對流與對流傳熱系數(shù)

1 第 四 節(jié) 對 流 與 對 流 傳 熱 系 數(shù) 的 獲 得 主 要 有 三 種 方 法 ：1 理 論 分 析 法 ： 2 實 驗 方 法 * ：3 類 比 方 法 ：用 因 次 分 析 法 、 再 結(jié) 合 實 驗 ， 建 立 經(jīng) 驗 關(guān) 系 式 。 把 理 論 上 比 較 成 熟 的 動 量 傳 遞 的 研 究 成 果 類 比到 熱 量 傳 遞 過 程 。 建 立 理 論 方 程 式 ， 用 數(shù) 學(xué) 分 析 的 方 法 求 出 的 精 確解 或 數(shù) 值 解 。 這 種 方 法 目 前 只 適 用 于 一 些 幾 何 條 件 簡單 的 幾 個 傳 熱 過 程 ， 如 管 內(nèi) 層 流 、 平 板 上 層 流 等 。 2 4-15 影 響 對 流 傳 熱 系 數(shù) 的 因 素一 、 引 起 流 動 的 原 因( 1 - 2)g= 2 g t 1 強 制 對 流 ： 通 過 外 力 對 流 體 作 功 迫 使 流 體 流 動2 自 然 對 流 ： 由 于 流 體 內(nèi) 部 存 在 溫 度 差 而 引 起 的 流 動 設(shè) 1、 2 分 別 代 表 溫 度 為 t1、 t2兩 點 流 體 的 密 度 ， 為 其 平 均體 積 膨 脹 系 數(shù) ； 如 果 t1 525 ， 與 q 都 急 劇 增 大 ； t 25 ， 不 穩(wěn) 定 ， 與 q 急 劇 下 降膜 狀 沸 騰 ： 臨 界 點 自 然 對 流 泡 狀 沸 騰 膜 狀 沸 騰 37 工 業(yè) 上 的 沸 騰 裝 置 多 維 持 在 核 狀 沸 騰 狀 態(tài) 2、 沸 騰 對 流 傳 熱 系 數(shù) 的 計 算大 容 積 飽 和 核 狀 沸 騰 33.0 vlwerp grqCsrp tc (1) 各 參 數(shù) 見 p244。(2) 7.0125.06.041025.3 pae KGpNu 3、 影 響 沸 騰 傳 熱 的 因 素(1)溫 度 差 的 影 響 應(yīng) 盡 量 在 核 狀 沸 騰 階 段 進 行 操 作 。(2)操 作 壓 力 的 影 響 p， 強 化 對 流 傳 熱 過 程 。(3)液 體 物 性 的 影 響 (4)加 熱 面 的 影 響 壁 面 粗 糙 的 ， 有 利 表 面 張 力 小 ， 有 利 38 4-20 對 流 傳 熱 系 數(shù) 關(guān) 聯(lián) 式 小 結(jié)有 相 變無 相 變 自 然 對 流管 束 外水 平 圓 管 外外 壁 湍 流層 流管 內(nèi) 沸 騰 傳 熱冷 凝 傳 熱 39 的量級 KmW KmW 22/10020 /255強制對流：自然對流： KmW KmW KmW KmW 2 222/250002500 /150005000 /150001000 /1000200水沸騰：蒸汽冷凝：強制對流：自然對流：空氣中水中無 相 變有 相 變 自 然強 制 gl 總 之 ： KmW KmW 22/2000500 /150050蒸汽冷凝：強制對流：油類中 40 注 意 以 下 幾 點 ： 1、 首 先 分 析 所 處 理 的 問 題 是 屬 于 哪 一 類 2、 選 定 相 應(yīng) 的 對 流 傳 熱 系 數(shù) 計 算 式 時 ， 特 別 應(yīng) 注 意 的 是所 選 用 的 公 式 所 規(guī) 定 的 適 用 范 圍 ， 規(guī) 定 的 特 性 尺 寸 ， 定 性 溫度 等 。3、 事 先 不 知 流 型 的 情 況 ， 用 試 差 法 來 進 行 計 算 。