传热机理与设备图例.ppt

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1、传热机理与设备图例,传热基本方式.传热计算和设备结构,传热的三种基本方式,热传导:发生在两直接接触的相对静止物体之间的热量传递.以分子或原子的热运动而传热.热对流:发生在流动流体内部的传热,以自然对流,或强制对流方式进行.热辐射:发生在相距一定距离的物体之间,以电磁波形式而传热.复合传热:以两种或两种以上基本方式而传热.,工业意义的热对流,与普通物理意义热对流不同,工业意义的热对流指流动流体和它所流经的固体壁面之间热量传递,其中将包括普通物理意义热对流和壁面附近滞流层内的热传导.实质为复合传热.,几个概念,稳态传热与非稳态传热。反映传热快慢的：传热速率和热通量。温度场、三维稳态温度场、一维稳态

2、温度场、温度梯度。,间壁式换热器及其典型结构,间壁式换热器是两种流体间换热时最常用的换热器,两流体由金属固体壁面隔开而流动换热.典型结构:套管式.列管式.(见下图),列管式换热器的几个概念和问题,管程.管程流体.多管程壳程.壳程流体.多壳程结构:管束.外壳.封头.管板.折流挡板.工艺接管问题:为什么要设置多管程?,傅立叶定律,反映热传导传热基本规律:传热速率与传热温度梯度,两物体接触面积成正比.比例系数为导热系数.概念:等温面,温度梯度,导热系数.,各类物质导热系数数量级,气体 0.0060.6液体 0.07 0.7非导固体 0.23.0固体 15420绝热材料 0.25以上单位均用W/(m.

3、)。,单层平壁热传导例题1,某平壁厚度为0.37m，内表面温度为1650，外表面温度为300，平壁材料导热系数=0.815+0.00076t（式中t的单位为，的单位为W/(m.)。若将导热系数分别按常量（取平均导热系数）和变量计算时，试求平壁温度分布关系式和导热热通量。,单层平壁热传导例题2,现有一厚度为240mm的砖壁，内壁温度为600，外壁温度为150。试求:通过每平方米砖壁壁面的热流密度q（热通量）。距内壁面为40mm处的壁层温度。壁面总热阻。已知该温度范围内砖壁的平均热导率（导热系数）为0.6W/(m.)。,多层平壁热传导例题1,燃烧炉的内层为460mm厚的耐火砖，外层为230mm厚的

4、绝缘砖。若炉的内表面温度t1为1400，外表面温度t3为100。试求导热的热通量及两砖接触良好，已知耐火砖的导热系数为1=0.9+0.0007t，绝缘砖的导热系数为2=0.3+0.0003t。两式中t可分别取为各层材料的平均温度，单位为,单位为 W/(m.)。,多层平壁热传导例题2,平壁炉的炉壁由三种材料组成,其厚度和导热系数列于本题附表中。若耐火砖层内表面的温度t1为1150，钢板外表面温度t4为30，今测得通过炉壁的热损失为300 W/m2，试计算导热的热通量。若计算结果与实测的热损失不符，试分析原因和计算附加热阻。,上例附表,多层平壁热传导例题3,有一平壁燃烧炉，炉壁由三种材料组成，最内

5、层为耐火砖，中间为保温砖，最外层为建筑砖。各层厚度和导热系数如下附表。今测得炉的内壁温度为1000，耐火砖与保温砖之间界面处的温度为946。试求：单位面积的热损失；保温层与建筑砖之间界面的温度；建筑砖外侧温度。若实测的热通量为150 W/m2，计算附加热阻。,附表,单层圆筒热传导例题1,在外径为140mm的蒸汽管道外包扎保温材料，以减少热损失。蒸汽管外壁温度为390，保温层外表面温度不大于40。保温材料的与t的关系为=0.1+0.0002t（t的单位为,的单位为W/(m.)）若要求每米管长的热损失QL不大450 Wm，试求保温层的厚度以及保温层中温度分布。,单层圆筒热传导例题2,有外径为426

