工程热力学与传热学-§12-3 传热的强化与削弱

格式：pptx
大小：367.59 KB
文档页数：11

下载文档原格式

《工程热力学和传热学》复习资料

热工复习资料绪论热工学分为两部分：工程热力学和传热学二者区别：工程热力学主要研究能量（特别是热能）的性质及其与机械梦或其他形式能之间相互转换规律;传热学是研究热量传递规律的学科第一章复习重点1．边界(界面)：热力系与外界的分界面特性：固定、活动、真实、虚构2．几种热力系统(1)闭口热力系统—与外界无物质交换的热力系统。

(2)开口热力系统—与外界有物质交换的热力系统。

(3)绝热热力系统—与外界无热量交换的热力系统。

(4)孤立热力系统—与外界无任何联系的热力系统。

（5简单可压缩系统—与外界只有热量和机械功交换的可压缩系统3．状态参数分类：（1）与质量无关不可相加的参数，称为强度参数如压力、温度、密度（2）与质量成正比可以相加的参数，广延参数。

如容积，内能、熵4．热工学中常用状态参数有六个：压力、比容、温度、内能、焓、熵基本状态参数：压力 p（此处的压力是指绝对压力非表压力或真空度）、温度 T、比容 v 5．绝对压力、环境压力和相对压力之间的关系,可写出如下3个关系式,从中整理出所求量。

当P>Pb时为表压力：P=Pg+Pb；当P<Pb时为真空度：P=Pb-Pv6．平衡状态：指热力系在无外界影响的条件下，宏观性质不随时间变化的状态；要达到平衡状态必须满足热平衡和力平衡两个条件，若存在化学反应或相变包括化学平衡、相平衡7．引入平衡状态的目的：整个热力系统可用一组统一的并具有确定数值的状态参数来描述状态，便于分析热力学问题8.状态公理：对组成一定的闭口系，独立状态参数个数 N=n+1独立参数数目N=不平衡势差数=各种功的方式+热量= n+1 简单可压缩系统独立状态参数个数：N = n + 1 = 29过程：热力系从一个状态变化到另一个状态所经历全部状态的集合10．准静态过程定义：在无限小势差的推动下，由一系列连续的平衡状态组成的过程称为准平衡过程，也称为准静态过程。

条件: 推动过程进行的势差无限小。

工程热力学课件第十二章

( A2 A2 f )h2 ( t w 2 t f 2 )
tw2 t f 2 1 A2h2
定义肋面总效率：＝( A ＋A f ) / A2 2 2
A2 h2 ( t w 2 t f 2 )
定义肋侧总面积： A 2＝A ＋A 2 2
当h1/h2=3~5时，选较小的低肋当h1/h2 >10时，选较大的高肋
复合换热
对流换热与辐射换热同时存在的换热过程称为复合换热
r 辐射换热表面传热系数hr： hr At t w f

式中r为辐射换热量
复合换热的表面传热系数为: h=hc+ hr
总换热量：
c r hc A( t w t f ) hr A( t w t fR 2 Rh 2
tf1 tf 2 d d 1 1 1 1 ln 2 ln 3 d1h1 21 d1 22 d 2 d3h2
例题
例题12－1 热电厂中有一水平放置的蒸汽管道，内径d1，壁厚 1，导热系数为1，外包厚度2的保温层，保温材料的导热系数为2。管内蒸汽温度tf1，管内表面传热系数h1，保温层外表面复合传热系数h2，周围空气的温度t已知。试计算单位长度蒸汽管道的散热损失l及管道外壁面与周围环境辐射换热的表面传热系数hr2。求解思路： 2、管道外壁面与周围环境辐射换热的表面传热系数hr2 复合换热的表面传热系数为: h2=hc2+ hr2 如何求得管道外壁面的对流换热表面传热系数hc2？对流换热类型？定性温度？特征数关联式？Nu hc2
§12－1传热过程
肋化系数
肋化系数的影响因素：
A2 A1
增加肋高，可加大，但增加肋高，会降低肋片效率，不利于传热减小肋间距，使肋片加密，也会加大，但肋间距过密，会增大肋间流体的流动的阻力，不利于传热。

