传热过程的计算教学内容.ppt
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1、传热过程的计算传热过程的计算本章要求掌握的内容:本章要求掌握的内容:定量:定量:传热过程的计算;传热过程的计算;对数平均温差的计算;对数平均温差的计算;间壁式换热器的设计计算及校核计算。间壁式换热器的设计计算及校核计算。定性:定性:掌握传热过程的热阻分析法;掌握传热过程的热阻分析法;传热过程强化与削弱措施。传热过程强化与削弱措施。10-1 10-1 传热过程的分析和计算传热过程的分析和计算 传热过程:传热过程:热量由壁面一侧的流体通过壁面传到另热量由壁面一侧的流体通过壁面传到另一侧流体中去的过程称传热过程。一侧流体中去的过程称传热过程。传热过程分析求解的传热过程分析求解的基本关系为基本关系为传
2、热方程式传热方程式式中式中K为为传热系数传热系数(在容易与对流换热表面传热(在容易与对流换热表面传热系数相混淆时,称总传热系数)。系数相混淆时,称总传热系数)。说明说明:(1)(1)由于平壁的两侧的面积是相等的,因此传热由于平壁的两侧的面积是相等的,因此传热系数的数值不论对哪一侧来说都是一样的系数的数值不论对哪一侧来说都是一样的。(2 2)h h1 1和和h h2 2的计算的计算,如果计及辐射时对流换热系数应该采用等效如果计及辐射时对流换热系数应该采用等效换热系数换热系数(总表面传热系数总表面传热系数)10.1.1 10.1.1 通过平壁的传热通过平壁的传热单层单层多层多层10.1.2 10.
3、1.2 通过圆管的传热通过圆管的传热内部对流:内部对流:圆柱面导热:圆柱面导热:外部对流:外部对流:hiho对外侧面积而言得传热对外侧面积而言得传热系数的定义式由下式系数的定义式由下式表示:表示:从热阻的角度来看从热阻的角度来看 上面三式相加上面三式相加10.1.3 10.1.3 通过肋壁的传热通过肋壁的传热肋壁面积:肋壁面积:稳态下换热情况:稳态下换热情况:肋面总效率肋面总效率以肋侧表面积为基准的肋壁传热系数以肋侧表面积为基准的肋壁传热系数定义肋化系数:定义肋化系数:则传热系数则传热系数工程上一般都以未加肋时的表面积为基准计算肋壁传热系数工程上一般都以未加肋时的表面积为基准计算肋壁传热系数所
4、以,只要所以,只要 就可以起到强化换热的效果。就可以起到强化换热的效果。由于由于值常常远大于值常常远大于1 1,而使,而使0 0的值总是远大于的值总是远大于1 1,这就使肋,这就使肋化侧的热阻显著减小,从而增大传热系数的值。化侧的热阻显著减小,从而增大传热系数的值。10.1.4 10.1.4 临界热绝缘直径临界热绝缘直径圆管外敷保温层后:圆管外敷保温层后:可见,保温层使得导热热阻增加,换热削弱;另一方面,降可见,保温层使得导热热阻增加,换热削弱;另一方面,降低了对流换热热阻,使得换热赠强,低了对流换热热阻,使得换热赠强,那么,综合效果到底是那么,综合效果到底是增强还是削弱呢?这要看增强还是削弱
5、呢?这要看d/ddo2 和和d2/ddo22的值的值可见,确实是有一个极值存在,从热量的基本传递规律可知,可见,确实是有一个极值存在,从热量的基本传递规律可知,应该是极大值。也就是说,应该是极大值。也就是说,d do2o2在在d do1o1-1-1之间,之间,是增加的,是增加的,当当d do2o2大于大于d dcrcr时,时,降低。降低。or临界热绝缘直径临界热绝缘直径B Bi i 是管道外表面的毕渥数是管道外表面的毕渥数解:每米电线在不同的绝缘层外径解:每米电线在不同的绝缘层外径d do o=0.0051+2=0.0051+2m m的散热量为:的散热量为:【例例】外径为外径为5.1mm5.1
6、mm的铝线,外包的铝线,外包=0.15W/(m=0.15W/(mK)K)的绝缘层。的绝缘层。t tfofo=40=40C C,t twiwi7070C C。绝缘层表面与环境间的复合传热系数。绝缘层表面与环境间的复合传热系数h ho o=10W/(m=10W/(m2 2 K)K)。求:绝缘层厚度。求:绝缘层厚度不同时每米电线的散热量。不同时每米电线的散热量。(P(P465465)取取do1070mm,计算结果用图线表示于图中。,计算结果用图线表示于图中。散热量先增后减,有最大值。散热量先增后减,有最大值。一般的动力保温管道很少有必要考虑临界热绝缘直径。一般的动力保温管道很少有必要考虑临界热绝缘直
