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自然对流的定性温度强制对流的定性温度PPT

归档日期:07-27       文本归类:强制对流      文章编辑:爱尚语录

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  * 二、膜状冷凝的给热系数 (3)水平管外的冷凝给热系数 g以gsinφ代替 水平圆管外表面可看成是由不同角度的倾斜壁组成的,利用数值积分的方法可求得其平均给热系数为: 特征尺寸管外径 * 比较 垂直管外 水平管外 2式相比 对于长1.5m,外径20mm的圆管,水平放置时其层流膜状冷凝给热系数约为垂直放置时的2倍。 二、膜状冷凝的给热系数 * 二、膜状冷凝的给热系数 例题:150℃的饱和水蒸气在单根圆管外冷凝,管径d=100mm,管长为1m,壁温为110℃,试求: ①圆管垂直放置时的平均给热系数; ②水平放置时的平均给热系数。 解:定性温度 查130℃的冷凝液(水)的有关物性为: ρ=934.8Kg/m3 μ=21.77×10-5 PaS λ=0.6856W/m℃ 150℃饱和水蒸气的汽化潜热 r=2118.5×103 J/Kg ℃ * 二、膜状冷凝的给热系数 ①假定液膜为层流 W/m2℃ 液膜为层流,假设正确,以上计算有效。 * 二、膜状冷凝的给热系数 ②水平放置时的平均给热系数 计算结果表明,当液膜流动为层流时,垂直放置时的给热系数一般小于水平放置。这是因为垂直放置时的液膜厚度比水平放置时厚。 W/m2℃ * 二、膜状冷凝的给热系数 如果将管长增加一倍,其它条件不变,求: ①圆管垂直放置时整个圆管的平均给热系数 ②层流段和湍流段各自的平均给热系数 解:①从上面计算可知,当管长为1m时,液膜流动的Re为1995,故管长增加之后,液膜呈湍流状态。 ℃ * 二、膜状冷凝的给热系数 ②因管长为1m时,Re=1995,故层流段管长L’=1m,平均给热系数?′=5.75?103 W/m2 ℃ 湍流段给热系数为: W/m2℃ 结论:当冷凝管较长时液膜流动可转变为湍流,垂直放置的?大于水平放置的?。 所以较短的冷凝管宜水平放置,而较长的冷凝管宜垂直放置。 * 水平管束外冷凝 若各列管子在垂直方向上的排数不相等 二、膜状冷凝的给热系数 垂直列上的管数 * 从计算公式中可知,式中的物性数据都是根据液膜温度来查取的,也就是在应用这些公式计算时,必须要知道壁面温度。 实际上,壁温一般较难知道,通常壁温的确定是用试差法确定壁温。 试差法假设壁温的原则:壁温始终接近于给热系数比较大的一边的流体的温度。 为什么呢? 三、壁温计算 * 三、壁温计算 试差法求壁温 根据牛顿冷却定律: 甲、乙流体对壁面的给热: → → * 三、壁温计算 因为管壁很薄,且金属的导热系数很大 若 若 结论:壁面温度始终接近于给热系数比较大的一边的流体的温度。 * 三、壁温计算 有一间壁式换热器,管内空气被加热,管间为饱和水蒸汽,壁温接近于哪一侧流体的温度? 讨论题: 根据壁面温度始终接近于给热系数比较大的一边的流体的温度。壁温应该接近于饱和水蒸汽的温度。 * 三、壁温计算 试差法求tw 的步骤: 先假定tw 计算给热系数? 代入求tw 的公式中去 tw = tw ′是否相等,若tw 与 tw′相差较大,重新假定,重新计算,直至tw ≈ tw′为止。 * 三、壁温计算 一般工业用换热器中?的数量级 ? W/m2 ℃ 自然对流: 气 3.5~23 液 120~700 强制对流: 气 12~120 粘性液 58~600 水 600~12000 水沸腾 1200~2.3×104 蒸汽冷凝 1200~1.2×105 * 三、壁温计算 为什么有相变化时,?