流体力学-传热过程与换热器

流体力学,第十一章 传热过程与换热器,学习要求,本章的重点是传热基本方程和通过学习应达到以下要求：1.理解传热过程及其特点。2.理解热量衡算式及传热基本方程中各物理量含义。3.掌握传热系数的计算。4.了解强化传热及削弱传热的原则和有效方法。,11.1 传热过程,一、传热过程 的特点,传热过程往往是导热、热对流和热辐射三种基本热量传递方式的组合。,墙体内壁,室外空气,对流换热,室内空气,导热,墙体外壁,对流与辐射换热,高温流体,对流换热,低温流体,固体表面另一侧,导热,固体表面一侧,对流换热,（3）传热过程至少由两种热量传递的基本方式组合而成 。,（1）传热过程至少由三个热量传递的环节串联组合而成。,一、传热过程特点,（2）根据能量守恒的原则，稳态传热过程中每一个环节传递的热流量相等。,如,导热,+,对流换热,如空气流过暖气散热器,辐射,对流,+,如锅炉炉膛里的烟气,二、传热基本方程,传热过程分析求解的基本关系为传热方程式,式中 为传热系数（在容易与对流换热表面传热系数想混淆时，称总传热系数）。,三、传热系数的计算,K的物理意义：当冷、热两流体间的平均温度差为1时，在单位时间内通过单位传热面积所传递的热量。,传热系数K是一个表示传热过程强弱程度的物理量。,K值越大，单位传热面积传递的热量越多。即：在热流量和推动力一定的情况下，所需传热面积越小，意味着换热器的换热能力越强。,传热系数的大小是衡量换热器工作效率的重要参数，它主要受到流体的性质、传热过程的操作条件及换热器的类型等影响，其影响因素十分复杂。,了解传热系数的影响因素，合理确定K值，是传热计算中的一个重要问题,1.平壁传热系数K的计算,对于稳态传热过程，热流体传给壁面的热量和通过平壁的导热量以及壁面传给冷流体的热量均应相等，即,平壁传热,传热系数,单位面积上的传热总热阻及传热系数,平壁传热,K为叠加热阻的倒数,表明: 传热过程的总热阻为各环节的热阻的总和。,多层平壁的传热系数为,例15-2有一面370 mm厚的砖砌外墙，10.75W/（mK）；两边各有15mm厚的粉刷层，内粉刷层的20.6W/（mK），外粉刷层的30.7W/（mK）；墙内侧的表面传热系数h17.0W/（m2K），外侧表面传热系数h221.2W/（m2K）；室内外侧空气温度分别为18、-12；墙面积为19.5m2。求墙的散热量。,2.圆管壁传热系数K的计算,设单层圆管壁上进行稳态传热,管 长 L 管 内 外 径 di、do 管内、外侧传热面积Ai、Ao 管 壁 的 热 导 率 管内侧热流体平均温度 th 热 侧 表 面 传 热 系 数 hi 管外侧冷流体平均温度 tc 冷 侧 表 面 传 热 系 数 ho 圆管内、外壁温 twi、 two,假定流体温度和壁内温度只沿径向发生变化,对于稳态传热过程，热流体传给管壁的对流换热量、管壁的导热量以及管壁传给冷流体的对流换热量三者相等，即,圆管壁传热,以外表面积Ao为基准的传热系数,圆管壁传热,以圆管壁内表面积Ai为基准的传热系数,单层圆管壁的传热量,工程习惯上常以管的外表面积为计算基准,临界绝缘直径（半径）,随保温层厚度增加而增加,随保温层厚度增加而减小,11.2 传热的强化与削弱,工程上遇到的大量传热问题，很多是涉及到如何强化和削弱传热过程。,即使设备外表面与外界空气之间的传热量尽量的减小，减小其系统的热量或冷量损失，以减少能量消耗。,强化传热,即提高换热设备的热流量，使设备趋于紧凑，节省金属材质，降低动力消耗。,削弱传热,一、传热过程的强化,1、增大传热系数K,一般需从热阻大（表面传热系数小）的一侧入手，增加流体流速或在流体侧加装绕流体元件（如：罗纹管、波纹管等）以增加流体侧的表面传热系数；尽量采用软化水，定期采用机械或化学的方法清除污垢。,2、增大换热器单位体积的传热面积A,应合理提高单位体积的传热面积，如各种高效传热面。,常见的高效传热面有：,不同结构翅片,各种异形管,板型传热面,如光滑波纹翅片、多孔波纹翅片等；,如扁管、椭圆管、波纹管和螺旋槽纹管等；,如螺旋板式和板翅式等。,3、增大冷、热两流体的平均温度差,即增大传热过程的推动力。,可以通过选择不同的介质和流量加以改变，来达到增大传热推动力的目的。如：,用饱和水蒸气作加热剂时，加大蒸汽压力提高其温度 ；,用冷却水作冷却剂时，增大冷却水流量或以冷冻盐水 代替普通冷却水，可以使冷却剂的温度降低 ；,当换热器中两流体均无相变时，应尽可能地采用逆流或接近于逆流的相对流向以获得较大的平均温度差。,二、传热过程的削弱,1、覆盖保温材料以增大导热热阻,削弱设备与空气之间的传热通常只有用减小传热系数K的方法来达到目的。,在平壁上敷设保温材料，热流量与绝热层的厚度成反比。,在圆筒壁上敷设保温绝热材料，只有当管道敷设保温层 后的直径大于临界热绝缘直径时，敷设保温层才能有效 地起到减小散热损失的作用。,通常热能与制冷工程中均满足,2、改变表面状况,临界热绝缘直径 :即管道散热量最大的保温层的直径。, :材料的热导率，W/（mK）；ho :保温层外壁与流体间表面传热系数，W/（m2K）。,改变表面的辐射特性。,采用选择性涂层，既增强对投入辐射的吸收，又削弱本