7、径。增加电线的绝缘层厚度,可增强电流的通过能力。增加电线的绝缘层厚度,可增强电流的通过能力。10.2 10.2 换热器的型式及平均温差换热器的型式及平均温差换热器换热器:用来使热量从热流体传递到冷流体,以满足规:用来使热量从热流体传递到冷流体,以满足规定的工艺要求的装置。定的工艺要求的装置。10.2.1 10.2.1 换热器的分类换热器的分类按照操作过程按照操作过程v间壁式间壁式换热器:换热器:是指冷热流体被壁面隔开进行换热的热是指冷热流体被壁面隔开进行换热的热交换器。如暖风机、燃气加热器、冷凝器、蒸发器;交换器。如暖风机、燃气加热器、冷凝器、蒸发器;v间壁式挨热器种类很多,从构造上主要可分为
8、:管壳式、间壁式挨热器种类很多,从构造上主要可分为:管壳式、肋片管式、板式、板翅式、螺旋板式等,其中以前两种用肋片管式、板式、板翅式、螺旋板式等,其中以前两种用得最为广泛。得最为广泛。v另外,按流体流动方向可有另外,按流体流动方向可有顺流、逆流顺流、逆流、交叉流之分。、交叉流之分。蓄热式蓄热式换热器:换热器由蓄热材料构成,并分成两半,冷换热器:换热器由蓄热材料构成,并分成两半,冷热流体轮换通过它的一半通道,从而交替式地吸收和放出热流体轮换通过它的一半通道,从而交替式地吸收和放出热量,即热流体流过换热器时,蓄热材料吸收并储蓄热量,热量,即热流体流过换热器时,蓄热材料吸收并储蓄热量,温度升高,经过
9、一段时间后切换为冷流体,蓄热材料放出温度升高,经过一段时间后切换为冷流体,蓄热材料放出热量加热冷流体。一般用于气体,如锅炉中间转式空气预热量加热冷流体。一般用于气体,如锅炉中间转式空气预热器,全热回收式空气调节器等。热器,全热回收式空气调节器等。蓄热式换热器蓄热式换热器混和式换热器混和式换热器混合式混合式换热器:冷热流体换热器:冷热流体直接接触,彼此混合进行直接接触,彼此混合进行换热,在热交换同时存在换热,在热交换同时存在质交换,如空调工程中喷质交换,如空调工程中喷淋冷却塔,蒸汽喷射泵等;淋冷却塔,蒸汽喷射泵等;按表面紧凑程度区分按表面紧凑程度区分紧凑程度可用水力直径紧凑程度可用水力直径d d
10、h h来区别,或用每立方米中的传热来区别,或用每立方米中的传热面积即传热面积密度面积即传热面积密度来衡量。来衡量。适用于传热量不大或流体流量不大的情形。适用于传热量不大或流体流量不大的情形。1 1、套管式换热器、套管式换热器10.2.2 10.2.2 间壁式换热器主要型式间壁式换热器主要型式 优点优点结构简单,可利用标准管件。结构简单,可利用标准管件。两种流体都可在较高温度和压两种流体都可在较高温度和压力下换热,传热系数大。力下换热,传热系数大。传热面积可根据需要增减。传热面积可根据需要增减。套管式换热器套管式换热器缺点缺点单位换热面积金属耗量大,价格单位换热面积金属耗量大,价格较高。较高。检
11、修、清洗不便。检修、清洗不便。1010、壳管式换热器、壳管式换热器 间壁式换热器的一种主要形式,又称管壳式换热器。传热间壁式换热器的一种主要形式,又称管壳式换热器。传热面由管束组成,管子两端固定在管板上,管束与管板再封面由管束组成,管子两端固定在管板上,管束与管板再封装在外壳内。两种流体分装在外壳内。两种流体分管程管程和和壳程。壳程。1-21-2型换热器型换热器增加管程增加管程2-42-4型换热器型换热器进一步增加管程和壳程进一步增加管程和壳程管壳式换热器管壳式换热器优点优点结构坚固,对压力和温度的结构坚固,对压力和温度的适用范围大。适用范围大。管内清洗方便,清洁流体宜管内清洗方便,清洁流体宜