6、mm的水蒸气管路，管外覆盖一层厚度为400mm的保温层。保温材料的热导率随温度的变化关系为=0.5+0.0009t式中t的单位为，的单位为w/(m.)。水蒸气管路外表面温度为150，保温层外表面温度为40。试计算该管路每米长的散热量。,多层圆筒壁热传导例题1,在一603.5mm的钢管外包有两层绝热材料，里层为40mm的氧化镁粉，平均导热系数=0.07 w/(m.)，外层为20mm的石棉层，平均热导率为=0.15 w/(m.)。现用热电偶测得内壁温度为500，最外层表面温度为80，管壁的导热系数为45 w/(m.)。试求每米管长的热损失及两层保温层界面的温度。,保温层临界直径和求算例,保温层临界

7、直径保温层的厚度必须达到某一临界值,否则加厚保温层将使热损失更大.此临界值具有的对应直径.在管径为15mm的管道外加设保温层。若保温材料的导热系数为0.14W/(m.)，外表面对环境空气的对流传热系数为10 W/(m2.)，试求算保温层的临界直径。,对流传热计算和对流传热系数,对流传热计算用牛顿冷却定律.为半经验半理论公式.对流传热系数:将对对流传热有影响的诸多影响因素综合而形成的一个系数.它往往反映为多个准数的相互关系,详见本章对流传热系数关联式.,间壁式换热器传热计算,间壁式换热器的传热过程有:热流体一侧的热对流.间壁内的热传导.冷流体一侧的热对流.总传热系数的由来:与对流传热过程相同,利

8、用两者所具有的共同传热特点,而产生该系数.其计算取决于两侧流体的对流传热系数,壁面热传导导热系数,壁面尺寸.,传热速率计算式例1,某换热器由252.5mm的钢管组成。热空气流经管程，冷却水在管间与空气呈逆流流动。已知管内侧空气的i为50 W/(m2.)，管外水侧的o为1000 W/(m2.)，钢的为45 W/(m.)。试求基于管外表面积的总传热系数Ko及按平壁计的总传热系数。,传热速率计算式例2,在上例中，若将i提高一倍；将o提高一倍。试分别求算总传热系数K。,传热平均温度差确定,总传热速率计算式中的传热温度差指的是间壁传热过程中冷热流体的传热平均温度差.其值的大小在两流体进,出口温度已知,确

9、定了端部温度差时,取决于两流体的相对流动方向.流体的流向种类:逆流,并流,错流,折流,逆流、并流传热温度差比较,热流体由90冷却至70，冷流体由20 加热至60，分别用逆流，并流方式换热，试计算两情况下的平均温度差。又若上述热量交换过程是在一单壳程、双管程管壳式换热器中进行的，则对数平均温度差是多少？,逆流、并流传热温度差例题,用列管式换热器加热原油，原油进、出口温度分别为100、150，加热剂的进、出口温度各自为250、180。试求：分别采用并流、逆流传热的平均温度差；若原油流量为1800kg/h，比热容为2kj/(kg.)，总传热系数为100W/(m2.)，试求两种传热情况下的传热面积；若

10、要求加热剂的出口温度降至150，试求此时并流和逆流的传热平均温度差和传热面积，逆流时的加热剂量可减少多少？（设比热和K不变）,错流和折流的平均温度差计算,先按逆流流动计算出逆流传热平均温度差.通过相关计算并查图,定出温度校正系数,两者相乘,得数值.,间壁换热总传热速率计算例题1,在一单壳程、四管程管壳式换热器中，用水冷却热油。冷水在管内流动，进口温度为15，出口温度为32。热油在壳方流动，进口温度为120，出口温度为40。热油的流量为1.25kg/s，平均比热为1.9kJ/(kg.)。若换热器的总换热系数为470 W/(m2.)，试求换热器的传热面积。,间壁换热总传热速率计算例题2,在一传热外

