單元9穩(wěn)定傳熱.ppt

1、1,第二部分 單元9 穩(wěn)定傳熱,熱工學(xué)基礎(chǔ),2,單元9 穩(wěn)定傳熱,3,【知識(shí)點(diǎn)】 平壁及圓筒壁的傳熱，傳熱的增強(qiáng)和削弱。 【能力目標(biāo)】 掌握：傳熱系數(shù)、傳熱熱阻、復(fù)合換熱等基本概念。 理解：三種基本傳熱方式的復(fù)合及其特征。 熟悉：實(shí)際工程中常遇到的傳熱的增強(qiáng)和削弱的方法。 應(yīng)用：能應(yīng)用相關(guān)概念和公式進(jìn)行平壁及圓筒壁的熱量傳遞分析和計(jì)算。,單元9 穩(wěn)定傳熱,4,前面各章已分別研究了導(dǎo)熱、對(duì)流換熱和輻射換熱，了解了它們的換熱規(guī)律和計(jì)算方法。在實(shí)際工程中會(huì)遇到許多復(fù)雜的傳熱過(guò)程，往往是由導(dǎo)熱、對(duì)流和輻射三種基本傳熱方式復(fù)合而成的。例如：采暖系統(tǒng)中散熱器的散熱過(guò)程、保溫管道的熱損失等。復(fù)合換熱問(wèn)題應(yīng)抓

2、住主要矛盾，對(duì)具體問(wèn)題具體分析，找出解決問(wèn)題的辦法。本章將討論平壁及圓筒壁的傳熱、肋壁傳熱，以及傳熱的增強(qiáng)和削弱的方法。,單元9 穩(wěn)定傳熱,5,如前所述，人們把一般的熱量傳遞過(guò)程劃分為導(dǎo)熱、對(duì)流和輻射三種基本方式，僅僅是為了研究上的方便。而在實(shí)際工程中存在的換熱問(wèn)題，則是由幾種方式組成的復(fù)雜的熱交換過(guò)程。如采暖系統(tǒng)中散熱器的散熱過(guò)程，室內(nèi)熱量通過(guò)建筑物外維護(hù)結(jié)構(gòu)向外散熱的過(guò)程等都同時(shí)存在兩種基本熱交換方式。這種導(dǎo)熱、對(duì)流和輻射熱交換形式同時(shí)存在的換熱過(guò)程稱為復(fù)合換熱過(guò)程。,9.1.1 復(fù)合換熱的概念,9.1 復(fù)合換熱,9.1 復(fù)合換熱,6,在實(shí)際應(yīng)用中，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，常把幾種基本換熱方式共同作

3、用的結(jié)果看做是由其中某一種主要方式所造成，而其他方式則只是影響主要方式特性的大小而已。例如在研究爐膛中壁面和煙氣流之間的換熱問(wèn)題時(shí)，常把輻射當(dāng)作主要換熱方式來(lái)討論；而對(duì)建筑物的外墻與空氣之間的換熱問(wèn)題，又把對(duì)流看做是主要換熱方式。在計(jì)算復(fù)合換熱的過(guò)程中，用換熱系數(shù)=j+f來(lái)表示換熱過(guò)程的強(qiáng)弱。其中j是考慮對(duì)流和導(dǎo)熱共同作用時(shí)的換熱系數(shù)，稱為接觸換熱系數(shù)；f是考慮輻射作用的換熱系數(shù)，稱為輻射換熱系數(shù)。如果用tl代表氣體的溫度，用tb代表壁面溫度，則壁面單位表面積的接觸傳熱量為：,9.1.2 復(fù)合換熱的計(jì)算思路和方法,9.1 復(fù)合換熱,7,9.1 復(fù)合換熱,8,9.1 復(fù)合換熱,9,熱流體通過(guò)固體

