第九章傳熱過程分析與換熱器熱計(jì)算

1、第九章 傳熱過程分析與換熱器熱計(jì)算,§ 9-1 傳熱過程的分析和計(jì)算 傳熱過程 基本計(jì)算式(傳熱方程式),傳熱過程分析求解的基本關(guān)系為傳熱方程式,,,式中 為傳熱系數(shù)（在容易與對(duì)流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)想混淆時(shí)，稱總傳熱系數(shù)）。,1、通過平壁的傳熱,,由于平壁的兩側(cè)的面積是相等的，因此傳熱系數(shù)的數(shù)值不論對(duì)哪一側(cè)來說都是一樣的。,2 通過圓管的傳熱,在穩(wěn)態(tài)條件下，通過各環(huán)節(jié)的熱流量是不變的。,圓柱面導(dǎo)熱：

2、,外部對(duì)流：,內(nèi)部對(duì)流：,對(duì)外側(cè)面積而言得傳熱系數(shù)的定義式由下式表示：,,,從熱阻的角度來看,上面三式相加,3、通過肋壁的傳熱,在表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)較小的一側(cè)采用肋壁是強(qiáng)化傳熱的一種行之有效的方法。下面以平壁的一側(cè)為肋壁的較簡(jiǎn)單的情況，作為分析肋壁傳熱的對(duì)象。,,,,,,式中， 為肋面總效率。,,定義肋化系數(shù)： 則傳熱系數(shù)為所以，只要 就可以起到強(qiáng)化

3、換熱的效果。,4、臨界熱絕緣直徑,為了減少管道的散熱損失，采用在管道外側(cè)覆蓋熱絕緣層或稱隔熱保溫層的辦法。熱流體通過管道壁和絕緣層傳熱給冷流體傳熱過程的熱阻為,,管道的散熱量為,根據(jù) ，可解得,這個(gè) 成為臨界熱絕緣直徑記為,§ 9-2 換熱器的型式及平均溫差,用來使熱量從熱流體傳遞到冷流體，以滿足規(guī)定的工藝要求的裝置統(tǒng)稱換熱器。分為間壁式、混合式及蓄熱式（或稱回?zé)崾剑┤箢悺?1、間壁式換熱器的主

4、要型式,適用于傳熱量不大或流體流量不大的情形。,（1）套管式換熱器,（2）殼管式換熱器,這是間壁式換熱器的一種主要形式，又稱管殼式換熱器。,,,1-2型換熱器,2-4型換熱器,（3）交叉流換熱器,它是間壁式換熱器的又一種主要型式。根據(jù)換熱表面結(jié)構(gòu)的不同又可有管束式、管翅式及板翅式等的區(qū)別 。,（4）板式換熱器,板式換熱器拆卸清洗方便，故適合于含有易污染物的流體的換熱。,,（5）螺旋板式換熱器,這種換熱器換熱效果較好，缺點(diǎn)是換熱器的密封比

5、較困難。,2 簡(jiǎn)單順流及逆流換熱器的對(duì)數(shù)平均溫差,傳熱方程的一般形式：,這個(gè)過程對(duì)于傳熱過程是通用的，下面推導(dǎo)簡(jiǎn)單順流及逆流換熱器的平均溫差計(jì)算式。,順流時(shí)平均溫差的推導(dǎo),以順流情況為例，作如下假設(shè)：（1）冷熱流體的質(zhì)量流量qm2、qm1以及比熱容C2,C1是常數(shù)；（2）傳熱系數(shù)是常數(shù)；（3）換熱器無散熱損失；（4）換熱面沿流動(dòng)方向的導(dǎo)熱量可以忽略不計(jì)。,在前面假設(shè)的基礎(chǔ)上，并已知冷熱流體的進(jìn)出口溫度，現(xiàn)在來看圖9-13中微元換

