化工原理第五章 传热

第五章传热 Heattransfer 一 学习目的通过本章学习 掌握传热的基本原理和规律 并运用这些原理和规律去分析和计算工程实际应用过程的有关传热的问题 二 学习要点本章重点内容 1 热传导速率方程及其应用 2 换热器的热量衡算 总传热速率方程和总传热系数的计算 3 对流传热系数的影响因素及量纲分析法 4 换热器的结构形式和传热强化途径 2 本章应掌握的内容 1 传热的基本方程式 2 间壁式换热器 3 对流传热机理和对流传热系数 4 辐射传热速率方程及其应用 5 换热器设计的规范 相关计算和设备选型要考虑的问题 本章学习指导 特别是在下列技术领域大量存在传热问题 动力 化工 制冷 建筑 机械制造 新能源 微电子 核能 航空航天 微机电系统 MEMS 新材料 军事科学与技术 生命科学与生物技术 传热学在生产技术等众多领域中的应用十分广泛 a航空航天 高温叶片气膜冷却与发汗冷却 火箭推力室的再生冷却与发汗冷却 卫星与空间站热控制 空间飞行器重返大气层冷却 超高音速飞行器冷却 核热火箭 电火箭 微型火箭 电火箭 化学火箭 太阳能高空无人飞机 SpaceShuttleDiscovery 美国发现号航天飞机升空 载人飞船 MannedSpacecraft 对接 Docking A B va 交会 Rendezvous 礼炮4号与联盟号货运飞船对接示意图 和平号空间站 b微电子 电子芯片冷却c生物医学 肿瘤高温热疗 生物芯片 组织与器官的冷冻保存d军事 飞机 坦克 激光武器 弹药贮存e制冷 跨临界二氧化碳汽车空调 热泵 高温水源热泵f新能源 太阳能 燃料电池 徐州发电厂 5 1概述 传热是因温差导致的能量传递过程 又称热传递 由热力学第二定律可知 在有温度差存在时 热量会自发地从高温处传递到低温处 因此 传热是自然界和工程技术领域中普遍存在的能量传递现象 无论是在能源 化工 冶金等工业部门 还是在农业 环境保护等行业中都会涉及到传热问题 化学工业与传热的关系尤为密切 因为化工生产中的很多过程和单元操作 都需要加热和冷却 精馏操作中的传热过程 塔釜上升蒸汽塔顶冷凝产品 江苏张家港某企业有一化工设备 材质为碳钢 设备壁厚12mm 设备内物料温度63 物料流量220T h 保温前设备外表面温度53 设备总外表面积1000m2 具体外形见下图 上下箱体长24m 需要计算保温前后的热损失 已知当地室外平均气温冬季5 春季17 夏季25 计划保温层厚度50mm 保温材料 0 043W m k 传热具体应用实例 在设计时进行合理的优化设计使其在满足工艺要求的条件下投资费用最小 在操作中进行最优化操作 对节省传热设备投资 节省能源有着重要的意义 最佳保温层厚度问题目前 城市居民楼很多都是简单的平屋顶 假设屋顶由里向外的结构是0 1 cm 涂料 1 5 cm 水泥砂浆 20 cm 楼板 2 cm 水泥砂浆 珍珠岩保温层 2 cm 水泥砂浆 1 cm 三毡四油防水材料 北方地区这样的屋顶 夏季太阳日照下的表面温度最高可以达到摄氏75度 冬季为摄氏零下40度 为了保持室内有较好的舒适温度 又不造成浪费 1 保温层厚度应该多厚为好 2 如果更换保温层成其它保温材料 你认为那种好 其厚度是多少 化工生产中对传热过程的要求通常有以下两种情况 一是强化传热 即加大传热过程速率的过程 如各种换热设备中的传热 要求传热速率快 传热效果好 另一种是削弱传热 也即减小传热速率的过程 要求传热速率慢 以减少热量或冷量的损失 如设备和管道的保温过程 稳态传热和非稳态传热稳态传热 各点温度分布不随时间而改变非稳态传热 各点温度随位置和时间而变说明 连续生产过程中的传热多为稳态传热 5 1 1传热的基本方式根据机理的不同 传热有三种基本方式 热传导 热对流和热辐射 传热过程可依靠其中的一种或几种方式同时进行 热传导conduction热传导又称导热 是借助物质的分子或原子振动以及自由电子的热运动来传递热量的过程 当物质内部在传热方向上无质点宏观迁移的前提下 只要存在温度差 就必然发生热传导 对流convection由于流体质点的转移或者混合 将热量从一处传至另一处称为热对流 这是流体质点宏观运动的结果 自然对流 密度差为推动力 强制对流 外力的作用 如泵 风机 搅拌等 热辐射radiation通过电磁波传递热量的过程 1 直接接触式换热和混合式换热器主要特点 冷热两种流体间的热交换 是依靠热流体和冷流体直接接触和混合过程实现的 优点 传热速度快 效率高 设备简单 是工业换热器的首选类型 典型设备 如凉水塔 喷洒式冷却塔 混合式冷凝器适用范围 无价值的蒸气冷凝 或其冷凝液不要求是纯粹的物料等 允许冷热两流体直接接触混合的场合 5 1 2冷热两种流体的接触方式及换热器 2 间壁式换热和间壁式换热器主要特点 冷热两种流体被一固体间壁所隔开 在换热过程中 两种流体互不接触 热量由热流体通过间壁传给冷流体 以达到换热的目的 优点 传热速度较快 适用范围广 热量的综合利用和回收便利 典型设备 套管式换热器 列管式换热器 适用范围 不许直接混合的两种流体间的热交换 热量由热流体靠对流传热传给金属壁的一侧 对流给热 热量自管壁一侧以热传导的形式传至另一侧 导热 热量以对流传热的方式从壁面的另一侧传给冷流体 对流给热 间壁式换热器内冷 热流体间的传热过程可以包括以下三个步骤 