传热学第五章-传热课件.ppt
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1、5.1概述概述其它设备其它设备60%传热设备传热设备40%在设计时进行合理的优在设计时进行合理的优化设计使其在满足工艺要求化设计使其在满足工艺要求的条件下投资费用最小;在的条件下投资费用最小;在操作中进行强化传热操作过操作中进行强化传热操作过程,进行最优化操作,对节程,进行最优化操作,对节省传热设备投资,节省能源省传热设备投资,节省能源有着重要的意义。有着重要的意义。5.1概述概述5.1.1传热过程的分类传热过程的分类5.1.1.1根据冷热两种流体的接触方式根据冷热两种流体的接触方式(1)直接接触式传热(混合式传热)直接接触式传热(混合式传热)热水热水空气空气填料填料凉水塔示意图凉水塔示意图(
2、2)间壁式(间接接触式)传热)间壁式(间接接触式)传热t2冷流体冷流体t1T1热流体热流体T2套管换热器中的换热套管换热器中的换热冷流体冷流体t热流体热流体T间壁间壁Q对流给热对流给热对流给热对流给热导热导热5.1.1.1根据冷热两种流体的接触方式根据冷热两种流体的接触方式冷流体冷流体t热流体热流体T间壁间壁Q对流给热对流给热对流给热对流给热导热导热热量由热流体靠对流传热传给金热量由热流体靠对流传热传给金属壁的一侧(对流给热);属壁的一侧(对流给热);热量自管壁一侧以热传导的形式热量自管壁一侧以热传导的形式传至另一侧(导热);传至另一侧(导热);热量以对流传热的方式从壁面的热量以对流传热的方式
3、从壁面的另一侧传给冷流体(对流给热)。另一侧传给冷流体(对流给热)。(3)蓄热式传热)蓄热式传热冷流体冷流体热流体热流体热流体热流体冷流体冷流体固体填固体填充物充物蓄热器示意图蓄热器示意图5.1.1.2传热基本概念传热基本概念(1)传热速率)传热速率单位时间内通过传热面传递的热量单位时间内通过传热面传递的热量Q(W););(2)热通量)热通量单位时间、单位传热面积上传递的热量单位时间、单位传热面积上传递的热量q(W/m2););(3)非定态、定态传热过程)非定态、定态传热过程t=f(x,y,z,)温度不仅与空间位置还与时间有关,)温度不仅与空间位置还与时间有关,为非定态传热;为非定态传热;t=
4、f(x,y,z)温度只与空间位置有关与时间无关,)温度只与空间位置有关与时间无关,为定态传热。为定态传热。5.2热传导(导热热传导(导热Conduction)5.2.1傅立叶定律(傅立叶定律(Flourierslaw)(1)温度场()温度场(Temperaturefield)物体(或空间)各点温度在时空中的分布称为物体(或空间)各点温度在时空中的分布称为温度场温度场。t=f(x,y,z,)(5-2)温度相同的点所组成的面称为温度相同的点所组成的面称为等温面等温面。温度不同的等温。温度不同的等温面不可能相交,为什么?面不可能相交,为什么?nq图图5-1温度梯度与热流温度梯度与热流方向的关系方向的
5、关系(2)温度梯度)温度梯度两等温面的温度差两等温面的温度差t与其间的垂直距离与其间的垂直距离n之比在之比在n趋趋于零时的极限,即于零时的极限,即5.2.1傅立叶定律(傅立叶定律(Flourierslaw)(3)傅立叶定律)傅立叶定律傅立叶定律是用以确定在物体各点间存在温度差时,因傅立叶定律是用以确定在物体各点间存在温度差时,因热传导而产生的热流大小的定律。单位时间内,单位传热面热传导而产生的热流大小的定律。单位时间内,单位传热面积上传递的热量即热通量与温度梯度成正比,积上传递的热量即热通量与温度梯度成正比,热导率,热导率,W/m传热速率不仅与温度梯度成正比,还与传热面积成正比,即传热速率不仅