§10-2 传热的增强和削弱

Logo
§ 10-2
传热的增强和削弱
强化传热的目的： ①缩小设备尺寸；
②提高热效率；
③保证设备安全。
削弱传热的目的：
减少热量损失
Heat Transfer
建筑工程系
The Department
of Construction Engineering
Logo
§ 10-2
传热的增强和削弱
在忽略换热器金属壁的导热热阻和不计入污垢热阻的情况下：
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。
Heat Transfer
建筑工程系
The Department
of Construction Engineering
Logo
（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
Heat Transfer
能强化换热。它特别适用于强化局部点的传热。
Heat Transfer
建筑工程系
The Department
of Construction Engineering
Logo
（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
Heat Transfer
建筑工程系
The Department
of Construction Engineering
Logo
本章小结
一、增强传热的方法二、隔热保温技术
作业：复习、预习
Heat Transfer
感谢所有资料原始持有人的辛勤劳动！

传热学10.5 热量传递过程的控制(强化与削弱)

12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：减少热量损失根据不同的需求，对于实际传热的传热过程，有时需要强化，有时则需要削弱。

显然，根据不同的传热方式，强化和削弱传热的手段应该不同，本节主要针对对流换热过程的强化和削弱1 强化传热的原则和手段(1) 强化换热的原则：哪个环节的热阻大，就对哪个环节采取强化措施。

举例：以圆管内充分发展湍流换热为例，其实验关联式为：4.08.0Pr Re 023.0f f Nu =2.04.08.08.06.04.0023.0d uc h pηρλ=3(2) 强化手段: a 无源技术(被动技术)b 有源技术(主动式技术)a 无源技术(被动技术)：除了输送传热介质的功率消耗外，无需附加动力其主要手段有：①涂层表面；②粗糙表面；③扩展表面；④扰流元件；⑤涡流发生器；⑥螺旋管；⑦添加物； ⑧射流冲击换热b 有源技术(主动式技术)：需要外加的动力其主要手段有：①对换热介质做机械搅拌；②使换热表面振动；③使换热瘤体振动；④将电磁场作用于流体以促使换热表面附近流体的混合；⑤将异种或同种流体喷入换热介质或将流体从换热表面抽吸走。

45对换热器而言，随着强化措施的完善，污垢热阻有时会成为传热过程的主要热阻，因此，需要给换热器的设计提供哈里的污垢热阻的数据，这就需要实验测定，可是实验测出来的是总表面传热系数，那么如何将总的传热系数分成各个环节的热阻呢？下面的威尔逊图解法提供了一种有效途径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，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。

6ioi f w o o d dh R R h k 111+++=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，因此，8.0i i i u c h =总表面传热系数可以表示成：8.01111ud d c R R h k i o i f w o o +++=(保持h o 不变)b (物性不变)m 8.011u m b k o +=mXb Y +=管侧的对流换热系数8.0i i i uc h =ioi d dm c 1=其中：壳侧的对流换热系数fw o R R h b ++=178.011u m b k o +=mX b Y +=f w o R R h b ++=1(保持ho 不变)b (物性不变)m 8.01111ud dc R R h k i o i f w o o +++=ioi d dm c 1=8.0i i i u c h =威尔逊图解法810.5.5 隔热保温技术(1) 需求背景(2) 高于环境温度的热力设备的保温多采用无机的绝热材料(3) 低于环境温度时，有三个档次的绝热材料可供选择， a 一般性的绝热材料；b 抽真空至10Pa的粉末颗粒热材料；c 多层真空绝热材料。

工程热力学与传热学-13传热的强化与削弱

无论是强化传热还是削弱传热，一般都是从改变传热温差和改变传热热阻两方面入手。
以换热器内的传热过程为例：
4
§12-3 传热的强化与削弱
? 传热强化有两条途径：
（1）加大传热温差 ? tm
在冷、热流体进、出口温度相同的情况下，逆流的平均温差最大，顺流的平均温差最小，因此从强化传热的角度出发，换热器应当尽量布置成逆流。
8
第十二章小结
重点掌握以下内容：（1）传热过程的分析方法（单层、多层平壁、圆筒壁及肋壁的传热过程）；（2）了解换热器的类型、掌握换热器计算的平均温差法；（3）强化和削弱传热的原理和方法。
9
作业
P356-358 习题 12-1、8
10
11
（2）减小传热热阻 Rk
1）多布置换热面，增加总传热面积 A，可降低总传热热
阻，加大传热量。
2）降低污垢热阻。
3）减小对流换热热阻 Rh1、Rh2。如果两个热阻相差较大，
应抓住主要矛盾，设法减小其中最大的热阻。
5
§12-3 传热的强化与削弱
? 强化对流换热的方法：（1）扩展换热面（加装肋片）（2）改变换热面的形状、大小和位置
如管内强迫对流湍流换热
用直径小的管子或者用椭圆管代替圆管（减小当量直径）都可以取得强化对流换热的效果。
再如管外自然对流换热和凝结换热，管子水平放置时的表面传热系数一般要高于和竖直放置。
6
§12-3 传热的强化与削弱
（3）改变换热面表面状况如表面粗糙度，可以强化单相流体的湍流换热；在换热表面形成一层多孔层可以强化沸腾换热；
§12-3 传热的强化与削弱
§12-3 传热的强化与削弱
传热工程技术是根据现代工业生产和科学实践的需要而发展起来的科学与工程技术，其主要任务是按照工业生产和科学实践的要求来控制和优化热量传递过程。

