2020年高中物理竞赛传热学基础09传热过程分析和换热器热计算换热器的热计算共29张

1、2020,高中物理竞赛,第九章,传热过程分析,与换热器热计算,9-3,换热器的热计算,分为,设计计算,和,校核计算,换热器热计算的,基本公式,为,m,kA,t,1,1,1,1,2,2,2,2,m,m,q,c,t,t,q,c,t,t,传热方程式,热平衡方程式,1,换热器计算的平均温差法,平均温差法用作设计计算时步骤如下,1,初步布置换热面，计算出相应的传热系数,2,根据给定条件，由热平衡式求出进、出口温度,中的那个待定的温度,3,由冷、热流体的,4,个进、出口温度确定平均温,差，计算时要注意保持修正系数,具有合适,的数值,4,由传热方程求出所需要的换热面积,并核算,换热面两侧有流体的流动阻力,5

2、,如流动阻力过大，改变方案重新设计,k,m,t,A,对于校核计算具体计算步骤,1,先假设一个流体的出口温度，按热平衡式计,算另一个出口温度,2,根据,4,个进出口温度求得平均温差,3,根据换热器的结构，算出相应工作条件下的,总传热系数,k,m,t,4,已知,k,A,和,按传热方程式计算在假设,出口温度下的,5,根据,4,个进出口温度，用热平衡式计算另一,个,这个值和上面的,都是在假设出口温,度下得到的，因此，都不是真实的换热量,6,比较两个,值，满足精度要求，则结束,否则，重新假定出口温度，重复,1)(6,直至,满足精度要求,m,t,2,效能,传热单元数法,1,传热单元数和换热器的效能,换热器

3、的效能按下式定义,max,1,2,t,t,t,t,min,m,q,c,t,t,换热器交换的热流量,min,1,2,m,q,c,t,t,1,1,1,2,t,t,t,t,1,1,2,2,m,m,q,c,q,c,下面揭示换热器的效能与哪些变量有关,以,顺流换热器为例,并假设,则有,根据热平衡式得,1,1,1,1,2,2,2,2,m,m,q,c,t,t,q,c,t,t,1,1,2,2,1,1,2,2,m,m,q,c,t,t,t,t,q,c,于是,1,1,1,2,1,2,2,2,1,1,m,m,q,c,t,t,t,t,q,c,式,相加,1,1,1,2,1,2,1,2,2,2,1,m,m,q,c,t,t,

4、t,t,t,t,q,c,整理,由上一节知道,1,2,1,2,kA,t,t,e,t,t,带入式得,1,1,2,2,1,exp,1,m,m,kA,q,c,q,c,把上一节中,带入上式得,1,1,1,1,2,2,1,1,2,2,1,exp,1,1,m,m,m,m,m,q,c,kA,q,c,q,c,q,c,q,c,1,1,2,2,m,m,q,c,q,c,当,时，类似推导可得,2,2,2,2,1,1,2,2,1,1,1,exp,1,1,m,m,m,m,m,q,c,kA,q,c,q,c,q,c,q,c,将合并写成,min,min,max,min,max,1,exp,1,1,m,m,m,m,m,q,c,kA

5、,q,c,q,c,q,c,q,c,令,min,m,kA,NTU,q,c,可写成,min,max,min,max,1,exp,1,1,m,m,m,m,q,c,NTU,q,c,q,c,q,c,类似的推导可得逆流换热器的效能为,min,max,min,min,max,max,1,exp,1,1,exp,1,m,m,m,m,m,m,q,c,NTU,q,c,q,c,q,c,NTU,q,c,q,c,称为,传热单元数,当冷热流体之一发生相变时,即,趋于无穷大时,于是上面效能公式可简化为,NTU,ex,p,1,当两种流体的热容相等时,公式可以简化为,1,exp,2NTU,2,NTU,1,NTU,顺流,逆流,m

6、ax,m,q,c,根据,及,的定义及换热器两类热计算的,任务可知，设计计算是已知,求,而校,核计算则是由,求取,值。它们计算步骤,都与平均温差中对应计算大致相似，故不,再细述,NTU,NTU,NTU,3,用效能,传热单元数法（法）计算换热器的步骤,4,换热器设计时的综合考虑,换热器设计是综合性的课题，必须考虑出投,资，运行费用，安全可靠等诸多因素,5,换热器的结垢及污垢热阻,污垢增加了热阻，使传热系数减小，这种热,阻成为污垢热阻，用,R,f,表示,式中,k,为有污垢后的换热面的传热系数,k0,为洁,净换热面的传热系数,0,1,1,k,k,R,f,对于两侧均已结构的管壳式换热器，以管子外表,面为