6、与温度梯度成正比,还与传热面积成正比,即(5-3)5.2.2热导率热导率(2)液体的热导率)液体的热导率 t,;一般纯液体一般纯液体(水和甘油除外)(水和甘油除外)的热导率比其溶液的热导的热导率比其溶液的热导率大。率大。(3)气体的气体的热导率热导率气体的气体的很小,对导热不利,但对保温有利。很小,对导热不利,但对保温有利。在相当大的压强范围内,压强对气体的在相当大的压强范围内,压强对气体的热导率热导率无明显影无明显影响。一般情况下气体响。一般情况下气体=f(t),t,。5.2.2热导率热导率固体、液体、固体、液体、气体的气体的热导率的大致范围:热导率的大致范围:金属固体金属固体非金属固体非金
7、属固体液体液体气体气体金属固体:金属固体:101102W/(mK);建筑材料:建筑材料:10-110W/(mK);绝缘材料:绝缘材料:10-210-1W/(mK);液体:液体:10-1W/(mK);气体:气体:10-210-1W/(mK);5.2.3平壁的稳定热传导平壁的稳定热传导传热速率(单位时间通过面积传热速率(单位时间通过面积A上的传热量)为:上的传热量)为:(5-4)b或或A或或,R。上上式式为为常常数数,所所以以平平壁壁内内的的温温度度分分布布为为一一直直线线;若若导导热热系系数数与与温温度度有有关关,则则温温度度分分布布又又是是怎怎样样的的?txxdxt1t2t1t2005.2.3
8、平壁的稳定热传导平壁的稳定热传导 从上式可以看出,通过多层壁的定态热传导,传热推动从上式可以看出,通过多层壁的定态热传导,传热推动力和热阻是可以加和的;力和热阻是可以加和的;总推动力等于各层推动力之和,总总推动力等于各层推动力之和,总热阻等于各层热阻之和热阻等于各层热阻之和。此式说明,在多层壁导热过程中,此式说明,在多层壁导热过程中,哪层热阻大,哪层温哪层热阻大,哪层温差就大;反之,哪层温差大,哪层热阻一定大差就大;反之,哪层温差大,哪层热阻一定大。(5-6)5.2.3平壁的稳定热传导平壁的稳定热传导将上式写成热通量的形式为将上式写成热通量的形式为(5-6)5.2.3圆筒壁的稳定热传导圆筒壁的
9、稳定热传导5.2.3圆筒壁的稳定热传导圆筒壁的稳定热传导式中式中 b=r2-r1,为圆筒壁的厚度。平均面积,为圆筒壁的厚度。平均面积Am=2lrm,而而称称为为对对数数平平均均半半径径。当当r2/r12,K2,K几乎完全取决于几乎完全取决于2。因此要提高因此要提高K值关键在于提高较小的一个值关键在于提高较小的一个值。值。5.3.5总传热系数总传热系数注:注:传传热热间间壁壁为为圆圆筒筒壁壁时时,dA1dA2dAm,存存在在基基准准问问题题,由由于于换换热热器器系系列列中中均均为为外外表表面面积积A1,故故没没有有特特别别说说明明情情况况下下,均均以以外外表表面面积积为为基基准准;但但不不论论采
10、采用用哪哪种种基基准准计计算算得得到到的传热量的传热量Q相同;相同;下下标标1代代表表管管外外,2代代表表管管内内(ms1cp1代代表表热热流流体体,ms2cp2代代表表冷冷流流体体),K与与1、2、d1、d2、Rs1、Rs2等等参参数数有有关,即与间壁结构、流体性质、两侧流体的流动状况有关;关,即与间壁结构、流体性质、两侧流体的流动状况有关;在在应应用用总总传传热热速速率率方方程程时时,若若K以以外外表表面面积积为为基基准准,则则A=A1;若;若K以内表面积为基准,则以内表面积为基准,则A=A2;5.3.6传热面积的计算传热面积的计算套管换热器套管换热器以外表面积为基准以外表面积为基准以内表