3 蓄热式换热器蓄热式换热器 简称蓄热器 是借助蓄热体将热量由热流体传给冷流体的 在此类换热器中 热 冷流体交替进入 热流体将热量储存在蓄热体中 然后由冷流体取走 从而达到换热的目的 此类换热器结构简单 可耐高温 缺点是设备体积庞大 传热效率低且两流体有部分混合 5 1 3传热基本概念 1 传热速率 热流量 单位时间内通过传热面传递的热量Q W 整个换热器的传热速率表征了换热器的生产能力 单位为W 2 热通量单位时间 单位传热面积上传递的热量q W m2 5 1 4载热体及其选择载热体 加热剂 冷却剂 热载体 为了将冷流体加热或热流体冷却 必须用另一种流体供给或取走热量 此流体称为热载体 起加热作用的热载体称为加热剂 而起冷却作用的热载体称为冷却剂 选择载热体原则 温度易调节控制 饱和蒸气压低 加热时不易分解 毒性小 不易燃 易爆 不易腐蚀设备 价格便宜 来源容易 1 加热剂工业中常用的有热水 40 100 饱和水蒸气 100 180 矿物油或联苯或二苯醚混合物等低熔混合物 180 540 烟道气 500 1000 等 除此外还可用电来加热 2 冷却剂工业中常用的有水 20 30 空气 冷冻盐水 液氨 33 4 等等 5 2热传导 导热Conduction 5 2 1傅里叶定律 Flourier slaw 1 温度场 Temperaturefield 物体 或空间 各点温度在时空中的分布称为温度场 t f x y z 温度相同的点所组成的面称为等温面 温度不同的等温面不可能相交 为什么 2 温度梯度两等温面的温度差 t与其间的垂直距离 n之比在 n趋于零时的极限 即 5 2 1傅里叶定律 Flourier slaw 3 傅里叶定律傅里叶定律是用以确定在物体各点间存在温度差时 因热传导而产生的热流大小的定律 单位时间内 单位传热面积上传递的热量即热通量与温度梯度成正比 传热速率不仅与温度梯度成正比 还与传热面积成正比 即 5 2 2导热系数 热导率 物理意义 温度梯度为1时 单位时间内通过单位面积的传热量 在数值上等于单位温度梯度下的热通量 越大 导热性能越好 1 固体的导热系数纯金属 t 非金属 或t 0 1 t 式中 0 固体分别在温度t 273K时的导热系数 W m K 温度系数 对大多金属材料为负值 大多非金属材料为正值 1 K 2 液体的导热系数t 一般纯液体 水和甘油除外 的导热系数比其溶液的导热系数大 3 气体的导热系数气体的 很小 对导热不利 但对保温有利 在相当大的压强范围内 压强对气体的导热系数无明显影响 一般情况下气体 f t t 固体 液体 气体的热导率的大致范围 金属固体 非金属固体 液体 气体金属固体 101 102W m K 建筑材料 10 1 10W m K 绝缘材料 10 2 10 1W m K 液体 10 1W m K 气体 10 2 10 1W m K 冬天 棉被经过晒后拍打 为什么感觉特别暖和 电影 泰坦尼克号 里 为什么Jack冻死了 而Rose没有 5 2 3平壁的稳定热传导 1 单层平壁稳定热传导一高度和宽度均很大的平壁 厚度为b 两侧表面温度保持均匀恒定 分别为t1及t2 且t1 t2 若t1 t2不随时间而变 壁内的传热属于沿厚度x方向的一维定态热传导过程 见图4 5 此时傅里叶定律可写成 积分上式 传热速率 单位时间通过面积A上的传热量 为 b 或A 或 R 上式 为常数 所以平壁内的温度分布为一直线 若导热系数与温度有关 则温度分布又是怎样的 2 多层平壁稳定热传导 应用合比定律 得 推广到n层平壁 从上式可以看出 通过多层壁的定态热传导 传热推动力和热阻是可以加和的 总推动力等于各层推动力之和 总热阻等于各层热阻之和 此式说明 在多层壁导热过程中 哪层热阻大 哪层温差就大 反之 哪层温差大 哪层热阻一定大 将上式写成热通量的形式为 5 2 4圆筒壁的稳定热传导 1 单层圆筒壁稳定热传导有内 外半径分别为r1 r2的圆筒 内 外表面分别维持恒定的温度t1 t2 且管长l足够大 圆筒壁内的导热属于沿径向的一维定态热传导 傅里叶定律可写成 积分 式中b r2 r1 为圆筒壁的厚度 平均面积Am 2 lrm 而 称为对数平均半径 当r2 r1 2时 可以改用算术平均值 即取rm r2 r1 2 热阻为 2 多层圆筒壁稳定热传导 推广到n层圆筒壁 例1 外径为426mm的蒸汽管道 其外包扎一层厚度为426mm的保温层 保温材料的导热系数为0 615W m 若蒸汽管道外表面温度为177 保温层的外表面温度为38 试求每米管长的热损失以及保温层中的温度分布 解 此题为单层圆筒壁的热传导问题 已知条件 蒸汽导管外表面的半径r2 0 426 2 0 213m 温度t2 177 保温层的外表面的半径r3 0 213 0 426 0 639m 温度t3 38 由 可得每米管道的热损失为 设保温层内半径r处的温度为t 代入上式 将已知数据代入 整理得温度t与半径的关系式为 t 126 6lnr 18 64 筒壁内的温度分布不是直线 而是曲线 例2 管外径为25mm 管外包以两层保温材料 每层厚均为25mm 外层与内层保温材料的导热系数之比为 2 1 5 此时的热损失为Q 今将内 外两层材料互换位置 且设管外壁与外层保温层外表面的温度均不变 其热损失为Q 求Q Q 说明何种材料放在里层为好 