、增強(qiáng)傳熱（一）提高傳熱系數(shù)（即減小傳熱熱阻）（一）提高傳熱系數(shù)（即減小傳熱熱阻）1、減小導(dǎo)熱熱阻、減小導(dǎo)熱熱阻采用導(dǎo)熱

11、性能好的薄金屬壁；采用導(dǎo)熱性能好的薄金屬壁；減小各種污垢（水垢、油垢、灰垢等）熱阻。減小各種污垢（水垢、油垢、灰垢等）熱阻。如：定期急時(shí)清洗換熱管壁面，沖灰，擔(dān)高水質(zhì)等。如：定期急時(shí)清洗換熱管壁面，沖灰，擔(dān)高水質(zhì)等。tKAttKAff)(212022年3月17日星期四傳熱過程212、減小對(duì)流換熱熱阻、減小對(duì)流換熱熱阻增大流速；但要考慮流速增加帶來的其它問題。增大流速；但要考慮流速增加帶來的其它問題。增加擾動(dòng)（采用內(nèi)螺紋管、波紋管、增裝擾流子，增加擾動(dòng)（采用內(nèi)螺紋管、波紋管、增裝擾流子，超聲波、機(jī)械振動(dòng)等），但要防腐、防堵；超聲波、機(jī)械振動(dòng)等），但要防腐、防堵；相變換熱時(shí)急時(shí)排出不凝結(jié)氣體和疏水

12、。相變換熱時(shí)急時(shí)排出不凝結(jié)氣體和疏水。3、減小輻射換熱熱阻、減小輻射換熱熱阻增加系統(tǒng)黑度、增加相互間角系數(shù)、提高輻射源增加系統(tǒng)黑度、增加相互間角系數(shù)、提高輻射源溫度等。溫度等。2022年3月17日星期四傳熱過程22（二）擴(kuò)展傳熱表面積 通常在熱阻大通常在熱阻大(換熱系數(shù)小換熱系數(shù)小)（氣體側(cè)）的一側(cè)加裝肋片（氣體側(cè)）的一側(cè)加裝肋片.直肋直肋環(huán)肋環(huán)肋膜式水冷壁膜式水冷壁板翅式板翅式內(nèi)肋內(nèi)肋針狀肋針狀肋2022年3月17日星期四傳熱過程23 很多設(shè)備就是用加肋片的方法強(qiáng)化傳熱。如鍋爐中的很多設(shè)備就是用加肋片的方法強(qiáng)化傳熱。如鍋爐中的膜式水膜式水冷壁冷壁和肋片式省煤器就是在管外加肋。和肋片式省煤器就

13、是在管外加肋。 肋片式省煤器肋片式省煤器與光管省煤器相比，可節(jié)省材料與光管省煤器相比，可節(jié)省材料30%，節(jié)省省煤，節(jié)省省煤器高度尺寸約器高度尺寸約30%，總金屬消耗量可節(jié)省，總金屬消耗量可節(jié)省10%，而且改變了管，而且改變了管外煙氣流動(dòng)狀況，減小了磨損。外煙氣流動(dòng)狀況，減小了磨損。 換熱面表面加肋除能增強(qiáng)傳外，還能有效地調(diào)節(jié)壁溫，在傳傳換熱面表面加肋除能增強(qiáng)傳外，還能有效地調(diào)節(jié)壁溫，在傳傳低溫側(cè)加肋，既低溫側(cè)加肋，既能增加傳熱，又能降低壁溫能增加傳熱，又能降低壁溫，增加受熱面工作，增加受熱面工作的安全性。的安全性。 2022年3月17日星期四傳熱過程24通過肋片傳熱分析* 加肋側(cè)的面積加肋側(cè)的

14、面積A2肋片表面積肋片表面積A2兩肋片之間壁的表面積兩肋片之間壁的表面積A”tf1tf21/1/（A A1 11） 1 1/ /（A A1 11）2 2/ /（A A2 22）22111f2f111 t-tAAA21111f2f111 t-tAAA不加肋時(shí)不加肋時(shí), A, A1 1=A=A2 2 可見可見, ,由于加肋由于加肋,A,A2 2AA1 1, ,使傳熱使傳熱熱阻減小了熱阻減小了, ,傳熱增強(qiáng)了傳熱增強(qiáng)了. .2022年3月17日星期四傳熱過程25（三）加大傳熱溫差 提高熱源溫度提高熱源溫度, ,但受工作條件限制；但受工作條件限制； 降低冷源溫度，但受環(huán)境限制；降低冷源溫度，但受環(huán)境限