6、熱面dA一段的傳熱。溫差為：,在固體微元面dA內(nèi)，兩種流體的換熱量為:,對(duì)于熱流體:,對(duì)于冷流體:,,,,,可見，當(dāng)?shù)販夭铍S換熱面呈指數(shù)變化，則沿整個(gè)換熱面的平均溫差為：,,,,(1),(2),(3),,(1)、(2)、(3)相加,對(duì)數(shù)平均溫差,不論順流還是逆流，對(duì)數(shù)平均溫差可統(tǒng)一用以下計(jì)算式表示：,,平均溫差的另一種更為簡(jiǎn)單的形式是算術(shù)平均溫差，即,3、復(fù)雜布置時(shí)換熱器平均溫差的計(jì)算套管式換熱器及螺旋板式換熱器的平均溫差可以方便的按

7、逆流或順流布置的公式來計(jì)算。但對(duì)于殼管式換熱器及交叉流式換熱器的平均溫差一般采用以下公式來計(jì)算：,,,4、各種流動(dòng)型式的比較在相同的進(jìn)、出口溫度條件下：①逆流的平均溫差最大；②順流的平均溫差最?。虎劢徊媪鬟m中。 因此，換熱器應(yīng)當(dāng)盡量布置成逆流，而盡可能避免作順流布置。 但逆流也有缺點(diǎn)，即熱流體和冷流體的最高溫度 集中在換熱器的同一端。,,,,,,§ 9-3 換熱器的熱計(jì)算,分為設(shè)計(jì)計(jì)算和校核計(jì)算。換熱

8、器熱計(jì)算的基本公式為,,,傳熱方程式:,熱平衡方程式：,1、換熱器計(jì)算的平均溫差法平均溫差法用作設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)步驟如下：（1）初步布置換熱面，計(jì)算出相應(yīng)的傳熱系數(shù) 。（2）根據(jù)給定條件，由熱平衡式求出進(jìn)、出口溫度 中的那個(gè)待定的溫度 。（3）由冷、熱流體的4個(gè)進(jìn)、出口溫度確定平均溫 差，計(jì)算時(shí)要注意保持修正系數(shù) 具有合適 的數(shù)值。（4）由傳熱方程求出所需要的換熱面積 ，并核算

9、 換熱面兩側(cè)有流體的流動(dòng)阻力。（5）如流動(dòng)阻力過大，改變方案重新設(shè)計(jì)。,,,,,對(duì)于校核計(jì)算具體計(jì)算步驟：（1）先假設(shè)一個(gè)流體的出口溫度，按熱平衡式計(jì)算另一個(gè)出口溫度（2）根據(jù)4個(gè)進(jìn)出口溫度求得平均溫差（3）根據(jù)換熱器的結(jié)構(gòu)，算出相應(yīng)工作條件下的總傳熱系數(shù)k,（4）已知k、A和 ，按傳熱方程式計(jì)算在假設(shè)出口溫度下的（5）根據(jù)4個(gè)進(jìn)出口溫度，用熱平衡式計(jì)算另一個(gè) ，這個(gè)值和上面的 ，都是在假設(shè)出口溫度下得到

10、的，因此，都不是真實(shí)的換熱量（6）比較兩個(gè) ? 值，滿足精度要求，則結(jié)束，否則，重新假定出口溫度，重復(fù)(1)~(6)，直至滿足精度要求。,2 效能-傳熱單元數(shù)法(1)傳熱單元數(shù)和換熱器的效能,,,換熱器的效能按下式定義：,換熱器交換的熱流量：,①,下面揭示換熱器的效能與哪些變量有關(guān)。 以順流換熱器為例，并假設(shè) 則有,根據(jù)熱平衡式得：,②,于是,式①， ②相加：,整理：,由上一節(jié)知道,③,帶入③式

