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環境工程原理第四章4.ppt

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第五節 熱輻射 任何物體,只要溫度大于0K,都會以電磁波的形式向外發射能量,同時又不斷地吸收其他物體發來的輻射能。當兩者數量不同時,就產生了熱量的傳遞,這種傳熱方式稱為熱輻射。 熱輻射這種傳熱方式不需要任何介質,所以不同于熱傳導和對流傳熱,包括傳熱規律也不同。第五節 熱輻射一、 基本概念1. 輻射:物體通過電磁波來傳遞能量的過程。2. 熱輻射:物體由于熱的原因以電磁波的形式向 外發射能量的過程。 特點:類同于光輻射,只是波長不同,被吸收后又轉換為熱;能量傳遞的同時還伴隨著能量形式的轉換;波長集中在0.1~1000μm,能量集中于波長為0.76~20μm。 (紅外)QρQτQαNQ能量守恒定律:式中 ——吸收率; ——反射率; ——穿透率。 3. 熱輻射對物體的作用總能量Q;被物體吸收Qα ;被反射Qρ;穿過物體Qτ 黑體:白體(鏡體):透熱體:α,ρ,τ = f (物體性質、溫度、表面、輻射波長)灰體:指能以相同的吸收率吸收所有波長 的輻射能的物體。固體、液體: τ=0 α+ρ=1 (表面起作用)氣體: ρ=0 α+τ=1極限情況,實際不存在,但可接近或近似二、 物體的輻射能力與斯蒂芬-波爾茲曼定律(一)物體的輻射能力與斯蒂芬-波爾茲曼定律 物體在一定溫度下,單位表面積,單位時間內所發射的全部輻射能(波長從0到?),稱為該物體在該溫度下的輻射能力,E,W/m2。 物體的單色輻射能力:物體在一定溫度下,發射某種波長的能力;以E?表示,單位W/m3。輻射能與單色輻射能的關系:黑體的輻射能力(最大),有斯蒂芬-波爾茲曼定律:σ = 5.669?10-8W/m2K4 (4-51)(4-52)或: Cb = 5.669W/m2K4(二)實際物體的輻射能力黑度:實際物體的輻射能力與同溫度下黑體的輻射 能力之比。(4-53)? T2A1 = A2對灰體損失熱能:熱交換達到平衡時 T1=T2,Q=0任意物體:(1-α)Eb(4-56)E1EbαEb Ⅰ灰體 Ⅱ 黑體 灰體 T1黑體 T2定溫下,輻射能力大,吸收率也大物體的E與α之比為同溫下黑體的輻射能力討論物體表面的輻射能力與其吸收率的關系;吸收率與其黑度的關系(1)任何物體的發射能力與吸收率的比值均相同,且等于同溫度下絕對黑體的發射能力。物體的發射能力越強,其吸收率越大。(2)ε= E/Eb α=? 即同溫度下,物體的吸收率與黑度在數值上相等。(3)α<1,E<Eb,即在任何溫度下,各種物體中以絕對黑體的發射能力為最大??讼;舴蚨桑核?、 兩固體間的相互輻射式中 A——平面的傳熱面積;C1-2——總輻射系數(W/m2?K4) ?1-2——角系數(高溫物體1發射輻射能被2攔截分率)。(4-55)兩固體間的輻射傳熱與固體材料、溫度及表面狀況有關;還與表面大小、形狀、距離及相關位置等有關。角系數值與總輻射系數計算式(4-61)(4-62)(4-59)(4-60)影響輻射傳熱的因素:1)溫度的影響 Q? ?T4 , 低溫時可忽略,高溫時可能成為主要方式2)幾何位置的影響3)表面黑度的影響 Q? ?,可通過改變黑度的大小強化或減小輻射傳熱。4)輻射表面間介質的影響 減小輻射散熱,在兩換熱面加遮熱板(黑度較小的熱屏)?!α魃幔?輻射散熱: 令?