单元9稳定传热.ppt

1 第二部分单元9稳定传热 热工学基础 2 单元9稳定传热 3 知识点 平壁及圆筒壁的传热 传热的增强和削弱 能力目标 掌握 传热系数 传热热阻 复合换热等基本概念 理解 三种基本传热方式的复合及其特征 熟悉 实际工程中常遇到的传热的增强和削弱的方法 应用 能应用相关概念和公式进行平壁及圆筒壁的热量传递分析和计算 单元9稳定传热 4 前面各章已分别研究了导热 对流换热和辐射换热 了解了它们的换热规律和计算方法 在实际工程中会遇到许多复杂的传热过程 往往是由导热 对流和辐射三种基本传热方式复合而成的 例如 采暖系统中散热器的散热过程 保温管道的热损失等 复合换热问题应抓住主要矛盾 对具体问题具体分析 找出解决问题的办法 本章将讨论平壁及圆筒壁的传热 肋壁传热 以及传热的增强和削弱的方法 单元9稳定传热 5 如前所述 人们把一般的热量传递过程划分为导热 对流和辐射三种基本方式 仅仅是为了研究上的方便 而在实际工程中存在的换热问题 则是由几种方式组成的复杂的热交换过程 如采暖系统中散热器的散热过程 室内热量通过建筑物外维护结构向外散热的过程等都同时存在两种基本热交换方式 这种导热 对流和辐射热交换形式同时存在的换热过程称为复合换热过程 9 1 1复合换热的概念 9 1复合换热 9 1复合换热 6 在实际应用中 为了简化计算 常把几种基本换热方式共同作用的结果看做是由其中某一种主要方式所造成 而其他方式则只是影响主要方式特性的大小而已 例如在研究炉膛中壁面和烟气流之间的换热问题时 常把辐射当作主要换热方式来讨论 而对建筑物的外墙与空气之间的换热问题 又把对流看做是主要换热方式 在计算复合换热的过程中 用换热系数 j f来表示换热过程的强弱 其中 j是考虑对流和导热共同作用时的换热系数 称为接触换热系数 f是考虑辐射作用的换热系数 称为辐射换热系数 如果用tl代表气体的温度 用tb代表壁面温度 则壁面单位表面积的接触传热量为 9 1 2复合换热的计算思路和方法 9 1复合换热 7 9 1复合换热 8 9 1复合换热 9 热流体通过固体壁面将热量传给冷流体的过程是一种复合换热过程 简称为传热 根据固体壁面的形状 这种传热可分为通过平壁 通过圆筒壁和通过肋壁等的传热 9 2 1 1平壁传热的计算公式设有一单层平壁 两侧的表面积分别为F1 F2 且F1 F2 平壁厚度为 导热系数为 平壁两侧的流体温度为tl1 tl2 放热系数为 1和 2 平壁两侧的表面温度为tb1和tb2 见图9 1 9 2通过平壁 圆筒壁的传热计算 9 2 1通过平壁的传热计算 9 2通过平壁 圆筒壁的传热计算 10 在此传热过程中 按热流方向依次有热流体与壁面1间的对流换热 通过平壁的导热 以及壁面2与冷流体间的对流换热 在稳定状态下 热流体与壁面1间传热量 通过平壁的导热量以及壁面2传递给冷流体的热量均相等 即热流体与壁面1间传热量 图9 1通过单层平壁的传热 9 2通过平壁 圆筒壁的传热计算 11 9 2通过平壁 圆筒壁的传热计算 12 9 2通过平壁 圆筒壁的传热计算 13 9 2 1 2传热系数和热阻 9 2通过平壁 圆筒壁的传热计算 14 9 2通过平壁 圆筒壁的传热计算 15 9 2 1 3传热公式的应用 9 9 9 2通过平壁 圆筒壁的传热计算 16 从传热热阻的计算公式可以看出 总热阻等于各部分分热阻之和 工程中遇到的平壁通常是由若干层材料组成的多层平壁 对于多层平壁 总热阻仍等于各部分热阻之和 如图9 2所示 从图中我们可以看出 沿着热流的方向可以将多层平壁的传热过程简化为一个串联电路 这样多层平壁的热流量计算公式为 图9 2通过多层平壁的传热 9 2通过平壁 圆筒壁的传热计算 17 9 2通过平壁 圆筒壁的传热计算 18 9 2 2 1圆筒壁传热的计算公式 图9 3 9 2 2通过圆筒壁的传热计算 图9 3通过单层圆筒壁的传热 9 2通过平壁 圆筒壁的传热计算 19 9 2通过平壁 圆筒壁的传热计算 20 9 2通过平壁 圆筒壁的传热计算 21 9 2 2 2传热系数和热阻 9 2通过平壁 圆筒壁的传热计算 22 9 2通过平壁 圆筒壁的传热计算 23 9 2 2 3传热公式的应用 9 18 9 2通过平壁 圆筒壁的传热计算 24 9 2通过平壁 圆筒壁的传热计算 25 9 2通过平壁 圆筒壁的传热计算 26 在工程中解决实际的传热问题时 有些场合要求增强传热 而另外一些场合则要求尽量减弱传热 这些问题都可以利用前面讲过的传热学原理加以解决 例如减小壁厚和选用导热系数较大的材料 可以减小传热的热阻 增强传热效果 扰动流体和加大流动速度 可以增强接触换热 沸腾时 用搅动流体和清扫加热面的方法可以得到更大的传热量 凝结时 依靠冷却面的适当安排和清扫冷却面 