大大增加呢? 对水蒸气冷凝,根据相律:组分数-相数+2=自由度 1 - 2 + 2 = 1 自由度=1,说明恒压下只能有一个汽相温度,也就是说,在冷凝给热时,汽相不可能存在温度梯度,即?t=0,而温差是由热阻引起的,汽相主体不存在温差,意味着汽相内不存在热阻,热阻且存在在液膜上,而水的λ在非金属液体中最大,且T??λ?。∴水蒸气冷凝的?大。 沸腾给热的?高,主要是气泡的生成和脱离对壁面薄层的液体产生强烈的扰动,使热阻降低。 * 第六章 传 热 6.4 沸腾给热与冷凝给热 6.4.1沸腾给热 6.4.2蒸汽冷凝给热 6.4.3冷凝给热系数 6.4.4影响冷凝给热系数的因素及强化措施 * 影响冷凝给热的因素及强化措施 1、不凝性气体的影响 2、蒸汽过热的影响 3、蒸汽流速的影响 * 应予指出,若蒸气中含有空气或其它不凝性气体,则壁面可能为气体(导热系数很小)层所遮盖而增加一层附加热阻,使蒸汽冷凝给热系数急剧下降。故在冷凝器的设计和操作中,必须考虑排除不凝性气体。 影响冷凝给热的因素及强化措施 * 一、流体在管内作强制对流 例题:有一列管式换热器,由38根?25?2.5mm的无缝钢管组成,苯在管内流动,由20℃被加热至80℃,苯的流量为8.33Kg/s。外壳中通入水蒸气进行加热。 试求 ①管壁对苯的给热系数。 ②当苯的流量提高一倍,给热系数有何变化? * 一、流体在管内作强制对流 查50℃时苯的物性数据(附录) ρ=860Kg/m3;Cp=1.80KJ/Kg℃;μ=0.45mPa?s ; ?=0.14W/m℃ ℃ 解:① * 一、流体在管内作强制对流 以上计算表明本题的流动情况符合公式的实验条件 ②若忽视定性温度的变化,当苯的流量增加一倍时,给热系数?’为: w/m2℃ w/m2℃ * 二、流体管外作强制对流 1.流体横向流过管束的给热系数 在管子圆周各点的流动情况不同 圆周各点的热阻或给热系数不同 * 二、流体管外作强制对流 式中常数c、ε和n见表6-2 * 特性尺寸:管外径。 定性温度:流体进、出口温度的算术平均值。 流速:取垂直于流动方向最窄通道的流速。 应用范围: 二、流体管外作强制对流 * 二、流体管外作强制对流 因为各排的?不等,整个管束的平均给热系数为: 式中:?i —各排的给热系数 Ai —各排的传热面积 * 三、大容积自然对流的给热系数 通过实验测得的A和b值列于表6-3中。 特性尺寸:与加热面方位有关,水平管取管外径,垂直管和板取垂直高度。 定性温度:为膜温。 * 第六章 传 热 6.4 沸腾给热与冷凝给热 6.4.1沸腾给热 * 所谓液体沸腾是指在液体的对流传热过程中,伴有由液相变为气相,即在液相内部产生气泡或气膜的过程。 液体沸腾 * 液体沸腾的方式 大容积饱和沸腾 √ 大容积饱和沸腾 管内沸腾(流动沸腾或强制对流沸腾) 自然对流 气泡扰动 一、两种沸腾方式 * 1.液体沸腾曲线 水的沸腾曲线 二、液体沸腾给热 由沸腾曲线可知,核状沸腾具有给热系数大壁温低的优点。因此,生产上应在该状态下操作。 为保证沸腾装置在核状沸腾状态下工作,就必须控制ΔtΔtc ,否则反而会使?急剧下降,也就是说,不适当地提高热流体的温度,反而会使沸腾装置的效率降低。 * 2.液体沸腾给热的影响因素 (1)液体性质的影响 通常,凡是有利于气泡生成和脱离的因素均有助于强化沸腾传热。 二、液体沸腾给热 * (2)温度差的影响 温度差是控制沸腾传热过程的重要参数。一定条件下,多种液体进行核状沸腾给热时的对流给热系数与α的关系可用下式表达,即 二、液体沸腾给热 * (3)操作压力的影响 提高沸腾操作的压力相当于提高液体的饱和温度,使液体的表面张力和黏度均下降,有利于气泡的生成和脱离。 