=1 總熱損失: 式中 ?T——對流-輻射聯合傳熱系數,W/(m2.K)。 五、輻射與對流的聯合傳熱(熱損失計算)(4-65)(4-63)(4-64)空氣自然對流,當tW<150?C時平壁保溫層外(2) 空氣沿粗糙壁面強制對流空氣速度u5m/s時 經驗公式: 第六節 換熱器4.24 換熱器的分類一、按用途分類: 加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發器和再沸器二、按熱量的傳遞方式分類: 1、間壁式——按間壁形狀分夾套、蛇管、套管、列管、板式、板翅式等 2、直接接觸式——兩流體直接混合傳熱 3、蓄熱式——熱流體將熱傳給蓄熱填料,冷流體又從蓄熱填料取得熱量目的:(1) 根據工藝要求,選擇適當的換熱器類型;(2) 通過計算選擇合適的換熱器規格。二、 間壁式換熱器的類型(一)夾套換熱器適用:水蒸氣加熱或水冷卻;可視情況更換成蛇管、列管等。(二)沉浸式蛇管換熱器優點:結構簡單;制造方便;耐高壓;便于防腐缺點:總傳熱系數較小強化措施:可減少管外空間;容器內加攪拌器。(三) 噴淋式傳熱效果好于沉浸式,且便于檢修和清洗;但占地較大,水濺灑,噴淋不均勻。(四)套管換熱器優點:高的 傳熱系數;結構簡單;耐高壓;制造方便;應用靈便;傳熱面易于變化。缺點:金屬耗量大;占地大;等適用:流量不大、傳熱面不大;高壓外管 內管彎管 接管(五)螺旋板式換熱器優點:傳熱效率高不易堵塞結構緊湊,成本較低缺點:壓力、溫度不能太高難以維修(六)平板式換熱器1、角孔(流體進出)2、導流槽;3、封槽;4、波紋;5、掛鉤;6、定位缺口優點:傳熱效率高,K大結構緊湊,操作靈活,安裝檢修方便缺點:耐溫、耐壓差易滲漏,處理量?。ㄆ撸┌宄崾綋Q熱器單元體: 板束:優點:結構緊湊,2500~4300m2傳熱系數大,傳熱效率高輕巧牢固缺點:流道小,易堵塞清洗困難制造復雜,難以維修(八)空冷式換熱器優點:不用水污染小缺點:裝置龐大占空間多動力消耗大(九)熱管載熱介質:液氨、液氮、甲醇、水、液態金屬鉀、 鈉、銀等溫度范圍:-200 ~ 2000℃特點:傳熱能力很大;結構簡單;應用廣泛吸液網熱流體冷流體(十)列管式換熱器1、固定管板式特點:結構簡單;但殼程檢修和清洗困難。用于溫差不大的傳熱加擋板:增大殼程流體的湍動,提高殼程的?多管程:增大管內流體u,提高管內的?(封頭內安裝隔板,將管子分成多組)圓缺形折流擋板圓盤形折流擋板2. 浮頭式特點:可完全消除熱應力,便于清洗和檢修, 結構復雜用于溫差大的傳熱3. U型管式特點:結構較浮頭簡單;但管程不易清洗。原則:傳熱效果好,結構簡單,清洗方便管程:不清潔或易結垢、腐蝕性、壓力高的流體。殼程:飽和蒸汽、需要冷卻、粘度大或流量小的流體。(二) 流體uu????K?,在同Q、?tm下A?,節省設備費;u??Hf? ? ,操作費用增加;u選擇是經濟上權衡的問題,但要避免層流流動 。(一) 流體流經管程或殼程的選擇三、 列管式換熱器選用的有關問題流體流經換熱器的壓降 ΔP = 10 ~ 100 kPa(液體) ΔP = 1 ~ 10 kPa (氣體)即:Re = 5?103 ~ 2 ?104 (液體);104 ~ 105(氣體)(三) 換熱器中管子的規格和排列方式管子的規格:?19×2mm 、?25×2mm和?25×2.5mm管長:1.5m、2.0m、3.0m、6.0m、 9.0m排列方式:正三角形正方形直列正方形錯列緊湊,面積大管外易清洗,K較小增強傳熱效果(四)折流擋板(1)切口高度:直徑 = 0.15 ~ 