2021第三章傳熱

第三章 傳 熱 第三章傳熱 第一節(jié)概述 1－1 傳熱的基本方式 熱傳遞三種基本方式：傳導(dǎo)、對流和輻射。 傳導(dǎo)是物體中溫度較高部分分子，通過碰撞或振動將熱能以動能形式傳給相鄰溫度較低部分的分子，這種物體內(nèi)分子不發(fā)生宏觀位移的傳熱方式。 對流是流體之間的宏觀相對位移所產(chǎn)生的對流運(yùn)動，將熱量由空間中一處傳到他處的現(xiàn)象。 輻射是一種以電磁波傳遞熱量的方式。 工業(yè)的換熱方法：間壁式換熱、混合式換熱和蓄熱式換熱。 1－2 穩(wěn)定傳熱與不穩(wěn)定傳熱 穩(wěn)定傳熱若傳熱系統(tǒng)中各點(diǎn)的溫度僅隨位置變而不隨時(shí)間變，則此傳熱過程為穩(wěn)定傳熱。 不穩(wěn)定傳熱若傳熱系統(tǒng)中各點(diǎn)的溫度既隨位置變又隨時(shí)間而變，則此傳熱過程為不穩(wěn)定傳熱。 第二節(jié)熱傳導(dǎo) 2－1熱傳導(dǎo)的基本概念和付立葉定律 付立葉定律∶ 式中負(fù)號表示熱流體方向與溫度梯度方向相反，即熱量從高溫傳向低溫。 2－2 導(dǎo)熱系數(shù) 付立葉定律中的比例系數(shù)，其值等于溫度梯度下的熱通量。因此，λ值表 示了物質(zhì)導(dǎo)熱能力的大小，是表征物質(zhì)導(dǎo)熱性能的參數(shù)，稱為導(dǎo)熱系數(shù)。 2－3平壁的熱傳導(dǎo) 1．僅限于討論以下條件的熱傳導(dǎo) ⑴穩(wěn)定導(dǎo)熱； ⑵平壁面積與平壁厚度相比很大，熱量只沿垂直壁面的Ｘ方向作一維傳導(dǎo)； ⑶單層或多層平壁中每層都為均質(zhì)材料，各層導(dǎo)熱系數(shù)均為不隨溫度而變化的常數(shù)。 2．通過單層平壁的導(dǎo)熱速率方程式為： 導(dǎo)熱通量表達(dá)式為： 3．通過多層平壁的導(dǎo)熱速度方程，根據(jù)串聯(lián)過程的概念，利用速率與推動力和阻力之間的關(guān)系可以表示為： 導(dǎo)熱通量可表示為： 2－4圓筒壁的導(dǎo)熱 1．討論僅限于如下條件：穩(wěn)定導(dǎo)熱、熱量只沿徑向傳遞的一維導(dǎo)熱、無內(nèi)熱源、導(dǎo)熱系數(shù)為常數(shù)。 2．單層圓筒壁的導(dǎo)熱速率方程： 圓筒內(nèi)外壁面的平均值 其中對于工程計(jì)算，當(dāng)≤2時(shí)，可取或 3．多層圓筒壁導(dǎo)熱速率方程 應(yīng)該注意，對于多層圓筒壁傳導(dǎo)，通過各層的導(dǎo)熱速率都相同，但熱通量則由于各層平均傳熱面積不等而各不相同。 4．導(dǎo)熱速率與導(dǎo)熱溫差及熱阻的關(guān)系 導(dǎo)熱速率 對于定態(tài)傳熱過程，通過各層的導(dǎo)熱速率均相等。 第三節(jié)對流傳熱 1.對流傳熱速率方程 流體與壁面間的對流傳熱速率由牛頓冷卻定律表達(dá)式： 對流傳熱系數(shù)和傳熱面積以及溫度差相對應(yīng)。 2. 對流傳熱系數(shù)的物理意義 稱為對流傳熱系數(shù)，表示流體與壁面間溫差為１℃時(shí)，單位時(shí)間通過單位面積以對流傳熱方式傳遞的熱量。表示了對流傳熱的強(qiáng)度。 