4、壁面將熱量傳給冷流體的過(guò)程是一種復(fù)合換熱過(guò)程，簡(jiǎn)稱為傳熱。根據(jù)固體壁面的形狀，這種傳熱可分為通過(guò)平壁、通過(guò)圓筒壁和通過(guò)肋壁等的傳熱。 9.2.1.1 平壁傳熱的計(jì)算公式 設(shè)有一單層平壁，兩側(cè)的表面積分別為F1、F2，且F1=F2；平壁厚度為，導(dǎo)熱系數(shù)為，平壁兩側(cè)的流體溫度為tl1、tl2，放熱系數(shù)為1和2，平壁兩側(cè)的表面溫度為tb1和tb2，見(jiàn)圖9.1。,9.2 通過(guò)平壁、圓筒壁的傳熱計(jì)算,9.2.1 通過(guò)平壁的傳熱計(jì)算,9.2 通過(guò)平壁、圓筒壁的傳熱計(jì)算,10,在此傳熱過(guò)程中，按熱流方向依次有熱流體與壁面1間的對(duì)流換熱，通過(guò)平壁的導(dǎo)熱，以及壁面2與冷流體間的對(duì)流換熱。在穩(wěn)定狀態(tài)下，熱流體與壁

5、面1間傳熱量、通過(guò)平壁的導(dǎo)熱量以及壁面2傳遞給冷流體的熱量均相等。即熱流體與壁面1間傳熱量：,圖9.1通過(guò)單層平壁的傳熱,9.2 通過(guò)平壁、圓筒壁的傳熱計(jì)算,11,9.2 通過(guò)平壁、圓筒壁的傳熱計(jì)算,12,9.2 通過(guò)平壁、圓筒壁的傳熱計(jì)算,13,9.2.1.2 傳熱系數(shù)和熱阻,9.2 通過(guò)平壁、圓筒壁的傳熱計(jì)算,14,9.2 通過(guò)平壁、圓筒壁的傳熱計(jì)算,15,9.2.1.3 傳熱公式的應(yīng)用,(9.9),9.2 通過(guò)平壁、圓筒壁的傳熱計(jì)算,16,從傳熱熱阻的計(jì)算公式可以看出，總熱阻等于各部分分熱阻之和。工程中遇到的平壁通常是由若干層材料組成的多層平壁，對(duì)于多層平壁，總熱阻仍等于各部分熱阻之和，

6、如圖9.2所示。 從圖中我們可以看出，沿著 熱流的方向可以將多層平壁 的傳熱過(guò)程簡(jiǎn)化為一個(gè)串聯(lián) 電路。 這樣多層平壁的熱流量計(jì)算 公式為：,圖9.2 通過(guò)多層平壁的傳熱,9.2 通過(guò)平壁、圓筒壁的傳熱計(jì)算,17,9.2 通過(guò)平壁、圓筒壁的傳熱計(jì)算,18,9.2.2.1 圓筒壁傳熱的計(jì)算公式(圖9.3),9.2.2 通過(guò)圓筒壁的傳熱計(jì)算,圖9.3 通過(guò)單層圓筒壁的傳熱,9.2 通過(guò)平壁、圓筒壁的傳熱計(jì)算,19,9.2 通過(guò)平壁、圓筒壁的傳熱計(jì)算,20,9.2 通過(guò)平壁、圓筒壁的傳熱計(jì)算,21,9.2.2.2 傳熱系數(shù)和熱阻,9.2 通過(guò)平壁、圓筒壁的傳熱計(jì)算,22,9.2 通過(guò)平壁、圓筒壁的傳熱

7、計(jì)算,23,9.2.2.3 傳熱公式的應(yīng)用,（9.18）,9.2 通過(guò)平壁、圓筒壁的傳熱計(jì)算,24,9.2 通過(guò)平壁、圓筒壁的傳熱計(jì)算,25,9.2 通過(guò)平壁、圓筒壁的傳熱計(jì)算,26,在工程中解決實(shí)際的傳熱問(wèn)題時(shí)，有些場(chǎng)合要求增強(qiáng)傳熱，而另外一些場(chǎng)合則要求盡量減弱傳熱。這些問(wèn)題都可以利用前面講過(guò)的傳熱學(xué)原理加以解決。例如減小壁厚和選用導(dǎo)熱系數(shù)較大的材料，可以減小傳熱的熱阻，增強(qiáng)傳熱效果；擾動(dòng)流體和加大流動(dòng)速度，可以增強(qiáng)接觸換熱；沸騰時(shí)，用攪動(dòng)流體和清掃加熱面的方法可以得到更大的傳熱量；凝結(jié)時(shí)，依靠冷卻面的適當(dāng)安排和清掃冷卻面，提高蒸汽的流速等，可以使換熱增強(qiáng)；在輻射方面，可以設(shè)法增加輻射面的黑

