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《热工学》第十章传热过程与换热器计算基础

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热工学与换热器 热工学与换热器 热工学基础
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第十章 传热过程 与换热器计算基础 1 § 10-1 传热过程 一、复合换热(Combined Heat Transfer)问题 工程上的处理方法是将辐射换热量折成对流换热量来处理。 1. 求出辐射换热量r 4. 3. 由上式求出 2. 将 r写成牛顿冷却定律形式 2 二、 通过平壁的传热 h1和h 2由前述公式来计算 通过平壁的传热系数可由下式计算: * 注:这里所说的 复合换热处理方法 对以后的讨论完 全 适用。如不特殊说 明,则认为 h 即为 总的换热系数。用 时省去下标t,用 h 表示。 3 二、 通过圆管的传热 物理问题 l: 为管长 di,do:圆管内径,外径; tfi,tfo:管内、外流体温度; twi,two:管内、外壁温度; hi,ho:管内、外侧复合表面传热系数; λ:管壁导热系数;  :热流量。 4 由分析可知: 经整理,可得: 5 对外侧面积而言(即以管外侧面积为基准)的传热系数的 计算式为: 习惯上,工程计算都以管外侧面积为基准。从热阻的角度 来看,上式可以改写为: 若以管内侧面积为基准,则传热系数为: 6 §10-2 传热的强化和隔热保温技术 一、 强化传热的原则和强化对流换热的手段 强化换热 q 就是强化换热  tm k  q  l 增加温差,常常使不可逆损失增大 l 增加k ,主流 7 例题: 压缩空气在中间冷却器的管外横掠流过,ho=90W /(m2.K)。冷却水在管内流过,hi=6000W/(m2.K)。冷却管是外 径为16mm厚1.5mm的黄铜管。求:(a)此时的传热系数;(b) 如管外的对流换热系数增加一倍,传热系数有何变化?(c) 如 管内的对流传热系数增加一倍,传热系数又作如何变化? 解: (a) 黄铜的导热系数为111W/(m.K) 8 (b) 略去管壁热阻,传热系数为 (c) 略去管壁热阻,传热系数为 管外的对流换热系数增加一倍,传热系数增加96% 管内的对流传热系数增加一倍,传热系数增加不足1% 9 强化换热的原则: 在热阻最大的环节上下功夫 一般说来管壁热阻较小,常常要强化对流热阻 强化对流换热的原则: (1). 无相变的对流换热:减薄边界层,加强流体混合; (2). 核态沸腾:增加汽化核心 (3). 膜状凝结:减薄液膜及加速凝结液膜的排泄 (4). 减小污垢热阻:工质的预处理,定期清洗 10 强化换热的手段: 1. 无源技术:除输送传热介质所需的功率外,不需附加动力 l 涂层表面 l 粗糙表面 l 扩展表面 l 扰流元件 l 涡流发生器 l 螺旋管 l 添加物 l 冲击射流 11 二、 通过肋壁的传热 下图是一侧有肋的平壁。在稳态条件下,通过传热过程 各环节的热流量 是一样的,于是可以列出以下方程式: 式中,o=(A1+ A2)/Ao称为肋壁 效率。从以上三式易得: 12 相应的,以光侧表面面积Ai为基准的传热系数为: V 肋化系数 β=Ao/Ai,即加肋后的总表面积与该侧未加肋 时的表面积之比。 V 一般β1,ηo1。 V hoηoβ----当量对流换热系数,即把肋部分折算到对流中 。 于是以肋侧面积Ao为基准得肋壁传热系数为: 13 三、 临界热绝缘直径(Critical Insulation Diameter) 在管道、电线的保温中,为减少或增加散热,则应加厚保温 层还是减少保温层?为了说明这个问题,我们先做一个例题 。 14 解:每米电线在不同的绝缘层外径{do}=0.0051+ 2{ δ }m的散热量为: 例题:外径为5.1mm的铝线,外包=0.15W/(m·K)的绝缘层 。tfo=40ºC,twi≤70ºC。绝缘层表面与环境间的复合传热系数 ho=10W/(m2 ·K)。 求: 绝缘层厚度δ不同时每米电线的散热 量。 计算结果用图线表示于图中。 15 讨论: 4 散热量先增后减, 有最大值 4 最大值的求法 由此得: 16 这个do称为临界热绝缘直径,记为dcr。若dodcr ,则随着do的增大,散热量 Φ将减小。只有当do=dcr时,散热量Φ取得最大值。 如取=0.1W/(m.K),h=9 W/(m2.K),则dcr=22mm,一 般保温动力管道外径大于此值,所以很少有必要考虑临界热 绝缘直径的问题。 临界绝热直径公式还可以改写为: 式中Bi 是管道外表面的毕渥数。 增加表面 强化传热(肋片)导热系数大 削弱传热(保温层)导热系数小 17 § 10-3 换热器的基本概念 • 混合式(Direct-contact Heat Exchange):冷热流体混合进 行传热。 除氧器、喷水减温器 l 间壁式(Undirectional Heat Exchange):冷热流体分别位 于固体壁面两侧。 应用非常广,例如,省煤气、过热器、再热器等等。 l 蓄热式(回热式)(regenerative heat exchanger): 空气预热器 一、 换热器(Heat Exchanger)的主要形式 1. 换热器:使热量由热流体传给冷流体的装置。 18 2. 间壁式换热器有以下几种形式: (1). 套管式(Double Tube Heat Exchanger) (2). 壳管式(Shell and Tube Heat Exchanger)。 