11、面积为基准以内表面积为基准内管外径内管外径内管内径内管内径列管换热器列管换热器以外表面积为基准以外表面积为基准以内表面积为基准以内表面积为基准传热管外径传热管外径传热管内径传热管内径总传热管数总传热管数5.3.7平均温度差平均温度差tm的计算的计算5.3.7.1恒温差传热(间壁两侧均为相变化传热)恒温差传热(间壁两侧均为相变化传热)若若间间壁壁两两侧侧流流体体均均为为相相变变对对流流传传热热,即即饱饱和和蒸蒸汽汽冷冷凝凝和和饱饱和和液液体体沸沸腾腾,如如蒸蒸发发单单元元操操作作,热热流流体体在在换换热热器器中中处处处处的的温度均为温度均为T,冷流体在换热器中处处温度均为,冷流体在换热器中处处温
12、度均为t,故:,故:5.3.7平均温度差平均温度差tm的计算的计算5.3.7.2变温差传热变温差传热在在实实际际中中常常见见的的是是变变温温差差传传热热,两两流流体体在在换换热热器器中中不不同同位位置置传传热热温温度度差差t不不同同;间间壁壁两两侧侧流流体体的的流流动动形形式式各各种种各各样样,但最基本的有两种形式:逆流、并流但最基本的有两种形式:逆流、并流图图5-13两侧流体均无相变时的温度变化两侧流体均无相变时的温度变化T2T1t2t1并流并流t1t2T2T1t1t2dTdt逆流逆流t2t2t1TTt1t2(a)蒸汽冷凝加热无)蒸汽冷凝加热无相变流体相变流体ttTT(b)无相变流体加热)无
13、相变流体加热液体沸腾液体沸腾图图5-13一侧流体相变时的温度变化一侧流体相变时的温度变化5.3.7平均温度差平均温度差tm的计算的计算5.3.7平均温度差平均温度差tm的计算的计算(1)以逆流为例导出计算平均温度差)以逆流为例导出计算平均温度差tm的通式的通式取一微元传热面取一微元传热面dA经经dA的传热速率为的传热速率为dQ=K(T-t)dA=KtdA对对dA进行热量衡算(冷、热流体均无相变化)进行热量衡算(冷、热流体均无相变化)dQ=-ms1cp1dT=-ms2cp2dt对整个换热器进行热量衡算对整个换热器进行热量衡算设设Q损损=0,cp1、cp2分分别别取取平平均均温温度度下下的的平平均
14、均值值,可可以以认认为为是常数,冷、热流体均无相变化,是常数,冷、热流体均无相变化,Q=ms1cp1(T1-T2)=ms2cp2(t2-t1)5.3.7平均温度差平均温度差tm的计算的计算 导出计算导出计算tm的通式的通式5.3.7平均温度差平均温度差tm的计算的计算令令对数平均温度差,对数平均温度差,对逆流、并流及一侧流对逆流、并流及一侧流体变温的情况均使用,是计算体变温的情况均使用,是计算tm的通式的通式t1热流体进口侧的传热温差,热流体进口侧的传热温差,;t2热流体出口侧的传热温差,热流体出口侧的传热温差,。传热基本方程式传热基本方程式5.3.7平均温度差平均温度差tm的计算的计算(2)
15、讨论)讨论tm由逆流推导得出,但同样适用于并流由逆流推导得出,但同样适用于并流逆流:逆流:t1=T1-t2,t2=T2-t1并流:并流:t1=T1-t1,t2=T2t2若若max(t1,t2)/min(t1,t2)tm并并,若,若Q相同,相同,则则A逆逆A并并,所以工业换热器一般是采用逆流;,所以工业换热器一般是采用逆流;b、并流、并流t2总是总是T2,逆流,逆流t2可以可以(t2-t1)并并,冷却剂用量冷却剂用量ms2逆逆(T1-T2)并并,加热剂用量加热剂用量ms1逆逆100即可达到湍流)。即可达到湍流)。(3)复杂折流(多管程、多壳程)复杂折流(多管程、多壳程)实实际际上上,工工业业换换