4、 注 意 公 式 中 物 性 數(shù) 據(jù) 的 單 位p246-247， 表 5-8 41 第 三 節(jié) 輻 射 傳 熱 4-21 基 本 概 念輻 射 ： 物 體 以 電 磁 波 形 式 傳 遞 能 量 的 過 程 。 熱 射 線 ： 0.4 40 m的 可 見 光 與 部 分 紅 外 線 ， 起 決 定 作 用 入 射 輻 射 Q 反 射 QR 穿 透 QD吸 收 QA 熱 射 線 服 從 光 的 反 射 和 折 射 定 律 QQQQ DRA 1 QQQQQQ DRA即 ： 1 DRA D=1透 熱 體A吸 收 率 ； R反 射 率 ； D透 過 率 。A=1稱 為 黑 體 或 絕 對 黑 體 ；R=1稱 為 鏡 體 或 絕 對 白 體 ； 42 4-22 物 體 的 發(fā) 射 能 力 斯 蒂 芬 -玻 爾 茲 曼 蒂 定 律揭 示 黑 體 的 輻 射 能 力 與 其 表 面 溫 度 的 關(guān) 系 發(fā) 射 能 力 （ 或 稱 輻 射 能 力 ） E， 單 位 為 W/m24TE oo o黑 體 的 輻 射 常 數(shù) 42810669.5 KmWo TK Eo黑 體 的 輻 射 能 力4100 TCE oo 黑 體 的 輻 射 系 數(shù) 42669.5 KmWCo 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 oEE 恒 小 于 1 4100 TCEE oo 43 1 2灰 體 黑 體T1 T2 4-23 克 希 霍 夫 定 律灰 體 ： 凡 能 以 相 同 的 吸 收 率 且 部 分 吸 收 由 0到 所 有 波 長 范圍 的 輻 射 能 的 物 體 灰 體 特 點 ： (1)它 的 吸 收 率 A不 隨 輻 射 線 的 波 長 而 變 ；(2)它 是 不 透 熱 體 ， 即 A+R=1。理 想 物 體 大 多 數(shù) 的 工 程 材 料 都 可 視 為 灰 體 E1A1Eo (1-A 1)EoEo T1T2 克 希 霍 夫 定 律 揭 示 了 物 體 的 輻 射 能 力 E與吸 收 率 A間 的 關(guān) 系 輻 射 傳 熱 的 結(jié) 果 為 ： oAEEq 1熱 平 衡 時 ， 即 T1=T2時 ， Q/S=0 E1=A1Eo oEAE 11 oEAEAEAE 2211 表 明 任 何 物 體 （ 灰 體 ） 的 輻 射 能 力 與 吸 收 率 的 比 值 恒 等 于 同溫 度 下 黑 體 的 輻 射 能 力 ， 即 僅 和 物 體 的 絕 對 溫 度 有 關(guān) 。 44 4-24 兩 固 體 間 的 相 互 輻 射經(jīng) 歷 反 復(fù) 吸 收 和 反 射 實 際 兩 物 體 間 的 輻 射 傳 熱 速 率 為 ATTCQ 42412121 100100非 無 限 大 ， 距 離 大 時 。 ATTCQ 42412121 100100式 中 ： Q1-2凈 輻 射 傳 熱 系 數(shù) ， W； C1-2總 輻 射 系 數(shù) ， W/m2K4； 0212121 111 1111 CCCCC o T1、 T2開 爾 文 溫 度 ， K； Am2；角 系 數(shù) 45 4-25 氣 體 熱 輻 射 的 特 點 （ 自 學(xué) ）1） 氣 體 輻 射 和 吸 收 對 波 長 具 有 強 烈 的 選 擇 性 。氣 體 輻 射 與 固 體 輻 射 有 很 大 的 區(qū) 別2） 氣 體 輻 射 是 一 個 容 積 過 程 。 