0.45,一般為0.20和0.25(2)擋板間距:殼內徑 = 0.2 ~ 1.0(通常為50mm的倍數)切口過小,板間距過大 適當 切口過大 (五)殼體有圓缺形折流板時對流傳熱系數的計算切去25%直徑;Re為2000 ~ 1000000:(4-67)(4-68)其中:管子正方形排列 管子正三角形排列 t:相鄰管中心距,m;d0:管外徑,mu0:流體流過管間最大截面積時的流速,最大截面積S:h:板間距,m;D:殼內徑,m四、 系列標準換熱器的選用步驟(一)了解傳熱任務,掌握工藝特點與基本數據1、冷、熱流體的流量,進出口溫度,操作壓力等2、冷、熱流體的工藝特點,如腐蝕性、懸浮物含量等3、冷、熱流體的物性數據(二)選用計算內容與步驟1. 根據工藝任務,計算熱負荷2. 計算?tm3. 依據經驗選取K,估算A 先按單殼程多管程的計算,如果?<0.8,應增加殼程數;5. 核算K 分別計算管程和殼程的?,確定垢阻,求出K,并與估算的K進行比較。如果相差較多,應重新估算。6. 計算A 根據計算的K和?tm,計算A,并與選定的換熱器A相比,應有10%~25%的裕量。4. 確定冷熱流體流經管程或殼程,選定u 由u和V估算單管程的管子根數,由管子根數和估算的A,估算管子長度,再由系列標準選適當型號的換熱器。例4-26:柴油,180℃ 130℃,qm = 36000 kg/h,ρ= 715 kg/m3, CP =2.48 kJ/kg·K,λ=0.133W/m·k,μ= 6.4×10-4 Pa·s某油,60℃ 110℃,ρ= 860 kg/m3, CP =2.2k J/kg·K, λ=0.119 W/m·k,μ= 5.2×10-3 Pa·s(1)計算熱負荷(不計熱損失)(2)平均溫差,逆流查圖4-25,φ=0.91,可行。(3)估計傳熱面積:由表4-7,選K=250W/m2K(4)試選型號設柴油走管程,某油走殼程;由表1-3(P50)選u = 1m/s;選?25×2.5。則單程管子根數:估計單根管長度:若用4管程,則每管程長l = 6m,由附錄(P384)查得:管根數188;A=86.9m2;型號為BES600-2.5-90-6/25-4I管中心距32mm,正方形錯列。所以每管程根數188/4=47根。(5)校核總傳熱系數管程對流傳熱系數:殼程對流傳熱系數:與原估值77.9m2相近,可行。即傳熱面積有19%的富裕量。說明所選換熱器的規格可用。五、 加熱介質與冷卻介質載熱體——加熱介質(加熱劑)和冷卻介質(冷卻劑)(1)溫度滿足工藝要求;(4)不分解,不易燃;(2)溫度容易調節; (5)價廉易得(3)腐蝕性小,不易結垢(6)傳熱性能好常用熱載體見195頁表4-11六、 傳熱過程的強化(一)增大?tm 提高加熱劑T1的溫度或降低冷卻劑t1的溫度 兩側變溫情況下,盡量采用逆流流動為了增強傳熱效率,可采取?tm?、A/V?、K?。(二)增大A/V 直接接觸傳熱,可增大A 和湍動程度,使Q? 采用高效新型換熱器改進傳熱面結構入手來增大A 和湍動程度,使Q?(a)光直翅片 (b)鋸齒翅片 (c)多孔翅片(三)增大K盡可能利用有相變的熱載體(?大)用?大的熱載體,如液體金屬Na等減小金屬壁、污垢及兩側流體熱阻中較大者的熱阻兩?相差大,提高較小一側?最有效 提高?的方法(無相變): 增大流速 管內加擾流元件 改變傳熱面形狀和增加粗糙度作業:200頁,4-27題, 4-33題謝 謝
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