11、得,把上一節(jié)中 帶入上式得,④,⑤,當(dāng) 時(shí)，類似推導(dǎo)可得,⑥,將⑤⑥合并寫成,⑦,令,⑦可寫成,類似的推導(dǎo)可得逆流換熱器的效能為,稱為傳熱單元數(shù),,當(dāng)冷熱流體之一發(fā)生相變時(shí)，即 趨于無窮大時(shí)，于是上面效能公式可簡(jiǎn)化為,當(dāng)兩種流體的熱容相等時(shí)， ? 公式可以簡(jiǎn)化為,順流：,逆流：,根據(jù) 及 的定義及換熱器兩類熱計(jì)算的任務(wù)可知，設(shè)計(jì)計(jì)算是已知 求 ，而校核計(jì)算則是由 求取

12、 值。它們計(jì)算步驟都與平均溫差中對(duì)應(yīng)計(jì)算大致相似，故不再細(xì)述。,,,,,,3、用效能—傳熱單元數(shù)法（法）計(jì)算換熱器的步驟,4 換熱器設(shè)計(jì)時(shí)的綜合考慮 換熱器設(shè)計(jì)是綜合性的課題，必須考慮出投資，運(yùn)行費(fèi)用，安全可靠等諸多因素。5 換熱器的結(jié)垢及污垢熱阻 污垢增加了熱阻，使傳熱系數(shù)減小，這種熱阻成為污垢熱阻，用Rf表示，式中：k為有污垢后的換熱面的傳熱系數(shù)，k0為潔凈換熱面的傳熱系數(shù)。,對(duì)于兩側(cè)均已結(jié)構(gòu)的管殼式換熱器

13、，以管子外表面為計(jì)算依據(jù)的傳熱系數(shù)可以表示成：如果管子外壁沒有肋化，則肋面總效率?o = 1。管殼式換熱器的部分污垢熱阻可以在表9-1種查得。,§ 9-4 傳熱的強(qiáng)化和隔熱保溫技術(shù),強(qiáng)化傳熱的目的：①縮小設(shè)備尺寸；②提高熱效率；③保證設(shè)備安全。削弱傳熱的目的：減少熱量損失,1、增強(qiáng)傳熱的方法,（1）擴(kuò)展傳熱面 擴(kuò)展傳熱壁換熱系數(shù)小的一側(cè)的面積，是增強(qiáng)傳熱中使用最廣泛的一種方法，如肋壁、肋片管、波紋

14、管、板翅式換熱面等，它使換熱設(shè)備傳熱系數(shù)及單位體積的傳熱面積增加，能收到高效緊湊的效益。,（2）改變流動(dòng)狀況 增加流速、增強(qiáng)擾動(dòng)、采用旋流及射流等都能起增強(qiáng)傳熱的效果，但這些措施將引起流動(dòng)阻力的增加。,a、增加流速 增加流速可改變流態(tài)，提高紊流強(qiáng)度。,,b、流道中加插入物增強(qiáng)擾動(dòng) 在管內(nèi)或管外加進(jìn)插入物，如金屬絲、金屬螺旋環(huán)、盤片、麻花鐵、翼形物，以及將傳熱面做成波紋狀等措施都可增強(qiáng)擾動(dòng)、破壞流動(dòng)邊界

15、層，增強(qiáng)傳熱。,c、采用旋轉(zhuǎn)流動(dòng)裝置 在流道進(jìn)口裝渦流發(fā)生器，使流體在一定壓力下從切線方向進(jìn)入管內(nèi)作劇烈的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，用渦旋流動(dòng)以強(qiáng)化傳熱。d、采用射流方法噴射傳熱表面 由于射流撞擊壁面，能直接破壞邊界層，故能強(qiáng)化換熱。它特別適用于強(qiáng)化局部點(diǎn)的傳熱。,（3）使用添加劑改變流體物性 流體熱物性中的導(dǎo)熱系數(shù)和容積比熱對(duì)換熱系數(shù)的影響較大。在流體內(nèi)加入一些添加劑可以改變流體的某些熱物理性能，達(dá)到強(qiáng)化傳熱的效果。添加劑可以