工程热力学与传热学热工学第12章Radiation Heat Transfer

式中α、ρ和τ分别为吸收率、反射率和透射率。
对于大多数的固体和液体： 0, 1
对于不含颗粒的气体：对于黑体：
图2 物体对热辐射的吸收反射和穿透
0, 1
1镜体或白体：
1 透明体：
1
Your company slogan
黑体、白体和透明体都是假定的理想物体
a 辐射不依靠物质的接ຫໍສະໝຸດ 进行热量传递，可以在真空中进行。 b 辐射换热过程伴随能量形式的两次转化。 c 任何物体，只要温度高于0K，就会不停地向周围空间发出热辐射；辐射换热是指物体之间相互辐射和吸收的总效果。当物体与环境处于热平衡时，其表面上的热辐射仍在不停地进行，但其辐射换热量等于零。
Your company slogan
c1 — 第一辐射常数，3.743×10-16 Wm2； c2 — 第二辐射常数，1.4387×10-2 mK；
图12-6是根据上式描绘的黑体光谱辐射力随波长和温度的依变
关系。可见某一温度下的Ebλ有一个最大值，对应波长为λm， λm与 T 的关系由维思Wien位移定律给出，
mT 2.8976103 m K
Your company slogan
(3) 兰贝尔余弦Lanbert定律
(黑体辐射的第三个基本定律) ：
它给出了黑体定向辐射与立体角的关系。
Your company slogan
4 基尔霍夫定律（实际物体与灰体的辐射）
实际物体的辐射力与同温度黑体的辐射力之比称为该物体的黑度（或发射率）。

辐射与黑体在形式上完全一样，只是减小了一个相
同的比例。自然界中并不存在灰体，仅作为一种假想物体。
Your company slogan

工程热力学与传热学17)传热过程解剖

对流辐射烟气
管外壁导热
1
2
2021/6/9
传热过程
管内壁对流
3
蒸汽
5
换热设备传热过程
锅炉炉墙的散热过程
烟气→墙内壁→ 保温1外→保温2外→墙外壁→空气
辐射
导热
导热
导热
对流
其热路图为：
烟气
tf1 q
1/α1
δ1/λ1 δ2/λ2 δ3/λ3 1/α2
空气
tf2
2021/6/9
传热过程
6
包有保温材料的蒸汽管道的散热过程
；如过热器的传热，水冷壁的传热；冷油器中的换热，凝汽
器中的换热等。
➢ 特点：
① 传热过程有时存在三种基本传热方式；
② 一个传热过程至少由三个环节组成；
③ 传热过程中，放热和吸热同时进行。
2021/6/9
传热过程
4
电厂中换热设备传热过程
过热器传热过程
管壁
对流
导热对流
烟
烟辐射
蒸
气
气
汽
蒸蒸烟汽汽气
传热过程
14
2、多层平壁的传热
tf1 q
1/α1
δ1/λ1 δ2/λ2
多层平壁传热的热路图
tf2 1/α2
rk1 k 1 11 12 2 12
q t rk
R k A 1 k A 1 11 A 1 1 1 A 2 22 A 2 12
t Rk
如：锅炉炉墙散热，汽轮机汽缸壁散热均属多层
• 传热热阻：
整个面积的传热热阻：Rk
1 KA
单位传热面积热阻：
1 rk K
• 不同的传热过程，其传热系数和传热热阻的具体表达式不同