7、计算依据的传热系数可以表示成,如果管子外壁没有肋化，则肋面总效率,o,1,管壳式换热器的部分污垢热阻可以在表,9-1,种查得,o,o,f,o,w,i,o,i,f,i,R,h,R,A,A,R,h,k,1,1,1,1,9-4,传热的强化和隔热保温技术,强化传热的目的,缩小设备尺寸,提高热效率,保证设备安全,削弱传热的目的,减少热量损失,1,增强传热的方法,1,扩展传热面,扩展传热壁换热系数小的一侧的面积，是增强传,热中使用最广泛的一种方法，如肋壁、肋片管、波,纹管、板翅式换热面等，它使换热设备传热系数及,单位体积的传热面积增加，能收到高效紧凑的效益,2,改变流动状况,增加流速、增强扰动、采用旋流及

8、射流等都能起,增强传热的效果，但这些措施将引起流动阻力的增,加,a,增加流速,增加流速可改变流态，提高紊流强度,b,流道中加插入物增强扰动,在管内或管外加进插入物，如金属丝、金,属螺旋环、盘片、麻花铁、翼形物，以及将,传热面做成波纹状等措施都可增强扰动、破,坏流动边界层，增强传热,c,采用旋转流动装置,在流道进口装涡流发生器，使流体在一定,压力下从切线方向进入管内作剧烈的旋转运,动，用涡旋流动以强化传热,d,采用射流方法喷射传热表面,由于射流撞击壁面，能直接破坏边界层,故能强化换热。它特别适用于强化局部点的,传热,3,使用添加剂改变流体物性,流体热物性中的导热系数和容积比热对换,热系数的影响较

9、大。在流体内加入一些添加,剂可以改变流体的某些热物理性能，达到强,化传热的效果。添加剂可以是固体或液体,它与换热的主流体组成气,固、液,固、汽,液,以及液,液混合流动系统,a,气流中添加少量固体颗粒,固体颗粒提高了流体的容积比热和它的热,容量，增强气流的扰动程度，固体颗粒与壁,面撞击起到破坏边界层和携带热能的作用,增强了热辐射,b,在蒸汽或气体中喷入液滴,在蒸汽中加入珠状凝结促进剂,在空气冷却器入口喷入水雾，使气相换热,变为液膜换热,4,改变表面状况,a,增加粗糙度,b,改变表面结构,c,表面涂层,5,改变换热面形状和大小,如用小直径管子代替大直径管子，用椭圆管,代替圆管的措施而收到提高换热系

10、数的好处。此,外，在凝结换热中尽量采用水平管亦是一例,6,改变能量传递方式,由于辐射换热与热力学温度,4,次方成比例，一,种在流道中放置“对流,辐射板”的增强传热方法,正逐步得到重视,7,靠外力产生振荡，强化换热,用机械或电的方法使传热面或流体产生振,动,对流体施加声波或超声波，使流体交替地,受到压缩和膨胀，以增加脉动,外加静电场，对流体加以高电压而形成一,个非均匀的电场，静电场使传热面附近电,介质流体的混合作用加强，强化了对流换,热,2,确定传热过程分热阻的威尔逊图解法,利用数据采集系统可以测定壁面和流体的,温度，从而获得平均温差，利用热平衡方程,式获得热流量，换热面积可以根据设计情况,获得

11、，这样就可以通过传热方程式计算出总,表面传热系数。这是,威尔逊图解法,的基础,我们已管壳式换热器为例，说明如何应用,威尔逊图解法获得各个分热阻。总表面传热,系数可以表示成,i,o,i,f,w,o,o,d,d,h,R,R,h,k,1,1,1,工业换热器中的管内流体的流动一般都是处于旺,盛湍流状态,hi,与流速,u0.8,成正比，因此，可以,写成,的形式，带入上式,i,o,i,f,w,o,o,d,d,u,c,R,R,h,k,8,0,1,1,1,8,0,i,i,i,u,c,h,上式右边的前三项可认为是常数，用,b,表示，物性,不变的情况下,可以认为是常数，用,m,表示，于,是上式可变为,改变管内流速,u,则可以测得一系列的总表面传热系,数，然后绘制成图，则是一条直线，如图,9-31,所,示,i,o,i,d,d,c,1,8,0,1,1,u,m,b,k,o,从这个图中可以获得,b,m,和,c,i,从而，管子内,侧的对流换热系数,这样就将内部热阻从总传热系数中分离出来，然,后，当换热器运行一段时间后，再进行同样过程,的测量，可以获得另外一条曲线，则两条曲线截,距之差就是污垢热阻，这样又把污垢热阻分离出,来了,8,0,i,i,i,u,c,h,3,隔热保温技术,绝热技术（隔热保温技术）对于减少热力设,备的热