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文檔簡介

第四章

4.1.2傳熱過程

一、傳熱速率

熱流量Q:即單位時間內熱流體通過整個換熱器的傳熱

面?zhèn)鬟f給冷流體的熱量,單位是W。熱流密度(或熱通量)q:單位時間內通過單位傳熱面積所傳遞的熱量,單位是W/m2

二、穩(wěn)定傳熱和不穩(wěn)定傳熱三、傳熱機理

傳導、對流和輻射

第二節(jié)熱傳導4.2.1傅里葉定律

4.2.2導熱系數(shù)

4.2.3平壁熱傳導

4.2.4圓筒壁的熱傳導

4.2.1傅里葉定律

一、溫度場和等溫面二、溫度梯度

三、傅里葉定律

穩(wěn)定的一維溫度場:

在熱傳導時,其傳熱速率與溫度梯度及傳熱面積成正比

4.2.2導熱系數(shù)

λ

一、固體的導熱系數(shù)導熱系數(shù)表征物質導熱能力的大小,是物質的物理性質之一,單位為W/(m·℃)

大多數(shù)金屬材料

為負值,大多數(shù)非金屬材料

為正值

二、液體的導熱系數(shù)

三、氣體的導熱系數(shù)

氣體的導熱系數(shù)小,隨溫度升高而增大

非金屬液體中水最大。除水和甘油外,絕大多數(shù)液體的導熱系數(shù)隨溫度的升高而略有減小

4.2.3平壁熱傳導一、單層平壁熱傳導

4.2.4圓筒壁的熱傳導一、單層圓筒壁的熱傳導

管長L足夠長,視為—維穩(wěn)定導熱

或4.2.4圓筒壁的熱傳導一、單層圓筒壁的熱傳導

管長L足夠長,視為—維穩(wěn)定導熱

或二、多層圓筒壁的熱傳導

三層圓筒壁的導熱速率方程:二、多層平壁的熱傳導(三層)對n層平壁:4-3-2牛頓冷卻定律和對流傳熱系數(shù)

根據(jù)有效膜概念積分后得

T、TW——分別對熱流體和冷壁溫度,℃

——對流傳熱系數(shù),W/(m2·℃),

α尚不能從理論上求得。一般通過實驗測定不同情況下流體的對流傳熱系數(shù),并將其關聯(lián)成經(jīng)驗表達式以供設計計算時使用。影響對流傳熱效果的因素:

一、流體的種類和相變化的情況

:液體、氣體和蒸氣的對流傳熱系數(shù)各不相同,流體有無相變化,對傳熱有不同的影響

二、流體性質:對流傳熱系數(shù)影響較大的是流體的比熱容、導熱系數(shù)、密度和粘度等。

三、流體流動狀態(tài):流體為湍流流動時靠近固體壁面處的層流底層厚度變薄,傳熱速率提高,即α增大

四、流體對流起因

:強制對流的流速比自然對流的高,因而α也高

五、傳熱面的形狀、相對位置與尺寸

:傳熱面的形狀(管、板、翅片等)、傳熱面的方向和布置(水平、旋轉等)及流道尺寸(管徑、管長等)都直接影響對流傳熱系數(shù)。4-3-3對流傳熱的因次分析一、無相變強制對流傳熱過程

f(Nu,Re,Pr)=0二、無相變自然對流傳熱過程

f(Nu,Pr,Gr)=0三、對流傳熱過程準數(shù)方程中各符號意義定性溫度:對物性取平均值的問題。特征尺寸:圓管的特征尺寸取管徑d;非圓形管,通常取當量直徑de為特征尺寸;對大空間內自然對流,取加熱(或冷卻)表面的垂直高度為特征尺寸。表4-2準數(shù)的符號及意義表4-2準數(shù)的符號及意義準數(shù)名稱符號意義努塞爾數(shù)(Nusseltnumber)Nu=α/(λ/l),反映和純導熱相比,對流使傳熱系數(shù)增大的倍數(shù)雷諾數(shù)(Reynoldsnumber)Re是流體所受慣性力和粘性力之比,表征流體的流動狀態(tài)和湍動程度對對流傳熱的影響普蘭特數(shù)(Prandtlunmber)表示流體物性對對流傳熱的影響格拉斯霍夫數(shù)(Grashofnumber)表示自然對流對對流傳熱的影響表4-2準數(shù)的符號及意義

4-3-4對流傳熱系數(shù)的經(jīng)驗關聯(lián)式

一、無相變時流體在管內強制對流

1.流體在圓型直管內作強制湍流

Nu=CRemPrn

①Re>10000,即流動是充分湍流的;②0.7<Pr<160;

③流體粘度較低(不大于水的粘度的2倍);④L/d>60,即進口段只占總長的一小部分,管內流動是充分發(fā)展的。

m為0.8,指數(shù)n與熱流方向有關:當流體被加熱時,n=0.4;當流體被冷卻時,n=0.3。

定性溫度為流體主體溫度在進、出口的算術平均值,特征尺寸為管內徑di。

2.流體在圓形直管中作過渡流

Nu=CRemPrn計算得的α乘以小于1的系數(shù)f

3.流體在圓型彎管內作強制湍流Nu=CRemPrn計算得的α乘以小于1的系數(shù)f

/4.流體在非圓型管中作強制湍流

Re=1.2×104~2.2×105,d2/d1=1.65~17.0

5.流體在圓型直管內作強制層流

Re<2300,0.6<Pr<6700

>100

二、無相變時流體在管外強制對流1.流體垂直管束流動

2.流體在換熱器管間流動

三、無相變時大空間自然對流

大空間自然對流是指傳熱壁面放置在很大的空間內,由于壁面溫度與周圍流體的溫度不同而引起的自然對流。

Nu=c·(Pr·Gr)n

蒸汽垂直管或板外膜狀冷凝對流傳熱系數(shù)計算1.冷凝液膜層流運動,傳熱方式為導熱(Re<1800)2.蒸汽冷凝釋放的熱量僅為潛熱,蒸汽溫度和壁面溫度不變(ts=蒸汽飽和溫度)3.定性溫度=(ts+tw)/2修正式為:膜層流動為湍流時(Re>1800)影響冷凝傳熱的因素:1.冷凝液膜兩側的溫度差Δt