11、表面积So为300 m2的单程列管换热器中，300 的某种气体流过壳方并被加热到430。另一种560 的气体作为加热介质，两气体逆流流动，流量均为1 104 kg/h，平均比热均为1.05kJ/(kg.)。试求总传热系数。假设换热器的热损失为壳方气体传热量的10%。,间壁换热总传热速率计算例题3,在并流换热器中，用水冷却油。水的进、出口温度分别为15 和40，油的进、出口温度分别为150 和100。现因生产任务要求油的出口温度降到80，假设油和水的流量、进口温度及物性均不变，若原换热器的管长为1m，试确定此换热器的管长需增长到多少米才能满足要求。设换热器的热损失可以忽略。,间壁换热总传热速率计

12、算例题4,在一传热面积为50 m2的单程管壳式换热器中，用水冷却某种溶液。两流体呈逆流流动。冷水的流量为33000kg/h,温度由20升至38。溶液的温度由110降至60。若换热器清洗后，在两流体的流量和进口温度不变的情况下，冷水的出口温度增到45。试计算：两种情况下的总传热系数；换热器清洗前传热面两侧的总污垢热阻。说明：两种情况下，流体物性可视为不变，水的平均比热可取4.187kj/(kg.)；按平壁处理，两种情况下的两侧对流传热系数不变；忽略热损失。,传热单元数法,在只知两换热流体的进口温度,换热器的总传热系数,流体的物理性质时,为确定流体的出口温度而采用的方法.相关概念:传热效率,传热单

13、元数,传热单元长度计算方法:公式法,图解法,传热单元数法例题1,在一传热面积为15.8 m2的逆流套管换热器中，用油冷却水。油的流量为2.85kg/s，进口温度为110；水的流量为0.667kg/s，进口温度为35。油和水的比热分别为1.9及4.18 kJ(kg.）。换热器的总传热系数为320 W/(m2.)。试求水的出口温度。,传热单元数法例题2,在逆流操作的列管换热器中，热气体将2.5kgs的水从35加热到85。热气体的温度由200降到93。水在管内流动。已知总传热系数为180 W/(m2.)，水和气体的比热分别为4.18和1.09 kJ(kg.）。若将水的流量减少一半，气体流量和两流体的

14、进口温度不变，试求因水流量减少一半而使传热量减少的百分数。假设流体的物性不变，热损失可忽略不计。,传热单元数法例题3,重油和原油在单程列管式换热器中呈并流流动，两种油的初温分别为243 和128；终温分别为167 和157。若维持两种油的流量和初温不变，而将两流体改为逆流，试求此时流体的平均温度差及它们的终温。假设在两种流动情况下，流体的物性和总传热系数不变化，换热器的热损失可以忽略。,传热计算综合例,在一传热面积为50 m2的单程列管换热器中，用水冷却某溶液。两流体呈逆流流动。冷水流量为33000kgh，温度由20升到38。溶液的温度由110 降到60。若换热器清洗后，在流体的流量和进口温度

15、不变的情况下，冷水出口温度增到45。试估算换热器清洗前后传热面两侧的污垢热阻。假设：两种情况下，流体物性不变，水的平均比热为4.187kJ(kg.)；可按平壁计算，两种情况下i和o分别相同；忽略管壁热阻和热损失。,对流传热系数关联式简介,对流传热的影响因数有六大方面:流体的种类,流体的物理性质,流体的温度,流体的流型,传热设备的形状与尺寸,相态变化情况.将对流传热影响因素综合,将形成多个准数(如下页),对流传热系数的计算正是各个准数之间的关系,但该关系随流体的流型,传热面形状,流体相态变化而不同.,白金汉因次分析法化工过程常用分析方法，步骤：,将影响过程的n个物理因素列出，并将所有物理量的量纲