16、热热器器并并不不一一定定都都是是逆逆流流或或并并流流,许许多多情情况况下采用折流、错流等复杂的流动,复杂流动下采用折流、错流等复杂的流动,复杂流动的的tm按下式计算按下式计算式中式中5.3.7平均温度差平均温度差tm的计算的计算讨论讨论:(1)单单管管程程改改为为多多管管程程,壳壳程程增增加加折折流流挡挡板板,虽虽然然能能提提高传热效果,但同时也增大了流动阻力;高传热效果,但同时也增大了流动阻力;(2)对对一一侧侧有有相相变变的的情情况况,饱饱和和液液体体沸沸腾腾P0,R;饱饱和和蒸蒸汽汽冷冷凝凝R0;由由R、P关关系系图图可可知知,=1,其其对对数数平平均推动力均按逆流计算,无需进行温差校正
17、;均推动力均按逆流计算,无需进行温差校正;(3)一一般般1,当当0.8,否否则则经经济济上上不不合合理理、操操作作温温度度略略有有变变动动,操操作作不稳定不稳定;思考思考:提高:提高的方法?的方法?5.3.7平均温度差平均温度差tm的计算的计算改用多壳程:改用多壳程:单壳程:单壳程:R=2.0,P=0.3时,时,=0.86多壳程:多壳程:R=2.0,P=0.3时,时,=0.97因此,要增大温差校正因子,可以增加壳程数。因此,要增大温差校正因子,可以增加壳程数。(4)若若蒸蒸汽汽冷冷凝凝于于壳壳程程,由由于于蒸蒸汽汽本本身身的的对对流流给给热热系系数数很很大大,所所以以壳壳程程安安装装挡挡板板的
18、的距距离离比比一一般般的的换换热热器器要要大大,且挡板间应有冷凝水的排放口。且挡板间应有冷凝水的排放口。5.3.8壁温的计算壁温的计算对于稳定传热过程对于稳定传热过程热流体侧传热面积热流体侧传热面积冷流体侧传热面积冷流体侧传热面积平均传热面积平均传热面积5.4对流给热与对流给热系数对流给热与对流给热系数5.4.1对流给热系数的影响因素对流给热系数的影响因素(1)引起流动的原因:自然对流和强制对流)引起流动的原因:自然对流和强制对流自自然然对对流流:流流体体内内温温度度不不同同,导导致致密密度度差差异异,热热流流体体上上升升,冷冷流流体体下下降降,由由于于流流体体温温度度不不同同而而使使流流体体
19、流流动动的的传传热热过过程,称为自然对流给热。程,称为自然对流给热。强强制制对对流流:由由外外力力作作用用(输输送送机机械械)使使流流体体流流动动而而传传热热,称为强制对流给热。称为强制对流给热。强制对流强制对流自然对流自然对流(2)流体流动形态)流体流动形态流流体体传传热热热热阻阻主主要要集集中中在在层层流流底底层层中中。对对层层流流而而言言,整整个个流流体体均均处处于于层层流流状状态态;而而湍湍流流流流体体中中只只有有层层流流底底层层处处于于层层流流状状态态;所所以以湍湍流流情情况况下下传传热热效效果果大大于于层层流流状状态态,且且湍湍动动程程度越大,层流底层越薄,对流给热系数越大。度越大
20、,层流底层越薄,对流给热系数越大。湍流湍流层流层流5.4.1对流给热系数的影响因素对流给热系数的影响因素(3)流体的性质)流体的性质影影响响对对流流给给热热过过程程的的性性质质主主要要有有:比比热热、导导热热系系数数、粘粘度、密度等。度、密度等。如如粘粘度度大大,流流动动阻阻力力大大,湍湍动动程程度度差差,传传热热效效果果差差;导导热热系系数数大大,层层流流底底层层中中热热阻阻小小。一一般般比比热热大大、导导热热系系数数大大、密度大、粘度小对传热有利。密度大、粘度小对传热有利。(4)传热面形状、大小、位置及流通截面,是否发生相变等)传热面形状、大小、位置及流通截面,是否发生相变等流流通通截截面