19 l 管程(Tube Pass):由管子组成的通道 l 壳程(Shell Pass):管外壳内通道 l 管程数:流体在管内流动方向数 l 壳程数:流体在壳内流动方向数 l 壳管式换热器的命名 壳程数-管程数 1-2型:壳程为1,管称为2;2-4型:壳程为2,管称为4。 (3). 按流动方向,间壁式换热器可分为: l 顺流(Parallel Flow )换热器; l 逆流(Counter Flow)换热器; l 交叉流(Cross Flow)换热器。 一般交叉四次以上即可认为是顺流后逆流。 20 21 (4). 板式换热器(Plate heat exchanger) 板式换热器结构 1.固定压紧板 2.连接口 3.垫片 4.板片 5.活动压紧板 6.下导杆 7.上导杆 8.夹紧螺栓 9.支柱 22 (5). 螺旋管(板)换热器 (Spiral heat exchanger) 23 二、 对数平均温差 (Logarithm Mean Temperature Difference) LMTD 由传热方程: 我们以前令t为算数平均温差,是否正确?请看下图 24 不论逆流、顺流,对数平均温 差可以统一用以下计算式表示 : 式中,tmax代表t’ 和t” 两者中之 大者,而tmin 代表两者中指小者。该 式为确定平均温差tm的基本算式。 25 其值总是大于相同进、出口温度下的对数平均温差。 在此以前,我们计算所用的是算术平均温差 26 M 算术平均温差总大于对数平均温差 M tmax/ tmin越趋近于1时,两者差别越小 Ÿ 当tmax/ tmin2时,两者差别小于4% Ÿ 而当tmax/ tmin 1.7时,两者差别小于2.3% M 锅炉热力计算标准规定,而当tmax/ tmin 1.7时,可用算 术平均温差 27 交叉流及其它形式(简单顺流、逆流除外)换热器的 平均温差算法比较麻烦,有人已经作出了表格,用时可以 直接查表。查法如下: (1). 先按逆流方式算出对数平均温差(tm)c; (2). 将(tm)c乘以一个修正系数,这样问题就归结为求不同 情况下的。 =f (P,R) 而P,R的定义见书P327-329。由图即可查得。注意书上 t’ 和t” 与图的对应关系,不再是我们前面所说的热、冷 流体。 3. 其它复杂布置时换热器平均温差计算 28 理论分析表明,对工程上常见的流经蛇形管束的传热 (参看上图),只要管束的曲折次数超过4次,就可作为纯 逆流和纯顺流来处理。 29 l (tm)c (tm)其它 (tm)p l 逆流冷、热流体的最高温度集中在换热器同一端 l 在蒸发器或冷凝器中,冷、热流体之一发生相变。这类换 热器无所谓顺流和逆流。怎样布置都一样 4. 各种流动形式的比较 4 在蒸发器或冷凝器中,冷、热流体之一发生相变。这类 换热器无所谓顺流和逆流 4 一般温压(差)修正系数介于顺、逆流换热器之间 0.8 30 四、 换热器的热计算 换热器热计算的基本公式 1. 传热方程 2. 热流体放热 3. 冷流体放热 4. 传热系数的计算公式(视具体情况而定) 31 (1). 设计计算(Design Calculation),目的为确定换热器所 需的换热面积。 已知:t1’、t2’、t1”、 t2”中任意三个量, qm1c1 , qm2c2 。 求:F。 实际相当于已知换热量,求换热面积。 32 (2). 校核计算(Checking Calculation),即对已有的或已选 定了的换热面积的换热器,在非设计工况条件下核算它能 否胜任规定的换热任务。 已知:t1’、t2’、 qm1c1 、 qm2c2 、A及布置方式。 求: 锅炉校核热力计算是我们专业常用的热计算之一。 33 例:入口温度为150℃的热空气,流径内径160mm,厚6mm ,长30mm的钢管,流量为407kg/h,管可用40mm厚的泡沫 混凝土保温。其导热系数λ2=0.1W/(m.K),钢的导热系数 λ1=53.7 W/(m.K)。环境温度为15℃,保温层表面对环境的总 换热系数为9.6W/(m.K),求管道出口处的热空气温度。 λ2 did1d0 l λ1 t1’ 34 围墙 λ1 =53.7w/m.℃, λ2=0.1w/m.℃ 冷流体 t1”= t2’=t0=15℃,α0=9.6 w/m.℃ 热流体 t1’=150℃,qm1=407 kg/h=0.113 kg/s d0= d1+2×40=192 mm ρ=30 mm 几何尺度 di=100 mm d1=100+2 × 6=112 mm 已知: λ2 did1d0 l λ1 t1’ 求: t1”= ? 35 解:分析题目,一段管,几何结构已知,热流体通过管子散 热,↑ t1”↓求t1”,用前面公式 ⑴  =qm1c1( t1’-t2”) 求t1”→先求 ⑵  =ktmA 只要求出 tm、k即可,但要求 tm,需要t1” 要、k 与 hi有 关,hi与t1” 有关,故需要用试算方法 设:t1”=110℃ ,t2< t1” < t1’ t1’ t2” t1” t2’ F ①求 ℃ 36 ②求k hi未知、管内强制对流 ℃ 物性ρ=0.876kg/m3,cP=1011 J/(kg.K),λ=3.415×10-2W/(m.K) =23.25 ×10-6 kg/(m.s),Pr=0.685 37 壁温接近管内气体温度可以认为不用温度修正,应校核 ③求 ④求t1” ℃ 解 t1”=110℃ ℃℃ 再假设 t1”=122.8℃ 再算 t1”≈121℃ 注有相变换热器也可以用此方法 38
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