12、走壳程。走壳程。处理量大。处理量大。缺点缺点传热效率、结构紧凑性、传热效率、结构紧凑性、单位换热面积的金属耗单位换热面积的金属耗量等不如新型换热器。量等不如新型换热器。间壁式换热器的又一种主要型式。其主要特点是冷热流体间壁式换热器的又一种主要型式。其主要特点是冷热流体呈交叉状流动。根据换热表面结构的不同又可分为呈交叉状流动。根据换热表面结构的不同又可分为管束式、管束式、管翅式管翅式及管带式、及管带式、板翅式板翅式等。等。管束式管束式3 3、交叉流换热器、交叉流换热器 管翅式管翅式板翅式板翅式4 4 板式换热器:板式换热器:由一组几何结构相同的平行薄平板叠加所由一组几何结构相同的平行薄平板叠加所
13、组成,冷热流体间隔地在每个通道中流动,其特点是拆卸清组成,冷热流体间隔地在每个通道中流动,其特点是拆卸清洗方便,故适用于含有易结垢物的流体洗方便,故适用于含有易结垢物的流体。板板式式换换热热器器优点优点结构紧凑、体积小、重量轻。结构紧凑、体积小、重量轻。流体湍动程度大,强化流体湍动程度大,强化传热效果好。传热效果好。便于清洗和维修。便于清洗和维修。板式换热器板式换热器缺点缺点密封周边长,易泄漏。密封周边长,易泄漏。承压能力低(承压能力低(P2MPa)。)。流动阻力大,处理量小。流动阻力大,处理量小。5 5、螺旋板式换热器、螺旋板式换热器:换热表面由两块金属板卷制而成,换热表面由两块金属板卷制而
14、成,优点优点结构紧凑,单位体积结构紧凑,单位体积传热面积大。传热面积大。两种流体都能以高速流两种流体都能以高速流动,传热效率高。动,传热效率高。螺旋流动,有自冲刷作用,螺旋流动,有自冲刷作用,适于处理粘性和易结垢流体。适于处理粘性和易结垢流体。缺点缺点承压能力差(承压能力差(P1MPa,t500C)损坏后检修困难。损坏后检修困难。螺旋板式换热器10.3.1 10.3.1 简单顺流及逆流换热器的简单顺流及逆流换热器的对数平均温差对数平均温差传热方程的一般形式传热方程的一般形式:流动形式不同,冷热流体温差沿换热面的变化规律也不同流动形式不同,冷热流体温差沿换热面的变化规律也不同.换热器中冷流体温度
15、沿换热面是不断变化的,因此,冷却换热器中冷流体温度沿换热面是不断变化的,因此,冷却流体的局部换热温差也是沿程变化的。流体的局部换热温差也是沿程变化的。10.3 10.3 换热器中传热过程对数平均温差的计算换热器中传热过程对数平均温差的计算以以顺流顺流情况为例,作如下假设情况为例,作如下假设:(1 1)冷热流体的质量流量)冷热流体的质量流量q qm2m2、q qm1m1以以及比热容及比热容C C2 2,C,C1 1是常数;是常数;(2 2)传热系数是常数;)传热系数是常数;(3 3)换热器无散热损失;)换热器无散热损失;(4 4)换热面沿流动方向的导热量可)换热面沿流动方向的导热量可以忽略不计。
16、以忽略不计。要想计算沿整个换热面的平均温差,首要想计算沿整个换热面的平均温差,首先需要知道当地温差随换热面积的变化先需要知道当地温差随换热面积的变化,然后再沿整个换热面积进行平均。然后再沿整个换热面积进行平均。dt1dt2t1t2在假设的基础上,并已知冷热流体的在假设的基础上,并已知冷热流体的进出口温度,进出口温度,现在来看图中微元换热现在来看图中微元换热面面dAdA一段的传热。温差为:一段的传热。温差为:在固体微元面在固体微元面dAdA内,两种流体的换热内,两种流体的换热量为量为:dt1dt2t1t2对于热流体对于热流体:对于冷流体对于冷流体:可见,当地温差随换热面呈指数变化,则沿整个换热面
17、的平可见,当地温差随换热面呈指数变化,则沿整个换热面的平均温差为:均温差为:(1)(1)(2)(2)(3)(3)(2)(2)(2)(2)、(3)(3)(3)(3)代入代入代入代入(1)(1)(1)(1)中中中中对数平均温差对数平均温差不论顺流逆流,不论顺流逆流,对数平均温差对数平均温差可统一用下式表示:可统一用下式表示:平均温差的另一种更为简单的形式是平均温差的另一种更为简单的形式是算术平均温差算术平均温差,即即3 3 算术平均与对数平均算术平均与对数平均平均温差的另一种更为简单的形式是算术平均温差,即平均温差的另一种更为简单的形式是算术平均温差,即算术平均温差相当于温度呈直线变化的情况,因此
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