二、液体沸腾给热 * (4)加热壁面的影响 加热壁面的材质和粗糙度对沸腾传热有重要影响。 粗糙的加热壁面气泡核心多,给热系数较高。 二、液体沸腾给热 * 3.液体沸腾给热系数的计算 由于沸腾给热的机理相当复杂,目前还没有适当的公式可以描述整个沸腾给热过程,故其给热系数的计算仍主要借助于经验公式,核状沸腾给热系数的实验数据可按以下函数形式关联。即 二、液体沸腾给热 实验测定 蒸汽饱和温度 实验测定 * 第六章 传 热 6.4 沸腾给热与冷凝给热 6.4.1沸腾给热 6.4.2蒸汽冷凝给热 * 蒸汽冷凝方式 蒸汽冷凝方式 滴状冷凝 膜状冷凝 * 蒸汽冷凝方式 1、膜状冷凝 冷凝液在壁面上成膜状,当壁面上和蒸汽中不含油脂类物质时,壁面被冷凝液所润湿。 膜状冷凝时,在低温壁面上始终存在一层膜状,凝结只能在膜的表面进行,冷凝时放出的潜热必须通过这层液膜才能传给冷壁。 冷凝给热的热阻几乎全部集中在冷凝液膜内。 * 蒸汽冷凝方式 2、滴状冷凝 冷凝液在壁面上成滴状,当壁面上或蒸汽中含油脂类物质时,出现滴状冷凝。 壁面不被冷凝液所润湿。传热是在液滴表面和液滴之间裸露的冷壁上进行。 * 蒸汽冷凝方式 ?滴≈(5~10 )?膜 在工业生产中,这两种形式的冷凝都有,但经常碰到的是膜状冷凝,因此,工业设备设计计算都是按膜状冷凝来考虑的。 由于膜状冷凝在低温壁面上始终存在一层膜状,而滴状冷凝当液滴增大,由于重力作用往下滴以后,又有新的冷凝面露出以使冷凝不断进行,所以滴状冷凝的给热系数要大于膜状冷凝的给热系数。 * 第六章 传 热 6.4 沸腾给热与冷凝给热 6.4.1沸腾给热 6.4.2蒸汽冷凝给热 6.4.3冷凝给热系数 * 一、液膜流动与局部给热系数 由于液膜厚度沿壁高L的变化使得热阻或给热系数沿高度分布不均匀。 在壁上部液膜呈层流,膜状增加,?减小,如壁的高度足够高,冷凝液量较大,则壁下部液膜发生湍流流动,这时局部给热系数反而有所提高。 * 1.层流时的平均冷凝给热系数 膜状冷凝时对流给热系数关系式推导中作了以下假设: ①冷凝液膜呈层流流动,传热方式为通过液膜的热传导。 二、膜状冷凝的给热系数 ②蒸汽冷凝成液体时所释放的热量仅为冷凝潜热,蒸汽温度和壁面温度保持不变。 ③冷凝液的物性可按平均液膜温度取值,且为常数。 * 二、膜状冷凝的给热系数 (1) ?M=? 根据流体力学可导出液膜厚度与单位宽度壁面的液流量之间的关系: * 二、膜状冷凝的给热系数 当δ=δM 时,W=WM W M —单位宽度壁面的总凝液量 而WM 可由热量衡算得出,设整个壁面的热流量为Q,则单位宽度的热流量 (2) 由(1)、(2)两式可得: * 二、膜状冷凝的给热系数 对蒸汽在垂直管外或垂直平板侧的冷凝 饱和蒸汽的冷凝潜热 蒸汽的饱和温度与壁面温度之差 定性温度 =冷凝液的温度= * 二、膜状冷凝的给热系数 若壁面较长,热流量较大时,在离壁顶端一定距离处由于相当数量冷凝液积累结果,流动会变为湍流。 和无相变的强制对流一样,可用冷凝液膜流动的Re数作为确定层流和湍流的准则。 ReM2000 湍流 ReM≤2000 层流 (2)湍流时的平均冷凝给热系数 * 当液膜呈现湍流流动时ReM2000,通过实验数据的关联可应用经验公式计算,即 二、膜状冷凝的给热系数 * 冷凝时ReM的计算: 当量直径 润湿周边 二、膜状冷凝的给热系数 质量流速 液膜流动截面积 对于单位宽度的垂直壁∏=1 垂直壁底部的质量流量 * 因为 则 二、膜状冷凝的给热系数 即得: 湍流时的平均冷凝给热系数 饱和蒸汽的冷凝潜热 * 一、基本概念 对流给热 流体将热量传给换热器的固体壁面,或传热面将热量传给冷流体的过程。即流体与固体壁面之间进行的热量交换。 * 无相变 有相变 强制对流 自然对流 对流给热 冷凝给热 沸腾给热 一、基本概念 * 二、对流给热机理 与速度边界层类似,当流体流过固体壁面时,若两者温度不同,则壁面附近的流体受壁面温度的影响将会建立一个温度梯度,一般将流动流体中存在温度梯度的区域称为温度边界层,也称为传热边界层或称有效膜厚度。 显然,传热边界层是 对流传热的主要区域。 传热边界层愈薄则层内 的温度梯度愈大。 * 二、对流给热机理 层流内层 湍流核心 给热过程机理 传热方式 热传导 对流传热 由于靠近固体壁面由于流速很低,总有一层层流内层,或称层流底层。流体在层流内层作层流流动,在x方向没有质点的位移,只有流体质点的振动碰撞,所以是热传导。 而在层流内层以外的湍流区,流体有质点的位移,作不规则运动,促使流体在y方向上的混合,使流体的温度趋向于均一,所以是对流传热。 * 层流内层 湍流核心 温度分布 温度梯度 较大 较小 热阻 较大 较小 对流给热是集热对流和热传导于一体的综合现象。对流给热的热阻主要集中在层流内层,因此,减薄层流内层的厚度是强化对流传热的主要途径。 二、对流给热机理 * 第六章 传 热 6.3 对流给热 6.3.1对流给热过程分析 6.3.2对流给热过程的数学描述 * 因紧靠壁面处薄层流体内的传热只能是热传导,因此可把对流给热过程看作是通过传热边界层的导热的概念,可以把对流给热用理论上比较成熟的导热原理来处理,即用傅立叶定律表示: 紧靠壁面处薄层流体的温度梯度 一、传热边界层及对流给热系数 * 当壁面向冷流体给热时: 任一截面上流体的平均温度 一、传热边界层及对流给热系数 或 传热边界层厚度?t =?b +?f ?b —层流内层厚度 ?f —虚拟厚度 任一截面上与流体相接触一侧的壁温 * 一、传热边界层及对流给热系数 工程上为处理问题方便起见,把湍流区内的热阻集中在虚拟厚度?f中。 令 则 这两个方程就是对流给热基本方程式,又称为牛顿冷却定律。 式中:?—对流给热系数[W/m2℃] ?的物理意义是单位时间、单位面积上、温差为1℃时所能传递的热量。是对流给热强度的标志。 流体被加热 流体被冷却 * 二、影响对流给热系数的因素 1.流体的种类 2.流体的性质 Cp、?、ρ和μ 3.流体的流动状态 Re ↑?↑ 4.流体的对流状况 5.传热面的形状、位置和大小 6.传热面的温度、流体温度与压强等 * 二、影响对流给热系数的因素 流体的对流状况 流体的对流状况可分为自然对流和强制对流。 影响自然对流的主要因素是流体与固体壁面之间的温度差?t及流体的体积膨胀系数β。 a、b两点形成压差 * 二、影响对流给热系数的因素 当?t较小时, 在此压差的推动下,造成的液体环流速度: 强制对流是流体受外力影响而发生的对流,流速的大小决定流体运动的湍流程度,是影响对流给热的重要因素。 * 三、对流给热过程的量纲分析 1.根据对问题的观察,找出影响对流给热过程的因素 2.通过量纲分析确定相应的量纲为一数群(准数) 3.通过实验确定相应的经验关联式公式。 量纲分析步骤 * 量纲分析的基本依据是π定理。根据?定理:任何物理方程必可转化为无量纲形式,也就是说以无量纲数群的关系式代替原物理方程,无量纲数群的个数等于原方程的变量数减去基本量纲数。 量纲分析基本依据 三、对流给热过程的量纲分析 * 1.流体无相变时的对流给热过程 (1)列出影响该过程的物理量 传热设备的特征尺寸 三、对流给热过程的量纲分析 * (2)确定量纲为一数群的数目 上述8个变量(物理量)涉及到4个基本量纲: 长度、质量、时间和温度 依据π定理,量纲为一数群的数目等于8-4=4 如选定ρ、l、μ、?作为量纲彼此独立的四个物理量为初始变量。 