傳熱學第六章 凝結與沸騰換熱_第1頁
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1、傳熱學第六章 凝結與沸騰換熱第1頁,共76頁,2022年,5月20日,21點47分,星期日10.1 傳熱過程的分析和計算 傳熱過程 基本計算式(傳熱方程式)傳熱過程分析求解的基本關系為傳熱方程式式中 為傳熱系數(shù)(在容易與對流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)相混淆時,稱總傳熱系數(shù))。第2頁,共76頁,2022年,5月20日,21點47分,星期日10.1.1、通過平壁的傳熱過程計算 由于平壁的兩側的面積是相等的,因此傳熱系數(shù)的數(shù)值不論對哪一側來說都是一樣的。第3頁,共76頁,2022年,5月20日,21點47分,星期日10.1.2 通過圓管的傳熱過程計算在穩(wěn)態(tài)條件下,通過各環(huán)節(jié)的熱流量是不變的。 圓柱面導熱:外部

2、對流:內(nèi)部對流:第4頁,共76頁,2022年,5月20日,21點47分,星期日hiho第5頁,共76頁,2022年,5月20日,21點47分,星期日對外側面積而言得傳熱系數(shù)的定義式由下式表示:從熱阻的角度來看 上面三式相加第6頁,共76頁,2022年,5月20日,21點47分,星期日10.1.3、通過肋壁的傳熱在表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)較小的一側采用肋壁是強化傳熱的一種行之有效的方法。下面以平壁的一側為肋壁的較簡單的情況,作為分析肋壁傳熱的對象。第7頁,共76頁,2022年,5月20日,21點47分,星期日式中, 為肋面總效率。第8頁,共76頁,2022年,5月20日,21點47分,星期日定義肋化系數(shù):

3、則傳熱系數(shù)為所以,只要 就可以起到強化換熱的效果。第9頁,共76頁,2022年,5月20日,21點47分,星期日 10.1.4 臨界熱絕緣直徑 為了減少管道的散熱損失,采用在管道外側覆蓋熱絕緣層或稱隔熱保溫層的辦法。熱流體通過管道壁和絕緣層傳熱給冷流體傳熱過程的熱阻為第10頁,共76頁,2022年,5月20日,21點47分,星期日管道的散熱量為根據(jù) ,可解得這個 成為臨界熱絕緣直徑記為第11頁,共76頁,2022年,5月20日,21點47分,星期日10.2 換熱器的類型 用來使熱量從熱流體傳遞到冷流體,以滿足規(guī)定的工藝要求的裝置統(tǒng)稱換熱器。分為間壁式、混合式及蓄熱式(或稱回熱式)三大類。 第1

4、2頁,共76頁,2022年,5月20日,21點47分,星期日三種類型換熱器簡介10.2.1 間壁式換熱器的分類第13頁,共76頁,2022年,5月20日,21點47分,星期日間壁式換熱器: 冷、熱流體被固體傳熱表面隔開,而熱量的傳遞通過固體傳遞面而進行。直接接觸式換熱器: 冷、熱流體直接接觸進行熱量交換。蓄熱式換熱器: 冷、熱流體交替通過傳熱表面,冷流體通過時貯存冷量,熱流體通過時取走冷量。第14頁,共76頁,2022年,5月20日,21點47分,星期日按工藝功能分類(1)冷卻器:冷卻工藝物流的設備。冷卻劑有水、氨、氟利昂等。(2)加熱器:加熱工藝物流的設備。加熱介質有水蒸汽、導熱油、熔鹽等。

5、(3)再沸器:用于蒸發(fā)蒸餾塔底部的物料設備;分熱吸式和動力循環(huán)式再沸器。(4)冷凝器:蒸餾塔頂物流的冷凝或者反應器冷凝循環(huán)回流的設備。(5)蒸發(fā)器:專門用于蒸發(fā)溶液中水分或者溶劑的設備。(6)過熱器:對飽和蒸汽再加熱升溫的設備。(7)廢熱鍋爐:由工藝的高溫物流或者廢氣中回收其熱量而產(chǎn)生蒸汽的設備。(8)換熱器:兩種不同溫位的工藝物流相互進行熱交換能量的設備。第15頁,共76頁,2022年,5月20日,21點47分,星期日按傳熱方式的結構分類 管殼式 :固定管板式、浮頭式、填料函式、U形管式板式 :波紋板式、板翅式、螺旋板式、傘板式管式:空冷器、套管式、噴淋管式、箱管式液膜式:升降膜式、刮板薄膜