16、找出，得出量纲个数m。依据定理，=n-m为无量纲准数的个数。取定m个物理量为组成准数的基本物理量，其原则有：基本物理量中不包括待求量；应有所有基本量纲；量纲 相同的物理量不应包括。,白金汉因次分析法化工过程常用分析方法，步骤（续）：,以基本物理量与剩余的每个物理量单独写成指数表达式，组成每个准数，在该准数量纲为0的条件下，列出方程，求解出每个物理量的指数，可得到各个准数。本例：强制对流传热的对流传热系数，其影响的因素为流体的密度、粘度、导热系数、比热容Cp、流体流速u、换热器尺寸。基本量纲有质量M、时间、温度T、长度L四个。即=n-m=7-4=3个。,强调,每个关联式在应用中需注意使用条件:定

17、性温度,传热设备特征尺寸.,流体无相变时的强制对流传热系数(湍流)1,低粘度流体(低于2倍常温水的粘度):式中，定性温度为流体的进出口平均温度；特征尺寸为管子内径；Re，0.7Pr120，管长与管径比 60；流体被加热时，n=0.4；流体被冷却时，n=0.3。,流体无相变时的强制对流传热系数(湍流)1,高粘度流体(高于2倍常温水的粘度):式中，除 用壁温外，定性温度为流体的进出口平均温度；特征尺寸为管子内径；Re，0.7Pr16700，管长与管径比 60；流体被加热时，=1.05；流体,被冷却时，=0.95。,其他强制湍流情况,短管（60）：上述两式乘以管入口效应校正系数。弯管：上述两式乘以校

18、正系数。其中，为弯管的曲率半径。,圆形直管作强制滞流的对流传热系数,当Gr2.5 105时，自然对流可以忽略，则 当Gr2.5 105时，自然对流效应不能忽略，上式乘以校正系数,流体垂直流过管束外作强制对流,各排的对流传热系数可用下式求出：式中n、C、由实验确定；流速取最窄通道处的流速；定性温度为流体进、出口平均温度。平均对流传热系数为：,蒸汽膜状冷凝时的对流传热1,在水平管外冷凝时：式中，n为水平管束在垂直列上的管子数。,蒸汽膜状冷凝时的对流传热2,在垂直管外冷凝时：（层流Re1800)(湍流Re1800）两式中，l为垂直管长或板高。,大容器沸腾的对流传热,此时,热辐射基本概念,吸收率,透过

19、率,折射率;黑体,镜体,灰体,透热体;物体的辐射能力,单色辐射能力,黑度.,辐射传热基本概念,吸收率A：物体吸收被投射于其上的总辐射能量的分数。反射率R：（反射的分数）透过率D：（透过的分数）黑体：能全部吸收辐射能的物体。（A=1）镜体：能全部反射辐射能的物体。（R=1）灰体：能以相同的吸收率吸收所有波长范围的辐射能的物体。（A=常数）,辐射传热基本定律,普郎克定律揭示了黑体的辐射能力按波长的分配规律。斯蒂芬波尔兹曼定律揭示了黑体的辐射能力与其表面温度的关系。此结论可推广到灰体。克希霍夫定律揭示了物体的辐射能力与吸收率的关系。,热辐射例题,车间内有一高和宽各为3m的铸铁炉门，其温度为227，室

20、内温度为27。为了减少热损失，在炉门前50mm处设置一块尺寸和炉门相同的而黑度为0.11的铝板，试求放置铝板前，后因辐射而损失的热量。,对流-辐射联合传热系数求算,换热设备类型,依换热设备中两流体接触情况:间壁式,混合式,蓄热式.依换热面形状:管式,板面式,异型换热面式.,列管式换热器三种基本类型,固定管板式U型管式浮头式,新型换热器,翅片式螺旋板式板式热管式总体特点:传热效果更好,结构更加紧凑单位体积内提供的传热面积更大,但一般不耐高温,高压.,强化传热的途径,增大传热面积采用波纹面,翅化面,凹凸面或表面焊接金属颗粒,采用小直径管.增大总传热系数提高流体流速,定期除垢,采用短管.增大平均温度差逆流传热,多壳程.,