思考 分析保温瓶的保温措施有哪些 讨论 对平壁一维稳定热传导在传热方向上处处传热速率Q与热通量q相等 对圆筒壁一维稳定热传导在传热方向上其传热速率Q处处相等 但由于各处传热面积不同 故其热通量不等 对平壁求单位面积的传热量或热损失即求热通量q 对圆筒壁求单位长度的传热量或热损失 即求Q l 热导率 小 不利于导热 但有利于保温 多层材料间应紧密接触 若有空隙则其总的导热能力下降 因为其间隙充满气体 气体的热导率小于固体 采用多层保温措施时 热导率小的材料置于内层有利于保温 传热过程在流动的流体中也存在传热边界层 同样包括湍流主体 过渡区 层流底层 在湍流主体中热量传递主要靠对流传热 导热的作用很小可以忽略不计 在层流体底层中由于流体层间没有质点的交换 主要靠热传导传递热量 传热阻力大 温度变化大 在过渡区不仅有热传导也有对流传热 两者的作用相当 均不能忽略 流动的流体传热的阻力主要集中在层流底层 所以要强化传热 主要的措施是破坏层流底层 降低层流底层的厚度 间壁的导热过程可以用导热速率方程描述 那么给出对流给热速率方程是弄清楚间壁两侧流体传热的关键 5 3 1间壁两侧流体热交换 用于加热或冷却物料的流体称为载热体 其中起加热作用的叫加热剂 起冷却作用的叫冷却剂 规定 冷流体温度用t表示 热流体温度用T表示 下标1 2分别代表进口与出口参数 ms1 ms2分别表示热流体 冷流体的质量流量 5 3间壁两侧流体的热量传递 1 对流给热分类 2 对流给热速率方程 牛顿冷却定律 假设 在热流体中将流体中全部的传热阻力 包括湍流主体中的对流传热阻力 过渡区中的导热和对流传热阻力 层流底层中的导热阻力 集中在一定厚度 t的流体层中 并且该层只有导热没有对流 这样流体中复杂的对流传热过程就转化为一定厚度的流体中的导热问题 就可以用导热速率方程来描述流体中的对流给热过程 5 3 2对流给热 令 对流给热系数 W m 2 1 冷流体侧 但以上方程无法直接应用于换热器 为什么 因为换热器中流体在管长的不同位置温度不同 两侧流体的温度差也不相同 所以必须在流体流动方向上取微元段dl进行分析 在微元段dl中 传热间壁的内侧传热面积为dA1 外侧面传热面积为dA2 如图 管内为冷流体 管外为热流体 微元管段上热流体的对流给热温差为T TW 冷流体的对流给热温差为tW t 在间壁上导热的温差为TW tW 热流体传给管壁的热流量 间壁热传导的导热量 热流体传给管壁的热流量 间壁热传导的导热量 管壁传给冷流体的热流量 5 3 3总传热速率方程 间壁两侧流体的传热在稳定情况下 热流体对流给热 间壁导热 冷流体的对流给热速率相等 即 工程计算中 按某一定性温度 确定物性参数 计算 将 看作常数 求得K也是常数 求出T t的平均值 沿全部传热面积分得 总传热速率方程 传热基本方程 Q 换热器单位时间内的传热量 W A 换热器的传热面积 m2 K 换热器的总传热系数 W m 2 1或W m 2 K 1 tm 冷热流体温度差的平均值 或K 4 3 4传热量Q的计算 不考虑热损失及化学变化 1 热量衡算式热流体 无相变时 Q ms1cp1 T1 T2 有相变时 Q ms1 r1 cp1 T1 T2 冷流体 无相变时 Q ms2cp2 t2 t1 有相变时 Q ms2 r2 cp2 t2 t1 根据不同的情况计算传热量 如冷 热两流体均无相变时 Q ms1cp1 T1 T2 ms2cp2 t2 t1 热流体饱和蒸汽冷凝 Q ms1r1 ms2cp2 t2 t1 冷流体饱和液体沸腾 Q ms2r2 ms1cp1 T1 T2 以上三中传热量计算式的条件 Q损 0 ms1 ms2为常数 cp1 cp2为常数 2 校核计算A已知 核算换热器是否合用 5 3 5总传热系数 1 K的计算 当传热面为平壁时 dA1 dAm dA2 dA 当传热面为圆筒壁时 dA1 dAm dA2 dAdA dA1即以外表面积为基准时 对圆管 当dA dA2即以内表面积为基准时 要用以上式子求K 则须先求 2 污垢热阻流体在间壁两侧流动久而久之会在间壁表面形成污垢 其产生的热阻也应计入总热阻 外表面积为基准 3 K的大致范围在进行换热器的计算时 要估计冷 热流体间的总传热系数 总传热系数K值数值范围见教材中表格 K变化范围很大 应对不同类型流体间传热时的K值 有一数量级的概念 4 提高K值途径的讨论 显然 减小分母中的任一项 都可使K值增大 但因各项所占比重不同 要设法减小对K值影响较大的项 换热器结垢严重时 必须设法减小污垢的热组 如减慢污垢生成的速率或及时清除污垢 就成为主要考虑的方面 当污垢热组和管壁热组很小可以忽略不计时 提高 就成为应主要考虑的方面 a 若 1 2相差不大 须设法同时提高 1 2 b 若 1 2 K 2 K几乎完全取决于 2 因此要提高K值关键在于提高较小的一个 值 注 传热间壁为圆筒壁时 dA1 dA2 dAm 存在基准问题 由于换热器系列中均为外表面积A1 故没有特别说明情况下 均以外表面积为基准 但不论采用哪种基准计算得到的传热量Q相同 下标1代表管外 2代表管内 ms1cp1代表热流体 ms2cp2代表冷流体 K与 1 2 d1 d2 Rs1 Rs2等参数有关 即与间壁结构 流体性质 两侧流体的流动状况有关 在应用总传热速率方程时 若K以外表面积为基准 则A