8、度，提高表面溫度來(lái)促進(jìn)輻射換熱。對(duì)于幾種基本換熱方式同時(shí)存在的傳熱過(guò)程來(lái)說(shuō)，增強(qiáng)傳熱就不像上述問(wèn)題那樣簡(jiǎn)單，只有在仔細(xì)分析傳熱過(guò)程的具體情況后才能得到正確的解決。,9.3 傳熱的增強(qiáng),9.3 傳熱的增強(qiáng),27,9.3.1 提高傳熱系數(shù)K的理論途徑,9.3 傳熱的增強(qiáng),28,9.3 傳熱的增強(qiáng),29,9.3.2.1 加肋增強(qiáng)傳熱 工程上常采用肋壁來(lái)增強(qiáng)傳熱。例如采暖用的翼型散熱器和串片散熱器，通風(fēng)、空調(diào)用的空氣加熱器和冷卻器，鍋爐用的鑄鐵省煤器等等，都是采用肋壁來(lái)增加換熱面積，減小換熱壁面兩側(cè)的換熱熱阻的差值，以達(dá)到增強(qiáng)傳熱的目的。,9.3.2 增強(qiáng)傳熱在工程中的應(yīng)用,圖9.4 通過(guò)肋壁的傳熱,

9、9.3 傳熱的增強(qiáng),30,圖 9.4,9.3 傳熱的增強(qiáng),31,9.3 傳熱的增強(qiáng),32,9.3 傳熱的增強(qiáng),33,9.3 傳熱的增強(qiáng),34,9.3.2.2 提高換熱系數(shù)增強(qiáng)傳熱 通過(guò)分析對(duì)流換熱過(guò)程知道影響換熱量大小的因素很多，例如流體流動(dòng)情況，液體的物理性質(zhì)，換熱表面的形狀和大小等對(duì)換熱過(guò)程都有很大影響。下面僅介紹幾種可行的增強(qiáng)傳熱效果的方法。 （1）增強(qiáng)流體的擾動(dòng) 增加流速可增加流體擾動(dòng)，改變流態(tài)，提高紊流強(qiáng)度，增大換熱系數(shù)。流體在管內(nèi)紊流流動(dòng)時(shí)，換熱系數(shù)與流速的0.8次方成正比；外掠管束時(shí)，與流速的0.60.84次方有關(guān)。增加流速對(duì)增強(qiáng)傳熱效果顯著。此外還可在管內(nèi)加入干擾物，如金屬絲、

10、螺旋環(huán)等，來(lái)增強(qiáng)流體的擾動(dòng)，破壞流動(dòng)邊界層，達(dá)到增強(qiáng)傳熱的目的。,9.3 傳熱的增強(qiáng),35,(2) 破壞邊界層 用射流噴射傳熱表面，能直接破壞邊界層，因而強(qiáng)化了換熱。此法適用于強(qiáng)化局部的傳熱，是近代強(qiáng)化傳熱的新技術(shù)之一。另外，增加換熱表面的粗糙度，改變換熱表面涂層和換熱表面形狀、大小，改變能量傳遞方式（將對(duì)流換熱轉(zhuǎn)換成輻射換熱）等措施都可不同程度地增強(qiáng)傳熱效果。 (3)改變流體物性 流體中加入添加劑可以改變流體的某些熱物理性質(zhì)，例如導(dǎo)熱系數(shù)、容積比熱，對(duì)換熱系數(shù)的影響較大，改變流體的這類物理性能能夠達(dá)到強(qiáng)化傳熱的效果。添加劑可以是液體，也可以是固體，固體顆粒具有較高的容積比熱，加入流體后可提高

