第六章换热器与热量传递.

第六章换热器与热量传递第一节换热器第二节热量传递的方式第三节热传导第四节对流传热本章主要内容一、换热器的分类与结构形式按用途分按交换方式分加热器、预热器、过热器、蒸发器、再沸器、冷却器、冷凝器间壁式直接接触式蓄热式第一节换热器二、管式换热器蛇管式换热器列管式换热器套管式换热器三、板式换热器夹套式换热器平板式换热器（1）增大传热面积采用小直径管、异形表面、加装翅片等（2）增大平均温度差提高蒸汽的压强可以提高蒸汽的温度改变两侧流体相互流向增加管壳式换热器的壳程数（3）提高传热系数①提高流体的速度②增强流体的扰动③在流体中加固体颗粒④在气流中喷入液滴⑤采用短管换热器⑥防止结垢和及时清除污垢设法减少对传热系数影响最大的热阻四、强化换热器传热过程的途径在环境工程中，很多过程涉及加热和冷却：对水或污泥进行加热；对管道及反应器进行保温以减少系统的热量散失；在冷却操作中移出热量。传热是极普遍的过程：凡是有温差存在的地方，就必然有热量传递。第二节热量传递的方式环境工程中涉及的传热过程主要有两种情况：强化传热过程，如各种热交换设备中的传热；削弱传热过程，如对设备和管道的保温，以减少热量损失。传热速率问题根据传热机理的不同，热的传递主要有三种方式：热传导对流传热辐射传热通过物质的分子、原子和电子的振动、位移和相互碰撞发生的热量传递过程。流体中质点发生相对位移而引起的热量传递过程，仅发生在液体和气体中。通常认为是流体与固体壁面之间的热传递过程。物体由于热的原因而发出辐射能的过程。物体各部分之间无宏观运动一、傅立叶定律二、导热系数三、通过平壁的稳定热传导四、通过圆管壁的稳定热传导本节的主要内容第三节热传导在气态、液态和固态物质中都可以发生，但传递的方式和机理是不同的。气体热量传递是气体分子作不规则热运动时相互碰撞的结果；固体以两种方式传递热量：晶格振动和自由电子的迁移；液体的结构介于气体和固体之间，分子可作幅度不大的位移，热量的传递既由于分子的振动，又依靠分子间的相互碰撞。机理：通过物质的分子、原子和电子的振动、位移和相互碰撞发生的热量传递过程。条件：物体各部分之间无宏观运动。T=T0QT=T1热流流量t=0T=T0T=T0需要一个恒定的热量流量Q通过，才能维持温度差01TTT不变热传导的速率？一、傅立叶定律YTAQyTAQqddy方向上的热量流量，也称为传热速率，W导热系数，W/(m·K)y方向上热量通量，即单位时间内通过单位面积传递的热量，又称为热流密度，W/m2垂直于热流方向的面积，m2y方向上的温度梯度,K/m傅立叶定律一、傅立叶定律yTAQqdd热量通量与温度梯度成正比负号表示热量通量方向与温度梯度的方向相反，即热量是沿着温度降低的方向传递的。yTccqppdd变换：pcayTcaqpd)d(导温系数，或称热量扩散系数，m2/s热量浓度,J/m3热量传递的推动力令一、傅立叶定律是物质的性质，反映温度变化在物体中的传播能力pca单位体积物质温度升高1oC是所需要的热量,代表物质的蓄热能力导热系数，表明物质的导热能力apc说明物体的某部分一旦获得热量，该热量能在整个物体中很快扩散或导温系数yTqdd导热物质在单位面积、单位温度梯度下的导热速率表明物质导热性强弱即导热能力的大小是物质的物理性质，与物质的种类、温度和压力有关不同物质的导热系数差异较大二、导热系数(4.2.5)对于同一种物质，值可能随不同的方向变化——各向异性（1）气体的导热系数随温度升高而增高，近似与绝对温度的平方根成正比。一般情况下，压力对其影响不大，但在高压（高于200MPa）或低压（低于2.7kPa）下，气体的导热系数随压力的升高而增大。