第四節(jié)傳熱計(jì)算 4－1 熱負(fù)荷Ｑ的確定 根據(jù)能量衡算，單位時(shí)間內(nèi)熱流體放出之熱量等于冷流體吸收的熱量，即 兩流體均無相變化，則 若熱流體只有相變化而無溫度的變化，例如飽和蒸氣冷凝時(shí)， 4－2 總傳熱速率方程 冷、熱流體通過間壁的傳熱過程是熱流體與壁面的對流傳熱，壁內(nèi)的導(dǎo)熱和另一側(cè)壁面與冷流體的對流傳熱三個(gè)環(huán)節(jié)的串聯(lián)過程。對于穩(wěn)定傳熱過程，冷、熱流體間的傳熱速率： 4－3 平均溫度差 1．恒溫傳熱： 2．變溫傳熱：逆流或并流 當(dāng)≤2時(shí) 3．錯(cuò)流和折流時(shí)的 按逆流計(jì)算，加以校正，即 式中－—按逆流計(jì)算的對數(shù)平均溫差， －—溫差校正系數(shù)，=f(P，R) ， 4－4 總傳熱系數(shù) 1.外表面為基準(zhǔn)的總傳熱系數(shù)計(jì)算式為： 2.熱面積 傳熱面積 式中：S o－—換熱器傳熱的外表面積， L－—換熱器管長， n－—換熱器的管子根數(shù)。 第五節(jié)對流傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式 5－1影響對流傳熱系數(shù)的因數(shù) ⑴流體物性，主要是比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)、密度和黏度； ⑵流體的流動狀態(tài)； ⑶流動的原因是強(qiáng)制對流還是流體自然對流； ⑷傳熱面的形狀、位置和大?。? ⑸傳熱過程中有無相態(tài)變化。 5－2無相變時(shí)對流傳熱系數(shù)的關(guān)聯(lián)式 由對流傳熱過程的因次分析知，與對流傳熱有關(guān)的準(zhǔn)數(shù)有： 努塞爾特準(zhǔn)數(shù)Nu=；雷諾準(zhǔn)數(shù)Re=； 普蘭特準(zhǔn)數(shù)Pr=；格拉斯霍夫準(zhǔn)數(shù)Gr=。 對不同的傳熱情況，需選用不同的對流傳熱的關(guān)聯(lián)式，注意關(guān)聯(lián)式的使用條件：適用范圍、定性溫度、特征尺寸。 1．流體在管內(nèi)作強(qiáng)制對流 （1）流體在圓管內(nèi)作強(qiáng)制湍流 ①低黏度流體(μe t Nu=0.023Re0.8Pr n 流體被加熱時(shí)，n=0.4；流體被冷卻時(shí)，n=0.3。 應(yīng)用范圍Re＞10000，0.7＜Pr＜120 若 特征尺寸管內(nèi)徑d i。 定性溫度流體進(jìn)、出口溫度的算數(shù)平均值。 ②高黏度流體(μ>2μ常溫水) 應(yīng)用范圍Re＞10000，0.7＜Pr＜16700，＞60 特征尺寸管內(nèi)徑d i。 定性溫度除取壁溫外，均取流體進(jìn)、出口溫度的算數(shù)平均值。 令＝，為了避免試差，項(xiàng)可取近似值，液體被加熱時(shí)取1.05；液體被冷卻時(shí)取0.95；氣體被加熱和冷卻時(shí)均用1.0。 （2）流體在圓形直管內(nèi)作強(qiáng)制滯流 應(yīng)用范圍Re＜2300，0.6＜Pr＜6700，＞100。 特征尺寸管內(nèi)徑d i。 定性溫度除取壁溫外，均取流體進(jìn)、出口溫度的算數(shù)平均值。 （3）流體在彎管內(nèi)作強(qiáng)制對流 式中′－—彎管中的對流傳熱系數(shù)； －—直管中的對流傳熱系數(shù)； d－—管內(nèi)徑； R－—彎管的彎曲半徑。 （4）流體在非圓形管中作強(qiáng)制對流 仍可采用圓形直管內(nèi)強(qiáng)制對流關(guān)聯(lián)式，管內(nèi)徑改為當(dāng)量直徑： 流體力學(xué)當(dāng)量直徑 傳熱當(dāng)量直徑 在傳熱計(jì)算中，采用流體力學(xué)當(dāng)量直徑還是傳熱當(dāng)量直徑，由具體的關(guān)聯(lián)式?jīng)Q定。2．流體在管外作強(qiáng)制對流 列管式換熱器殼方流體在管間流動時(shí)，對流傳熱系數(shù)： 當(dāng)列管式換熱器裝有圓缺型擋板時(shí)（缺口面積為25%的橋題解面積） 應(yīng)用范圍Re=2～1 特征尺寸管內(nèi)徑d e。 定性溫度除取壁溫外，均取流體進(jìn)、出口溫度的算數(shù)平均值。 當(dāng)量直徑的計(jì)算 管子為正方形排列 管子為正三角形排列 式中t－—相鄰兩管之中心距； d o－—管外徑。 雷諾準(zhǔn)數(shù)中的速度需根據(jù)流過管間的最大截面積A計(jì)算，即 式中h－—兩擋板間的距離； D－—換熱器外殼直徑。 5－3 流體有相變時(shí)對流傳熱系數(shù) 1．蒸氣在管外膜狀冷凝的傳熱系數(shù) （1）飽和蒸氣在垂直管或垂直板上膜狀冷凝 Re＜1800 Re＞1800 特征尺寸取垂直管長或板的高度 定性溫度蒸氣冷凝潛熱r取飽和溫度t s下的值，其余物性取液膜平均溫度 下的值。 （2）蒸氣在水平管外冷凝 第六節(jié)輻射傳熱 6－1黑體、鏡體、透熱體和灰體的概念 １．黑體：能全部吸收輻射能的物體，其吸收率Ａ＝１。黑體又稱為絕對黑體。 ２．鏡體：又稱絕對白體，是指能全部反射輻射能，即反射率Ｒ＝１的物體。 ３．透熱體：能透過全部輻射能，即透過全部輻射能，即透過率Ｄ＝１的物體。 ４．灰體：能以相同的吸收率且部分地吸收由零到∞所有波長范圍的輻射能物體。 6－2斯蒂芬－波爾茨曼定律 １.物體的輻射能力指物體在一定溫度下，單位時(shí)間內(nèi)所發(fā)射的全部波長的總能量Ｅ（Ｗ／m2）。 ２．黑體的輻射能力的表達(dá)式－斯蒂芬－波爾茨曼定律： 6－3灰體的輻射能力及黑度 １．黑度：ε灰體的輻射能力E與同溫度下黑體輻射能力之比。即 ２．灰體的輻射能力E可由下式表達(dá) 第七節(jié)換熱器 1．各種類型的換熱器的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn) 套管式換熱器 套管式換熱器是由兩種大小不同的標(biāo)準(zhǔn)管連接或焊接而成的同心圓套筒，根據(jù)換熱要求，可將幾段套筒連接起來組成換熱器。 夾套式換熱器 夾套式換熱器主要用于反應(yīng)器的加熱或冷卻。夾套安裝在容器外部，通常用鋼或鑄鐵制成，可以焊在器壁上或者用螺釘固定在反應(yīng)器的法蘭盤或者器蓋上。在用蒸氣進(jìn)行加熱時(shí)，蒸氣由上部連接管進(jìn)入夾壁，冷凝水由下部連接管流出。在進(jìn)行冷卻時(shí)，則冷卻水由下部進(jìn)入，而由上部流出。 板式換熱器 主要由一組長方形的薄金屬板平行排列、夾緊組裝于支架上而構(gòu)成。兩相鄰板片的邊緣襯有墊片，壓緊后可達(dá)到密封的目的，且可用墊片的厚度調(diào)節(jié)兩板間流體通道的大小。每塊板的四個(gè)角上，各開一個(gè)圓孔，其中有兩個(gè)圓孔和板面上的流道相通，另外兩個(gè)圓孔則不相通，它們的位置在相鄰板上是錯(cuò)開的，以分別形成兩流體的通道。冷、熱流體交替地在板片兩側(cè)流過，通過金屬板片進(jìn)行換熱。 