第十章传热与换热器.ppt
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1、第十章 传 热 与 换 热 器,第一节 通过肋壁的传热 第二节 有复合换热时的传热计算 第三节 传热的增强与削弱 第四节 换热器的型式和基本构造 第五节 平均温差 第六节 换热器计算 第七节 换热器性能评价简述 作业,第一节 通过肋壁的传热,已知:稳态,未加肋侧的参数为:A1、tw1、h1、tf1;肋壁厚、导热系数;加肋侧的参数为:肋基温度tw2、h2、tf2、总表面积A2=A2/+A2/,其中:A2/:未肋化部分的面积,A2/:肋片的全表面积。,A2/,A2/,h2 tf,tw2,A1 tw1 h1 tf1, ,加肋侧换热量:=h2A2/(tw2-tf2)+f被肋化面积,=h2A2/(tw2
2、-tf2)+fh2A2/(tw2-tf2),第一节 通过肋壁的传热,于是有: =h2A2(tw2-tf2) 另肋壁的导热传热量为: =A1(tw1-tw2)/ 未加肋侧的换热量为: =h1A1(tf1-tw1) 联立上式,消去tw1、tw2即有:,进一步整理: =h2(A2/+ fA2/)(tw2-tf2),若令:,我们称之为肋壁总效率。其物理意义为:,第一节 通过肋壁的传热,K1称为以A1面为基准为传热系数。 =A2/A1,称为肋化系数,显然1,且有1。,上式可写成: =k1A1(tf1-tf2) W 其中:,第一节 通过肋壁的传热,若以A2作为传热基准面,k2为以A2面为基准为传热系数,则
3、有:,第一节 通过肋壁的传热,肋壁总效率以肋化系数的影响因素较多,下面看看肋片间距与肋高的影响,进而对传热系数k的影响: 1.肋片间距s: s单位长度内肋片的数量A2热阻R2k1 s增强肋片间流体的扰动h2k1 s的下降是有限的,s必须大于最厚热边界层厚度的2倍。 2.肋片高度l: lf,但当l肋片面积A2/A2,必存在某一高l,使有极大值,从而使热阻R2有极小值,k1最有利。 另外,肋片应加在对流换热系数较小的一侧,且不必过分追求高等使此侧热阻变得很小,只要使两侧热阻大小相当即可。 工程上有时将肋片加在对流换热系数大的一侧,其主要目的就再不是为了强化传热。若h大的一侧为温度低的流体,其目的可
4、能是为有效地降低壁温,如锅炉中的水冷壁等。,第二节 有复合换热时的传热计算,实际的传热过程多由二种或三种方式组成的复合换热,如室内辐射采暖板的表面与室内既有对流换热,又有辐射换热: 对流换热量:qc=hc(tw-tf) W/m2,式中:Tam为周围环境参与辐射换热的物体温度。,若引入温差(tw-tf),将辐射换热的计算式也用牛顿冷却公式的形式表示,则有:,式中:hr称为辐射换热表面传热系数。,辐射换热量:,第二节 有复合换热时的传热计算,于是总换热量: q=qc+qr=(hc+hr)(tw-tf)=h(tw-tf) 上式在工程计算时被大量采用。它有时使计算大大简化,且h在暖通计算中常可由手册查
5、得。一般对室内表面换热:hr/h5060%,而室外因风速影响:hr/h1015%左右。 另外,当twtf且twtam,或当twtf且twtam时,使用上式时较方便,若对流换热的热流方向与辐射换热的热流方向相反时,注意用热平衡法确定壁面的相关参数和相应的热流密度。 总之,在复合换热计算中,要具体问题具体分析,抓住主要矛盾,同时兼顾次要矛盾的影响。 具体计算可参阅例题。,第三节 传热的增强与削弱,1.扩展传热面积:如采用肋片等。 2.提高传热温差:如用逆流方式等。 3.提高传热系数:主要要设法提高热阻较大侧的对流换热系数。 设h1h2,且有:h1=nh2,通过推导可得:k/h2=n2k/h1 上式
