高教傳熱學(xué)第四版課件第10章

第10章傳熱過程分析與換熱器熱計(jì)算本章重點(diǎn)內(nèi)容重點(diǎn)內(nèi)容：①常見傳熱過程的特點(diǎn)及分析；

②換熱器熱計(jì)算的傳熱方程式及熱平衡方程式；

③換熱器的對數(shù)平均溫差；④換熱器熱計(jì)算的根本方法。掌握內(nèi)容：①應(yīng)用傳熱學(xué)知識分析實(shí)際傳熱問題；②綜合應(yīng)用三種根本傳熱方式及其相關(guān)公式；③換熱器熱計(jì)算的根本方法。了解內(nèi)容：了解換熱器的結(jié)構(gòu)型式及熱計(jì)算的步驟。作業(yè)10-3，10-13，10-17，10-22，10-27，10-32，10-4310-1傳熱過程的分析和計(jì)算傳熱方程式：式中：K是傳熱系數(shù)(總傳熱系數(shù))。對于不同的傳熱過程，K的計(jì)算公式不同。

傳熱過程：熱量由壁面一側(cè)的流體通過壁面?zhèn)鞯搅硪粋?cè)流體中去的過程。一.通過平壁的傳熱10-1傳熱過程的分析和計(jì)算K的計(jì)算公式？二.通過圓筒壁的傳熱10-1傳熱過程的分析和計(jì)算內(nèi)部對流：圓筒壁導(dǎo)熱：外部對流：二.通過圓筒壁的傳熱10-1傳熱過程的分析和計(jì)算三.通過肋片的傳熱10-1傳熱過程的分析和計(jì)算肋面總效率：三.通過肋片的傳熱10-1傳熱過程的分析和計(jì)算以肋側(cè)表面積為基準(zhǔn)的肋壁傳熱系數(shù)為：以光側(cè)表面積為基準(zhǔn)的肋壁傳熱系數(shù)為：肋化系數(shù)10-1傳熱過程的分析和計(jì)算四.臨界熱絕緣直徑圓管外加肋片，在增加外表積〔即減小外表換熱熱阻〕的同時(shí)也增加了導(dǎo)熱熱阻在圓管外敷設(shè)保溫層也具有減小外表對流換熱熱阻及增加導(dǎo)熱熱阻兩種作用增強(qiáng)傳熱

削弱傳熱

加保溫層一定能減小熱損失?肋片都用金屬做成，導(dǎo)熱系數(shù)很大，而且肋片所增加的換熱面積的倍數(shù)較高保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)都很小，敷設(shè)保溫層后換熱面積的增加是由于簡單地?cái)U(kuò)大直徑而致，增加的幅度有限10-1傳熱過程的分析和計(jì)算四.臨界熱絕緣直徑那么通過圓筒壁的總熱阻為：設(shè)圓管內(nèi)徑為，外徑為，管壁導(dǎo)熱系數(shù)為，加保溫層后管的外徑為，保溫層的導(dǎo)熱系數(shù)為10-1傳熱過程的分析和計(jì)算四.臨界熱絕緣直徑10-2換熱器的型式及對數(shù)平均溫差一.換熱器的定義：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二.換熱器的分類：

三種類型換熱器三.間壁式換熱器的主要型式10-2換熱器的型式及對數(shù)平均溫差1.套管式換熱器套管式換熱器示意圖2.管殼式換熱器10-2換熱器的型式及對數(shù)平均溫差簡單的殼管式換熱器示意圖1-2型換熱器剖面示意圖10-2換熱器的型式及對數(shù)平均溫差2-4型換熱器示意圖10-2換熱器的型式及對數(shù)平均溫差3.交叉流換熱器(c)板翅式交叉流換熱器10-2換熱器的型式及對數(shù)平均溫差緊湊式換熱器：單位體積內(nèi)所包含的換熱面積大于700m2/m3的換熱器4.板式換熱器10-2換熱器的型式及對數(shù)平均溫差由一組幾何結(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)板式換熱器示意圖5.螺旋板式換熱器換熱外表由兩塊金屬板卷制而成10-2換熱器的型式及對數(shù)平均溫差螺旋板式換熱器10-2換熱器的型式及對數(shù)平均溫差四.簡單順流及逆流換熱器的對數(shù)平均溫差逆流順流傳熱方程式：10-2換熱器的型式及對數(shù)平均溫差假設(shè)：〔1〕冷、熱流體的質(zhì)量流量、及比熱容、在整個(gè)換熱面上都是常量；〔2〕傳熱系數(shù)在整個(gè)換熱面上不變；〔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)。10-2換熱器的型式及對數(shù)平均溫差溫差:微元換熱量:熱流體放熱量:冷流體吸熱量:10-2換熱器的型式及對數(shù)平均溫差10-2換熱器的型式及對數(shù)平均溫差