A1 若K以内表面积为基准 则A A2 5 3 6传热面积的计算 5 3 7平均温度差 tm的计算 5 3 7 1恒温差传热 间壁两侧均为相变化传热 若间壁两侧流体均为相变对流传热 即饱和蒸汽冷凝和饱和液体沸腾 如蒸发单元操作 热流体在换热器中处处的温度均为T 冷流体在换热器中处处温度均为t 故 5 3 7 2变温差传热在实际中常见的是变温差传热 两流体在换热器中不同位置传热温度差 t不同 间壁两侧流体的流动形式各种各样 但最基本的有两种形式 逆流 并流 图5 13两侧流体均无相变时的温度变化 图5 14一侧流体相变时的温度变化 5 3 7平均温度差 tm的计算 1 以逆流为例导出计算平均温度差 tm的通式取一微元传热面dA 经dA的传热速率为dQ K T t dA K tdA 对dA进行热量衡算 冷 热流体均无相变化 dQ ms1cp1dT ms2cp2dt 对整个换热器进行热量衡算设Q损 0 cp1 cp2分别取平均温度下的平均值 可以认为是常数 冷 热流体均无相变化 Q ms1cp1 T1 T2 ms2cp2 t2 t1 导出计算 tm的通式 令 对数平均温度差 对逆流 并流及一侧流体变温的情况均使用 是计算 tm的通式 t1 热流体进口侧的传热温差 t2 热流体出口侧的传热温差 传热基本方程式 2 讨论 tm由逆流推导得出 但同样适用于并流逆流 t1 T1 t2 t2 T2 t1 并流 t1 T1 t1 t2 T2 t2 若max t1 t2 min t1 t2 2 例3 在一列管式换热器中用机油和原油换热 原油在管外流动 进口温度为120 出口温度上升到160 机油在管内流动 进口温度为245 出口温度下降到175 1 试分别计算并流和逆流时的平均温度差 2 若已知机油质量流量ms1 0 5kg s 其比热cp1 3kJ kg K 并流和逆流时的K均等于100W m2 K 求单位时间内传过相同热量分别所需要的传热面积 逆流与并流比较a 当T1 T2及t1 t2均已确定时 tm逆 tm并 若Q相同 则A逆 A并 所以工业换热器一般是采用逆流 b 并流t2总是 t2 t1 并 冷却剂用量ms2逆 T1 T2 并 加热剂用量ms1逆 ms1并 结论 逆流比并流优越 故应尽可能采用逆流操作 但对热敏性物料的加热并流操作可避免出口温度t2过高而影响产品质量 此外 传热的好坏 除 tm的大小外 还应考虑影响K的多种因素及换热器结构方面的问题 对只有一侧流体变温的情况 则无逆流和并流之分饱和蒸汽 热流体 冷凝 冷流体无相变 热流体无相变 饱和液体 冷流体 沸腾 5 3 7 3复杂流动 tm的计算基本概念 管程 流体在换热器管内流动壳程 管束与换热器壳体之间的空隙流体通过换热器时只流过一个管程 称为单管程 若依次流过多个管程 称为多管程 单壳程 多壳程的概念与之类似 多壳程换热器相当于多台换热器串联 错流和折流时的平均温差 a 错流 b 折流 1 简单折流 单壳程多管程的流动 壳程无折流挡板 换热器中的管子总数不变 总传热面积不变 在封头中设置隔板改造成多管程 每一管程中的管数减小 如下表将单管程改为双管程一些参数的变化情况 简单折流 1 2折流 1 4折流 1 6折流 1 3折流都称为简单折流 一边流体反复作折流 另一边流体只沿一个平行方向流动 使两边流体间有并流与逆流交替出现 对于有折流的情况 平均温度差的计算较复杂 如1 2折流时的温度差的计算式 思考 若图5 18中热流体为饱和蒸汽冷凝 则 T1 T2 T 2 错流 壳程装有圆缺形档板的流动 两流体流动方向互相垂直 若 1 K 为提高 1 使K 可设法使u1 同时迫使流体按规定的路径多次横向流过管束 增大湍动程度 在较低的Re Re 100即可达到湍流 3 复杂折流 多管程 多壳程 实际上 工业换热器并不一定都是逆流或并流 许多情况下采用折流 错流等复杂的流动 复杂流动的 tm按下式计算 式中 讨论 1 单管程改为多管程 壳程增加折流挡板 虽然能提高传热效果 但同时也增大了流动阻力 2 对一侧有相变的情况 饱和液体沸腾P 0 R 饱和蒸汽冷凝R 0 由 R P关系图可知 1 其对数平均推动力均按逆流计算 无需进行温差校正 3 一般 0 8 否则经济上不合理 操作温度略有变动 操作不稳定 思考 提高 的方法 改用多壳程 单壳程 R 2 0 P 0 3时 0 86多壳程 R 2 0 P 0 3时 0 97因此 要增大温差校正因子 可以增加壳程数 4 若蒸汽冷凝于壳程 由于蒸汽本身的对流给热系数很大 所以壳程安装挡板的距离比一般的换热器要大 且挡板间应有冷凝水的排放口 传热单元数法 传热单元数 NTU 法又称传热效率 传热单元数 NTU 法 主要用于换热器的校核计算等 将换热器实际热流量Q与其无限大传热面积时的最大可能传热量Qmax之比 称为换热器的传热效率 1 传热效率 msC 流体的热容量流率 如果热流体为最小值流体 则 如果冷流体为最小值流体 则 2 传热单元数NTU 对冷流体 NTU C 基于冷流体的传热单元数 反映了 传热温度差与传热推动力之比 10C平均温度差的传热速率与冷 或热 流体每升高 或降低 10C所吸收 或放出 的热量之比 列管换热器 基于冷流体的传热单元长度 传热单元数物理意义 列管换热器中的列管可视为 NTU 段 每段的长度为H 