11、流體的容積比熱和熱容量，從而增強(qiáng)了傳熱。,9.3 傳熱的增強(qiáng),36,加入固體添加劑還可以增強(qiáng)氣流的擾動(dòng)，撞擊壁面破壞邊界層，攜帶熱能也導(dǎo)致傳熱增強(qiáng)。液體添加劑噴入蒸汽中，可以促進(jìn)珠狀凝結(jié)，噴入水霧（氣體）中，能促進(jìn)壁面形成液膜，達(dá)到增強(qiáng)換熱的目的。 9.3.2.3 減小導(dǎo)熱熱阻以增強(qiáng)傳熱 通過(guò)傳熱系數(shù)計(jì)算公式可以看出，傳熱系數(shù)隨導(dǎo)熱熱 阻 /的增加而降低。前面在分析提高傳熱系數(shù)的理 論途徑時(shí)為了簡(jiǎn)化分析過(guò)程，忽略了導(dǎo)熱熱阻，在工程實(shí)踐中由于換熱設(shè)備換熱表面的水垢層和煙渣層的存在，會(huì)對(duì)傳熱系數(shù)K產(chǎn)生很大的影響，因?yàn)樗笇雍蜔熢鼘拥膶?dǎo)熱系數(shù)很小，即使厚度非常薄，也會(huì)產(chǎn)生很大的導(dǎo)熱熱阻，因此不能忽略

12、。這樣在日常的管理中必須定期對(duì)水垢層和煙渣層進(jìn)行清理，才能保證設(shè)備的正常工作，提高換熱設(shè)備的傳熱系數(shù)。,9.3 傳熱的增強(qiáng),37,在實(shí)際工程中，為了節(jié)約能源，提高設(shè)備的熱效率，或?yàn)榱藴p少管道和設(shè)備的熱損失，保持冷、熱流體的溫度，常常需要減小傳熱。由前面講過(guò)的傳熱學(xué)原理可知，當(dāng)冷熱流體的溫度保持不變時(shí)，可通過(guò)增大傳熱熱阻的方法來(lái)減小傳熱。大多數(shù)情況下是在壁面上附加一層熱絕緣材料（保溫層），以增加導(dǎo)熱熱阻的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)削弱傳熱的目的。一般工程上所說(shuō)的熱絕緣（保溫）材料通常指導(dǎo)熱系數(shù)不大于0.2 W/(m)的材料。例如目前常用的材料有巖棉、泡沫塑料、微孔硅酸鈣、珍珠巖等，它們的導(dǎo)熱系數(shù)均在0.030.

13、05 W/(m)范圍內(nèi)。,9.4.1 熱絕緣的目的和技術(shù)措施,9.4 傳熱的削弱（熱絕緣）,9.4 傳熱的削弱（熱絕緣）,38,熱絕緣層是用來(lái)減小熱損失的輔助層，從理論角度分析，熱絕緣材料越厚，導(dǎo)熱熱阻就越大，當(dāng)熱絕緣材料的厚度趨于無(wú)窮大時(shí)管道和設(shè)備的熱損失趨于零。但熱絕緣材料越厚從經(jīng)濟(jì)的角度考慮就意味著更大的經(jīng)濟(jì)投資，這顯然是不現(xiàn)實(shí)的。因此就要在投資和熱絕緣的效果之間進(jìn)行折中考慮，在保證熱絕緣效果的同時(shí)減少投資，由此而確定的熱絕緣厚度就是經(jīng)濟(jì)厚度。確定方法如下：首先計(jì)算不同厚度絕緣層的熱損失，然后根據(jù)熱量損失求出各種不同厚度時(shí)的年度經(jīng)濟(jì)損失（費(fèi)用），這樣就可以將絕緣層厚度與年度熱量損失費(fèi)用的關(guān)系用曲線表示出來(lái)。如圖9.5中曲線2。其次，計(jì)算不同厚度熱絕緣的初投資費(fèi)用和年度折舊費(fèi)用，并將厚度和費(fèi)用的關(guān)系也用曲線表示。,9.4.2 熱絕緣層的經(jīng)濟(jì)厚度,9.4 傳熱的削弱（熱絕緣）,39,如圖9.5中曲線1。由圖中可以看出，年度熱量損失費(fèi)用，隨絕緣層厚度的增加而減少，而熱絕緣層的初投資費(fèi)用和折舊費(fèi)用則隨絕緣厚度的增加而增大。最后求出不同絕緣層厚度時(shí)兩種費(fèi)用的總和，并將這一關(guān)系表示為曲線3，見(jiàn)圖9.5，曲線3最低點(diǎn)的橫坐標(biāo)所對(duì)應(yīng)的絕緣層厚度，即為最經(jīng)濟(jì)的絕緣層厚度，