传热内容提要.doc

传热内容提要 以冷热流体在间壁式换热器两侧对流-导热-对流传热为重点，解决热负荷与传热速率匹配问题。热负荷 Q（kJ/s） 按工艺要求对物料进行加热或冷却时，单位时间内必须提供或移走的热量。由热量衡算求得。传热速率 Q（kJ/s） 由换热器的性能、流体的物性、操作情况等因素综合决定。满足工艺要求的换热器的传热速率必须等于热负荷，即传热计算必须同时满足热量衡算式和传热速率式。一、 热量衡算（QL=0）Q=WCCPC（t2-t1）=WhCPh（T1-T2） 两侧物相变 =Whr 热流体恒温相变 =Whr+WhCPh（TS-T2） 热流体冷凝冷却 =WhCPh（T1-TS）+Whr 热流体冷却冷凝 WCP热容流率 R热容流率之比二、传热速率方程式 Q=KStm 1 总传热系数K K值是表征换热器性能的一个重要参数。它取决于流体的物性、换热器的性能及操作条件诸多因素。 （1） 由实验测定 （2） 查经验值列管换热器中K的值大致范围（w/m2）气体水 17280水水 8501700水蒸汽冷凝水 14204250水蒸汽冷凝水沸腾 20004250（3） 公式计算2 导热一维定态付立叶定律 导热系数大致范围物质种类 导热系数（w/m） 纯金属 1001400 金属合金 50500 液态金属 30300 非金属固体 0.0550 液体 0.55 绝热材料 0.051 气体 0.0050.5 固体：=0（1+at） 对大多数金属材料a0液体：除水和甘油外，温度升高，L下降，纯液体的值较纯液 体的大。气体：温度升高，导热系数增大。单层平壁： 多层平壁：单层圆筒壁： 多层圆筒壁：球壁：导热系数的简易测定： 在同套管环隙或球的内、外壳之间装入待测材料，管（球）中心处电加热，分别测出内、外壁的温度，利用导热速率式计算导热系数。有内热源的一维定态热传导：若球壳内有一内热源q0（单位体积散热量J/m3s），取微元球壳列热量衡算，结合付立叶定律：忽略二阶无穷小，整理得：代入付立叶定律求速率。接触热阻： 由于实际物体表面粗糙，即使是具有比较光滑表面的金属，在接触面上也只能做到有限点的接触，层与层之间空气隙的存在形成了附加热阻。保温材料的合理使用：绝热性能好的放在内层，热损失较少。保温层的临界半径： 保温层的传热是导热、对流、辐射联合作用的结果。当保温层的外半径加大时，导热热阻加大，而对流辐射复合热阻减小，总热阻在r0=rc时，存在一个极小值，即传热速率存在一个极大值，rc=/T ，当保温材料的性能不好（导热系数较大）时，若包扎保温层厚的半径r0小于临界半径rc时，热阻反而会增大。3.、对流 当其它热阻可以忽略时， 若0I ，K=I ，K值比小还小。只有提高I 的值，即减小起控制作用的流体传热阻力，方能提高K值，减小总传热阻力。 热阻大的流体分担的温差大，热阻小的流体分担的温差也小。壁温总是接近对流传热系数大的，即热阻小的流体侧的温度。4热边界层和流动边界层相似,将近壁处流体温度有显著变化(存在温度梯度)的区域称作热边界层或温度边界层，工程上由（tw-t）/（tw-t）=0。99来划分热边界层的厚度。热边界层内的温度分布受流动边界层的影响，流体与壁面间的温度差主要集中在层流内层中，改善流动条件，减薄热边界层的厚度，加大近壁处的温度梯度，有利于提高传热系数。热边界层与流动边界层的厚度之比取决于流体的物性。对流传热系数 由上式可见：对于给定的流体和传热温差，即和t一定时，的大小取决于近壁处的温度梯度。当传热温差一定时，温度梯度的大小取决于虚拟膜（有效膜）的厚度。而随流体的湍动程度的加剧或热边界层的减薄而减小，值随之提高。 的经验关联式分两大类四种情况：（1）无相变 NU=f（Re ，Pr ，Gr ） a 强制对流 NU=f（Re ，Pr） b 自然对流 NU=f（Re ，Pr） （2）有相变 c 蒸汽冷凝 d 液体沸腾 无因次数群的物理意义（1） 努赛尔准数NU 等式右侧为壁面处温度梯度和平均温度梯度的比值。