《传热学》-第十五章　传热及传热的增强和削弱

第一节通过平壁及圆筒壁的传热一、通过平壁的传热本节主要研究流体将热量传给壁面,通过间壁传给另一面流体的问题.这种热流体通过固体壁将热量传给冷流体的过程叫作传热.设有一单层平壁如图１５-１所示,在稳定状态下,热流体将热量传给壁面,通过平壁的导热传到另一侧壁面,然后由另一侧壁面传给冷流体.忽略热量损失,有:下一页返回第一节通过平壁及圆筒壁的传热将上面公式整理得通过单层平壁的传热量可以表示为平壁的传热系数K表示两侧流体温差为１℃时,单位时间内通过每平方米壁面传递的热量.传热系数是反映传热过程强弱的指标.K值的大小与流体的性质、流动情况、壁面材料、形状和尺寸等因素有关.上一页下一页返回第一节通过平壁及圆筒壁的传热我们把单位面积平壁的传热量称为热流通量,于是,根据式(１５-４),热流通量可以表示为因为传热系数的倒数是热阻R,单位为m２·℃/W,即因此,热流通量公式也可以表示为上一页下一页返回第一节通过平壁及圆筒壁的传热二、通过圆筒壁的传热设有一圆筒壁,如图１５-２所示,假定流体温度和壁内的温度只沿径向发生变化,在达到稳定状态时,热流体传给筒壁的热量、通过管壁传递的热量,以及由筒壁传给冷流体的量三者都相等,于是可得上一页下一页返回第一节通过平壁及圆筒壁的传热将式(１５-１０)、式(１５-１１)、式(１５-１２)移项并整理得由式(１５-１３)得每米长圆筒壁的传热量为上式中每米长圆筒壁的传热系数和传热热阻:上一页下一页返回第一节通过平壁及圆筒壁的传热对于n层圆筒壁,可参照式(１５-１５)和式(１５-１６)写出每米长圆筒壁的传热系数和总传热热阻的计算式:每米长多层圆筒壁的传热量为上一页下一页返回第一节通过平壁及圆筒壁的传热为了简化计算,在实际工程中,当圆筒壁不太厚,即d２/d１＜２,或计算精度要求不高时,可将圆筒壁当作平壁计算,则通过每米长单层圆筒壁的传热量为上一页返回第二节通过肋壁的传热肋壁传热的工程实例很多,例如,翅片管散热器、锅炉中的铸铁省煤器等.前面的章节曾经分析过肋壁的导热,增大固体壁一侧的表面积,可使总热阻减小,使传热增强.如图１５-３所示,现以换热设备的金属肋壁为例进行分析.在稳态传热的情况下(设tf１＞tf２,设肋和壁为同一材料),则通过肋壁的传热量可以表示如下:流体１与光壁面换热:通过壁的导热:下一页返回第二节通过肋壁的传热肋壁与流体的换热:式(１５-２１)、式(１５-２２)、式(１５-２３)经整理得通过肋壁的传热量为上一页下一页返回第二节通过肋壁的传热如果按光壁表面单位面积计算,β＝F２/F１,叫作肋化系数(β＞１),则如果按肋面单位面积计算,则上一页下一页返回第二节通过肋壁的传热当F１＝F２时,有当F１＝F２时,肋壁变成平壁换热问题,由公式可以看出,在α较小的一面做成肋壁形式能增强传热效果.下面分析肋片间距的影响,当肋片间距减小时,肋片的数量增多,肋壁的表面积F２增大,则β值增大,这对减小热阻有利;肋片间距适量减小时可以增强肋片间流体的扰动,使换热系数α２增大.但肋片间距的减小是有限的,以免肋片间流体的温度升高,降低了传热的温差.上一页返回第三节传热的增强和削弱一、增强传热的基本途径由传热的基本公式Q＝KFΔt可以看出,传热与传热系数、传热面积、传热温差有关系,因此,增强传热的基本途径有增大传热系数、增大传热面积、增大传热温差.１.增大传热系数传热过程总热阻是各部分热阻之和,因此,要改变传热系数就必分析每一项热阻,下面以换热设备为例进行分析(换热器金属壁薄,热阻很小,δ/λ可以忽略),则传热系数K可表示为:下一页返回第三节传热的增强和削弱由上式可以看出,K值比α１和α２都小.