46 4-25 熱 輻 射 、 對 流 的 聯(lián) 合 傳 熱 設(shè) 備 的 外 壁 溫 度 高 于 環(huán) 境 溫 度 ， 此 時 熱 量 將 以 對 流 和 輻 射兩 種 方 式 自 壁 面 向 環(huán) 境 傳 遞 而 引 起 熱 損 失 對 流 傳 熱 而 引 起 的 散 熱 速 率 為 ttAQ wwcc 輻 射 傳 熱 而 引 起 的 散 熱 速 率 為 44 100100 TTAQ wwRR ttTTC wwRR 44 100100總 的 散 熱 速 率 為 ： ttAQQQ wwRRc ttAQ wwT T=+R稱 為 對 流 輻 射 聯(lián) 合 傳 熱 系 數(shù) 47 板 式 ： 螺 旋 板 式 等 式 、 熱 管 等套 管 式 、 列 管 式 、 蛇 管管 式按 結(jié) 構(gòu) 分 為 :再 沸 器蒸 發(fā) 器冷 凝 器冷 卻 器加 熱 器按 用 途 分 為 6.8 間 壁 式 換 熱 器 管 殼 式 換 熱 器 是 一 種 傳 統(tǒng) 的 、 應(yīng) 用 最 廣 泛 的 熱 交 換 設(shè) 備 。由 于 它 結(jié) 構(gòu) 堅 固 ， 且 能 選 用 多 種 材 料 制 造 ， 故 適 應(yīng) 性 極 強 ，尤 其 在 高 溫 、 高 壓 和 大 型 裝 置 中 得 到 普 遍 應(yīng) 用 。 48 列 管 式 換 熱 器 （ 管 殼 式 換 熱 器 ）一 、 構(gòu) 造 49 殼體、管板、管束、頂蓋（封頭）、擋板縱向橫向 6.8.1列管式換熱器（管殼式換熱器）一 、 構(gòu) 造 50 溫度補償問題： T1 t0（環(huán)境） T w T t 1 t2 T 2 列管式 t tw ATTAtTQ ww 10 0 11 損 列 管 式 換 熱 器 （ 管 殼 式 換 熱 器 ）思考：如何判斷壁溫tw、Tw接近哪一個溫度？T、t or t0？溫差在50以上時，要考慮溫度補償問題 AttAtTQ ww 21 11 51 溫 度 補 償 問 題 ：換 熱 器 兩 端 管 板 和 殼 體 是 連 為 一 體 的 。其 特 點 是 結(jié) 構(gòu) 簡 單 、 制 造 成 本 低 ， 適 用 于 殼 體 和 管 束 溫差 小 、 管 外 物 料 比 較 清 潔 、 不 易 結(jié) 垢 的 場 合 。當 殼 體 和 管 子 之 間 的 溫 差 較 大 (6070 )且 殼 體 承 受 壓 力不 太 高 時 ， 可 采 用 補 償 圈 （ 又 稱 膨 脹 節(jié) ） 。補 償 圈 補 償 -固 定 管 板 式 換 熱 器 52 溫度補償問題：浮頭補償-浮頭式換熱器U型管補償-U型管式換熱器一端管板用法蘭與殼體連接固定，另一端在殼體中自由伸縮，整個管束可以由殼體中拆卸出來。適用于殼體與管束間溫差大且需經(jīng)常進行管內(nèi)外清洗的場合。用于殼體與管子間溫差大的場合，但管內(nèi)清洗比較困難。 53 54管程管程殼程（便于排放冷凝液及不凝性氣體）殼程 列 管 式 換 熱 器 （ 管 殼 式 換 熱 器 ）二 、 選 用 、 設(shè) 計 原 則 55 根據(jù)換熱任務(wù)，選定一些參數(shù)，如流速、K等試算A 初選換熱器型號及規(guī)格校核K、A 設(shè) 計 方 法 及 步 驟 ：列 管 式 換 熱 器 （ 管 殼 式 換 熱 器 ） 56 強 化 管 式 換 熱 器 ： 翅 片 管 式 -橫 向 傳 熱 面 積 大 ， 傳 熱 效 率 高 ， 總 傳 熱 系 數(shù)為 光 管 的 四 至 八 倍 。