每段内流体的温度变化等于传热平均温度差 与NTU的关系 单程并流 单程逆流 3 传热效率和传热单元数的关系 解题步骤已知 WhCPhWcCPcKST1t1步骤 1 判断最小值流体2 计算 NTU min和3 计算或查图得 4 由或可求出T2 或t2 5 由热平衡方程可求出t2 或T2 5 3 8壁温的计算 对于稳定传热过程 5 4对流给热与对流给热系数 5 4 1对流给热系数的影响因素 1 引起流动的原因 自然对流和强制对流自然对流 流体内温度不同 导致密度差异 热流体上升 冷流体下降 由于流体温度不同而使流体流动的传热过程 称为自然对流给热 强制对流 由外力作用 输送机械 使流体流动而传热 称为强制对流给热 强制对流 自然对流 2 流体流动形态流体传热热阻主要集中在层流底层中 对层流而言 整个流体均处于层流状态 而湍流流体中只有层流底层处于层流状态 所以湍流情况下传热效果大于层流状态 且湍动程度越大 层流底层越薄 对流给热系数越大 湍流 层流 3 流体的性质影响对流给热过程的性质主要有 比热 导热系数 粘度 密度等 如粘度大 流动阻力大 湍动程度差 传热效果差 导热系数大 层流底层中热阻小 一般比热大 导热系数大 密度大 粘度小对传热有利 4 传热面形状 大小 位置及流通截面 是否发生相变等流通截面及形状 圆管 套管环隙 翅片管 单管 管束 板 弯管 管子排列方式 三角形 正方形 位置 水平 垂直 大小 短管 长管 相变 无相变 沸腾 冷凝 补充 自然对流环流流速 流动的推动力为密度不同引起的静压差 则 自然对流的强弱与加热面的位置密切相关 水平加热面的上部有利于产生较大的自然对流 如图a所示 故房间采暖用的加热器应尽量放在下部 水平冷却面的下部有利于产生较大的自然对流 如图b所示 故剧场的冷气装置应放在剧场上部 5 4 2因次分析在对流给热中的应用 1 获得给热系数的方法 分析法 对描写某一类给热问题的偏微分方程及其定解条件进行数学求解 获得特定问题的温度场 从而获得给热系数和传热速率的分析解 数值法 数值求解法是将给热的偏微分方程离散化 用代数方法进行求解而得到给热系数和给热速率的方法 实验法 通过实验来获得不同情况下的给热计算式 常为关联式或经验式 为减少实验工作量 提高实验结果的通用性 应当在量纲分析的指导下进行 即对某一类给热问题 将影响给热系数的因素用量纲分析归纳成几个无量纲的特征数 以减少变量数目 再用实验确定这些特征数之间的具体关系 2 因次分析在对流给热中的应用根据前面的分析可知 影响对流给热系数的因素有 无相变 1 流体物性 cp 2 流动状态 u 3 传热面特征尺寸 l 4 自然对流 Tg 视为一个变量 相当单位质量流体由于温度不同所产生的浮力 所以对流给热系数是以上七个变量的函数 令 对SI制基本量纲有七个 在此关系有涉及到四个量纲 包括长度L 质量M 时间T 温度 所以关联式中各变量的因次分别为 把以上因次代入关联式 根据因次一致性原则 解得 雷诺准数 惯性力与粘性力的比值 表征流体流动型态对对流给热的影响 强制对流时影响显著 自然对流时影响微小 普朗特准数 反映流体物性对对流传热的影响 液体Pr 1 气体Pr 1接近1 根据以上定义可以得到最终的关联式 讨论 根据不同的对流给热过程 由实验确定系数K及指数f e g值 如强制对流 自然对流 沸腾给热 冷凝给热等 强制对流时 Gr一般可忽略 即Nu f Re Pr 自然对流时 Re一般可忽略 即Nu f Pr Gr 由实验条件所限 得到Nu f Re Pr Gr 关联式应注意应用范围 由于流体在传热过程中存在传热边界层 所以冷流体从t上升到tW 热流体从TW降为T 故对冷 热流体的物性应分别取 t tW 2 T TW 2查取或计算 当壁温的计算需要确定对流给热系数 未知需试差 工程上为计算方便一般取流体主体的平均温度来查取或计算 这个确定物性参数数值的温度称为定性温度 有些情况下 定性温度不一定取进出口的平均温度 如取膜温 进出口平均温度与壁温的平均值 所以要注意关联式对定性温度的说明和要求 定性尺寸 特征尺寸 根据不同传热面而不同 它是代表传热面几何特征的长度量 是直接影响对流给热过程的几何尺寸 如大空间内加热面垂直高度为定性尺寸 圆管定性尺寸为直径 非圆管定性尺寸为当量直径 Nu f Re Pr Gr 适用于无相变的对流给热 总之 对流传热是流体主体中的对流和层流底层中的热传导的复合现象 任何影响流体流动的因素 引起流动的原因 流动型态和有无相变化等 必然对对流传热系数有影响 下面分四种情况来讨论对流给热系数的关联式 即 强制对流时的给热系数 自然对流时的对流给热系数 蒸汽冷凝时的对流给热系数 液体沸腾时对流给热系数 5 4 3强制对流时的对流给热系数 强制对流情况下 Gr对 的影响较小 一般可以忽略 所以 其中C m n由实验测定 5 4 3 1流体在管内作强制对流的 1 流体在圆形直管内作强制湍流时的 低粘度 粘度 2倍常温水的粘度 的液体和气体 或 上式的应用范围及条件 a Re 104 流动是充分湍流 b Pr 0 6 160 一般流体皆可满足 c 50 即进口段占总长的很小一部分 管内的流动是充分发展的 若l d 50 则 f1 f1 l d Re e Nu Re中的特征尺寸l取d内 f 流体物性参数按定性温度tm t1 t2 2取 液体Pr 1 