冶金行业管理知识综合传热分析

1、l对流与辐射的综合传热对流与辐射的综合传热l间壁（炉气通过炉墙）的综合传热间壁（炉气通过炉墙）的综合传热l火焰炉内的综合传热火焰炉内的综合传热l换热器（间壁式换热器）换热器（间壁式换热器）l固定料层内热交换固定料层内热交换*l凝固传热凝固传热*主主要要内内容容第第9 9章章 冶金中的综合传热冶金中的综合传热2022-3-51第9章 冶金中的综合传热辐对QQQA)100T()100T(a11a1C44bwgggwgwgAtth对AtthAtthwgwg辐对Atthhwg辐对Atthwgrchhhhh辐对h 总换热系数， 2/mW9.1 9.1 对流与辐射的综合传热对流与辐射的综合传热2022-3

2、-52第9章 冶金中的综合传热综合传热（对流、辐射、导热同时存在）换热量如何计算？9.1 9.1 对流与辐射的综合传热对流与辐射的综合传热2022-3-53第9章 冶金中的综合传热9.2 9.2 间壁（炉气通过炉墙）的综合传热间壁（炉气通过炉墙）的综合传热2022-3-54第9章 冶金中的综合传热炉墙的综合传热过程分三个过程：p高温炉气以辐射和对流方式传给内壁p炉壁以传导方式由内壁传到外壁 111WgTThq212WWTTq9.2 9.2 间壁（炉气通过炉墙）的综合传热间壁（炉气通过炉墙）的综合传热2022-3-55第9章 冶金中的综合传热aWTThq223p外壁以辐射和对流方式传给周围空气

3、对稳态 q1=q2=q3=q2111hhTTqag9.2 9.2 间壁（炉气通过炉墙）的综合传热间壁（炉气通过炉墙）的综合传热2022-3-56第9章 冶金中的综合传热n1i2i1ffh1h1ttq21i22i1in1ii11fflhd1dd21hd1ttq21对n层平壁对n层圆筒壁如何减少炉墙的热损失？9.2 9.2 间壁（炉气通过炉墙）的综合传热间壁（炉气通过炉墙）的综合传热2022-3-57第9章 冶金中的综合传热例题例题9-19-1、 炉壁由三层组成，粘土砖（1=0.23m,1=1.2W/(m. );石棉粘土砖（2=0.03m,1=0.1W/(m. )；红砖（1=0.24m,1=0.5

4、W/(m. )。炉墙内烟气侧换热系数40 W/(m2. )、烟气温度1200 ；炉墙外空气侧换热系数15 W/(m2. )、空气温度20 ；试求通过该炉墙的热损失及炉墙内的温度分布。9.2 9.2 间壁（炉气通过炉墙）的综合传热间壁（炉气通过炉墙）的综合传热2111hhTTqag解：如何求tw1、tw2、tw3?2022-3-58第9章 冶金中的综合传热火焰炉的热交换机理相当复杂，高温炉气、炉壁、被加热的金属三者之间相互进行辐射热交换，同时炉气还以对流给热的方式向炉壁、金属传热。假设：1）炉膛是一个封闭体系；2）高温炉气、炉壁、被加热的金属的温度均匀；3）辐射射线密度均匀，炉气对射线的吸收在任

5、何方向一致；4）炉壁、金属黑度不变，炉气黑度等于吸收率；5）金属布满炉底，其表面非“自见”；6）炉壁内表面不吸收辐射热，即投射到该表面的辐射全部返回炉膛（通过炉壁传导的对外热损失近似认为由对流传给炉壁表面的热量来补给）。9.3 9.3 火焰炉炉膛综合传热火焰炉炉膛综合传热2022-3-59第9章 冶金中的综合传热9.3 9.3 火焰炉炉膛综合传热火焰炉炉膛综合传热2022-3-510第9章 冶金中的综合传热9.3 9.3 火焰炉炉膛综合传热火焰炉炉膛综合传热2022-3-511第9章 冶金中的综合传热)1)(1 ()1 (gwgmwgwJJAEJ炉壁对金属的角度系数wmAAl炉壁的有效辐射（投

6、射到炉壁上的热量）：炉气的辐射+金属的有效辐射+炉壁的有效辐射投射到自身。即 l金属表面的有效辐射：金属本身辐射+金属对炉气辐射的反射+炉壁有效辐射的反射)1 ()1 ()1 ()1 (1)1 ()1)(1 ()1 (mgmggggmmgmmgmmgwmmgmmmAEAEJJAEAEJ则有9.3 9.3 火焰炉炉膛综合传热火焰炉炉膛综合传热2022-3-512第9章 冶金中的综合传热mmggwmmmgmgmgggmgmmmmgwwmmggATTCQATTQAEAJAEQ)100()100()100()100()1 ()1 ()1 (1 67. 5)1 (4444其中系数Cgwm为炉气炉壁对金属

