第5章 传热4

几种传热过程对流给热系数的比较：α相变α无相变，α强制α自然，α湍流α层流，α水平α垂直，α错排α直排，α滴状α膜状，α核状α膜状由mtKAQ可知主要从以下几方面来强化传热过程：5.5传热过程的强化5.5.1增大传热面积传热面增大，传热量增大，设备体积增大，投资费用增大，这种方法是一种简单的强化传热方法，即换一台同样型式但传热面面积大的换热器。另一种方法是增大单位体积换热器的传热面积，如在管外增加螺旋翅片，以增加传热面积。5.5传热过程的强化5.5传热过程的强化螺旋形翅片管5.5.2增大传热推动力逆流的推动力大于并流，可以将并流换热器改为逆流换热器。教材p225例5-6mmm,tAtQt应合理选择；，设备投资费，，经济角度看不合理；损5.5.3减小传热阻力，增大传热系数212212111111ddddRddbRKsms管外污垢热阻管内污垢热阻管内流体对流给热阻力管外流体对流给热阻力总传热阻力间壁导热阻力（1）减小污垢热阻的方法有：①停车除垢；②在流体中加入阻垢剂。5.5.3减小传热阻力，增大传热系数（2）增大对流给热系数的方法主要有：①增大流体的流速流速增大，流体的湍动程度提高，层流底层厚度减小，对流传热阻力减小，对流给热系数增大，如圆形直管管内湍流时：单管程改为双管程，流速加倍或流量增加一倍。741.128.08.0uu5.5.3减小传热阻力，增大传热系数②增强流体的湍动、扰动程度流体在管内的流速不变，但增加管内壁粗糙度或在管内增加麻花铁、金属卷片等添加物，增强管内流体的扰动，减小层流底层厚度，从而增大对流给热系数；在管外壁装翅片或管外即壳程安装挡板增强管外流体的扰动，增大管外流体的对流给热系数。5.5.3减小传热阻力，增大传热系数③在流体中添加固体颗粒一方面，固体颗粒的扰动与搅拌作用，增加流体的对流给热系数，另一方面，固体颗粒不断撞击管壁降低了污垢层的形成和增长。④在气体中喷入液滴气体传热能力低，当液滴落于管壁上时，气相传热转变为液膜传热，而液膜传热强度高促使传热过程得到强化。5.5.3减小传热阻力，增大传热系数讨论：以上措施孤立起来看是可以强化传热过程的，但实际应用中应具体问题具体分析：（1）若污垢结垢严重，Rs1、Rs2很大时，强化传热首先应进行除垢；5.5.3减小传热阻力，增大传热系数（2）若结垢不严重，污垢热阻可以忽略时，如新设备212m11111ddddbK间壁的导热热阻较小，与流体的对流热阻相比可忽略时2121111ddK若α1α2，如用蒸汽冷凝加热管内流体，则：21211ddK5.5.3减小传热阻力，增大传热系数此时增大传热系数的措施应设法提高α2，而不应去提高α1；反之亦然；若α1≈α2，要强化传热，必须同时增大α1和α2，否则只增加一侧流体的对流给热系数，强化效果均不明显。5.5.3减小传热阻力，增大传热系数（3）对相变一侧的流体对流给热系数很大，再提高其对流给热系数对强化传热已没有多大作用；结论：间壁两侧流体传热，由对流、导热五个步骤串联而成，因此传热过程速率受五个步骤中传热速率最慢的所控制，即受热阻最大的步骤所控制；要强化传热过程，必须减小热阻最大的传热过程的传热阻力，增大给热系数。5.5.4沸腾给热过程的强化（1）沸腾给热中，汽泡产生与运动情况影响极大；粗糙的加热面能提供更多的汽化核心，当粗糙度达到一定程度后，对沸腾传热强化不再有影响，铜表面用机械方法或腐蚀的方法使之粗糙，给热系数提高80%；（2）液体的表面张力小，容易脱离传热面，在沸腾液体中加热少量添加剂（如丙酮、乙醇、甲基乙基酮等）改变液体表面张力，可提高给热系数20~100%;（3）过热度越大，核状沸腾速率越大；（4）沸腾压力增大，核状沸腾速率增大；（5）尽量保持核状沸腾，避免膜状沸腾。5.5.5冷凝给热过程的强化饱和蒸汽冷凝时，热阻主要集中在冷凝液膜内，液膜的厚度及其流动状况是影响冷凝传热的关键；所以，冷凝传热的强化要设法破坏冷凝液膜。（1）蒸汽的选择在所有的物质中水蒸汽的冷凝给热系数最大，一般为104左右，而某些有机物蒸汽的冷凝传热系数可低至103以下。Kr,b，，冷凝液5.5.5冷凝给热过程的强化（2）不凝性气体的排放实验证明：当蒸汽中含空气量达1%时，对流给热系数下降60%左右；所以涉及蒸汽冷凝传热的设备应设有排放口，定期排放不凝性气体。5.5.5冷凝给热过程的强化（3）冷凝液的排放蒸汽冷凝形成的冷凝液在传热面上形成液膜，应及时排除，减小液膜厚度，降低传热阻力（疏水器）。