6、说明k随h2的变化率要比k随h1的变化率大n2倍,说明设法提高h2比提高h1使k值的增加要好得多。 二、增强传热的方法 1.改变流体的流动状态: 1.增大流速:hu0.8,但u变大,能耗随u3增加。 2.加扰动物:破坏边界层,使流场形成环流或紊流。,一、增强传热的基本途径 =KAt,第三节 传热的增强与削弱,二、增强传热的方法 2.改变流体的物性 1.气流中加少量固体细粒:使气流的、c; 2.蒸汽或气体中喷入液滴:促使换热向珠状凝结转化; 3.液体中加少量挥发性强物质:促使向泡态沸腾换热转化。 3.改变换热表面状况 1.增加粗糙度: 2.改变截面形状和大小: 3.表面涂层:,第三节 传热的增强
7、与削弱,三、削弱传热的方法 1.热绝缘 1.真空热绝缘:如保温瓶胆; 2.多层热绝缘: 3.外包热绝缘材料: 2.改变表面状况 1.表面涂层:如用选择性材料作太阳集热器的涂层; 2.附加抑制对流的元件: 3.在保温材料的表面或内部加憎水剂:,第四节 换热器的型式和基本构造,按工作原理可将换热器分成三类 1.间壁式换热器:冷热流体被一壁面隔开;最常见。 2.混合式换热器:冷热流体直接混合换热; 3.回热式换热器:冷热流体交替流过换热器。 间壁式换热器从构造上又分管壳式、肋片管式、板式、板翅式、螺旋板式等。 管壳式按流体在管程和管壳的流动方式又可分为顺流式、逆流式、横流(交叉流)式、混和流式等。
8、管壳式结构坚固、易制造、适应性强,应用历史已悠久。板式传热效率高、阻力小、结构紧凑、金属耗量低、清洗维护方便,但造价较高。,管壳式换热器,管壳式换热器,管壳式换热器,肋片管式换热器,肋片管式换热器,板式换热器,板式换热器,板式换热器,板翅式换热器,板翅式换热器基本原理图,板翅式换热器的各种翅片,螺旋板式换热器,螺旋板式换热器,螺旋板式换热器,螺旋板式换热器,螺旋板式换热器,螺旋板式换热器,螺旋板式换热器,第五节 平 均 温 差,t1/,t2/,t2/,t1/,t/,t/,t/,t/,t1/,t2/,t1/,t2/,tx,dt1,dt2,t1/,t1/,t1/,t1/,t2/,t2/,t2/,t
9、2/,顺流,逆流,=kAt t即为温差,dx,dA,第五节 平 均 温 差,对数平均温差(简称LMTD)tm的导出: 设t1为热流体温度,t1/为热流体进口温度,t1/为热流体出口温度; t2为冷流体温度,t2/为冷流体进口温度,t2/为冷流体出口温度; t/为热流体进口侧的温差 顺流时:t/=t1/-t2/ 逆流时:t/=t1/-t2/ t/为热流体出口侧的温差 顺流时:t/=t1/-t2/ 逆流时:t/=t1/-t2/ 在x处取微元距离dx,此时对应微元面积dA的传热量d为: d=kx(t1-t2)xdA 即:,第五节 平 均 温 差,假设: 传热系数k在整个换热面不变,即kx=k; 换热
10、器的散热损失忽略不计; 换热器换热时无相变产生; 忽略沿换热面轴向的导热; Mc:流体的热容量。可用大写C表示。其物理意义:质量流量M的流体温度升高1所需热量。此时假定流体的热容也为常数。 令平均温差为tm,则传热方程变为: =kAtm 由式有:,要求tm ,则先要求出tx随x或A的关系。,第五节 平 均 温 差,以逆流为例: 热流体在dA的放热量:d = - M1c1dt1 (此时dt1为负) 冷流体在dA的吸热量:d = M2c2dt2 (此时dt2为正) 上两式可写成:,据:d(t1-t2)x=dtx=dt1-dt2 =-d(1/M1c1+1/M2c2) 又据式:d=ktxdA 代入上式
11、有: dtx=-ktx(1/M1c1+1/M2c2)dA 整理得:,当x=0时,Ax=0,tx=t/,故上式dA由0Ax,dtx由t/tx积分得:,将代入得:,第五节 平 均 温 差,据式,当Ax=A时,tx=t/,则有:,第五节 平 均 温 差,工程中,只要误差在允许的范围内,常用算术平均温差来确定实际平均温差: 当tmax/tmin2时,tm/ =(tmax+tmin)/2 =(t/+ t/)/2 此时误差不超过4%。 当tmax/tmin1.7时,用算术平均温差取代取代对数平均温差,所引起的误差将不超过2.3%。 一般通过计算,算术平均温差tm/总比对数平均温差tm要大,当tmax/tm
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