被加热 t u b n 0 4 被冷却 t u b n 0 3 气体Pr 1 被加热 t u b n 0 4 被冷却 t u b n 0 3 对于气体 t Pr基本不变 对空气或其他对称双原子气体 Pr 0 72 Nu 0 02Re0 8 高粘度的液体 若流体平均温度与壁温相差较大或高粘度流体 应对粘度进行校正 上式的应用范围及条件 a Re 104 b Pr 0 6 160 c 特征尺寸l取d内 d 流体物性参数按定性温度tm t1 t2 2取 e 用tWm tW1 tW2 2求 W f 不适用于液态金属 一般情况下 由于壁温是未知的 应用上式须试差 但在工程计算中 也可取以下近似值 液体被加热 液体被冷却 2 流体在圆形直管内作强制层流时的 Gr 25000 自然对流的影响可以忽略 此式适用范围及条件 Re10 不适用于管长很长的情况 特征尺寸取d内 定性温度取tm t1 t2 2 用tWm tW1 tW2 2求 W 当Gr 25000时 自然对流对强制层流 的影响不能忽略 应乘以校正系数 注意 层流时 很小 从而K也很小 因此在换热器设计中尽量避免在层流条件下传热 3 圆形直管内强制过渡状况时的 当Re 2000 10000的过渡状态时 因湍动不充分 层流底层较厚 热阻大 比湍流时小 作为粗略估计 可用Re 104的公式算出Re 104值 然后乘以校正系数f2 4 圆形弯管内作强制对流时的 流体在弯管内流动时 由于离心力的作用 扰动加剧 使对流给热系数加大 5 非圆形直管内作强制对流时的 用上述关联式 但式中的d要用代替de 采用专用的关联式如对套管环隙 用水而和空气等进行实验 得到关联式为 这种方法简便 但计算结果不够准确 适用条件 Re 12000 220000 d2 d1 1 65 17 特征尺寸为de 定性温度取tm t1 t2 2 也可计算其他流体在环隙中作强制湍流时的 5 4 3 2流体在管外作强制对流时的 1 流体垂直流过单根管的 2 流体横向流过管束的 C1 C2和n的值见表5 11 上式的适用范围及约束条件 a Re 5000 7000和x1 d 1 2 5 x2 d 1 2 5 b 特征尺寸取管外径 c 定性温度tm t1 t2 2 d 流速取各排最窄通道处的流速 由于各列的 不同 可按下式求出整个管束的平均 3 流体在列管换热器管间 装有折流挡板 流过的 a 查图5 30 b 当Re 2000 106时 适用条件 换热器管间装有割去25 面积 的圆缺形折流挡板 Re 2000 106 定性温度tm t1 t2 2 tWm tW1 tW2 2求 W 特征尺寸de 根据管束排列方式而定 管外的流速根据流体流过的最大截面积S计算 4 流体在列管换热器管间无折流挡板的 用管内强制对流的公式计算 但要将式中管内径改为管间当量直径 5 液体在有搅拌器的容器中的对流传热系数 5 4 3 3提高对流给热系数 的途径 1 从层流转变为湍流时 Re 应力求使流体在换热器中达到湍流流动 2 圆形直管时 4 在管内加麻花铁或选用螺纹管均能使湍动程度提高 但能耗 5 4 4流体作自然对流时的对流给热系数 自然对流时 的大小和流体的物性 传热面的大小 形状 位置及传热面与流体间的温度差都有关系 情况复杂 仅限于讨论大空间 指边界层不受干扰 的自然对流 给热的特征数普遍关联式为 Nu f Gr Pr 在一定范围内可用幂函数表示 适用范围及条件 大容积 大空间 的自然对流 定性温度取膜温t膜 tw tm 2 特征尺寸l 水平管取外径 垂直管取管长 垂直板取板高 t tw t 或 1 蒸汽冷凝对流传热过程的热阻如果加热介质是饱和蒸汽 当饱和蒸汽和低于饱和温度的壁面接触时 蒸汽将放出潜热并冷凝成液体 冷凝对流传热过程的热阻几乎全部集中在冷凝液膜内 这是蒸汽冷凝对流传热过程的一个主要特点 设法减小液膜厚度就是强化冷凝对流传热的有效措施 如果加热介质是过热蒸汽 且tw ts时 则壁面上不会发生冷凝现象 蒸汽和壁面间进行的是一般对流传热 此时热阻将集中于壁面附近的蒸汽层流底层中 蒸汽的导热系数比冷凝液的导热系数小得多 故饱和蒸汽冷凝对流传热系数远大于过热蒸汽的对流传热系数 因此 工业上通常使用饱和蒸汽作为加热介质 其原因有两个 一是饱和蒸汽有恒定的温度 二是它有较大的对流传热系数 5 4 5蒸汽冷凝时的对流给热系数 2 膜状冷凝和滴状冷凝膜状冷凝 冷凝液能够润湿壁面并形成一层完整的液膜向下流动 此种冷凝壁面上始终覆盖着一层液膜 蒸汽冷凝时放出的潜热只能以导热的形式通过液膜后才能传给壁面 因此膜状冷凝的热阻较大 滴状冷凝 若蒸汽中混有油脂类物质 或者壁面被油脂沾污时 冷凝液不能全部润湿壁面 而是结成滴状小液珠从壁面落下 重又露出新的冷凝面 这种冷凝称为滴状冷凝 实验结果表明 滴状冷凝 的比膜状冷凝的 大几倍甚至几十倍 但是滴状冷凝在工业上没有现实意义 难以实现 在工业上遇到的冷凝过程大多数是膜状冷凝 3 蒸汽冷凝时的 理论推导 特征尺寸H取管长或板高 冷凝潜热r按饱和温度取 其余物性按液膜平均温度tm tw ts 2取 推导上式的条件 冷凝液膜为层流 蒸汽u 0 对液膜无摩擦阻力 冷凝潜热以热传导方式通过液膜 冷凝液物性为常数 平均 b 单根水平管外 a 垂直管外或垂直板侧 实验结果a 垂直管外或垂直板侧 使用范围及条件 