三、对流给热过程的量纲分析 * 通过量纲分析,可确定 努赛尔特数 (Nusselt number) 雷诺数 (Reynolds number) 表示对流给热系数的准数 表示惯性力与黏性力之比,是表征流动状态的准数 三、对流给热过程的量纲分析 * 三、对流给热过程的量纲分析 普兰德数 (Prandtl number) 格拉斯霍夫数 (Grashof number) 表示由温度差引起的浮力与黏性力之比 反映流体物性对给热过程的影响,故又称为物性准数。 * 强制对流(无相变) 给热时的准数关联式 因此,在某些情况下,描述给热过程的准数关系式可简化为: 三、对流给热过程的量纲分析 自然对流(无相变) 给热时的准数关联式 * 2.使用由实验数据整理得到的关联式应注意的问题 (1)应用范围 关联式中Re、Pr等准数的数值范围等; (2)特性尺寸 Nu、Re等准数中的?应如何确定; (3)定性温度 各准数中的流体物性应按什么温度查取。 三、对流给热过程的量纲分析 * 三、对流给热过程的量纲分析 定性温度 各准数中的流体物性应按什么温度查取? 自然对流:取壁温和流体主体温度的算术均值。 强制对流:取流体的主体的平均温度作为定性温度。 如流体在管内流动时: 自然对流的定性温度 强制对流的定性温度 * 三、对流给热过程的量纲分析 定性尺寸(特征尺寸) 所谓定性尺寸是指对给热过程产生直接影响的几何尺寸。 若流体在圆管内流动,定性尺寸为管内径d 若为非圆形管道常取当量直径de 对大空间内自然对流,取加热或冷却面的垂直高度 流体在套管换热器的环隙中流动 * 第六章 传 热 6.3 对流给热 6.3.1对流给热过程分析 6.3.2对流给热过程的数学描述 6.3.3无相变的对流给热系数的经验关联式 * 1.流体在光滑圆形直管内作强制湍流 或 当流体被加热时,b=0.4;当流体被冷却时,b=0.3。 ⑴低黏度流体(不大于水黏度的2倍) 一、流体在管内作强制对流 * 特性尺寸:管内径。 定性温度:流体进、出口温度的算术平均值。 应用范围: 若 ,可将由上式求得的值乘以 1.02~1.07进行校正。 一、流体在管内作强制对流 * ⑵高黏度流体μ≥ 2 μ水 (同温度下) 壁温下的黏度 考虑热流方向的校正项 当液体被加热时: 当液体被冷却时: 一、流体在管内作强制对流 * 特性尺寸:管内径。 定性温度:除μw取壁温外,均取流体进、出口温度的算术平均值。 应用范围: 一、流体在管内作强制对流 * 2.流体在光滑圆形直管内作强制层流 特性尺寸:管内径。 定性温度:除μw取壁温外,均取流体进、出口温度的算术平均值。 应用范围: 一、流体在管内作强制对流 * 当 时,对流给热系数可先用湍流时的公式计算,然后把算得的结果乘以校正系数。 3. 流体在光滑圆形直管中呈过渡流 一、流体在管内作强制对流 * 4. 流体在弯管内作强制对流 流体在弯管内流动时,由于受离心力的作用,增大了流体的湍动程度,使对流给热系数较直管内的大 管子的曲率半径 一、流体在管内作强制对流 * 5. 流体在非圆形管内作强制对流 流体在非圆形管内作强制对流时,只要将管内径改为当量直径,则仍可采用上述各关联式。 传热当量直径定义: 一、流体在管内作强制对流 这种方法比较简便,但计算结果的正确性欠佳。 * 一、流体在管内作强制对流 强化传热的途径 当流体一定,温度一定,物性数据都已确定,以A表示: 管壳式换热器常用的流速范围 一般液体:管程0.5~3m/s,壳程0.2~1.5m/s 说明要提高?,可通过增加流速,缩小管径,且以增 加流速更为有效,这是强化传热的重要途径之一。 * 第六章 传 热 6.2 热传导 6.2.1傅立叶定律和导热系数 6.2.2通过平壁的定态导热过程 * 一、单层平壁一维定态热传导 假设: 1.导热系数不随温度变化,或可取平均值; 2.一维定态 3.忽略热损失。 