在平均温度度一定的条件下，壁面处温度梯度越大，NU越大。NU反映了对流传热的强弱程度。由于壁面处的温度梯度恒大于平均温度梯度，故NU恒大于1，甚至远大于1。 若令 二者均为无因次量,于是 表明NU数反映了壁面处无因次温度梯度的大小,即边界传热的强度。 正比与 NU 数，在、l一定的情况下，的大小取决于NU数，即决定于边界的无因次温度梯度的大小。（2） 雷诺准数ReRe 数反映了流体流动状态对传热系数的影响。 对于园管中的流体，u表示质量流速，u2表示单位时间通过单位截面积的动量，其大小与单位截面积的惯性力成正比。u/d表示流体内部的速度梯度，u/d应与流体内部的粘性力成正比。因此，Re 数就相当于惯性力与粘性力之比。 Re 数小，表示粘滞力起控制作用，抑制流层的扰动；随着Re数的增大，扰动程度加剧，壁面处的温度梯度亦加大，从而提高了传热系数。（3） 普兰特准数PrPr 由三个物性常数组成，反映了物性对传热系数的影响。进一步分析发现，Pr 数代表了运动粘度与导热系数之比。式中运动粘度v的大小反映了流体动量传递的能力；导温系数a反映了流体热量传递的能力。因此，Pr数时对流体传递动量能力和传递热量能力的相对度量，反映了流体流动边界层厚度与传热边界层厚度之间，或相应的速度分布和温度分布之间的对比关系。Pr=1时，两种边界层厚度近似相等Pr1时，流动边界层厚度大于传热边界层厚度。Prt时,在垂直壁面附近流体自然对流,由于在近壁处存在温度梯度,使得流体密度发生变化,其平均密度差近似为(-w)/2,故近壁处流体的浮升力近似为(-w)g/2.若忽略流体自然对流的流动阻力损失作能量衡算,则浮升力所作的功近似等于流体所获得的动能,即:Reb为表示自然对流的雷诺准数,其中l为特征尺寸,故Gr数反映了自然对流的强弱程度.强制对流:低粘度流体在园直管内作强制湍流.流体被加热时,n=0.4 ,流体被冷却时,n =0.3.若n=0.4,物性不变时:讨论：当物性.管径一定时 u0.8 当流量.物性一定时 d-1.8 对流传热系数与温度差的关系: 若传热推动力温度差增加一倍,下列几种流动条件下传热速率增加多少倍?(1) 管内强制湍流 在此条件下,对流传热系数与温度差无关,故:(2) 大容积自然对流 在此条件下,根据GrPr的大小,t1/8-1/3 ,所以(3) 大容积饱和沸腾大容积饱和沸腾的给热系数t2.5 ,所以(4) 蒸汽膜状冷凝蒸汽膜状冷凝给热系数t-1/4 ,所以对流传热系数的范围： 换热方式 对流传热系数范围 空气自然对流 5 -25 气体强制对流 20 -100 水自然对流 20 -1000 水强制对流 1000-15000 水蒸汽冷凝 5000-15000 有机蒸汽冷凝 500 -2000 水沸腾 2500-25000 传热面积 S=ndL 与管子数n 管径d 管长L有关.对数平均温差：逆流时并流时热流体一侧相变时冷热流体两侧相变时 tm=T-t折流 tm=ttm逆流当进出口温度相同时，tm逆tm折tm并 若传热系数K与温度呈线性关系：列管换热器的种类管壳式换热器的设计和选用时应考虑的问题冷热流体走壳、管程的选择折流挡板的形状和间距三传热计算定态传热设计型：求传热面积S操作型：换热调节及换热器校核已知：S（n，d，L），物性（CP，），污垢热阻RSI，RS0，流量（Wh，WC），冷热流体的进出口温度。求：当某侧流体的流量或某一进（出）口温度变化，或换热器清洗后，或流动方式改变或两换热器的组合方式改变时，其它参数如何变化？第一类：求两个温度第二类：求物流量或某一温度 例如：冷流体的流量变化不仅会引起热负荷变化，还会引起传热速率式中传热系数和传热推动力的变化，以达到新情况下热负荷与传热速率的平衡。两种极端情况：A 冷热 ，冷流体流量增大，K值基本上不变。B 原先的t2-t1很小，即使WC增大，tm变化亦很小。传热速率方程式线性化逆流热量衡算式t2=t1+Rh（T1-T2）b由a ，b两式联合求解可得出口温度T2，t2。（第一类 ）对于第二类，由于a式右侧包括待求未