Δt加大,則蒸氣冷凝速率增加,因而膜層厚度增厚,使冷凝傳熱系數(shù)降低。

2.流體物性

液膜的密度、粘度及導熱系數(shù),蒸氣的冷凝潛熱,都影響冷凝傳熱系數(shù)。3.蒸氣的流速和流向

蒸氣和液膜同向流動,則摩擦力將使液膜加速,厚度減薄,使α增大;若逆向流動,則α減小。但這種力若超過液膜重力,液膜會被蒸氣吹離壁面,此時隨蒸氣流速的增加,α急劇增大。4.蒸氣中不凝性氣體的影響

若蒸氣中含有空氣或其它不凝性氣體,則壁面可能被氣體(導熱系數(shù)很?。铀谏w,增加了一層附加熱阻,使α急劇下降。

5.冷凝壁面的影響

若沿冷凝液流動方向積存的液體增多,則液膜增厚,使傳熱系數(shù)下降。

影響沸騰傳熱的因素

1.液體的性質

一般情況下,α隨λ、ρ的增加而增大,而隨μ及σ的增加而減小。2.溫度差Δt

3.操作壓強

提高沸騰壓強相當于提高液體的飽和溫度,使液體的表面張力和粘度均降低,有利于氣泡的生成和脫離,強化了沸騰傳熱。在相同的Δt下,α和q都更高。

4.加熱壁面

加熱壁面的材料和粗糙度對沸騰傳熱有重要的影響。一般新的或清潔的加熱面,α較高。當壁面被油脂沾污后,會使α急劇下降。壁面愈粗糙,氣泡核心愈多,有利于沸騰傳熱。此外,加熱面的布置情況,對沸騰傳熱也有明顯的影響。

第五節(jié)

傳熱過程的計算

4-5-1熱量衡算

cp——流體的平均比熱容,kJ/(kg·℃);

t——冷流體的溫度,℃;

T——熱流體的溫度,℃;

W——流體的質量流量,kg/h。

4-5-2總傳熱速率微分方程

tW、TW——分別為冷熱流體側的壁溫,℃;

α1、α2——分別為傳熱管壁內、外側流體的對

流傳熱系數(shù),W/(m2·℃);

λ——管壁材料的導熱系數(shù),W/(m·℃);

b——管壁厚度,m;

——分別為各傳熱環(huán)節(jié)的熱阻, ℃/W。

dQ=KdS(T-t)

——傳熱速率方程的微分表達式。

4-5-3總傳熱系數(shù)K

一、總傳熱系數(shù)K的計算表達式1.傳熱面為平壁

dSo=dSi=dSm

2.傳熱面為圓筒壁

3.污垢熱阻

三、提高總傳熱系數(shù)的途徑

傳熱過程的總熱阻是由各串聯(lián)環(huán)節(jié)的熱阻疊加而成,減小任何環(huán)節(jié)的熱阻都可提高傳熱系數(shù)。當各環(huán)節(jié)的熱阻相差較大時,總熱阻的數(shù)值將主要由其中的最大熱阻所決定。此時強化傳熱的關鍵在于提高該環(huán)節(jié)的傳熱系數(shù)。若α1>>α2,欲要提高K值,關鍵在于提高對流傳熱系數(shù)較小一側的α2。若污垢熱阻為控制因素,則必須設法減慢污垢形成速率或及時清除污垢。

4-5-4傳熱推動力和總傳熱速率方程

一、恒溫傳熱

Q=KS(T-t)=KSΔt二、變溫傳熱

1.逆流和并流

——對數(shù)平均溫度差

逆流操作優(yōu)點:

在換熱器的傳熱速率Q及總傳熱系數(shù)K相同的條件下,因為逆流時的Δtm大于并流時的Δtm,采用逆流操作可節(jié)省傳熱面積。逆流操作可節(jié)省加熱介質或冷卻介質的用量。2.錯流和折流錯流和折流時的平均溫度差,先按逆流操作計算對數(shù)平均溫度差,再乘以考慮流動方向的校正因素。

Δtm=ΔtΔtm′

溫度差校正系數(shù)Δt與冷、熱流體的溫度變化有關,是P和R兩因數(shù)的函數(shù)

Δt值恒小于1,這是由于各種復雜流動中同時存在逆流和并流的緣故。因此它們的Δtm比純逆流時小。通常在換熱器的設計中規(guī)定Δt值不應小于0.8,否則經(jīng)濟上不合理,而且操作溫度略有變化就會使Δt急劇下降,從而影響換熱器操作的穩(wěn)定性。

4-5-5穩(wěn)定傳熱的計算

穩(wěn)定傳熱計算的基本公式為:熱量衡算方程:

總傳熱速率方程:

4-7-2列管式換熱器的選用

列管式換熱器冷、熱流體流動通道的選擇(1)不潔凈和易結垢的液體宜走管程,因為管內清洗方便;(2)腐蝕性的流體宜走管程,以免管束和殼體同時受腐蝕;

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