6、式、離心薄膜式其它型式:板殼式熱管第16頁,共76頁,2022年,5月20日,21點47分,星期日直接接觸傳遞熱量式第17頁,共76頁,2022年,5月20日,21點47分,星期日常用換熱器的各種型式套管式換熱器 冷溶液進 冷溶液出 熱溶液進熱溶液出第18頁,共76頁,2022年,5月20日,21點47分,星期日常用換熱器的各種型式固定管式換熱器 第19頁,共76頁,2022年,5月20日,21點47分,星期日常用換熱器的各種型式浮頭式換熱器 第20頁,共76頁,2022年,5月20日,21點47分,星期日常用換熱器的各種型式U形管式換熱器 第21頁,共76頁,2022年,5月20日,21點4

7、7分,星期日常用換熱器的各種型式波紋板式換熱器 1.固定壓緊板 2.夾緊螺栓 3.前端板 4.換熱板片 5.密封墊片 6.后端板 7.下導板 8.后支柱 9.活動壓緊板 10.上導板第22頁,共76頁,2022年,5月20日,21點47分,星期日常用換熱器的各種型式波紋板式換熱器第23頁,共76頁,2022年,5月20日,21點47分,星期日常用換熱器的各種型式釬焊板式換熱器 第24頁,共76頁,2022年,5月20日,21點47分,星期日常用換熱器的各種型式螺旋板式換熱器 第25頁,共76頁,2022年,5月20日,21點47分,星期日常用換熱器的各種型式螺旋板式換熱器型不可拆 第26頁,共

8、76頁,2022年,5月20日,21點47分,星期日常用換熱器的各種型式螺旋板式換熱器型一端可拆 型兩端可拆 第27頁,共76頁,2022年,5月20日,21點47分,星期日常用換熱器的各種型式浸沒式蛇管換熱器 第28頁,共76頁,2022年,5月20日,21點47分,星期日常用換熱器的各種型式套管式換熱器第29頁,共76頁,2022年,5月20日,21點47分,星期日常用換熱器的各種型式板翅式換熱器 第30頁,共76頁,2022年,5月20日,21點47分,星期日常用換熱器的各種型式板翅式換熱器:空分裝置第31頁,共76頁,2022年,5月20日,21點47分,星期日10.2.2 間壁式換熱

9、器的主要型式 適用于傳熱量不大或流體流量不大的情形。 (1)套管式換熱器第32頁,共76頁,2022年,5月20日,21點47分,星期日(2)殼管式換熱器 這是間壁式換熱器的一種主要形式,又稱管殼式換熱器。第33頁,共76頁,2022年,5月20日,21點47分,星期日1-2型換熱器第34頁,共76頁,2022年,5月20日,21點47分,星期日2-4型換熱器第35頁,共76頁,2022年,5月20日,21點47分,星期日(3)交叉流換熱器 它是間壁式換熱器的又一種主要型式。根據(jù)換熱表面結構的不同又可有管束式、管翅式及板翅式等的區(qū)別 。第36頁,共76頁,2022年,5月20日,21點47分,

10、星期日(4)板式換熱器 板式換熱器拆卸清洗方便,故適合于含有易污染物的流體的換熱。第37頁,共76頁,2022年,5月20日,21點47分,星期日(5)螺旋板式換熱器 這種換熱器換熱效果較好,缺點是換熱器的密封比較困難。第38頁,共76頁,2022年,5月20日,21點47分,星期日2 簡單順流及逆流換熱器的對數(shù)平均溫差傳熱方程的一般形式: 這個過程對于傳熱過程是通用的,下面推導簡單順流及逆流換熱器的平均溫差計算式。第39頁,共76頁,2022年,5月20日,21點47分,星期日順流時平均溫差的推導第40頁,共76頁,2022年,5月20日,21點47分,星期日以順流情況為例,作如下假設:(1

11、)冷熱流體的質量流量qm2、qm1以及比熱容C2,C1是常數(shù);(2)傳熱系數(shù)是常數(shù);(3)換熱器無散熱損失;(4)換熱面沿流動方向的導熱量可以忽略不計。第41頁,共76頁,2022年,5月20日,21點47分,星期日 在前面假設的基礎上,并已知冷熱流體的進出口溫度,現(xiàn)在來看圖9-13中微元換熱面dA一段的傳熱。溫差為:在固體微元面dA內(nèi),兩種流體的換熱量為:第42頁,共76頁,2022年,5月20日,21點47分,星期日對于熱流體:對于冷流體:第43頁,共76頁,2022年,5月20日,21點47分,星期日可見,當?shù)販夭铍S換熱面呈指數(shù)變化,則沿整個換熱面的平均溫差為:第44頁,共76頁,202