单层平壁热传导 * 对平壁一维定态热传导 积分并整理得 微分式 积分式 一、单层平壁一维定态热传导 * 导热热阻 一、单层平壁一维定态热传导 热流密度 热流量 表明热流量正比于推动力?t,反比于热阻R,与欧姆定律极为类似。从上式不难看出: ?↑,A↓,?↓,R↑ * 平壁内的温度分布: 薄层内无热量累积,所以q=const,当?=const时,dt/dx= const,温度分布线是一条直线。 当平壁内的?随温度变化时,温度分布线不是直线,而是曲线。 若t↑→ ?↑,曲线向上弯曲, 若t↑→ ?↓ 曲线向下弯曲。 一、单层平壁一维定态热传导 * 二、多层平壁的一维定态热传导 三层平壁热传导 假设: 1.导热系数不随温度变化,或可取平均值; 2.一维定态 3.忽略热损失 4.没有接触热阻 * 通过各层平壁截面的传热速率必相等 或 二、多层平壁的一维定态热传导 * 三层平壁定态热传导速率方程 对n层平壁,其传热速率方程可表示为 二、多层平壁的一维定态热传导 * 二、多层平壁的一维定态热传导 同理,这个式子也可写成: 通过多层壁的定态热传导,传热推动力和热阻是可以加和的,总热阻等于各层热阻之和,总推动力等于各层推动力之和。 * 二、多层平壁的一维定态热传导 应用:判断材料承受温度的情况 ?t1 :?t2 :?t3 = R1:R2:R3 说明在多层壁导热过程中,热阻大的层其推动力也大,反之推动力大的层其热阻也大。 * 二、多层平壁的一维定态热传导 讨论题 已知:三层平壁层与层之间密合的很好没有接触热阻 ?1 ?3 ?2 , ?1 = ?2 = ?3, A1 = A2 = A3 在图上画出温度分布线 * 二、多层平壁的一维定态热传导 ∵ 而?1 ?3 ?2 ∴R1 R3 R2 ?t1 ?t3 ?t2 根据阻力↑,推动力↑,阻力↓,推动力↓的原则,可绘出如图所示的温度分布线。 * 二、多层平壁的一维定态热传导 例题:求两层材料交界处的温度 火炉壁由二层砖砌成,耐火砖?1 =500mm, ?1 =1.16W/m℃,普通砖?2 =250mm, ?2 =0.58 W/m℃,炉内壁温度为1200℃,外壁温度为80℃,已知普通砖只能耐800℃。 试求:(1)单位时间、单位面积热损失量? (2)普通砖是否适用? * 二、多层平壁的一维定态热传导 解: (1) (2) ∵ t2 800℃ ∴适用 ℃ * 第六章 传 热 6.2 热传导 6.2.1傅立叶定律和导热系数 6.2.2通过平壁的定态导热过程 6.2.3通过圆筒壁的定态导热过程 * 一、单层圆筒壁的一维定态热传导 常量 常量 传热速率 传热面积 热流密度 平壁 圆筒壁 常量 随半径变 常量 随半径变 * 单层圆筒壁的热传导 一、单层圆筒壁的一维定态热传导 * 通过该薄圆筒壁的传热速率可以表示为 积分并整理得 微分式 积分式 一、单层圆筒壁的一维定态热传导 * 其中 一、单层圆筒壁的一维定态热传导 可改写为 或 当d2 /d1 2时 圆筒壁的对数平均面积 圆筒壁的算术平均面积 * 一、单层圆筒壁的一维定态热传导 圆筒壁热阻为: 圆筒壁内温度的分布: 是一对数曲线方程式,所以单层圆筒壁内温度分布曲线 应该是一条对数曲线。 条件:?=const * 二、多层圆筒壁的定态热传导 假设层与层之间接触良好,即互相接触的两表面温度相同。 多层圆筒壁的热传导 * 热传导速率可表示为 对n层圆筒壁,其热传导速率方程可表示为 二、多层圆筒壁的定态热传导 * 二、多层圆筒壁的定态热传导 注意:因各层圆筒的内外表面积不相等,所以在定态传热时,通过各层的热流量Q都相等。 