15、制； 通過合理布置流體的流動(dòng)方式通過合理布置流體的流動(dòng)方式( (常采用逆流常采用逆流) )來實(shí)來實(shí)現(xiàn)加大溫差?，F(xiàn)加大溫差。2022年3月17日星期四傳熱過程26二、削弱傳熱1、保溫隔熱的目的、保溫隔熱的目的（1）減小熱損失；）減小熱損失；（2）保證流體溫度，保證工業(yè)要求；）保證流體溫度，保證工業(yè)要求；（3）保證設(shè)備正常運(yùn)行；）保證設(shè)備正常運(yùn)行；（4）減小環(huán)境污染；）減小環(huán)境污染；（5）保證工作人員安全）保證工作人員安全2、對(duì)保溫材料的要求、對(duì)保溫材料的要求（1）熱導(dǎo)率??；）熱導(dǎo)率??；（2）溫度穩(wěn)定性好；）溫度穩(wěn)定性好；（3）有一定機(jī)械強(qiáng)度；）有一定機(jī)械強(qiáng)度；（4）吸水吸濕性好。）吸水吸濕性好。

16、3、最佳厚度、最佳厚度 的確定的確定2022年3月17日星期四傳熱過程27三、傳熱實(shí)例分析1、鍋爐、鍋爐水冷壁水冷壁傳熱分析傳熱分析傳熱特點(diǎn)：傳熱特點(diǎn)： 煙氣與灰垢層外表面的復(fù)煙氣與灰垢層外表面的復(fù)合換熱熱阻較大（主要熱合換熱熱阻較大（主要熱阻），而管壁導(dǎo)熱熱阻及阻），而管壁導(dǎo)熱熱阻及管內(nèi)沸騰換熱熱很小。管內(nèi)沸騰換熱熱很小。 火焰溫度高，而管壁溫度火焰溫度高，而管壁溫度不高，它只比管內(nèi)水溫高不高，它只比管內(nèi)水溫高1020 0C.2022年3月17日星期四傳熱過程282、汽缸壁傳熱分析、汽缸壁傳熱分析 主要熱阻在保溫層；主要熱阻在保溫層； 缸壁本身導(dǎo)熱熱阻和缸內(nèi)壁與蒸汽的換熱熱阻很小，缸壁本身導(dǎo)

17、熱熱阻和缸內(nèi)壁與蒸汽的換熱熱阻很小，溫差小，不必?fù)?dān)心熱變形。溫差小，不必?fù)?dān)心熱變形。 但保溫層損壞或脫落時(shí)，會(huì)產(chǎn)生熱變形和熱損失。但保溫層損壞或脫落時(shí)，會(huì)產(chǎn)生熱變形和熱損失。2022年3月17日星期四傳熱過程29省煤器省煤器2022年3月17日星期四傳熱過程304、凝汽器凝汽器傳熱分析傳熱分析2022年3月17日星期四傳熱過程31凝汽器傳熱總熱阻增強(qiáng)凝汽器傳熱的措施：增強(qiáng)凝汽器傳熱的措施： 減小銅管內(nèi)側(cè)冷卻水對(duì)流換熱熱阻減小銅管內(nèi)側(cè)冷卻水對(duì)流換熱熱阻1/1；如提高流速等。；如提高流速等。 減小污垢熱阻減小污垢熱阻Rf；如定期清洗等。；如定期清洗等。 減小銅管外側(cè)蒸汽凝結(jié)換熱熱阻；如減小銅管外側(cè)蒸汽凝結(jié)換熱熱阻；如合理布置管束；合理布置管束；加強(qiáng)密封，減小漏氣；加強(qiáng)密封，減小漏氣；裝置凝結(jié)水擋板，使凝結(jié)水直接進(jìn)入熱水井；裝置凝結(jié)水擋板，使凝結(jié)水直接進(jìn)入熱水井；采用高效冷凝管，但造價(jià)高；采用高效冷凝管，但造價(jià)高；凝結(jié)區(qū)局部熱負(fù)荷盡量分布均勻。凝結(jié)區(qū)局部熱負(fù)荷盡量分布均勻。fkRKr