制冷系统的传热强化与削弱

17:27
6
6.5 制冷系统的传热强化与削弱
6.5.4 制冷系统中的隔热
1. 隔热目的：减少冷量损失，提高经济性；表面高于露点温度，防凝露或结霜； 2. 理想隔热材料：热导率小，抗湿性强，耐火性强，不易霉烂并能避免虫蛀鼠
咬，持久耐用，便于加工和施工；
17:27
7
5
6.5 制冷系统的传热强化与削弱
6.5.3 添加纳米颗粒强化传热
1. 纳米颗粒与流体混合，制成纳米颗粒悬浮液，强化传热，降低输送功耗； 2. 纳米颗粒强化传热机理：金属及其氧化物纳米颗粒后，悬浮液导热系数增大；
颗粒之间、颗粒和流体间、颗粒与壁面间相互作用；颗粒增加湍流强度，截面温度均匀，减小层流底层厚度； 3. 纳米悬浮液配置及强化换热特性：纳米颗粒小尺寸效应，颗粒表面有较强极性，易团聚在一起，形成聚合体而沉淀，悬浮稳定性很关键；可加分散剂，或超声波震荡，打散聚合体；
1. 强化传热方法：（1）制冷剂凝结和沸腾换热强化： a.内微肋管，对于流动凝结，微肋可使凝结液膜变薄并增大换热面积；对于流动沸腾，微肋提供汽化核心、增加表面张力，增大传热面积。 b.强化管外凝结换热的低肋管及横纹管，氟利昂卧式壳管式冷凝器，低肋铜管；氨采用横纹管，节距合适，表面张力对凝结液起控制作用，凝结液由沟槽处滴落，光滑液膜薄效果好，节距太大，重力起控制作用，冷凝液从光滑段滴落，而非沟槽，效果差； c.管外沸腾强化换热：T字型槽道，T与T的顶部间距0.2～0.25mm，底部有较宽的螺旋形槽道，底部槽道气泡运动会冲刷壁面生长的气泡，增加气泡脱离频率
2. 评价的困难：表面传热系数增大效果和伴随的流体泵功耗增大相比是否合适？即收益和代价的比值。
3. 单相对流传热，有如上公式，大于1，则强化措施有价值。 4. 蒸发或冷凝相变换热，工质压降对蒸发或冷凝温度有影响，影响了换热量，

强化传热与换热器资料.

间壁式换热器的类型和结构型式
套管式换热器
螺旋套管换热器
化工原理
结构：直径不同的金属管装配成的同心套管。可根据换热要求串联使用。程数可依传热面积的大小而增减，并可数排并列。冷、热流体一般呈逆流流动，平均传热温差大，并可达到较高的流速，形成湍流，具有较高的传热系数。优点：构简单，能承受较高压力，应用灵活；缺点：耗材多，占地面积大，难以构成很大的传热面积，故一般适合于流体流量不大、传热负荷较小的场合。
(3) 引入机械振动使传热表面振动，或使流体振动，或是施加电场作用，目的是加强滞流底层的湍动。
沸腾和冷凝传热的给热系数已相当高，也有相应的强化传热理论和技术。
传热的强化增大传热面积增加传热面积的方法：用螺纹管或螺旋槽管代替光管；在园管外表面上加螺旋翅片，或在管壁上加工轴向肋片。
化工原理
碳酸镁
料耐温300℃
碳酸镁砖
380~360 50℃, 0.07~0.12 泡化碱粘结剂耐温300℃
碳酸镁管
280~360 50℃, 0.07~0.12 泡化碱粘结剂
化
耐温300℃
工
硅藻土材料 SiO2,Al2O3 , Fe2O3 280~450
<0.23
耐温800℃
原泡沫混凝土理
300~570
由于扩展表面的温度低于基管的温度，传热量的增加率低于传热面积的增加率。强化传热面：能导致 KA 增加的换热表面。
保温隔热技术
利用保温隔热材料对高温和低温设备进行保温隔热，以减少设备与环境间的热交换。
保温材料：导热系数很低，导热热阻很大的材料。
化判断热力管道保温效果的方法：
工
原理
Q0 Q

