第9讲-综合传热计算.ppt

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1、第9讲综合传热计算比如一杯热牛奶，放到冷水中，杯内牛奶用勺子不断搅拌，杯外的冷水也不断搅拌。杯内有热牛奶向杯壁的对流传热，杯内壁向外壁是导热传热，杯外壁向冷水又是对流传热。这样的问题，又如何计算呢？这里涉及热对流与热传导联合传热的计算问题，即对流-导热联合传热。搅拌热牛奶换热器区工厂应用最广泛的是列管换热器，一个车间有十几台，甚至几十台列管换热器。这种列管换热器的设计与计算，就是对流-导热联合传热问题。讲这个问题之前，先推出传热平衡方程。热流体放出的热量等于冷流体吸收的热量，这就是传热平衡方程。具体讲，热流体放出的热量，等于热流体的质量流量乘以比热，再乘以热流体进出、口的温度差。冷流体吸收的

2、热量，等于冷流体的质量流量乘以比热，再乘以冷流体的进、出口温度差。我们从简单的套管式换热器讲起，比如说热流体在内管中流过，而冷流体在套管的环隙中流过。在图4-10中，热量传递经历三个阶段，第一阶段是热流体对管内壁对流传热。第二阶段是管内、外壁面之间的导热。第三阶段是管外壁对冷流体的对流传热。我们只能测得热流体的进、出口温度和冷流体的进出、口温度。取内管中的微元管段B。因为是微分量管段，其面积为dAm2,热、冷流体温度为T和t，管内、外壁温度为tw1和tw2，传递的热速率为dQ。在管长为dl的微元管段，分别列出三步传热的三个传热速率方程(a)、(b)、(c)。由于是稳定传热，即dQ1=dQ2=

3、dQ3=dQ，根据数学中的合比定律，可以得到式(1-1)、(1-2)、(1-3)）由于面积A与长度之间的关系，上列三式即变换得(2-1)、(2-2)、(2-3)，令1/K1为式(3)，代入式(2-1)得到式(4)。K1称为基于内表面积计算的总传热系数。在图4-11中，对微元管B，列冷、热流体的热量衡算方程，得到式(5)和(6)，将式(5)减式(6)得式(7)。在图4-10中，对整个套管换热器作热量衡算，得到式(8)和式(9)。上面我们推出几个重要的公式：式(4)、式(7)、式(8)和式(9)将式(8)、式(9)和式(4)，代入式(7)，并化简，找出积分限，然后积分，得到式(10)得到式(12

4、)，即对流与导热联合传热速率Q，等于基于内管的内表面积传热系数K1，乘以内表面积A1再乘以对数平均温度差△tm。所以式(12)、式(11)和式(3)，为一组传热速率方程式，称为基于内表面积的传热速率方程。白云山水库对流与导热联合传热速率，推导比较长，但是非常重要。下面给出一个思路。推导对流—导热联合传热，主要思路分三步。第一步通过对微元管段B，列传热速率方程，结合稳定传热，得到式(4)。第二步是对微元管段B，作热量衡算，列热平衡方程，得式(7)。第三步是对整个套管，作热量衡算，得到式(8)和式(9)。最后将式(8)、式(9)和式(4)，代入式(7)，并化简运算，就可以了同样的道理，可以推出第

5、二组传热速率方程，称为基于外表面积的传热速率方程。同样的道理，还可以推出第三组传热速率方程，称为基于管壁中心表面的传热速率方程。上列三组传热速率方程，是各自独立使用的，是三组平行的传热速率方程。实际计算中，只取其中一组计算就可以了。如果是平壁，则K1=K2=Km，就要简单得多了。这个例子，说明通过计算K1和计算K2都可以计算得到管长。我们发现K1与K2不相等，A1与A2也不相等。但最终得到的管长却是一样的。化工厂一角实际上，在一般工厂中，换热器的表面温度都在摄氏300゜C以下，而300゜C以下的热辐射，可以忽略。这里，作为知识的拓展，简单介绍一下热辐射。在夏天里，大多数人都穿浅色衣服，如白色

6、、黄色、浅红、浅兰等衣服，很少有穿黑色的。因为黑色易吸热，白色易反射热量，穿浅色衬衣更凉爽!夏日行人以电磁波的形式进行热量传递，叫辐射传热。辐射传热的强度与物体的黑度有关。黑度就是某物体吸收辐射能的能力与黑体吸收辐射能的能力之比，称为该物体的黑度。所以物体黑度的数值等于该物体的吸收率。辐射传热服从斯蒂芬-波尔兹曼定律，即黑体的辐射能力与绝对温度的四次方成正比。我们涉及到的辐射计算问题，可用下列三个公式进行计算。实际上只有前两个公式是基本的，第三个公式是第二个公式的特殊情况。一个高温的铸铁炉门，对整个房间会有热辐射，为了减少辐射传热的损失，在距离炉门前50mm处，放置一个铝制挡板。放置挡板与不

7、放置挡板，热辐射的能量损失为多少呢？不放置挡板时，可看作一个无限大的空间，包住炉门，适合用式(3)计算。将有关数据代入，得q=21.66Kw。当放置挡板时，就有了三个物体，炉门1，铝板i，房间2就有了两种辐射传热，即铝板i对房间2的辐射传热，炉门1对铝板i的辐射传热。而且当传热达到稳定时，这两种辐射传热的速率应相等。分别列出两种情况下的传热速率方程，可得到式(a)和式(b)。联立式(a)和式(b)，解出铝板的