10-2換熱器的型式及對數(shù)平均溫差逆流:10-2換熱器的型式及對數(shù)平均溫差假設(shè):算術(shù)平均溫差:算術(shù)平均溫差相當(dāng)于流體溫度沿?fù)Q熱外表成線性關(guān)系變化，算術(shù)平均溫差總是大于對數(shù)平均溫差。順流逆流10-2換熱器的型式及對數(shù)平均溫差五.其他復(fù)雜布置時(shí)換熱器平均溫差的計(jì)算本卷須知：〔1〕值取決于無量綱參數(shù)P和R〔2〕P表示流體2的實(shí)際溫升與理論上所能到達(dá)的最大溫升之比，所以只能小于1；R表示兩種流體的熱容量之比〔3〕對于管殼式換熱器，需要注意流動(dòng)的“程”數(shù)10-2換熱器的型式及對數(shù)平均溫差六.各種流動(dòng)型式的比較〔1〕順流和逆流是兩種極端情況，在相同的進(jìn)出口溫度下，逆流的平均溫差最大，順流那么最?。?）順流時(shí)，而逆流時(shí)，則可能大于順流逆流(3)對于有相變的換熱器，如蒸發(fā)器和冷凝器，發(fā)生相變的流體溫度不變，所以不存在順流還是逆流的問題。10-2換熱器的型式及對數(shù)平均溫差10-2換熱器的型式及對數(shù)平均溫差(4)理論分析說明，對工程上常見的流經(jīng)蛇形管束的傳熱,只要管束的曲折次數(shù)超過4次，就可作為純逆流和純順流來處理。(5)其他流動(dòng)型式介于順流與逆流之間，設(shè)計(jì)時(shí)使ψ>0.9。10-3換熱器的熱計(jì)算換熱器熱計(jì)算：設(shè)計(jì)計(jì)算和校核計(jì)算傳熱方程式:設(shè)計(jì)計(jì)算：校核計(jì)算：設(shè)計(jì)一個(gè)新的換熱器，確定所需的換熱面積對已有或已選定了換熱面積的換熱器，在非設(shè)計(jì)工況條件下，核算他能否勝任規(guī)定的新任務(wù)熱平衡方程式：

8個(gè)變量:中的3個(gè)

設(shè)計(jì)計(jì)算：校核計(jì)算：中的3個(gè)10-3換熱器的熱計(jì)算熱計(jì)算的方法：平均溫差法

效能-傳熱單元數(shù)(

-NTU)法

平均溫差法：直接應(yīng)用傳熱和熱平衡方程進(jìn)行熱計(jì)算設(shè)計(jì)計(jì)算的步驟：〔1〕初步布置換熱面，并計(jì)算出相應(yīng)的總傳熱系數(shù)〔2〕根據(jù)給定條件，由熱平衡式求出待定的溫度〔3〕由冷熱流體的4個(gè)進(jìn)出口溫度確定平均溫差〔4〕由傳熱方程式計(jì)算所需的換熱面積A，并核算熱面流體的流動(dòng)阻力〔5〕如果流動(dòng)阻力過大，那么需要改變方案重新設(shè)計(jì)1.平均溫差法：10-3換熱器的熱計(jì)算〔1〕先假設(shè)一個(gè)流體的出口溫度，計(jì)算另一個(gè)出口溫度校核計(jì)算的步驟：〔3〕根據(jù)換熱器的結(jié)構(gòu)，算出相應(yīng)的總傳熱系數(shù)k〔2〕根據(jù)4個(gè)進(jìn)出口溫度求得平均溫差〔6〕比較兩個(gè)值，滿足精度要求，那么結(jié)束，否那么，重新假定出口溫度，重復(fù)(1)~(6)，直至滿足精度要求（4）已知kA和，按傳熱方程式計(jì)算〔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)值10-3換熱器的熱計(jì)算2．換熱器熱計(jì)算的效能—傳熱單元數(shù)法換熱器的效能:換熱器的實(shí)際換熱量與最大可能換熱量的比值

10-3換熱器的熱計(jì)算假定10-3換熱器的熱計(jì)算10-3換熱器的熱計(jì)算逆流換熱器:冷、熱流體之一發(fā)生相變，即趨于無窮大時(shí)：冷、熱流體的值相等:

