工程熱力學與傳熱學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 傳熱的增強與削弱傳熱的增強與削弱2022年3月17日星期四傳熱過程3第一節(jié) 基 本 概 念一、復合換熱一、復合換熱概念概念: :同一表面上同時存在著對流換熱和輻射換熱同一表面上同時存在著對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. .電廠中熱力設備和管道的散熱大都是復合散熱。電廠中熱力設備和管道的散熱大都是復合散熱。對流換熱對流換熱輻射換熱輻射換熱平平壁壁tftwq對 q輻 復合換熱示意圖復合換熱示意圖)()(fwfwttttqqq輻對輻對稱為復合換熱熱阻輻對)(特例：特例：1 1）鍋爐爐膛中高溫

2、煙所對水冷壁的換熱時？）鍋爐爐膛中高溫煙所對水冷壁的換熱時？ 2 2）凝汽器內(nèi)蒸汽與管壁的換熱時？）凝汽器內(nèi)蒸汽與管壁的換熱時？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：傳熱過程有時存在三種基本傳熱方式；一個傳熱過程至少由三個環(huán)節(jié)組成；傳熱過程中，放熱和吸熱同時進行。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熱導熱對流對流輻射輻射對流對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 對流對流導熱導熱對流對流輻射輻射123蒸蒸汽汽電廠中換熱設備傳熱過程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流對流導熱導熱導熱導熱導熱導熱煙氣煙氣空氣空氣tf2qtf11/1/11/1/21 1/ /12 2/ /23 3/ /3換熱設備傳熱過程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流對流對流對流導熱導熱導熱導

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時的熱流量

5、值，是一個表征傳熱過程強時的熱流量值，是一個表征傳熱過程強烈程度的物理量。傳熱過程越強，傳熱系數(shù)越大，反之則越烈程度的物理量。傳熱過程越強，傳熱系數(shù)越大，反之則越弱。弱。 傳熱熱阻：傳熱熱阻：整個面積的傳熱熱阻：整個面積的傳熱熱阻：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式不同KARk1Krk12022年3月17日星期四傳熱過程10導熱和對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 導熱對流換熱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有機溶劑有機溶劑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；對流、輻射對流、輻射對流、輻射對流、輻

7、射導熱導熱2022年3月17日星期四傳熱過程13（1）傳熱量及總熱阻計算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：整個面積傳整個面積傳熱總熱阻：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）壁溫計算）壁溫計算 其計算與多層平壁導熱時界面溫度的計算方法相同：其計算與多層平壁導熱時界面溫度的計算方法相同：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，汽輪機汽缸壁散熱均屬多層如：鍋爐爐墻散熱，汽輪機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)換熱設備采用管式換熱器，傳熱通過管壁電廠中，大都數(shù)換熱設備采用管式換熱器，傳熱通過管壁來實現(xiàn)的。來實現(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；對流對流對

9、流、輻射對流、輻射導熱導熱2022年3月17日星期四傳熱過程171、單層圓筒壁傳熱的特點和計算 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算 當管壁較薄（d2/d12)或計算要求不高時，常將圓筒壁簡化為平壁來計算。WtdKtKAmm21f2f1m11) t-L(td管壁厚度)(2112dd K- 按平壁計算的傳熱系數(shù)；按平壁計算的傳熱系數(shù)； Am-按計算直徑

10、計算的傳熱面積；按計算直徑計算的傳熱面積； dm-計算直徑，當計算直徑，當12時，取時，取dm=1/2(d2+d1) 當當12時，取時，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) 傳熱的增強與削弱一、增強傳熱一、增強傳熱（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、減小導熱熱阻、減小導熱熱阻采用導熱

11、性能好的薄金屬壁；采用導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：定期急時清洗換熱管壁面，沖灰，擔高水質(zhì)等。如：定期急時清洗換熱管壁面，沖灰，擔高水質(zhì)等。tKAttKAff)(212022年3月17日星期四傳熱過程212、減小對流換熱熱阻、減小對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（采用內(nèi)螺紋管、波紋管、增裝擾流子，增加擾動（采用內(nèi)螺紋管、波紋管、增裝擾流子，超聲波、機械振動等），但要防腐、防堵；超聲波、機械振動等），但要防腐、防堵；相變換熱時急時排出不凝結(jié)氣體和疏水

12、。相變換熱時急時排出不凝結(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 很多設備就是用加肋片的方法強化傳熱。如鍋爐中的很多設備就是用加肋片的方法強化傳熱。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狀況，減小了磨損。外煙氣流動狀況，減小了磨損。 換熱面表面加肋除能增強傳外，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不加肋時不加肋時, 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, ,傳熱增強了傳熱增強了. .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方式通過合理布置流體的流動方式( (常采用逆流常采用逆流) )來實來實現(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）保證設備正常運行；）保證設備正常運行；（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、對保溫材料的要求、對保溫材料的要求（1）熱導率?。唬釋市?；（2）溫度穩(wěn)定性好；）溫度穩(wěn)定性好；（3）有一定機械強度；）有一定機械強度；（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：傳熱特點： 煙氣與灰垢層外表面的復煙氣與灰垢層外表面的復合換熱熱阻較大（主要熱合換熱熱阻較大（主要熱阻），而管壁導熱熱阻及阻），而管壁導熱熱阻及管內(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； 缸壁本身導熱熱阻和缸內(nèi)壁與蒸汽的換熱熱阻很小，缸壁本身導

17、熱熱阻和缸內(nèi)壁與蒸汽的換熱熱阻很小，溫差小，不必擔心熱變形。溫差小，不必擔心熱變形。 但保溫層損壞或脫落時，會產(chǎn)生熱變形和熱損失。但保溫層損壞或脫落時，會產(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凝汽器傳熱的措施：增強凝汽器傳熱的措施： 減小銅管內(nèi)側(cè)冷卻水對流換熱熱阻減小銅管內(nèi)側(cè)冷卻水對流換熱熱阻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；加強密封，減小漏氣；加強密封，減小漏氣；裝置凝結(jié)水擋板，使凝結(jié)水直接進入熱水井；裝置凝結(jié)水擋板，使凝結(jié)水直接進入熱水井；采用高效冷凝管，但造價高；采用高效冷凝管，但造價高；凝結(jié)區(qū)局部熱負荷盡量分布均勻。凝結(jié)區(qū)局部熱負荷盡量分布均勻。fkRKr