特征尺寸H取管长或板高 冷凝液膜为层流 Re 1800 冷凝潜热r按饱和温度ts取 其余物性按液膜平均温度tm tw ts 2取 判断时Re怎么求 M ms b单位长度润湿周边上冷凝液的质量流量也称冷凝负荷 冷凝液膜为湍流 Re 1800 b 单根水平管外实验结果和理论推导公式所得结果基本相符 在其它条件相同时 一般L do 垂直 水平 结论 工业冷凝器通常都是卧式的 但蒸发器都是立式的 这是蒸发器特点本身要求的 c 水平管束外 错排的在垂直方向上的管数小于直排在垂直方向的管子数 错排 直排 5 4 6液体沸腾时的对流给热系数 对液体加热时 液体内部伴有液相变为气相产生汽泡的过程称为沸腾 按设备的尺寸和形状可分为 大容积沸腾 传热面沉浸在无强制对流液体中发生的沸腾现象 管内沸腾 流体在一定压差下流过加热管发生沸腾现象 沸腾过程受液体流速的影响 且沸腾产生的气泡无法脱离流体而随流体一起流动 形成复杂的气液两相流 管内沸腾的传热机理比大容器沸腾复杂得多 根据沸腾温度分为 过冷沸腾 液体主体温度低于相应压力下的饱和温度 饱和沸腾 液体主体温度达到或高于饱和温度 1 沸腾现象 汽泡就是在加热面上凹凸不平的点上形成 这种点称为汽化核心 无汽化核心则汽泡不会产生 汽化核心与传热面粗糙度 氧化情况 材料性质及其不均匀性质等多因素有关 由于汽泡生成和脱离 对近壁处的液体层产生强烈搅动 降低了热阻 从而使液体沸腾时的 比无相变时的 大得多 沸腾 无相变 如图所示 以常压水在大容器内沸腾为例 说明 t对的 影响 t很小时 仅在加热面有少量汽化核心形成汽泡 长大速度慢 所以加热面与液体之间主要以自然对流为主 t 5 C时 汽化仅发生在液体表面 严格说还不是沸腾 而是表面汽化 此阶段 较小 且随 t升高得缓慢 25 C t 5 C时 汽化核心数增大 汽泡长大速度增快 对液体扰动增强 对流传热系数增加 由汽化核心产生的汽泡对传热起主导作用 此时为核状沸腾 t 25 C进一步增大到一定数值 加热面上的汽化核心大大增加 以至气泡产生的速度大于脱离壁面的速度 气泡相连形成气膜 将加热面与液体隔开 由于气体的导热系数较小 使 降低 此阶段称为不稳定膜状沸腾 t 250 C时 气膜稳定 由于加热面温度高 热辐射影响增大 对流传热系数增大 此时为稳定膜状沸腾 工业上一般维持沸腾装置在核状沸腾下工作 从核状沸腾到膜状沸腾的转折点称为临界点 此后传热恶化 对于常压水在大容器内沸腾时临界点为 tc 25 C 2 影响沸腾传热的因素 液体和蒸汽的性质 主要包括表面张力 cp r L V等 操作压力和温度差 加热表面的粗糙情况和表面物理性质 5 5传热过程的强化 几种传热过程对流给热系数的比较 相变 无相变 强制 自然 湍流 层流 水平 垂直 错排 直排 滴状 膜状 核状 膜状 5 5 1增大传热面积传热面增大 传热量增大 设备体积增大 投资费用增大 这种方法是一种简单的强化传热方法 即换一台同样型式但传热面面积大的换热器 另一种方法是增大单位体积换热器的传热面积 如在管外增加螺旋翅片 以增加传热面积 5 5 2增大传热推动力 逆流的推动力大于并流 可以将并流换热器改为逆流换热器 生产实际中传热温差往往受到客观条件 如蒸汽压力 气温 水温等 与工艺条件 如热敏性物料 冰点等 的制约 不能随意变动 因此利用提高对数平均温度差 总传热推动力 来强化传热过程的方法不方便且在传热推动力中四个温度一般只有换热介质的出口温度或可以由设计者确定 经验设计 优化设计 且 5 5 3减小传热阻力 增大传热系数 1 减小污垢热阻的方法有 停车除垢 在流体中加热阻垢剂 2 增大对流给热系数的方法主要有 增大流体的流速流速增大 流体的湍动程度提高 层流底层厚度减小 对流传热阻力减小 对流给热系数增大 如圆形直管管内湍流时 单管程改为双管程 流速加倍或流量增加一倍 增强流体的湍动 扰动程度流体在管内的流速不变 但增加管内壁粗糙度或在管内增加麻花铁 金属卷片等添加物 增强管内流体的扰动 减小层流底层厚度 从而增大对流给热系数 在管外壁装翅片或管外即壳程安装挡板增强管外流体的扰动 增大管外流体的对流给热系数 在流体中添加固体颗粒一方面 固体颗粒的扰动与搅拌作用 增加流体的对流给热系数 另一方面 固体颗粒不断撞击管壁降低了污垢层的形成和增长 在气体中喷入液滴气体传热能力低 当液滴落于管壁上时 气相传热转变为液膜传热 而液膜传热强度高促使传热过程得到强化 讨论 以上措施孤立起来看是可以强化传热过程的 但实际应用中应具体问题具体分析 1 若污垢结垢严重 Rs1 Rs2很大时 强化传热首先应进行除垢 2 若结垢不严重 污垢热阻可以忽略时 如新设备 间壁的导热热阻较小 与流体的对流热阻相比可忽略时 若 1 2 如用蒸汽冷凝加热管内流体 则 此时增大传热系数的措施应设法提高 2 而不应去提高 1 反之亦然 若 1 2 要强化传热 必须同时增大 1和 2 否则只增加一侧流体的对流给热系数 强化效果均不明显 3 对相变一侧的流体对流给热系数很大 再提高其对流给热系数对强化传热已没有多大作用 结论 间壁两侧流体传热 由对流 导热五个步骤串联而成 因此传热过程速率受五个步骤中传热速率最慢的所控制 即受热阻最大的步骤所控制 要强化传热过程 必须减小热阻最大的传热过程的传热阻力 增大给热系数 4 5 4沸腾给热过程的强化 1 