16、是固體或液體，它與換熱的主流體組成氣-固、液-固、汽-液以及液-液混合流動(dòng)系統(tǒng)。,a、氣流中添加少量固體顆粒 固體顆粒提高了流體的容積比熱和它的熱容量，增強(qiáng)氣流的擾動(dòng)程度，固體顆粒與壁面撞擊起到破壞邊界層和攜帶熱能的作用，增強(qiáng)了熱輻射。,b、在蒸汽或氣體中噴入液滴 在蒸汽中加入珠狀凝結(jié)促進(jìn)劑； 在空氣冷卻器入口噴入水霧，使氣相換熱變?yōu)橐耗Q熱。,（4）改變表面狀況,a、增加粗糙度b、改變表面結(jié)構(gòu)c、表面涂層,（5

17、）改變換熱面形狀和大小 如用小直徑管子代替大直徑管子，用橢圓管代替圓管的措施而收到提高換熱系數(shù)的好處。此外，在凝結(jié)換熱中盡量采用水平管亦是一例。（6）改變能量傳遞方式 由于輻射換熱與熱力學(xué)溫度4次方成比例，一種在流道中放置“對(duì)流-輻射板”的增強(qiáng)傳熱方法正逐步得到重視。,,,（7）靠外力產(chǎn)生振蕩，強(qiáng)化換熱 用機(jī)械或電的方法使傳熱面或流體產(chǎn)生振動(dòng)； 對(duì)流體施加聲波或超聲波，使流體交替地受到壓縮和膨

18、脹，以增加脈動(dòng)； 外加靜電場(chǎng)，對(duì)流體加以高電壓而形成一個(gè)非均勻的電場(chǎng)，靜電場(chǎng)使傳熱面附近電介質(zhì)流體的混合作用加強(qiáng)，強(qiáng)化了對(duì)流換熱。,2 確定傳熱過程分熱阻的威爾遜圖解法 利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以測(cè)定壁面和流體的溫度，從而獲得平均溫差，利用熱平衡方程式獲得熱流量，換熱面積可以根據(jù)設(shè)計(jì)情況獲得，這樣就可以通過傳熱方程式計(jì)算出總表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。這是威爾遜圖解法的基礎(chǔ)。 我們已管殼式換熱器為例，說明如何應(yīng)用威爾遜圖解法獲得各個(gè)

19、分熱阻?？偙砻?zhèn)鳠嵯禂?shù)可以表示成：,工業(yè)換熱器中的管內(nèi)流體的流動(dòng)一般都是處于旺盛湍流狀態(tài)，hi 與流速u0.8成正比，因此，可以寫成 的形式，帶入上式：,上式右邊的前三項(xiàng)可認(rèn)為是常數(shù)，用 b 表示，物性不變的情況下， 可以認(rèn)為是常數(shù)，用m表示，于是上式可變?yōu)楦淖児軆?nèi)流速u，則可以測(cè)得一系列的總表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，然后繪制成圖，則是一條直線，如圖(9-31)所示,從這個(gè)圖中可以獲得b，m，和ci，從而，管子內(nèi)側(cè)的

20、對(duì)流換熱系數(shù)這樣就將內(nèi)部熱阻從總傳熱系數(shù)中分離出來，然后，當(dāng)換熱器運(yùn)行一段時(shí)間后，再進(jìn)行同樣過程的測(cè)量，可以獲得另外一條曲線，則兩條曲線截距之差就是污垢熱阻，這樣又把污垢熱阻分離出來了。,3、隔熱保溫技術(shù) 絕熱技術(shù)（隔熱保溫技術(shù)）對(duì)于減少熱力設(shè)備的熱損失、節(jié)約能源具有顯著經(jīng)濟(jì)效益。在新技術(shù)領(lǐng)域，絕熱技術(shù)對(duì)于實(shí)現(xiàn)某些過程具有特別重大的意義。例如，各種高速飛行器（如航天飛機(jī)等）在通過大氣層時(shí)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的氣動(dòng)加熱，若無適當(dāng)?shù)?/p>