傳熱過(guò)程和換熱器熱計(jì)算基礎(chǔ).ppt

2019/6/24,河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,1,第十一章 傳熱過(guò)程和換熱器,2019/6/24,河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,2,11-1 傳熱過(guò)程,1.傳熱過(guò)程： 熱量由熱流體通過(guò)固體壁面?zhèn)鹘o冷流體的過(guò)程。,k為傳熱系數(shù)W/(m2)。 在數(shù)值上，傳熱系數(shù)等于冷、熱流體間溫差為1、傳熱面積為1m2時(shí)的熱流量值，是表征傳熱過(guò)程強(qiáng)烈程度的物理量。 傳熱過(guò)程越強(qiáng)，傳熱系數(shù)越大，反之則越弱。,2019/6/24,河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,3,2. 單層平壁,2019/6/24,河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,4,熱流密度：,傳熱系數(shù)：,2019/6/24,河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,5,導(dǎo)熱熱阻,2019/6/24,河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,6,對(duì)流換熱熱阻,2019/6/24,河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,7,4. 多層圓筒壁,3. 多層平壁,2019/6/24,河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,8,例題：一房屋的混凝土外墻的厚度為=200mm ，混凝土的熱導(dǎo)率為=1.5W/(mK) ，冬季室外空氣溫度為tf2=-10, 有風(fēng)天和墻壁之間的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為h2=20W/(m2K)，室內(nèi)空氣溫度為tf1= 25,和墻壁之間的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為h1=5 W/(m2K)。假設(shè)墻壁及兩側(cè)的空氣溫度及表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)都不隨時(shí)間而變化，求單位面積墻壁的散熱損失及內(nèi)外墻壁面的溫度。,2019/6/24,河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,9,解：由給定條件可知，這是一個(gè)穩(wěn)態(tài)傳熱過(guò)程。通過(guò)墻壁的熱流密度，即單位面積墻壁的散熱損失為,2019/6/24,河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,10,根據(jù)牛頓冷卻公式，對(duì)于內(nèi)、外墻面與空氣之間的對(duì)流換熱,2019/6/24,河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,11,【例11-1】已知墻厚200 mm；室內(nèi)空氣溫度為20，室外的空氣溫度為10；磚墻導(dǎo)熱系數(shù)=0.95 W/(m)；室內(nèi)空氣對(duì)墻面的對(duì)流表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h1=8 W/(m2)，室外空氣的對(duì)流表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h2=22 W/(m2)。試求室內(nèi)外空氣通過(guò)單位面積磚墻傳遞的熱量和磚墻內(nèi)側(cè)的溫度。,【解】,通過(guò)單位面積磚墻傳遞的熱量： q=(tf1-tf2)/ (1/h1+/+1/h2)=70.91 W/m2,磚墻內(nèi)表面溫度： tw1= tf1-q/h1=284.1 K,2019/6/24,河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,12,一雙層玻璃，寬1.1m，高1.2m，厚3mm，導(dǎo)熱系數(shù)為1.05W/(mK)；中間空氣層厚5mm，設(shè)空氣層只有導(dǎo)熱作用，導(dǎo)熱系數(shù)為0.026W/(mK)。室內(nèi)空氣溫度為25，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為20W/(m2K)；室外空氣溫度為-10，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為15W/(m2K)。 試計(jì)算： 傳熱過(guò)程各環(huán)節(jié)的單位面積熱阻； 通過(guò)玻璃窗的熱流密度和熱流量。