沸腾给热中 汽泡产生与运动情况影响极大 粗糙的加热面能提供更多的汽化核心 当粗糙度达到一定程度后 对沸腾传热强化不再有影响 铜表面用机械方法或腐蚀的方法使之粗糙 给热系数提高80 2 液体的表面张力小 容易脱离传热面 在沸腾液体中加热少量添加剂 如丙酮 乙醇 甲基乙基酮等 改变液体表面张力 可提高给热系数20 100 3 过热度越大 核状沸腾速率越大 4 沸腾压力增大 核状沸腾速率增大 5 尽量保持核状沸腾 避免膜状沸腾 饱和蒸汽冷凝时 热阻主要集中在冷凝液膜内 液膜的厚度及其流动状况是影响冷凝传热的关键 所以 冷凝传热的强化要设法破坏冷凝液膜 1 蒸汽的选择 在所有的物质中水蒸汽的冷凝给热系数最大 一般为104左右 而某些有机物蒸汽的冷凝传热系数可低至103以下 2 不凝性气体的排放实验证明 当蒸汽中含空气量达1 时 对流给热系数下降60 左右 所以涉及蒸汽冷凝传热的设备应设有排放口 定期排放不凝性气体 3 冷凝液的排放蒸汽冷凝形成的冷凝液在传热面上形成液膜 应及时排除 减小液膜厚度 降低传热阻力 疏水器 4 过热蒸汽的影响温度高于操作压强下的饱和温度的蒸汽称为过热蒸汽 过热蒸汽与比其饱和温度高的壁面接触 壁面无冷凝现象 此时为无相变的对流传热过程 传热效果差 过热蒸汽与比其饱和温度低的壁面接触 发生冷凝现象 但对过热蒸汽先冷却到饱和温度后冷凝 蒸汽放出的热量包括显热和潜热 工业上通常将过热蒸汽按饱和蒸汽计算 因为显热与潜热相比很小可忽略 5 蒸汽流速与流向的影响蒸汽流速较小u10m s时 要考虑蒸汽流速的影响 当蒸汽与冷凝液流动方向一致时 蒸汽加速了冷凝液的流动 使冷凝液膜厚度减小 增大 当蒸汽与冷凝液流动方向相反时 有两种情况 u较小 阻碍冷凝液流动 使液膜厚度增大 减小 u较大 蒸汽会冲散冷凝液使传热面上液膜厚度减小 增大 故冷凝液排放口一般装于换热器底部 而蒸汽进口在换热器顶部 出口在换热器底部 保证蒸汽充满换热器壳程空间 并且避免蒸汽与冷凝液的逆向流动 保持较好的传热效果 6 蒸汽冷凝壁面的结构由于蒸汽冷凝在传热面上产生冷凝液 如何改善传热面结构 以利于降低冷凝液液膜厚度 也能强化蒸汽冷凝给热 如 在垂直管外表面开若干纵向凹槽 安装若干金属丝等 冷凝液由于表面张力作用进入凹槽或金属丝圈内 从而降低了传热面上液膜的厚度 达到强化传热目的 管外冷凝 管内安装内插物 螺旋线圈 麻花铁等分散冷凝液 管内冷凝 7 冷凝方式滴状冷凝的传热效果优于膜状冷凝 但工业上滴状冷凝难以实现 它是强化蒸汽冷凝给热的重要研究课题之一 4 5 6新型传热设备及强化传热技术研究发展方向 1 热管换热器 2 管内填充物更加规范 理论化 3 翅片由管外进入管内 研究表明其传热效果由于在管内加填充物 4 超声波强化传热超声波不仅具有减缓污垢形成速度 又能破坏已形成污垢的双重作用 一般能提高传热系数60 80 可避免停车除垢 延长设备使用寿命 减轻劳动强度 无化学污染 是一项新型高效的强化传热技术 5 磁控电导流体强化传热磁场振荡 压力波发生器 正弦振荡 6 电水动力学EHD强化传热电场对传热的强化效果早在1916年就以发现 但未着手研究 该方法可适用于弱导电和强导电流体 应用范围广 功耗低 电压小 电流小 但强化传热效果显著 对无相变流体传热系数可增大100倍 对冷凝传热可提高6倍 沸腾传热提高50倍 对其机理研究逐步成为重要的研究领域 目前国内研究较少 7 纳米流体强化传热纳米级金属 非金属氧化物具有高分散性 可形成稳定的悬浮液是良好的换热介质 流体中添加固体颗粒易堵塞 破损 工业应用受到一定限制 纳米粒子克服了该缺点 其强化传热原理在于 增加传热面 热容量 增大液体导热系数 粒子间 粒子与流体间 粒子与壁面间的碰撞强化传热 水中加5 纳米粒子 其导热系数增加150 5 6传热过程的计算 不论何种类型的传热计算 都是联立热量衡算方程式 传热速率方程式及 K计算式求解的过程 即 在使用以上几个方程时 应注意适用条件及不同情况下简化式 并且要弄清楚Q K等参数与哪些因素 d n ms 有关 5 6 1传热设计型计算 1 设计任务 已知一定流量的热流体 冷流体 从T1冷却至T2 从t1加热至t2 冷却介质的进口温度t1 加热介质的进口温度T1 2 计算目的 求传热面积 从而确定其他尺寸 或已有传热设备是否可用 3 计算步骤 根据换热任务确定换热器负荷Q ms1cp1 T1 T2 或Q ms2cp2 t2 t1 根据经验方法温度推动力 5 10 或由优化方法 经济上总费用最小 确定冷却介质出口温度t2 加热介质出口温度T2 计算传热推动力 tm 计算冷 热流体对流给热系数及总传热系数 由传热速率方程式计算传热面积 4 设计型计算中参数的选择为确定所需传热面积 必须知道平均推动力 tm和传热系数K 为求K 必须计算 1 2 因此必须决定 冷 热流体各走管内还是管外 选择适当的流速 同时还必须选择适当的污垢热阻 为计算 tm 设计者必须 选择流体的流向 即决定采用逆流 并流还是其他复杂流动方式 选择冷却介质的出口温度t2或加热介质的出口温度T2 例有一套管换热器 由 57 3 5mm与 89 4 5mm的钢管组成 甲醇在内管流动 流量为5000kg h 由60 冷却到30 甲醇侧的对流传热系数 2 1512W m2 冷却水在环隙中流动 其入口温度为20 出口