提高蒸汽的流速等 可以使换热增强 在辐射方面 可以设法增加辐射面的黑度 提高表面温度来促进辐射换热 对于几种基本换热方式同时存在的传热过程来说 增强传热就不像上述问题那样简单 只有在仔细分析传热过程的具体情况后才能得到正确的解决 9 3传热的增强 9 3传热的增强 27 9 3 1提高传热系数K的理论途径 9 3传热的增强 28 9 3传热的增强 29 9 3 2 1加肋增强传热工程上常采用肋壁来增强传热 例如采暖用的翼型散热器和串片散热器 通风 空调用的空气加热器和冷却器 锅炉用的铸铁省煤器等等 都是采用肋壁来增加换热面积 减小换热壁面两侧的换热热阻的差值 以达到增强传热的目的 9 3 2增强传热在工程中的应用 图9 4通过肋壁的传热 9 3传热的增强 30 图9 4 9 3传热的增强 31 9 3传热的增强 32 9 3传热的增强 33 9 3传热的增强 34 9 3 2 2提高换热系数 增强传热通过分析对流换热过程知道影响换热量大小的因素很多 例如流体流动情况 液体的物理性质 换热表面的形状和大小等对换热过程都有很大影响 下面仅介绍几种可行的增强传热效果的方法 1 增强流体的扰动增加流速可增加流体扰动 改变流态 提高紊流强度 增大换热系数 流体在管内紊流流动时 换热系数与流速的0 8次方成正比 外掠管束时 与流速的0 6 0 84次方有关 增加流速对增强传热效果显著 此外还可在管内加入干扰物 如金属丝 螺旋环等 来增强流体的扰动 破坏流动边界层 达到增强传热的目的 9 3传热的增强 35 2 破坏边界层用射流喷射传热表面 能直接破坏边界层 因而强化了换热 此法适用于强化局部的传热 是近代强化传热的新技术之一 另外 增加换热表面的粗糙度 改变换热表面涂层和换热表面形状 大小 改变能量传递方式 将对流换热转换成辐射换热 等措施都可不同程度地增强传热效果 3 改变流体物性流体中加入添加剂可以改变流体的某些热物理性质 例如导热系数 容积比热 对换热系数的影响较大 改变流体的这类物理性能能够达到强化传热的效果 添加剂可以是液体 也可以是固体 固体颗粒具有较高的容积比热 加入流体后可提高流体的容积比热和热容量 从而增强了传热 9 3传热的增强 36 加入固体添加剂还可以增强气流的扰动 撞击壁面破坏边界层 携带热能也导致传热增强 液体添加剂喷入蒸汽中 可以促进珠状凝结 喷入水雾 气体 中 能促进壁面形成液膜 达到增强换热的目的 9 3 2 3减小导热热阻以增强传热通过传热系数计算公式可以看出 传热系数随导热热阻 的增加而降低 前面在分析提高传热系数的理论途径时为了简化分析过程 忽略了导热热阻 在工程实践中由于换热设备换热表面的水垢层和烟渣层的存在 会对传热系数K产生很大的影响 因为水垢层和烟渣层的导热系数很小 即使厚度非常薄 也会产生很大的导热热阻 因此不能忽略 这样在日常的管理中必须定期对水垢层和烟渣层进行清理 才能保证设备的正常工作 提高换热设备的传热系数 9 3传热的增强 37 在实际工程中 为了节约能源 提高设备的热效率 或为了减少管道和设备的热损失 保持冷 热流体的温度 常常需要减小传热 由前面讲过的传热学原理可知 当冷热流体的温度保持不变时 可通过增大传热热阻的方法来减小传热 大多数情况下是在壁面上附加一层热绝缘材料 保温层 以增加导热热阻的方式来实现削弱传热的目的 一般工程上所说的热绝缘 保温 材料通常指导热系数不大于0 2W m 的材料 例如目前常用的材料有岩棉 泡沫塑料 微孔硅酸钙 珍珠岩等 它们的导热系数均在0 03 0 05W m 范围内 9 4 1热绝缘的目的和技术措施 9 4传热的削弱 热绝缘 9 4传热的削弱 热绝缘 38 热绝缘层是用来减小热损失的辅助层 从理论角度分析 热绝缘材料越厚 导热热阻就越大 当热绝缘材料的厚度趋于无穷大时管道和设备的热损失趋于零 但热绝缘材料越厚从经济的角度考虑就意味着更大的经济投资 这显然是不现实的 因此就要在投资和热绝缘的效果之间进行折中考虑 在保证热绝缘效果的同时减少投资 由此而确定的热绝缘厚度就是经济厚度 确定方法如下 首先计算不同厚度绝缘层的热损失 然后根据热量损失求出各种不同厚度时的年度经济损失 费用 这样就可以将绝缘层厚度与年度热量损失费用的关系用曲线表示出来 如图9 5中曲线2 其次 计算不同厚度热绝缘的初投资费用和年度折旧费用 并将厚度和费用的关系也用曲线表示 9 4 2热绝缘层的经济厚度 9 4传热的削弱 热绝缘 39 如图9 5中曲线1 由图中可以看出 年度热量损失费用 随绝缘层厚度的增加而减少 而热绝缘层的初投资费用和折旧费用则随绝缘厚度的增加而增大 最后求出不同绝缘层厚度时两种费用的总和 并将这一关系表示为曲线3 见图9 5 曲线3最低点的横坐标所对应的绝缘层