其 它 類 型 的 換 熱 器 57 58 板式換熱器其 它 類 型 的 換 熱 器板 式 換 熱 器 是 由 一 組 波 紋 金 屬 板組 成 ,板 上 有 孔 ,供 傳 熱 的 兩 種 流 體通 過 .金 屬 板 片 安 裝 在 一 個 側(cè) 面 有固 定 板 和 活 動 壓 緊 板 的 框 架 內(nèi) ,并用 夾 緊 螺 栓 夾 緊 .板 式 換 熱 器 作 為 一 種 新 型 、 高 效 、節(jié) 能 的 換 熱 設(shè) 備 已 越 來 越 在 眾 多領(lǐng) 域 廣 泛 應(yīng) 用 ,并 且 有 逐 步 取 代 其它 類 型 之 趨 勢 . 59 板式換熱器 60 板式換熱器 強化管式換熱器折流桿換熱器 61 螺旋板換熱器： 傳 熱 效 率 高 傳 熱 效 率 為 列 管 式 換 熱 器 的13倍 阻 力 小 以 較 低 的 壓 力 損 失 ， 處 理 大容 量 蒸 氣 或 氣 體 ； 有 自 清 刷 能 力 ，因 其 介 質(zhì) 呈 螺 旋 形 流 動 ， 污 垢 不易 沉 積 ； 清 洗 容 易 ， 可 用 蒸 氣 或堿 液 沖 洗 ， 簡 單 易 行 ， 適 合 安 裝清 洗 裝 置 ； 介 質(zhì) 走 單 通 道 ， 允 許流 速 比 其 它 換 熱 器 高 。 62 螺旋板式換熱器 63 熱管 64 65 換 熱 器 的 強 化 途 徑強 化 傳 熱 提 高 傳 熱 速 率mtKAQ K A tm 一 、 增 大 傳 熱 面 積 A已 有 的 換 熱 器 A定 值 從 分 利 用 其 有 效 的 傳 熱 面 積設(shè) 計 A Q 設(shè) 備 費 有 局 限 性二 、 增 大 平 均 溫 度 差 tmt m 取 決 于 冷 熱 流 體 的 初 、 終 溫物 料 的 溫 度 由 生 產(chǎn) 工 藝 所 決 定 ， 一 般 不 能 隨 意 變 動 冷 卻 和 加 熱 介 質(zhì) 的 溫 度 則 因 選 擇 的 介 質(zhì) 不 同 而 異 ， 應(yīng) 考慮 技 術(shù) 上 的 可 能 性 和 經(jīng) 濟 上 的 合 理 性 。 66 三 、 增 大 總 傳 熱 系 數(shù) K強 化 傳 熱 的 最 有 效 途 徑 iiisims ddddRddbRK 00000 111 i 、 o接 近 時i 、 o差 別 較 大 時 應(yīng) 予 以 同 時 提 高應(yīng) 提 高 小 的 提 高 K值熱 阻 主 要 集 中 在 靠 近 管 壁 的 層 流 底 層強 化 傳 熱 的 辦 法 應(yīng) 從 以 下 幾 方 面 考 慮 ：1、 增 加 湍 動 程 度 ， 以 減 少 層 流 底 層 的 厚 度（ 1） 、 u （ 2） 、 改 變 流 動 條 件 ， 通 過 設(shè) 計 特 殊 的 傳 熱 壁 面 ， 使 流 體 在 流 動 過 程 中 不 斷 改 變 流 動 方 向 ， 提 高 湍 動 程 度 。 67 2、 盡 量 采 用 有 相 變 化 的 載 熱 體 ， 可 得 到 大 的 對 流傳 熱 系 數(shù) 。3、 采 用 導(dǎo) 熱 系 數(shù) 較 大 的 載 熱 體 。 4、 當 壁 兩 側(cè) 的 對 流 傳 熱 系 數(shù) 很 大 ， 污 垢 熱 阻 很 小時 ， 金 屬 壁 的 熱 阻 才 對 傳 熱 過 程 有 較 明 顯 的 影 響 。 5、 防 止 污 垢 和 及 時 地 清 除 垢 層 ， 以 減 小 污 垢 熱 阻 。應(yīng) 采 用 防 止 或 減 慢 結(jié) 垢 的 措 施 ， 并 應(yīng) 及 時 清 除 傳 熱 面上 的 垢 層 。