气体的导热系数二、导热系数（一）的影响因素：液体的导热系数水甘油二、导热系数（2）液体的导热系数随温度升高而减小（水、甘油例外）bTa压力对其影响不大。经验公式：16T[W·(m·k)-1][W·(m·k)-1]（3）固体的导热系数影响因素较多纯金属的导热系数随温度升高而减小；合金却相反，随温度上升而增大。晶体的导热系数随温度的升高而减小，非晶体则相反。二、导热系数固体的导热系数金属液体隔热材料气体金属50～415W/(m·K)，合金12～120W/(m·K)0.03～0.17W/(m·K）0.17～0.7W/(m·K)0.007～0.17W/(m·K)氢水水是工程上最常用的导热介质换热壁面材料多孔材料作为保温材料保温材料受潮后隔热性能将大幅度下降——防潮（二）工程中常用材料的导热系数（1）在液体中，水的导热系数最大，20℃时为0.6W／(m·K)。因此，水是工程上最常用的导热介质。（3）非金属中，石墨的导热系数最高，可达100～200W／（m·K），高于一般金属；同时，由于其具有耐腐蚀性能，因此石墨是制作耐腐蚀换热器的理想材料。水比空气的导热系数大得多，隔热材料受潮后其隔热性能将大幅度下降。因此，露天保温管道必须注意防潮。（2）气体的导热系数很小，对导热不利，但利于绝热、保温。工业上常用多孔材料作为保温材料，就是利用了空隙中存在的气体，使导热系数变小。(一)单层平壁的稳态热传导平壁厚度为b，壁面两侧温度分别为1T2T12TT一维稳态热传导xAQddT10:xTT2:xbTT)(21TTAbQb1T2T三、通过平壁的稳定热传导rTAQqT温差为传热的推动力。)(21TTAbQAbRRTRTTQ)(21br导热热阻，K/W单位传热面积的导热热阻，m2·K/W温度差传导距离越大，传热壁面和导热系数越小，则导热热阻越大传热速率=传热的推动力导热热阻例题某平壁厚度为400mm，内表面温度＝950℃，外表面温度＝300℃，导热系数λW/(m·K)，T的单位为℃。若将导热系数分别按常量（取平均导热系数）和变量计算，试求导热热通量和平壁内的温度分布。1T2Tb取为常数12m95030062522TTT℃m1.00.0016251.62512m9503001.62526410.4TTqbW/m2W/(m·K)？T？q解：（1）导热系数按平壁的平均温度(一)单层平壁的稳态热传导（2）导热系数取为变量xTTxTqdd)001.00.1(dd分离变量并积分bTTxqTT0dd)001.00.1(21对于平壁上的稳态一维热传导，热量通量不变。因此2212120.001()()2TTTTqb1m264195095016251.625qTTxxx即温度分布为直线关系。以x表示沿壁厚方向上的距离，在x处等温面上的温度为22110.001()()2TTTTqx20.001(950)(950)26412TTx整理，得20.0011401264102TTx此时温度分布为曲线。在x处22121222210.001()()210.001(950300)(950300)0.422641W/mqTTTTb（二）多层平壁的热传导AbAbAbTTRRRTTTQ33221141321321串联热阻叠加原则层与层之间接触良好11QRT22QRT33QRT热阻越大，通过该层的温度差也越大1b1232b3b1T2T3T4TQ121111()TTTQAbR传热的推动力导热热阻232222()TTTAbR343333()TTTAbR附加热阻——接触热阻层与层之间存在空气层2201131brbTTq与接触面的材料、接触界面的粗糙度、接触面的压紧力和空隙中的气压等有关接触热阻（三）n层平壁的热传导111111nnnniiiiiTTTTbRAQAbAbAbTTQ3322114111qrT22qrT33qrT33221141bbbTTq211930117813TTT℃322813555258TTT℃【例】某平壁炉的炉壁由三种材料组成，分别为耐火砖：1＝1.4W/(m·K)，1b＝225mm；保温砖：2＝0.15W/(m·K)，2b＝115mm；建筑砖：3＝0.8W/(m·K)，3b＝225mm。