如果要增大传热系数,改变哪一侧的换热系数更有效呢?对α１和α２分别求偏导,即可得出答案:设α１＞α２,且α１＝nα２(n＞１),代入式(１５-３２)可以得出K″＝n２K′结论:使α较小的那一项增大才能有效地增大传热系数.上一页下一页返回第三节传热的增强和削弱２.增大传热面积增大传热面积不能单纯理解为增加设备台数或增大设备体积,而是合理地增大单位体积的传热面积.比如,采用肋片管、波纹管式换热面,从结构上增大单位体积的传热面积.３.增大传热温差改变传热温差可以通过改变冷流体或热流体的温度来实现.改变流体温度的方法包括:提高热水采暖系统热水的温度;冷凝水中的冷却水用低温深井水代替自来水;提高辐射采暖的蒸汽压力.另外两种流体以同一方向流动比两种流体以相对方向流动时的平均温差要小,所以,换热器尽可能采用逆向流动方式.上一页下一页返回第三节传热的增强和削弱二、增强传热的方法影响对流换热的主要因素是流体的流动状态、流体的物理性质、换热面形状等,可以采用以下方法.１.改变流体的流动情况(１)增加流速可以改变流体的流动状态,因为紊流时α按流速的０.８次幂增加,如壳管式换热器中管程、壳程的分程就是为加大流速、增加流程长度和扰动的,但流速增加时流动阻力也将增大,所以,应选择最佳流速.(２)加入干扰物.在管内或管外套装,如金属丝、金属螺旋圈环、麻花铁、异形物等,可以增加扰动、破坏边界层使传热增强.上一页下一页返回第三节传热的增强和削弱(３)借助外来能量.用机械或电的方法使表面或流体产生振动,也可利用声波或超声波对流体增加脉动强化传热,还可以外加静电场使传热面附近电解质流体的混合作用增强,从而加强对流换热.２.改变流体的物理性质流体的物理性质对α影响较大,在流体中加入少量添加剂(添加剂可以是固体或液体).它与换热流体组成汽-固、汽-液、液-固等混合流动系统.气流中加入少量固体细粒(如石墨、黄砂、铅粉等),可提高热容量,同时固体颗粒具有比气体高得多的辐射作用,因而使换热系数明显增加,沸腾床(流化床)可以归入汽这一类型.汽-液型:如在蒸汽中加入硬脂酸、油酸等物质,促使形成珠状凝结而提高换热系数.液-固型:如在油中加入聚苯乙烯悬浮液,也会使传热增强.上一页下一页返回第三节传热的增强和削弱３.改变换热表面情况改进表面结构,如将管表面做成很薄的多孔金属层,以增强沸腾和凝结换热;也可在表面涂层,如凝结换热时,在换热表面涂上一层表面张力小的材料(聚四氟乙烯),这有利于增加换热系数;另外增加壁面粗糙度,改变换热面形状和大小,也可使传热增强.三、削弱传热的方法为了削弱传热,可以采取降低流速、改变表面状况、使用导热系数小的材料、加遮热板等措施,效果较好.下面主要讲两种措施.１.热绝缘工程上常用的热绝缘技术是在传热表面包裹热绝缘材料(石棉、泡沫塑料、珍珠岩等),随着科学技术的不断发展,出现了一些新型的热绝缘技术.上一页下一页返回第三节传热的增强和削弱真空热绝缘:将换热设备的外壳做成夹层,夹层内壁两侧涂以反射率高的涂层,并把它抽成真空,夹层真空度越好,绝缘性能越好.一般真空抽至０.０１~０.００１Pa,在８０~３００K温度下,热导率＝１０－４W/(m·℃).多层热绝缘:其是把若干片反射率高的材料(如铝箔)和热导率低的材料(如玻璃纤维)交替排列,并将系统抽成真空,组成多层真空热绝缘.这种多层热绝缘的绝热性能好,多用于深度低温装置中.粉末热绝缘:其可以是抽真空或真空的粉末热绝缘,可以在热绝缘夹层填充珍珠岩、炭黑等,粉末热绝缘的效果虽没有多层热绝缘好,但结构简单.泡沫热绝缘:多孔的泡沫热绝缘具有蜂窝状结构,是在制造泡沫的过程中由起泡气体形成的,其绝缘性能较好.但应注意避免材料因发生龟裂、受潮而丧失绝缘作用.上一页下一页返