7、的导来辐射系数。l金属吸收的净辐射换热量：Q=金属吸收辐射-金属自身辐射。（金属吸收辐射包括炉气对金属辐射而被金属吸收的部分和炉墙的有效辐射透过炉气后到达金属表面而被金属所吸收的部分）9.3 9.3 火焰炉炉膛综合传热火焰炉炉膛综合传热2022-3-513第9章 冶金中的综合传热9.3 9.3 火焰炉炉膛综合传热火焰炉炉膛综合传热例题例题9-29-2、 已知室状炉炉膛尺寸2.01.31.2m，炉底上紧排放20根钢坯加热，没有空隙，钢坯尺寸90901000m，已知钢坯黑度0.85，温度792 ；炉墙炉顶面积13.1m2;火焰温度1374 ，黑度0.55。试求金属得到的辐射热量。)/(53. 4,

8、137. 042KmWCAAgwmWmwm则WATTCQmmggwm5441095. 4)100()100(解：2022-3-514第9章 冶金中的综合传热9.3 9.3 火焰炉炉膛综合传热火焰炉炉膛综合传热2022-3-515第9章 冶金中的综合传热9.3 9.3 火焰炉炉膛综合传热火焰炉炉膛综合传热2022-3-516第9章 冶金中的综合传热9.3 9.3 火焰炉炉膛综合传热火焰炉炉膛综合传热2022-3-517第9章 冶金中的综合传热9.3 9.3 火焰炉炉膛综合传热火焰炉炉膛综合传热2022-3-518第9章 冶金中的综合传热9.3 9.3 火焰炉炉膛综合传热火焰炉炉膛综合传热2022

9、-3-519第9章 冶金中的综合传热常用的余热利用设备常用的余热利用设备换热器蓄热室余热锅炉目的目的节约燃料提高燃烧温度9.4 9.4 换热器（间壁式换热器）换热器（间壁式换热器）2022-3-520第9章 冶金中的综合传热分类分类结构特点结构特点 间壁材料间壁材料 流动方式流动方式 列管式、套管式、针状管式、辐射式等金属、陶瓷顺流、逆流叉流 换热器内流体的流动方式换热器内流体的流动方式(a)-顺流；顺流；(b)-逆流；逆流；(c)-叉流；叉流；(d)-折流；折流；(e)-顺叉流；顺叉流；(f)-逆叉流逆叉流9.4.1 9.4.1 换热器简介换热器简介2022-3-521第9章 冶金中的综合传

10、热9.4.1 9.4.1 换热器简介换热器简介结构结构2022-3-522第9章 冶金中的综合传热9.4.1 9.4.1 换热器简介换热器简介2022-3-523第9章 冶金中的综合传热9.4.1 9.4.1 换热器简介换热器简介2022-3-524第9章 冶金中的综合传热9.4.1 9.4.1 换热器简介换热器简介2022-3-525第9章 冶金中的综合传热9.4.1 9.4.1 换热器简介换热器简介2022-3-526第9章 冶金中的综合传热9.4.1 9.4.1 换热器简介换热器简介气气换热气汽换热气水换热2022-3-527第9章 冶金中的综合传热=KtmA W设计计算：设计计算： 根

11、据生产所需的换热条件及要求（流体的出口温度或换热量），确定换热器的型式、换热面积A及结构参数； 校核计算校核计算： 根据已有换热器（型式、A已知）校核它是否满足预定要求，即求出流体的出口温度或换热量。9.4.2 9.4.2 换热器热工计算换热器热工计算2022-3-528第9章 冶金中的综合传热1、平均温差、平均温差tm推导依据： 热平衡方程 热流体失去的热量=冷流体得到的热量 推导方法： 元体分析法 推导结果： ttlntttm 对数平均温差 9.4.2 9.4.2 换热器热工计算换热器热工计算2022-3-529第9章 冶金中的综合传热顺流 )tt ()tt (ln)tt ()tt (t2

12、1212121m 逆流 )()(ln)()(21212121tttttttttm ttlnttttm 叉流 9.4.2 9.4.2 换热器热工计算换热器热工计算2022-3-530第9章 冶金中的综合传热t见图。图中的R及P是水当量的比值及换热器的加热温度效率。122211wwttttR 冷流体的加热度热流体的冷却度2122ttttP 两流体的进口温度冷流体的加热度9.4.2 9.4.2 换热器热工计算换热器热工计算2022-3-531第9章 冶金中的综合传热9.4.2 9.4.2 换热器热工计算换热器热工计算2022-3-532第9章 冶金中的综合传热分析：分析：1）t越大，则tm也越大。2