翅片式換熱器 翅片換熱器的構(gòu)造特點(diǎn)是在管子表面上有徑向或軸向翅片。管外裝置翅片，既可擴(kuò)大傳熱面積，又可增加流體的湍動，從而提高換熱器的傳熱效果。 板翅式換熱器 板翅式換熱器的結(jié)構(gòu)型式很多，但其基本結(jié)構(gòu)元件相同，即在兩塊平行的薄金屬板(平隔板)間，夾入波紋狀的金屬翅片，兩邊以側(cè)條密封，組成一個(gè)單元體。將各單元體進(jìn)行不同的疊積和適當(dāng)?shù)嘏帕?，再用釬焊給予固定，即可得到常用的逆、并流和錯(cuò)流的板翅式換熱器 板翅式換熱器的主要優(yōu)點(diǎn)有： (1)總傳熱系數(shù)高，傳熱效果好。(2)結(jié)構(gòu)緊湊、輕巧牢固。(3)適應(yīng)性強(qiáng)、操作范圍廣。 板翅式換熱器的缺點(diǎn)有： (1)設(shè)備流道小，易堵塞，壓力降大；清洗和檢修很困難。 (2)隔板和翅片由薄鋁片制成，故要求介質(zhì)對鋁不發(fā)生腐蝕。 2．列管式換熱器傳熱計(jì)算的主要內(nèi)容及方法；選適當(dāng)?shù)膿Q熱器。 試算并初選設(shè)備規(guī)格 (1)確定流體在換熱器中的流動途徑； (2)根據(jù)傳熱任務(wù)計(jì)算熱負(fù)荷Q； (3)確定流體在換熱器兩端的溫度，選擇列管換熱器的型式；計(jì)算定性溫度，并確定在定性溫度下的流體物性； (4)計(jì)算平均溫度差，并根據(jù)溫度差校正系數(shù)不應(yīng)小于0.8的原則，決定殼程數(shù)； (5)依據(jù)總傳熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)值范圍，或按生產(chǎn)實(shí)際情況，選定總傳熱系數(shù)K值； (6)由總傳熱速率方程，初步算出傳熱面積S，并確定換熱器的基本尺寸(如 d、L、n及管子在管板上的排列等)，或按系列標(biāo)準(zhǔn)選擇設(shè)備規(guī)格。 計(jì)算管程、殼程壓強(qiáng)降 根據(jù)初定的設(shè)備規(guī)格，計(jì)算管程、殼程流體的流速和壓力降，檢查計(jì)算結(jié)果是否合理或滿足工藝要求。若壓力降不符合要求，要調(diào)整流速，再確定管程數(shù)或折流板間距，或選擇另一規(guī)格的換熱器，重新計(jì)算壓力降直至滿足要求為止。 核算總傳熱系數(shù) 計(jì)算管程、殼程對流傳熱系數(shù)，確定污垢熱阻R si和R so，再計(jì)算總傳熱系數(shù)K’比較K 的初設(shè)值和計(jì)算值，若K’／K＝1.15～1.25，則初選的換熱器合適，否則需另設(shè)K值，重復(fù)以上計(jì)算步驟。 上述計(jì)算步驟僅為一般原則，設(shè)計(jì)換熱器時(shí)，視具體情況可以靈活變動。 3．傳熱過程的強(qiáng)化途徑 (１)增大傳熱面積；增大換熱器單位體積的傳熱面積。 (２)增大平均傳熱溫差。平均溫差的大小取決于兩流體的溫度和流動方式，采用逆流操作可獲得較大的傳熱溫差。 (３)增大總傳熱系數(shù)。提高Ｋ值必須減少各項(xiàng)熱阻。減少熱阻的方法有：提高對流傳熱系數(shù)（加大流速）；防止結(jié)垢或及時(shí)清除垢層等。 由于各項(xiàng)熱阻在總熱阻中所占的比重不同，只有設(shè)法大幅度減少對Ｋ值影響較大的熱阻才能有效地增加總傳熱系數(shù)。