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傳熱過程分析與換熱器熱計算.ppt

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第九章 傳熱過程分析與換熱器熱計算本章的學習目的分析實際傳熱問題的能力綜合應用三種基本傳熱方式及其相關公式的能力了解換熱器的基本知識和設計過程§ 9-1 傳熱過程的分析和計算 傳熱過程? 基本計算式(傳熱方程式)?式中:K是傳熱系數(總傳熱系數)。對于不同的傳熱過 程,K的計算公式也不同。1 通過平壁的傳熱K的計算公式?說明: (1) h1和h2的計算;(2)如果計及輻射時對流換熱系數應該采用等效換熱系數(總表面傳熱系數)單相對流:膜態沸騰:(8-24)(6-23)2 通過圓管的傳熱hiho內部對流:圓柱面導熱:外部對流:其中:3 通過肋壁的傳熱肋壁面積:穩態下換熱情況:A1A2Ai肋面總效率定義肋化系數: 則傳熱系數為所以,只要 就可以起到強化換熱的效果。4 帶保溫層的圓管傳熱——臨界熱絕緣直徑圓管外敷保溫層后:可見,保溫層使得導熱熱阻增加,換熱削弱;另一方面,降低了對流換熱熱阻,使得換熱贈強,那么,綜合效果到底是增強還是削弱呢?這要看d?/ddo2 和d2?/ddo22的值可見,確實是有一個極值存在,那么,到底是極大值,還是極小值呢?從熱量的基本傳遞規律可知,應該是極大值。也就是說,do2在do1 ~ dcr之間,?是增加的,當do2大于dcr時, ?降低。or§ 9-2 換熱器的型式及平均溫差換熱器的定義:用來使熱量從熱流體傳遞到冷流體,以 滿足規定的工藝要求的裝置2 換熱器的分類:三種類型換熱器簡介3 間壁式換熱器的主要型式套管式換熱器:最簡單的一種間壁式換熱器,流體有順 流和逆流兩種,適用于傳熱量不大或流 體流量不大的情形順流逆流(2) 管殼式換熱器:最主要的一種間壁式換熱器,傳熱面由管束組成,管子兩端固定在管板上,管束與管板再封裝在外殼內。兩種流體分管程和殼程。增加管程進一步增加管程和殼程(3) 交叉流換熱器:間壁式換熱器的又一種主要形式。其主要特點是冷熱流體呈交叉狀流動。交叉流換熱器又分管束式、管翅式和板翅式三種。(c) 板翅式交叉流換熱器(4) 板式換熱器:由一組幾何結構相同的平行薄平板疊加所組成,冷熱流體間隔地在每個通道中流動,其特點是拆卸清洗方便,故適用于含有易結垢物的流體。單位體積內所包含的換熱面積作為衡量換熱器緊湊程度的衡量指標,一般將大于700m2/m3的換熱器稱為緊湊式換熱器,板翅式換熱器多屬于緊湊式,因此,日益受到重視。(5) 螺旋板式換熱器:換熱表面由兩塊金屬板卷制而成,有點:換熱效果好;缺點:密封比較困難。4 簡單順流及逆流換熱器的對數平均溫差傳熱方程的一般形式:這個過程對于傳熱過程是通用的,但是當溫差 沿整個壁面不是常數時,比如等壁溫條件下的管內對流換熱,以及我們現在遇到的換熱器等。對于前者我們曾經提到過對數平均溫差(LMTD)的公式,但是沒有給出推導。下面我們就來看看LMTD的推導過程dthdtcthtc以順流情況為例,并作如下假設:(1)冷熱流體的質量流量qm2、qm1以及比熱容c2,c1是常數;(2) 傳熱系數是常數;(3)換熱器無散熱損失;(4)換熱面沿流動方向的導熱量可以忽略不計。要想計算沿整個換熱面的平均溫差,首先需要知道當地溫差隨換熱面積的變化,即 ,然后再沿整個換熱面積進行平均在前面假設的基礎上,并已知冷熱流體的進出口溫度,現在來看圖9-13中微元換熱面dA一段的傳熱。溫差為:在固體微元面dA內,兩種流體的換熱量為:對于熱流體和冷流體:可見,當地溫差隨換熱面呈指數變化,則沿整個換熱面的平均溫差為:(1)(2)(3)(1)+(2)+(3)對數平均溫差順流:逆流時:其他過程和公式與順流是完全一樣,因此,最終仍然可以得到:順流和逆流的區別在于:順流:逆流:或者我們也可以將對數平均溫差寫成如下統一形式(順流和逆流都適用)5 算術平均溫差平均溫差的另一種更為簡單的形式是算術平均溫差,即算術平均溫差相當于溫度呈直線變化的情況,因此,總是大于相同進出口溫度下的對數平均溫差,當 時,兩者的差別小于4%;當 時,兩者的差別小于2.3%。6 其他復雜布置時換熱器平均溫差的計算以上所討論的對數平均溫差(LMTD)只是針對純順流和純逆流情況,而這種情況的出現是比較少的,實際換熱器一般都是處于順流和逆流之間,或者有時是逆流,有時又是順流。