13、）P值一定时，R值越小则t值越大。 3）R值一定时，P值越小则t值越大。4）当R及P值一定时，流体的流程数越多则t越大。9.4.2 9.4.2 换热器热工计算换热器热工计算2022-3-533第9章 冶金中的综合传热2、传热系数、传热系数K21h1h11KW/(m2)若K值沿换热器长度方向变化较大，则AAKAAAAKAKAKKniiinnn1212211W/(m2)9.4.2 9.4.2 换热器热工计算换热器热工计算2022-3-534第9章 冶金中的综合传热3、换热器的效率及流体终温、换热器的效率及流体终温换热器实际传热量 )()(222111ttwttw 换热器最大可能传热量 )(21mi

14、nmaxttw换热器的效率 =实际传热量最大可能传热量9.4.2 9.4.2 换热器热工计算换热器热工计算2022-3-535第9章 冶金中的综合传热经推导：=f (NTU， ，流动方式) maxminww传热单元数 NTU= 查图 minwAK核算换热器：核算换热器： 可由已知值A、K、wmin、wmax等，算出NTU、 的大小，再由图查出值，进而求出流体的出口温度。maxminww设计换热器：设计换热器：可由已知流体的进、出口温度，算出，由图查出NTU值，进而求得所需换热面积。-NTU法。9.4.2 9.4.2 换热器热工计算换热器热工计算2022-3-536第9章 冶金中的综合传热假设：

15、假设：（1）炉料与炉气沿整个容器横截面均匀流动。（2）炉料与炉气的水当量保持不变。 （3）料块尺寸在热交换过程中不发生变化。（4）料层内换热系数为常数。9.5 9.5 固定料层内热交换固定料层内热交换* *2022-3-537第9章 冶金中的综合传热9.5 9.5 固定料层内热交换固定料层内热交换* *2022-3-538第9章 冶金中的综合传热料块内部热阻很小（Bi0.25）时的热交换dtghhdhHostst gt gtdtst在d时间内，单位体积料层内气体传给料块的热量为 dQ=hA(tgts)Avd 以炉气入口处为起点， ggwQtddsswQtdd9.5 9.5 固定料层内热交换固定

16、料层内热交换* *2022-3-539第9章 冶金中的综合传热0E)(sgggtttt 0E)( sgsstttt)wAh,ww( f2svAgs0E1）wgws 且料层足够高，换热时间足够长 sgtt 2）wgws 且料层足够高，换热时间足够长gstt 每单位体积料层的热交换量0sggggg)tt (w)tt (wQE kJ/m3 0sgssss)tt (w)tt (wQE kJ/m3 )wAh,ww( f2gvAsg0E9.5 9.5 固定料层内热交换固定料层内热交换* *2022-3-540第9章 冶金中的综合传热炉气与料块间的换热系数 体积换热系数 MdTvh.gv7503090FAW

17、/(m3K)表面换热系数 hAhvAv W/(m2K) 对直径为d的球体料块 dAv)1(6m2/m39.5 9.5 固定料层内热交换固定料层内热交换* *2022-3-541第9章 冶金中的综合传热考虑料块内部热阻时的热交换 气体与料块之间的外部热阻及料块内部热阻rkh1RArkh11KAW/(m2)rhrAkAhAKKVVVAVV911112球形料块 W/(m3)9.5 9.5 固定料层内热交换固定料层内热交换* *2022-3-542第9章 冶金中的综合传热9.6 9.6 凝固传热凝固传热* *2022-3-543第9章 冶金中的综合传热连铸凝固传热的分析解法 假设： （1）略去凝固层中

18、y方向的导热（2）不考虑液相中的传热 凝固层一维导热微分方程 22xtaytvs边界条件： y=0 s=0y=0 x=0 t= ts y0 x=0 )(00tthxtixs9.6 9.6 凝固传热凝固传热* *2022-3-544第9章 冶金中的综合传热y0 x=s t= tsy0 x=s ysvHxtssxsddH等效凝固潜热， )(sllttcHH希尔斯利用近似积分方法求得了近似解。利用图可确定：1）凝固层厚度 2）铸坯表面温度 3）冷却水带走热量的速率9.6 9.6 凝固传热凝固传热* *2022-3-545第9章 冶金中的综合传热连铸凝固传热的差分解法一维导热方程 22xtats考虑凝固潜热和温度对导热系数的影响 222xtbxttcffeffes9.6 9.6 凝固传热凝固传热* *2022-3-546第9章 冶金中的综合传热边界传热条件 结晶器内 BAq1 W/m2 二冷区喷水冷却 )(2wstthq W/m2 自然冷却区 )100()100(4043TTcqsb W/m2 温度对时间取前差分，温度对空间取中心差分，则)(2)(4)2(211121111kikikikiffekikikikikittttbtttFott9.6 9.6 凝固传热凝固传热* *2022-3-547第9章 冶金中的综合传热边界节点的差分方程，按边界上半层近似热平衡式导出，即)(211ffe