順流：

逆流：10-3換熱器的熱計(jì)算10-3換熱器的熱計(jì)算10-3換熱器的熱計(jì)算3.用效能-傳熱單元數(shù)法計(jì)算換熱器的步驟設(shè)計(jì)計(jì)算：利用條件計(jì)算出，而待求的k、A那么包含在NTU內(nèi)。設(shè)計(jì)計(jì)算是，求NTU校核計(jì)算：校核計(jì)算是NTU，求。仍需要假設(shè)一個(gè)出口溫度10-3換熱器的熱計(jì)算4.換熱器熱設(shè)計(jì)時(shí)的綜合考慮換熱器設(shè)計(jì)是個(gè)綜合性的課題，必須考慮初投資、遠(yuǎn)行費(fèi)用、平安可靠等因素，而以到達(dá)最正確的綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)為目標(biāo)。流動(dòng)阻力計(jì)算、材料強(qiáng)度計(jì)算、必要的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析與比較流速適當(dāng)考慮污垢熱阻10-3換熱器的熱計(jì)算5.換熱器的結(jié)垢及污垢熱阻污垢熱阻：設(shè)計(jì)時(shí)對污垢熱阻的考慮方法：〔1〕采用污垢熱阻熱阻值〔2〕采用清潔系數(shù)法〔3〕采用富裕面積法10-4傳熱的強(qiáng)化和隔熱保溫技術(shù)強(qiáng)化傳熱的目的：一.強(qiáng)化傳熱的原那么和手段削弱傳熱的目的：縮小設(shè)備尺寸、提高熱效率、保證設(shè)備平安減小熱損失強(qiáng)化傳熱：削弱傳熱：集中在對流換熱與輻射換熱的領(lǐng)域控制導(dǎo)熱過程哪個(gè)環(huán)節(jié)的熱阻大，就對哪個(gè)環(huán)節(jié)采取強(qiáng)化措施1.強(qiáng)化換熱的原那么：無源技術(shù)(被動(dòng)技術(shù))：2.強(qiáng)化換熱的技術(shù)：①涂層外表需要外加的動(dòng)力無需附加動(dòng)力有源技術(shù)(主動(dòng)式技術(shù))：②粗糙外表粗糙表面③擴(kuò)展外表2.強(qiáng)化換熱的技術(shù)：④擾流元件⑤渦流發(fā)生器⑥螺旋管⑧射流沖擊換熱2.強(qiáng)化換熱的技術(shù)：⑦添加物有源技術(shù)(主動(dòng)式技術(shù))：①對換熱介質(zhì)做機(jī)械攪拌⑤將異種或同種流體噴入換熱介質(zhì)或?qū)⒘黧w從換熱外表抽吸走②使換熱外表振動(dòng)③使換熱流體振動(dòng)④將電磁場作用于流體以促使換熱外表附近流體的混合單相對流換熱：減薄邊界層，促使流體各局部混合核態(tài)沸騰換熱：增加汽化核心凝結(jié)換熱：減薄液膜，加速液膜的順利排泄工業(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，代入上式：管殼式換熱器總外表傳熱系數(shù)：二.確定傳熱過程分熱阻的威爾遜圖解法二.確定傳熱過程分熱阻的威爾遜圖解法1.需求背景：三.隔熱保溫技術(shù)高于環(huán)境溫度：采用無機(jī)的絕熱材料2.絕熱材料的選擇：低于環(huán)境溫度：有三個(gè)檔次的絕熱材料可供選擇〔1〕一般性的絕熱材料〔2〕抽真空至10Pa的粉末顆粒熱材料〔3〕多層真空絕熱材料〔1〕多孔型絕熱材料：微孔硅酸鈣〔2〕纖維型絕熱材料：巖棉〔3〕粒狀絕熱材料：膨脹珍珠巖3.保溫效率