12、2年,5月20日,21點47分,星期日(1)(2)(3)(1)、(2)、(3)相加對數(shù)平均溫差第45頁,共76頁,2022年,5月20日,21點47分,星期日 不論順流還是逆流,對數(shù)平均溫差可統(tǒng)一用以下計算式表示: 平均溫差的另一種更為簡單的形式是算術平均溫差,即第46頁,共76頁,2022年,5月20日,21點47分,星期日3、復雜布置時換熱器平均溫差的計算套管式換熱器及螺旋板式換熱器的平均溫差可以方便的按逆流或順流布置的公式來計算。但對于殼管式換熱器及交叉流式換熱器的平均溫差一般采用以下公式來計算:第47頁,共76頁,2022年,5月20日,21點47分,星期日4、各種流動型式的比較在相同

13、的進、出口溫度條件下:逆流的平均溫差最大;順流的平均溫差最小;交叉流適中。 因此,換熱器應當盡量布置成逆流,而盡可能避免作順流布置。 但逆流也有缺點,即熱流體和冷流體的最高溫度 集中在換熱器的同一端。第48頁,共76頁,2022年,5月20日,21點47分,星期日 9-3 換熱器的熱計算分為設計計算和校核計算。換熱器熱計算的基本公式為傳熱方程式:熱平衡方程式:第49頁,共76頁,2022年,5月20日,21點47分,星期日1、換熱器計算的平均溫差法平均溫差法用作設計計算時步驟如下:(1)初步布置換熱面,計算出相應的傳熱系數(shù) 。(2)根據(jù)給定條件,由熱平衡式求出進、出口溫度 中的那個待定的溫度

14、。(3)由冷、熱流體的4個進、出口溫度確定平均溫 差,計算時要注意保持修正系數(shù) 具有合適 的數(shù)值。(4)由傳熱方程求出所需要的換熱面積 ,并核算 換熱面兩側有流體的流動阻力。(5)如流動阻力過大,改變方案重新設計。第50頁,共76頁,2022年,5月20日,21點47分,星期日 對于校核計算具體計算步驟:(1)先假設一個流體的出口溫度,按熱平衡式計算另一個出口溫度(2)根據(jù)4個進出口溫度求得平均溫差(3)根據(jù)換熱器的結構,算出相應工作條件下的總傳熱系數(shù)k第51頁,共76頁,2022年,5月20日,21點47分,星期日(4)已知k、A和 ,按傳熱方程式計算在假設出口溫度下的(5)根據(jù)4個進出口溫

15、度,用熱平衡式計算另一個 ,這個值和上面的 ,都是在假設出口溫度下得到的,因此,都不是真實的換熱量(6)比較兩個 值,滿足精度要求,則結束,否則,重新假定出口溫度,重復(1)(6),直至滿足精度要求。第52頁,共76頁,2022年,5月20日,21點47分,星期日2 效能-傳熱單元數(shù)法(1)傳熱單元數(shù)和換熱器的效能換熱器的效能按下式定義:換熱器交換的熱流量:第53頁,共76頁,2022年,5月20日,21點47分,星期日 下面揭示換熱器的效能與哪些變量有關。 以順流換熱器為例,并假設 則有根據(jù)熱平衡式得:于是第54頁,共76頁,2022年,5月20日,21點47分,星期日式, 相加:整理:由上

16、一節(jié)知道第55頁,共76頁,2022年,5月20日,21點47分,星期日帶入式得把上一節(jié)中 帶入上式得第56頁,共76頁,2022年,5月20日,21點47分,星期日當 時,類似推導可得將合并寫成第57頁,共76頁,2022年,5月20日,21點47分,星期日令可寫成類似的推導可得逆流換熱器的效能為稱為傳熱單元數(shù)第58頁,共76頁,2022年,5月20日,21點47分,星期日當冷熱流體之一發(fā)生相變時,即 趨于無窮大時,于是上面效能公式可簡化為當兩種流體的熱容相等時, 公式可以簡化為順流:逆流:第59頁,共76頁,2022年,5月20日,21點47分,星期日根據(jù) 及 的定義及換熱器兩類熱計算的任

17、務可知,設計計算是已知 求 ,而校核計算則是由 求取 值。它們計算步驟都與平均溫差中對應計算大致相似,故不再細述。 3、用效能傳熱單元數(shù)法(法)計算換熱器的步驟第60頁,共76頁,2022年,5月20日,21點47分,星期日4 換熱器設計時的綜合考慮 換熱器設計是綜合性的課題,必須考慮出投資,運行費用,安全可靠等諸多因素。5 換熱器的結垢及污垢熱阻 污垢增加了熱阻,使傳熱系數(shù)減小,這種熱阻成為污垢熱阻,用Rf表示,式中:k為有污垢后的換熱面的傳熱系數(shù),k0為潔凈換熱面的傳熱系數(shù)。第61頁,共76頁,2022年,5月20日,21點47分,星期日對于兩側均已結構的管殼式換熱器,以管子外表面為計算依