但通过各层热流密度q不相等,其相互关系为: Q=2?r1lq1 =2?r2lq2 =2?r3lq3 =2?r4lq4 或 r1q1 = r2q2= r3q3= r4q4 * 二、多层圆筒壁的定态热传导 讨论题: 比较热流密度q1、q2、q3 的大小,已知传热系数K不变,T1T2,t1 t2 。 * 二、多层圆筒壁的定态热传导 1、圆筒壁 Q=KA?tm q=K?tm K不变。 ?tm =T-t q=K(T-t) ①(T-t)不变,但AiA0 ∴q①q② ②(T-t)不变,但A=const ∴q①=q③ * 二、多层圆筒壁的定态热传导 2、平壁 ①A=const,且?t 相等 ∴q①=q② ②A=const,且?t1?t2 ∴q① q③ * 二、多层圆筒壁的定态热传导 3、圆筒壁 ①AiA0 ,且?t 相等 ∴q①q② ②A=const 且?t1?t2 ∴q① q③ * 接触热阻 因两个接触表面粗糙不平而产生的附加热阻。 接触热阻包括通过实际接触面的导热热阻和通过空穴的导热热阻(高温时还有辐射传热)。 接触热阻与接触面材料、表面粗糙度及接触面上压力等因素有关,可通过实验测定。 三、接触热阻 * 接触热阻的影响 接触热阻 三、接触热阻 * 三、接触热阻 接触热阻 因?气?固 ,所以第二项是引起接触热阻的主要原因。 * 第六章 传 热 6.3 对流给热 6.3.1对流给热过程分析 * 流体借助于流体质点的位移,将热量从流体的一处传到另一处的过程称为对流传热。 对流传热 一、基本概念 对流传热 自然对流 强制对流 流体因各处温度不同致使流体各处的密度不同而造成的流动。 流体因外力造成的流动。 * 第六章 传 热 通过本章学习,掌握传热的基本原理和规律 ,并运用这些原理和规律去分析和计算传热过程 的有关问题。 学习目的 与要求 * 6.1 传热过程概述 第六章 传 热 * 传热 热量从高温度区向低温度区移动的过程称为热量传递,简称传热。 一是强化传热过程,如各种换热设备中的传热。 二是削弱传热过程,如对设备或管道的保温,以减少热损失。 化工生产中对传热过程的要求 概述 * 6.1 传热过程概述 6.1.1传热过程中冷热流体的接触方式 第六章 传 热 * 一、直接混合式换热器 二、间壁式换热和间壁式换热器 三、蓄热式换热和蓄热器 √ 冷热流体(接触)热交换方式及换热器 * 一、直接混合式换热器 特点是:冷热流体直接接触,在混合过程中进行传热。 * 二、间壁式换热器 特点是:冷、热流体被固体壁面隔开。传热时,冷、热流体通过固体壁面进行传热。 * 三、蓄热式换热器 特点是:设备中堆放各种填料,让冷热流体交替通过设备的同一通道,即交替冷却或加热换热器内的填充物以达到冷热流体换热的目的。 一般来讲,这种换热器只适用于气体介质。 * 6.1 传热过程概述 6.1.1传热过程中冷热流体的接触方式 6.1.2换热器及换热过程中的基本问题 第六章 传 热 * 构造:在圆筒形的壳体内,装有由很多平行管子所组成的管束,管束固定在壳体两端的管板上。操作时,一种流体在管内流动(管程流体),另一种流体在管外流动(壳程流体)。 管壳式换热器 * 单管程:流体一次通过管内空间; 双管程:流体二次通过管内空间; 多管程:流体多次通过管内空间。 折流板:为保证壳程流体能够横向流过管束时,形成 较高的传热速率。 管壳式换热器 * 当管束温度与壳体温度之差大于50?C时,需考虑热补偿问题:采用壳体上装热补偿器(热补偿圈,膨胀节),浮头式 ,U形管式。 管壳式换热器 * 管壳式换热器 U型管式换热器 * 管壳式换热器 传热过程中的基本问题可以归结为: 1、传热面积的计算; 2、载热体用量计算; 3、选择系列标准换热器或进行非系列标准换热器的设计; 4、强化传热过程达到小设备大生产,即换热器的操作问题。 