测得炉内壁温度为930℃，外壁温度为55℃，求单位面积炉壁的热损失及各层间界面上的温度。2T3Tq例题采用圆柱坐标时，即为一维稳态热传导对于半径为r的等温圆柱面，根据傅立叶定律，有dd(2π)ddTTQArLrr稳态导热时，径向的Q为常数，将上式分离变量并积分2211d2πdrTrTrQLTr传热面积随半径发生变化内径r1外径r21T2Trd1212212πlnTTTTQLrRr半径r四、通过圆管壁的稳定热传导12mTTQbA21ln2πrrRLmbRA21brr21m21lnAAAAA当21(/)2rr时，可以用算术平均值代替对数平均值，简化计算21m21lnrrrrrmm2πArL1212212πlnTTTTQLrRr21ln2πrrRL圆管壁的导热热阻，K/WAbR平壁的导热热阻对数平均半径对数平均面积n层圆管壁的热传导假设层与层之间接触良好，根据串联热阻叠加原则，有111111nnnniiiiimiTTTTQbRA12212πlnTTQLrr12212πlnTTQrLr设保温层内半径为r处的温度为T112πlnTTQrLr例题外径为426mm的蒸汽管道外包装厚度为426mm的保温材料，保温材料的导热系数为0.615W/(m·K)。若蒸汽管道外表面温度为177℃，保温层的外表面温度为38℃，试求每米管长的热损失和保温层中的温度分布。保温层内的温度分布为曲线(1)简述傅立叶定律的意义和适用条件。(2)分析导温系数和导热系数的涵义及影响因素。(3)为什么多孔材料具有保温性能？保温材料为什么需要防潮？(4)当平壁面的导热系数随温度变化时，若分别按变量和平均导热系数计算，导热热通量和平壁内的温度分布有何差异。(5)若采用两种导热系数不同的材料为管道保温，试分析应如何布置效果最好。本节思考题第四节对流传热设计内容1.工艺设计：通过物料衡算和热量衡算，确定传热系数K，传热面积A，管子长度及数量设计计算①根据物料进、出口的温度，计算对数平均温差②根据物料的物性参数，确定α1，α2，λ，R1，R2计算总传热系数K③计算热负荷④确定传热面积A，确定管径管数对流换热指流体流过与其温度不同的固体壁面时流体与壁面之间的热量交换对流换热过程是热传导与对流联合作用的结果。对流换热过程列管式换热器工程中常见的对流换热过程——间壁式换热器的换热过程流体的热交换热交换器（换热器）套管式换热器单壳程两管程1－2型两壳程四管程2－4型壳程:流体在壳体内每通过一次为一壳程管程:流体在管内每通过一次为一管程间壁式换热器热量传递过程：（1）热量由热流体传给固体壁面（2）热量由壁面的热侧传到冷侧（3）热量由壁面的冷侧传到冷流体对流传热对流传热导热对流对流导热强制对流传热流体在外加能量的作用下处于流动状态自然对流传热流体由于内部温度差产生密度差而流动套管式换热器对流传热问题的分类暖气片（1）物性特征导热系数越大，热量传递越迅速；流体的黏度m越大，越不利于流动，会削弱与壁面的传热。一、影响对流传热的因素形成边界层（2）流动特征流动起因（自然对流、强制对流）流动状态（层流、湍流）流体对流方式（并流、逆流、错流）一、影响对流传热的因素形成不同的温度差（推动力）(一)流动边界层的传热机理及温度分布流体层与层之间无流体质点的宏观运动，在垂直于流动方向上，热量的传递通过导热进行。（1）层流边界层层流区湍流区WT0T与静止流体中的导热一样吗？二、对流传热的机理在静止的流体