三.隔熱保溫技術(shù)——每單位長度裸管的散熱量，W/m——每單位長度包有厚保溫材料的管子的散熱量，W/m

值應(yīng)大于90％

例題1對于、及的情形，畫出順流及逆流時(shí)冷、熱流體溫度沿流動(dòng)方向的變化曲線，注意曲線的凹向與相對大小的關(guān)系，并說明理由。解：順流例題1逆流例題2初始溫度為的流體流入壁溫為常數(shù)的平行板通道，通道長為，流體質(zhì)量流量為，比熱容為。設(shè)流體與平板間對流換熱的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為常數(shù)，試證流經(jīng)該通道后流體與平板間的換熱量為：解：0通過微元流體與固體壁面間的換熱量為：流體溫度上升所需要的熱量為：例題20由熱平衡，得：別離變量并積分：得：例題3某工廠為了利用廢氣來加熱生活用水，自制了—臺簡易的殼管式換熱器，煙氣在內(nèi)徑為30mm的管束的鋼管內(nèi)流動(dòng)，流速為30m/s，入口溫度為200℃，出口溫度取為100℃。冷水在管束與外殼之間的空間內(nèi)與煙氣逆向地流動(dòng)，要求把它從入口處的20℃加熱到50℃，試估算所需的直管長度。煙氣物性可按附錄中標(biāo)準(zhǔn)煙氣的物性值查取。水側(cè)的外表傳熱系數(shù)遠(yuǎn)大于煙氣側(cè)的外表傳熱系數(shù)，煙氣的輻射換熱可略而不計(jì)。解：水側(cè)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)遠(yuǎn)大于煙氣側(cè)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，管壁的平均溫度可取為水的平均溫度，即：℃例題3對于煙氣：℃，則其相應(yīng)的物性參數(shù)為：kg/m3kJ/(kg.K)W/(m.K)m2/s那么氣體被冷卻：假設(shè)計(jì)算得：根據(jù)熱平衡有：解得：m那么:W/(m2.K)m有一臺液－液換熱器，甲、乙兩種介質(zhì)分別在管內(nèi)、外作強(qiáng)制對流換熱。實(shí)驗(yàn)測得的傳熱系數(shù)與兩種流體流速的變化情況如附圖所示。試分析該換熱器的主要熱阻在哪一側(cè)？例題4答：主要熱阻在介質(zhì)乙這一側(cè)，因?yàn)樵黾咏橘|(zhì)甲的流速對傳熱系數(shù)的影響并不大，而增加介質(zhì)乙的流速那么使傳熱系數(shù)明顯上升，這說明介質(zhì)乙的熱阻是影響對流換熱的主要熱阻。例題5附圖所示為溫室房頂玻璃所受的各種熱交換作用的示意圖，圖中：—太陽投入輻射；—大氣投入輻射，在紅外輻射范圍內(nèi)（μm）；—溫室內(nèi)物體的投入輻射，在紅外輻射范圍內(nèi)；—外部流體對流換熱的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)；—外部空氣溫度；—內(nèi)部流體對流換熱的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)；—溫室內(nèi)空氣溫度。該玻璃較薄，沿厚度方向的導(dǎo)熱熱阻可以不計(jì)。對于μm的輻射可認(rèn)為該玻璃是透明的；但對于μm的輻射可認(rèn)為全部吸收。假設(shè)輻射熱流密度均勻地分布在玻璃表面上，玻璃溫度也是均勻的。太陽輻射按5800K黑體輻射處理。（1）試寫出穩(wěn)態(tài)條件下單位玻璃表面積上的能量平衡式；例題5（2）設(shè)℃，℃，W/(m2.K)，W/(m2.K)，W/m2，W/m2，W/m2，試估算溫室內(nèi)的溫度。解：以玻璃外表為研究對象，建立熱平衡方程式：代入數(shù)據(jù)，解得℃例題6在一次外層空間試驗(yàn)里，一個(gè)很小的儀器被投放到宇宙空間中。假設(shè)此儀器可近似地看作直徑為4cm的經(jīng)過外表處理的鋁球，初始溫度為30℃。球的溫度降低到40K時(shí)該儀器就會(huì)失效。設(shè)宇宙空間可視為0K的黑體，試估算該儀器能工作多長時(shí)間而不致失效。球的外表發(fā)射率取為0.96，鋁的物性可近似地取常溫下純鋁的值。解：采用集總參數(shù)法：別離變量積分，得：解得將K代入，解得h例題7直徑為的導(dǎo)線內(nèi)（芯線）內(nèi)有電流流過，其外絕緣層半徑為，由于電阻而引起的單位長度上的發(fā)熱率是均勻的。試證：（1）芯線表面溫度比環(huán)境溫度高：（2）當(dāng)?shù)拇笮∈沟眯揪€表面溫度最低時(shí)，其中心溫度比環(huán)境溫度高：其中，為絕緣層的導(dǎo)熱系數(shù)，為外表面復(fù)合換熱的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，為芯線的導(dǎo)熱系數(shù)。解：芯線中心溫度記為，芯線表面溫度記為，絕緣層外表面溫度記為，環(huán)境溫度記為〔1〕按串聯(lián)電路原理，有那么：（2）當(dāng)?shù)拇笮∈沟眯揪€表面溫度最低時(shí)，應(yīng)有：也即:例題7對于芯線，其完整數(shù)學(xué)描述為：

例題7當(dāng)時(shí)，用初溫為35℃的冷卻水來冷卻流量為1.82kg/s、初溫為150℃的熱油，要求把油冷