,2019/6/24,河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,13,作業(yè)：,11-1,2019/6/24,河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,14,11-2 傳熱的增強(qiáng)和減弱,強(qiáng)化傳熱的目的：縮小設(shè)備尺寸、提高熱效率、提高傳熱能力 削弱傳熱的目的：減少熱量損失,2019/6/24,河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,15,舉例：兩側(cè)分別為蒸汽和空氣的金屬管壁 空氣側(cè)換熱系數(shù)：h1=30 W/(m2) 蒸汽冷凝側(cè)換熱系數(shù)： h2=5000 W/(m2),改善空氣側(cè)的放熱系數(shù)是強(qiáng)化傳熱的關(guān)鍵。,一、強(qiáng)化傳熱 1.強(qiáng)化換熱的原則： 哪個(gè)環(huán)節(jié)的熱阻大，就對(duì)哪個(gè)環(huán)節(jié)采取強(qiáng)化措施,2019/6/24,河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,16,2.強(qiáng)化換熱的手段： 在表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)較小的一側(cè)采用肋壁。,二、削弱傳熱,增大傳熱總熱阻 增加一層附加導(dǎo)熱熱阻（在需要減少散熱損失的管道外敷設(shè)適當(dāng)?shù)臒峤^緣層）,2019/6/24,河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,17,強(qiáng)化傳熱的基本途徑有三個(gè)方面： 1 、 提高傳熱系數(shù)：應(yīng)采取有效的提高傳熱系數(shù)的措施，如必須提高兩側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)中較小的項(xiàng)。另外應(yīng)注意：在采取增強(qiáng)傳熱措施的同時(shí)，必須注意清除換熱設(shè)備運(yùn)行中產(chǎn)生的污垢熱阻，以免抵消強(qiáng)化傳熱帶來(lái)的效果。 2 、 提高換熱面積：采用擴(kuò)展表面，即使換熱設(shè)備傳熱系數(shù)及單位體積的傳熱面積增加，如肋壁、肋片管、波紋管、板翅式換熱面等；當(dāng)然必須擴(kuò)展傳熱系數(shù)小的一側(cè)的面積，才是使用最廣泛的一種增強(qiáng)傳熱的方法。 3 、 提高傳熱溫差：在冷、熱流體溫度不變的條件下，通過(guò)合理組織流動(dòng)方式，提高傳熱溫差。,2019/6/24,河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,18,2019/6/24,河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,19,【思考】為強(qiáng)化一臺(tái)冷油器的傳熱，有人用提高冷卻水流速的辦法，但發(fā)現(xiàn)效果并不明顯。試分析原因。,【思考】熱水在兩根相同的管內(nèi)以相同流速流動(dòng)，管外分別采用空氣和水進(jìn)行冷卻。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，兩管內(nèi)產(chǎn)生相同厚度的水垢。試問(wèn)水垢的產(chǎn)生對(duì)采用空冷還是水冷的管道的傳熱系數(shù)影響較大？,【思考】有一臺(tái)鋼管換熱器，熱水在管內(nèi)流動(dòng)，空氣在管束間作多次折流橫向沖刷管束以冷卻管內(nèi)熱水。有人提出，為提高冷卻效果，采用管外加裝肋片并將鋼管換成銅管。請(qǐng)你評(píng)價(jià)這一方案的合理性。,2019/6/24,河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,20,【分析】冷油器中由于油的粘度較大，對(duì)流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)較小，占整個(gè)傳熱過(guò)程中熱阻的主要部分，而冷卻水的對(duì)流換熱熱阻較小，不占主導(dǎo)地位，因而采用提高水速的方法，只能減小不占主導(dǎo)地位的水側(cè)熱阻，故效果不明顯。,【思考】為強(qiáng)化一臺(tái)冷油器的傳熱，有人用提高冷卻水流速的辦法，但發(fā)現(xiàn)效果并不明顯。試分析原因。,2019/6/24,河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,21,【分析】采用水冷時(shí)，管道內(nèi)外均為換熱較強(qiáng)的水，兩側(cè)流體的換熱熱阻較小，因而水垢的產(chǎn)生在總熱阻中所占的比例較大，而空氣冷卻時(shí)，氣側(cè)熱阻較大，這時(shí)，水垢的產(chǎn)生對(duì)總熱阻影響不大。故水垢的產(chǎn)生對(duì)采用水冷的管道的傳熱系數(shù)影響較大。