對于這種復雜情況,我們當然也可以采用前面的方法進行分析,但數學推導將非常復雜,實際上,逆流的平均溫差最大,因此,人們想到對純逆流的對數平均溫差進行修正以獲得其他情況下的平均溫差。是給定的冷熱流體的進出口溫度布置成逆流時的LMTD,?是小于1的修正系數。圖9-15 ~ 9-18分別給出了管殼式換熱器和交叉流式換熱器的 ? 。關于?的注意事項(1)? 值取決于無量綱參數 P和 R式中:下標1、2分別表示兩種流體,上角標 ` 表示進口,`` 表示出口,圖表中均以P為橫坐標,R為參量。(3)R的物理意義:兩種流體的熱容量之比(2)P的物理意義:流體2的實際溫升與理論上所能達到 的最大溫升之比,所以只能小于1(4) 對于管殼式換熱器,查圖時需要注意流動的“程”數7 各種流動形式的比較順流和逆流是兩種極端情況,在相同的進出口溫度下,逆流的 最大,順流則最??;順流時 ,而逆流時, 則可能大于 ,可見,逆流布置時的換熱最強。InOutInOut(3) 那么是不是所有的換熱器都設計成逆流形式的就最好呢?不是,因為一臺換熱器的設計要考慮很多因素,而不僅僅是換熱的強弱。比如,逆流時冷熱流體的最高溫度均出現在換熱器的同一側,使得該處的壁溫特別高,可能對換熱器產生破壞,因此,對于高溫換熱器,又是需要故意設計成順流(4) 對于有相變的換熱器,如蒸發器和冷凝器,發生相變的流體溫度不變,所以不存在順流還是逆流的問題。xTIn OutxTIn Out冷凝蒸發§ 9-3 換熱器的熱計算 換熱器熱計算分兩種情況:設計計算和校核計算(1)設計計算:設計一個新的換熱器,以確定所需的換熱面積校核計算:對已有或已選定了換熱面積的換熱器,在非設 計工況條件下,核算他能否勝任規定的新任務。換熱器熱計算的基本方程式是傳熱方程式及熱平衡式式中, 不是獨立變量,因為它取決于 以及換熱器的布置。另外,根據公式(9-15)可是,一旦 和 以及 中的三個已知的話,我們就可以計算出另外一個溫度。因此,上面的兩個方程中共有8個未知數,即需要給定其中的5個變量,才可以計算另外三個變量。對于設計計算而言,給定的是 ,以及進出口。省略部分。 時上面兩個公式合并,可得:換熱器效能公式中的 依賴于換熱器的設計, 則依賴于換熱器的運行條件,因此, 在一定程度上表征了換熱器綜合技術經濟性能,習慣上將這個比值(無量綱數)定義為傳熱單元數NTU,即因此,與順流類似,逆流時:當冷熱流體之一發生相變時,相當于 ,即 ,于是上面效能公式可簡化為當兩種流體的熱容相等時,即 ? 公式可以簡化為順流:逆流:( ,及兩個進口溫度,求 )(2) 用效能-傳熱單元數法計算換熱器的步驟a 設計計算 顯然,利用已知條件可以計算出 ? ,而帶求的k,A則包含在NTU內,因此,對于設計計算是已知? ,求NTU,求解過程與平均溫差法相似,不再重復b 校核計算 由于k事先不知,所以仍然需要假設一個出口溫度,具體如下:① 假設一個出口溫度 ,利用熱平衡式計算另一個② 利用四個進出口溫度計算定性溫度,確定物性,并結合換熱器結構,計算總傳熱系數k③ 利用k, A計算NTU( ,及進出口溫度中的三個,求 )④ 利用NTU計算 ? ⑤ 利用(9-17)計算?,利用(9-14)計算另一個?⑥ 比較兩個?,是否滿足精度,否則重復以上步驟從上面步驟可以看出,假設的出口溫度對傳熱量?的影響不是直接的,而是通過定性溫度,影響總傳熱系數,從而影響NTU,并最終影響 ? 值。而平均溫差法的假設溫度直接用于計算? 值,顯然?-NTU法對假設溫度沒有平均溫差法敏感,這是該方法的優勢。3 換熱器設計時的綜合考慮 換熱器設計是綜合性的課題,必須考慮出投資,運行費用,安全可靠等諸多因素。4 換熱器的結垢及污垢熱阻 污垢增加了熱阻,使傳熱系數減小,這種熱阻成為污垢熱阻,用Rf表示,式中:k為有污垢后的換熱面的傳熱系數,k0為潔凈換熱面 的傳熱系數。對于兩側均已結構的管殼式換熱器,以管子外表面為計算依據的傳熱系數可以表示成:如果管子外壁沒有肋化,則肋面總效率?o = 1。管殼式換熱器的部分污垢熱阻可以在表9-1種查得?!?9-4 傳熱的強化和隔熱保溫技術強化傳熱的目的:縮小設備尺寸、提高熱效率、保證設備安全削弱傳熱的目的:減少熱量損失根據不同的需求,對于實際傳熱的傳熱過程,有時需要強化,有時則需要削弱。