18、據(jù)的傳熱系數(shù)可以表示成:如果管子外壁沒有肋化,則肋面總效率o = 1。管殼式換熱器的部分污垢熱阻可以在表9-1種查得。第62頁,共76頁,2022年,5月20日,21點47分,星期日 9-4 傳熱的強化和隔熱保溫技術強化傳熱的目的:縮小設備尺寸;提高熱效率;保證設備安全。削弱傳熱的目的:減少熱量損失第63頁,共76頁,2022年,5月20日,21點47分,星期日1、增強傳熱的方法 (1)擴展傳熱面 擴展傳熱壁換熱系數(shù)小的一側的面積,是增強傳熱中使用最廣泛的一種方法,如肋壁、肋片管、波紋管、板翅式換熱面等,它使換熱設備傳熱系數(shù)及單位體積的傳熱面積增加,能收到高效緊湊的效益。 (2)改變流動狀況

19、增加流速、增強擾動、采用旋流及射流等都能起增強傳熱的效果,但這些措施將引起流動阻力的增加。 第64頁,共76頁,2022年,5月20日,21點47分,星期日a、增加流速 增加流速可改變流態(tài),提高紊流強度。b、流道中加插入物增強擾動 在管內(nèi)或管外加進插入物,如金屬絲、金屬螺旋環(huán)、盤片、麻花鐵、翼形物,以及將傳熱面做成波紋狀等措施都可增強擾動、破壞流動邊界層,增強傳熱。第65頁,共76頁,2022年,5月20日,21點47分,星期日c、采用旋轉流動裝置 在流道進口裝渦流發(fā)生器,使流體在一定壓力下從切線方向進入管內(nèi)作劇烈的旋轉運動,用渦旋流動以強化傳熱。d、采用射流方法噴射傳熱表面 由于射流撞擊壁面

20、,能直接破壞邊界層,故能強化換熱。它特別適用于強化局部點的傳熱。第66頁,共76頁,2022年,5月20日,21點47分,星期日(3)使用添加劑改變流體物性 流體熱物性中的導熱系數(shù)和容積比熱對換熱系數(shù)的影響較大。在流體內(nèi)加入一些添加劑可以改變流體的某些熱物理性能,達到強化傳熱的效果。添加劑可以是固體或液體,它與換熱的主流體組成氣-固、液-固、汽-液以及液-液混合流動系統(tǒng)。第67頁,共76頁,2022年,5月20日,21點47分,星期日a、氣流中添加少量固體顆粒 固體顆粒提高了流體的容積比熱和它的熱容量,增強氣流的擾動程度,固體顆粒與壁面撞擊起到破壞邊界層和攜帶熱能的作用,增強了熱輻射。b、在蒸

21、汽或氣體中噴入液滴 在蒸汽中加入珠狀凝結促進劑; 在空氣冷卻器入口噴入水霧,使氣相換熱變?yōu)橐耗Q熱。第68頁,共76頁,2022年,5月20日,21點47分,星期日(4)改變表面狀況a、增加粗糙度b、改變表面結構c、表面涂層第69頁,共76頁,2022年,5月20日,21點47分,星期日(5)改變換熱面形狀和大小 如用小直徑管子代替大直徑管子,用橢圓管代替圓管的措施而收到提高換熱系數(shù)的好處。此外,在凝結換熱中盡量采用水平管亦是一例。(6)改變能量傳遞方式 由于輻射換熱與熱力學溫度4次方成比例,一種在流道中放置“對流-輻射板”的增強傳熱方法正逐步得到重視。第70頁,共76頁,2022年,5月20日,21點47分,星期日(7)靠外力產(chǎn)生振蕩,強化換熱 用機械或電的方法使傳熱面或流體產(chǎn)生振動; 對流體施加聲波或超聲波,使流體交替地受到壓縮和膨脹,以增加脈動; 外加靜電場,對流體加以高電壓而形成一個非均勻的電場,靜電場使傳熱面附近電介質流體的混合作用加強,強化了對流換熱。 第71頁,共76頁,2022年,5月20日,21點47分,星期日2 確定傳熱過程分熱阻的威爾遜圖解法 利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以測定壁面和流體的溫度,從而獲得平均溫差,利用熱平衡方程式獲得熱流量,換熱面積可以根據(jù)設計情況獲得,這樣就

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