工程热力学和传热学

e 制冷：跨临界二氧化碳汽车空调/热泵；高温水源热泵 f 新能源：太阳能；燃料电池
热能在热机中的转换过程
一、热能动力装置中热能转换为机械能的过程
热能动力装置
蒸汽动力装置内燃动力装置
1.内燃动力装置
燃气进口
排入大气
2.蒸汽动力装置
二、制冷装置中热量从低温处传递到高温处的过程
q1 3 冷凝器膨胀阀 2
内燃机石油热能热能机械能对外做功燃烧一热量的传递传热热能转化为机械能机械设备的热分析燃机燃料的燃烧工程热力学和传热学的研究内容及其在科学技术和工程中的应用工程热力学和传热学在生产技术等众多领域中应用十分广泛
工程热力学和传热学
第一篇工程热力学
第二篇
传热学
第一章
• 热能及其利用
概
论
• •
工程热力学的研究对象、内容和方法传热学的研究对象
关心的是热量传递的过程，即热量传递的速率。
铁块, M1 300oC
Φ
传热学： t ( x, y, z , )
Φ f ( )
水，M2 20oC
热能转化为机械能（机械设备的热分析）
工程热力学和传热学的研究内容及其在科学技术和工程中的应用
热电厂 (热能机械能)
汽车(热能机械能)
飞机 (热能机械能)
冰箱(机械能热能)
工程热力学和传热学在生产技术等众多领域中的应用十分广泛：
特别是在下列技术领域大量存在、
工程热力学和传热学问题
动力、化工、制冷、建筑、机械制造、新能源、微电子、核能、航空航天、微机电系统（MEMS）、新材料、军事科学与技术、生命科学与生物技术…
压缩机
w
4
q2 蒸发器

1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。

1. 强化传热的主要目的
（1）增大传热量；（2）减少传热面积、缩小设备尺寸、降低材料消耗；（3）降低高温部件的温度，保证设备安全运行；（4）降低载热流体的输送功率。
3
§12-3 传热的强化与削弱
2. 削弱传热的主要目的
（1）减少热损失，节约能源；（2）维护人工低温环境，减少外界热量的传入；（3）保护人身安全，免遭热或冷的伤害，创造温度适宜的工作和生活环境。
（2）减小传热热阻 Rk
1）多布置换热面，增加总传热面积A，可降低总传热热
阻，加大传热量。
2）降低污垢热阻。
3）减小对流换热热阻Rh1、Rh2。如果两个热阻相差较大，
应抓住主要矛盾，设法减小其中最大的热阻。5源自§12-3 传热的强化与削弱
强化对流换热的方法：（1）扩展换热面（加装肋片）（2）改变换热面的形状、大小和位置
§12-3 传热的强化与削弱
§12-3 传热的强化与削弱
传热工程技术是根据现代工业生产和科学实践的需要而发展起来的科学与工程技术，其主要任务是按照工业生产和科学实践的要求来控制和优化热量传递过程。
传热工程技术的两个方向
强化传热技术
削弱传热技术（隔热保温技术）
2
§12-3 传热的强化与削弱
无论是强化传热还是削弱传热，一般都是从改变传热温差和改变传热热阻两方面入手。
以换热器内的传热过程为例：
4
§12-3 传热的强化与削弱
传热强化有两条途径：
（1）加大传热温差 tm
在冷、热流体进、出口温度相同的情况下，逆流的平均温差最大，顺流的平均温差最小，因此从强化传热的角度出发，换热器应当尽量布置成逆流。
8
第十二章小结
重点掌握以下内容：（1）传热过程的分析方法（单层、多层平壁、圆筒壁及肋壁的传热过程）；（2）了解换热器的类型、掌握换热器计算的平均温差法；（3）强化和削弱传热的原理和方法。
9
作业
P356-358 习题 12-1、8
10
11
如管内强迫对流湍流换热
用直径小的管子或者用椭圆管代替圆管（减小当量直径）都可以取得强化对流换热的效果。
再如管外自然对流换热和凝结换热，管子水平放置时的表面传热系数一般要高于和竖直放置。
6
§12-3 传热的强化与削弱
（3）改变换热面表面状况如表面粗糙度，可以强化单相流体的湍流换热；在换热表面形成一层多孔层可以强化沸腾换热；
在换热面上加工成沟槽或螺纹，或对换热表面进行处理造成珠状凝结，是强化凝结换热的实用技术；
增加表面黑度强化辐射换热。
7
§12-3 传热的强化与削弱
（4）改变流体的流动状况湍流换热强度要大于层流；对流换热热阻主要集中在边
界层；湍流换热的主要热阻在层流底层。加大流速实现湍流换热、增强流体扰动、破坏边界层及层流底层，是强化对流换热的主要方法。