,【思考】熱水在兩根相同的管內(nèi)以相同流速流動(dòng)，管外分別采用空氣和水進(jìn)行冷卻。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，兩管內(nèi)產(chǎn)生相同厚度的水垢。試問(wèn)水垢的產(chǎn)生對(duì)采用空冷還是水冷的管道的傳熱系數(shù)影響較大？,2019/6/24,河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,22,【分析】該換熱器管內(nèi)為水的對(duì)流換熱，管外為空氣的對(duì)流換熱，主要熱阻在管外空氣側(cè)，因而在管外加裝肋片可強(qiáng)化傳熱。注意到鋼的導(dǎo)熱系數(shù)雖然小于銅的，但該換熱器中管壁導(dǎo)熱熱阻不是傳熱過(guò)程的主要熱阻，因而無(wú)需將鋼管換成銅管。,【思考】有一臺(tái)鋼管換熱器，熱水在管內(nèi)流動(dòng)，空氣在管束間作多次折流橫向沖刷管束以冷卻管內(nèi)熱水。有人提出，為提高冷卻效果，采用管外加裝肋片并將鋼管換成銅管。請(qǐng)你評(píng)價(jià)這一方案的合理性。,2019/6/24,河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,23,【思考】有人將一碗熱稀飯置于一盆涼水中進(jìn)行冷卻。為使稀飯涼得更快一些，你認(rèn)為他應(yīng)該攪拌碗中的稀飯還是盆中的涼水？為什么？,【分析】從稀飯到?jīng)鏊且粋€(gè)傳熱過(guò)程。顯然，稀飯和水的換熱在不攪動(dòng)時(shí)屬自然對(duì)流。而稀飯的換熱比水要差。因此，要強(qiáng)化傳熱增加散熱量，應(yīng)該用攪動(dòng)的方式強(qiáng)化稀飯側(cè)的傳熱。,2019/6/24,河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,24,11-3 換熱器的基本概念,一、概述 1. 定義：用來(lái)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。,加熱器 冷卻器 蒸發(fā)器 冷凝器,工作任務(wù),殼管式 交叉式 板式 螺旋板式等,形狀,2. 類(lèi)型（按作用原理分） (1) 間壁式 (表面式),(2) 混合式 (3) 回?zé)崾?2019/6/24,河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,25,間壁式換熱器的主要型式 套管式換熱器：最簡(jiǎn)單的一種間壁式換熱器，流體有順流和逆流兩種，適用于傳熱量不大或流體流量不大的情形。,2019/6/24,河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,26,2019/6/24,河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,27,(2)殼管式換熱器：最主要的一種間壁式換熱器，傳熱面由管束組成，管子兩端固定在管板上，管束與管板再封裝在外殼內(nèi)。兩種流體分管程和殼程。,2019/6/24,河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,28,2019/6/24,河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,29,(3) U型管式換熱器：,2019/6/24,河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,30,(4) 翅片管式換熱器：,2019/6/24,河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,31,(5) 板式換熱器： 由一組幾何結(jié)構(gòu)相同的平行薄平板疊加所組成，冷熱流體間隔地在每個(gè)通道中流動(dòng)，其特點(diǎn)是拆卸清洗方便，故適用于含有易結(jié)垢物的流體。,2019/6/24,河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,32,(6) 螺旋板式換熱器：換熱表面由兩塊金屬板卷制而成，優(yōu)點(diǎn)：換熱效果好；缺點(diǎn)：密封比較困難。,2019/6/24,河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,33,二、平均溫差,流動(dòng)方式 順流 逆流 交叉流 (復(fù)雜流),2019/6/24,河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,34,2.簡(jiǎn)單順流及逆流換熱器的對(duì)數(shù)平均溫差,3.算術(shù)平均溫差,2019/6/24,河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,35,2019/6/24,河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院