21、面及及形形状状(圆圆管管、套套管管环环隙隙、翅翅片片管管、单单管管、管管束、板、弯管)束、板、弯管)管子排列方式(三角形、正方形)管子排列方式(三角形、正方形)位置(水平、垂直)位置(水平、垂直)大小(短管、长管)大小(短管、长管)相变(无相变、沸腾、冷凝)相变(无相变、沸腾、冷凝)5.4.1对流给热系数的影响因素对流给热系数的影响因素补充:自然对流环流流速补充:自然对流环流流速流动的推动力为密度不同引起的静压差,则流动的推动力为密度不同引起的静压差,则液体的密度随温度变化的关系式如:液体的密度随温度变化的关系式如:紧靠壁面处密度(温度高时)紧靠壁面处密度(温度高时)T=T-T体积膨胀系数体积
22、膨胀系数5.4.1对流给热系数的影响因素对流给热系数的影响因素自自然然对对流流的的强强弱弱与与加加热热面面的的位位置置密密切切相相关关。水水平平加加热热面面的的上上部部有有利利于于产产生生较较大大的的自自然然对对流流(如如图图a a所所示示),故故房房间间采采暖暖用用的的加加热热器器应应尽尽量量放放在在下下部部;水水平平冷冷却却面面的的下下部部有有利利于于产产生生较较大大的的自自然然对对流流(如如图图b b所所示示),故故剧剧场场的的冷冷气气装装置置应应放放在在剧剧场场上部。上部。热平板热平板图图a水平加热面的对流情况水平加热面的对流情况冷平板冷平板图图b水平冷却面的对流情况水平冷却面的对流情
23、况5.4.2因次分析在对流给热中的应用因次分析在对流给热中的应用(1 1)获得给热系数的方法)获得给热系数的方法分分析析法法:对对描描写写某某一一类类给给热热问问题题的的偏偏微微分分方方程程及及其其定定解解条条件件进进行行数数学学求求解解,获获得得特特定定问问题题的的温温度度场场,从从而而获获得得给给热系数和传热速率的分析解。热系数和传热速率的分析解。数数值值法法:数数值值求求解解法法是是将将给给热热的的偏偏微微分分方方程程离离散散化化,用代数方法进行求解而得到给热系数和给热速率的方法。用代数方法进行求解而得到给热系数和给热速率的方法。实实验验法法:通通过过实实验验来来获获得得不不同同情情况况
24、下下的的给给热热计计算算式式(常常为为关关联联式式或或经经验验式式)。为为减减少少实实验验工工作作量量,提提高高实实验验结结果果的的通通用用性性,应应当当在在量量纲纲分分析析的的指指导导下下进进行行;即即对对某某一一类类给给热热问问题题,将将影影响响给给热热系系数数的的因因素素用用量量纲纲分分析析归归纳纳成成几几个个无无量量纲纲的的特特征征数数,以以减减少少变变量量数数目目,再再用用实实验验确确定定这这些些特特征征数数之之间的具体关系。间的具体关系。5.4.2因次分析在对流给热中的应用因次分析在对流给热中的应用 (2 2)因次)因次分析在对流给热中的应用分析在对流给热中的应用 根根据据前前面面
25、的的分分析析可可知知,影影响响对对流流给给热热系系数数的的因因素素有有(无无相变):相变):(1 1)流体物性:)流体物性:、cp(2)流动状态:)流动状态:u (3 3)传热面特征尺寸:)传热面特征尺寸:l (4 4)自自然然对对流流:Tg (视视为为一一个个变变量量,相相当当单单位位质质量量流体由于温度不同所产生的浮力)流体由于温度不同所产生的浮力)所以对流给热系数是以上七个变量的函数:所以对流给热系数是以上七个变量的函数:令令5.4.2因次分析在对流给热中的应用因次分析在对流给热中的应用 对对SISI制制基基本本量量纲纲有有七七个个,在在此此关关系系有有涉涉及及到到四四个个量量纲纲,包包
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- 传热学 第五 传热 课件
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