要解决这些问题,主要依靠两个基本关系式: ① 热量衡算式 ② 传热速率式 * 根据能量守衡的概念: 无热量损失:Q热=Q冷 有热量损失:Q热=Q冷+Q损 热负荷的计算,根据工艺特点可分为两种情况。 一、热量衡算式 * 1、流体在换热过程中无相变化 一、热量衡算式 * 2、流体在换热过程中有相变化 一、热量衡算式 * 二、传热速率式 热流量Q—单位时间热流体通过整个换热器的传热面积传递给冷流体的热量[J/S]或[W]。 热流密度q—单位时间通过单位传热面积所传递的热量[J/m2s]或[w/m2]。 * 二、传热速率式 连续、定态的传热过程 传热速率式: 传热速率 [j/s] 传热推动力 [℃] 传热面积 [m2] 传热系数 [w/m2℃] 要确定传热系数K,必须要掌握传热过程的基本理论和传热的三种机理:传导、对流和辐射。 或 * 6.1 传热过程概述 6.1.1传热过程中冷热流体的接触方式 6.1.2换热器及换热过程中的基本问题 6.1.3载热体及其选择 第六章 传 热 * 载热体及其选择 在化工生产中,物料在换热器内被加热或冷却时,通常需要用另一种流体供给或取走热量,此种流体称为载热体,其中起加热作用的称为加热介质(或加热剂);起冷却(冷凝)作用的称为冷却介质(或冷却剂)。 载热体 * 选择载热体原则 (1)载热体的温度易调节控制; (2)载热体的饱和蒸汽压较低,加热时不易分解; (3)载热体的毒性小,不易燃、易爆,不易腐蚀设备; (4)价格便宜,来源容易。 载热体及其选择 * 第六章 传 热 6.2 热传导 6.2.1傅立叶定律和导热系数 * 定义:物体中由于分子的振动,与相邻分子发生 碰撞而将热量从高温传向低温的传递方式。 特点:分子不发生宏观运动,只发生在固体中或静止的流体中。在金属中,则是由自由电子的运动。 热传导(传导、导热) * 一、傅立叶定律 单位时间内的传热量dQ/d?与导热面积、温度梯度dt/dn成正比。即: 称为导热基本方程,或称为傅立叶定律,此式对于定态导热或非定态导热都能适用。 * 定态导热时,因为 Q?f(?) ?又可写成: 或 式中:q—热流密度W/ m2 dt/dn—温度梯度[℃/m] λ—比例系数,称为导热系数[W/ m℃] 式中负号的意思是热流的方向与温度梯度的方向相反。即热流沿着温度降低的方向,而梯度则一般以温度升高的方向为正。 一、傅立叶定律 * 二 、导热系数 导热系数是表示材料导热性能的一个参数,λ?,导热?。 影响因素 湿度 物理状态 内部结构 化学组成 温度 压力 * 二 、导热系数 1、化学组成 纯铜?=377[W/m℃] 含1%C的钢?=45[W/m℃] 不锈钢?=16 [W/m℃] 2 、物质的内部结构 结构紧密的?大,疏松的?小 。 3 、物理状态 冰:?=2.24 [W/m℃] 水:?=0.62[W/m℃] (30℃) 水蒸汽: ?=0.025[W/m℃] (100℃) * 二 、导热系数 4、湿度 湿材料的?大于干材料的?。 5 、压力 对固体及液体无影响,对气体通常压强范围内影响不大,可以忽略。但当P 196[MPa],P 2.7[KPa]时影响较大。 6、温度 气体、蒸汽、建筑材料、绝热材料 t ?? ? ?; 大多数质地均匀的固体,?值与温度大致成线+?t) 大多数非金属材料?为正值,而大多数金属材料,?为负值。 除水和甘油外,大多数液体t ?? ? ?。 在非金属液体中,水的导热系数最大。 * 二 、导热系数 当导热物体两侧温度不同时,导热系数应取两侧温度下的?的算术平均值。 即: 或取: 时的导热系数?m 一般来说,金属的导热系数最大,保温材料以外的非金属的固体次之,液体的较小,而气体的最小,即: ?气体 ?液体 ?固体

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