（4）过热蒸汽的影响温度高于操作压强下的饱和温度的蒸汽称为过热蒸汽。过热蒸汽与比其饱和温度高的壁面接触，壁面无冷凝现象，此时为无相变的对流传热过程，传热效果差；过热蒸汽与比其饱和温度低的壁面接触，发生冷凝现象，但对过热蒸汽先冷却到饱和温度后冷凝，蒸汽放出的热量包括显热和潜热，工业上通常将过热蒸汽按饱和蒸汽计算，因为显热与潜热相比很小可忽略。5.5.5冷凝给热过程的强化（5）蒸汽流速与流向的影响蒸汽流速较小u10m/s时，可不考虑其影响；当蒸汽流速u10m/s时，要考虑蒸汽流速的影响；当蒸汽与冷凝液流动方向一致时，蒸汽加速了冷凝液的流动，使冷凝液膜厚度减小，α增大；当蒸汽与冷凝液流动方向相反时，有两种情况：u较小，阻碍冷凝液流动，使液膜厚度增大，α减小；u较大，蒸汽会冲散冷凝液使传热面上液膜厚度减小，α增大；5.5.5冷凝给热过程的强化（6）蒸汽冷凝壁面的结构由于蒸汽冷凝在传热面上产生冷凝液，如何改善传热面结构，以利于降低冷凝液液膜厚度，也能强化蒸汽冷凝给热；如：在垂直管外表面开若干纵向凹槽，安装若干金属丝等，冷凝液由于表面张力作用进入凹槽或金属丝圈内，从而降低了传热面上液膜的厚度，达到强化传热目的（管外冷凝）。管内安装内插物，螺旋线圈、麻花铁等分散冷凝液（管内冷凝）。5.6传热过程的计算不论何种类型的传热计算，都是联立热量衡算方程式，传热速率方程式及α、K计算式求解的过程，即热量衡算方程：12p2s221p1s1ttcqTTcqQ212212sm11s1111ddddRddbRK总传热系数：传热速率方程：mtKAQ对流给热系数：ndPrRe023.08.02(圆管内强制湍流)在使用以上几个方程时，应注意适用条件及不同情况下简化式，并且要弄清楚Q、α、K等参数与哪些因素（d、n、qs）有关。5.6.1传热设计型计算（1）设计任务：已知一定流量的热流体（冷流体）从T1冷却至T2（从t1加热至t2）；冷却介质的进口温度t1（加热介质的进口温度T1）；（2）计算目的：求传热面积（从而确定其他尺寸）或已有传热设备是否可用；（3）计算步骤：①根据换热任务确定换热器负荷Q=qs1cp1(T1-T2)或Q=qs2cp2(t2-t1)②根据经验方法温度推动力5~10℃或由优化方法（经济上总费用最小）确定冷却介质出口温度t2（加热介质出口温度T2）；计算传热推动力Δtm；③计算冷、热流体对流给热系数及总传热系数；④由传热速率方程式计算传热面积。5.6.1传热设计型计算（4）设计型计算中参数的选择为确定所需传热面积，必须知道平均推动力Δtm和传热系数K。为求K，必须计算α1、α2，因此必须决定：①冷、热流体各走管内还是管外；②选择适当的流速。同时还必须选择适当的污垢热阻。为计算Δtm，设计者必须：①选择流体的流向，即决定采用逆流、并流还是其他复杂流动方式；②选择冷却介质的出口温度t2或加热介质的出口温度T2。5.6.2传热操作型计算操作型计算问题主要可分为两大类。第一类操作型问题：计算条件：换热器的主要结构尺寸A、n、d等，工艺流体（可以是冷流体也可以是热流体）和换热介质（可以是加热介质或冷却介质）的流量和进口温度；计算目的：求换热介质与工艺流体的出口温度；第二类操作型问题：计算条件：换热器主要结构尺寸A、n、d等，工艺流体的流量、进出口温度、换热介质的进口温度；计算目的：求换热介质的流量与出口温度。5.6.2传热操作型计算计算方法：联立热量衡算方程与传热速率方程逆流12p2s221p1s1ttcqTTcqQ211221p1s11221TTttTTcqKAtTtTlnp2s2p1s1p1s11221cqcq1cqKAtTtTln1221122121p1s1tTtTlntTtTKATTcqQ5.6.2传热操作型计算并流12p2s221p1s1ttcqTTcqQ2211221121p1s1tTtTlntTtTKATTcqQp2s2p1s1p1s1212121p1s12211cqcq1cqKATTttTTcqKAtTtTln（1）对第一类问题可以将以上两方程整理成线性方程；而后求二元线性方程组；（2）对第二类问题无法整理成线性方程，需迭代计算；但是若对数平均温差可以用算术平均温度差代替，则不用试差（3）若一侧有相变则不用试差，可直接求解。练习：课后习题7下周课程预习：5月12日周一辐射传热章节复习5月14日周三蒸发概述蒸发设备