顯然,根據不同的傳熱方式,強化和削弱傳熱的手段應該不同,本節主要針對對流換熱過程的強化和削弱1 強化傳熱的原則和手段(1) 強化換熱的原則:哪個環節的熱阻大,就對哪個環節采取強化措施。舉例:以圓管內充分發展湍流換熱為例,其實驗關聯式為:(2) 強化手段: a 無源技術(被動技術) ;b 有源技術(主動式技術)a 無源技術(被動技術):除了輸送傳熱介質的功率消耗外,無需附加動力其主要手段有:①涂層表面;②粗糙表面(圖9-28);③擴展表面(圖9-29);④擾流元件(圖9-30a);⑤渦流發生器(圖9-30b) ;⑥螺旋管(圖9-30c) ;⑦添加物; ⑧射流沖擊換熱b 有源技術(主動式技術):需要外加的動力其主要手段有:①對換熱介質做機械攪拌;②使換熱表面振動;③使換熱瘤體振動;④將電磁場作用于流體以促使換熱表面附近流體的混合;⑤將異種或同種流體噴入換熱介質或將流體從換熱表面抽吸走。對換熱器而言,隨著強化措施的完善,污垢熱阻有時會成為傳熱過程的主要熱阻,因此,需要給換熱器的設計提供哈里的污垢熱阻的數據,這就需要實驗測定,可是實驗測出來的是總表面傳熱系數,那么如何將總的傳熱系數分成各個環節的熱阻呢?下面的威爾遜圖解法提供了一種有效途徑2 確定傳熱過程分熱阻的威爾遜圖解法 利用數據采集系統可以測定壁面和流體的溫度,從而獲得平均溫差,利用熱平衡方程式獲得熱流量,換熱面積可以根據設計情況獲得,這樣就可以通過傳熱方程式計算出總表面傳熱系數。這是威爾遜圖解法的基礎。 我們已管殼式換熱器為例,說明如何應用威爾遜圖解法獲得各個分熱阻??偙砻鎮鳠嵯禂悼梢员硎境桑汗I換熱器中的管內流體的流動一般都是處于旺盛湍流狀態,hi 與流速u0.8成正比,因此,可以寫成 的形式,帶入上式:如果能保持ho不變,Rw壁面的導熱熱阻不會變化,Rf在短時間內不會有大的改變,因此,上式右邊的前三項可認為是常數,用 b 表示,物性不變的情況下, 可以認為是常數,用m表示,于是上式可變為改變管內流速u,則可以測得一系列的總表面傳熱系數,然后繪制成圖,則是一條直線,如圖(9-31)所示從這個圖中可以獲得b,m,和ci,從而,管子內側的對流換熱系數這樣就將內部熱阻從總傳熱系數中分離出來,然后,當換熱器運行一段時間后,再進行同樣過程的測量,可以獲得另外一條曲線,則兩條曲線截距之差就是污垢熱阻,這樣又把污垢熱阻分離出來了。威爾遜圖解法的前提是有一側的換熱熱阻基本保持不變,有時候這格條件很難被滿足,因此,后來人們提出了一種修正威爾遜圖解法。3 隔熱保溫技術(1) 需求背景(2) 高于環境溫度的熱力設備的保溫多采用無機的絕熱材料(3) 低于環境溫度時,有三個檔次的絕熱材料可供選擇, a 一般性的絕熱材料;b 抽真空至10Pa的粉末顆粒熱 材料;c 多層真空絕熱材料。(4) 保溫效率? ?0 —— 單位長度裸管的散熱量,W/m; ?x —— 單位長度包有厚x(單位:mm)保溫材料的 管子的散熱量,W/m本章小結:換熱器的定義、類型,及其各自的優缺點;不同表面的總表面傳熱系數,污垢熱阻的概念;對數平均溫差(LMTD);LMTD在換熱器分析中的應用強化傳熱的原則和手段臨界熱絕緣直徑用于不同的傳熱方式分析、計算換熱器內的傳熱量思考題:1.通過平板與園管的傳熱系數的計算方法. 2.肋化系數和肋面總效率的定義. 肋效率, 肋化系數和肋 面總效率之間的區別.3.已知肋化系數后, 通過肋面的傳熱系數的計算方法.4.臨界熱絕緣直徑的物理意義及計算方法.5.換熱器有那些主要形式? 6.換熱器的對數平均溫差計算方法7.換熱器熱計算的基本方法.8.什么是換熱器的效能和傳熱單元數.9.在換熱器熱計算中, 平均溫差法和傳熱單元法各有什么 特點? 10.什么是污垢熱阻? 工程實際中,怎樣減小管路中的污垢 熱阻? 舉幾個例子.11.強化傳熱系數的原則是什么?12.什么是有源強化換熱(主動式強化換熱)和無源強化換熱 (被動式強化換熱)?13.怎樣使用試驗數據, 用威爾遜圖解法求解傳熱過程分熱 阻?14.有那些隔熱保溫技術. 什么是保溫效率?作業:9-3,9-5,9-9,9-10,9-16,9-17,9-20,9-23,9-26,9-29,9-33,9-35,9-39,9-45,9-48,9-50,9-52,9-55
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