第十章 对流受热面传热计算

锅炉热力计算
对流受热面的计算
第一节 对流受热面传热特点 第二节 对流受热面的传热计算 第三节 传热系数 第四节 温压计算 第五节 受热面布置和计算
15.1 对流受热面的传热特点
烟气 受热面 （1）传热方式 （2）对流受热面间的传热方式 （3）锅炉中以对流为主的受热面 （4）对流换热计算要点 （5）受热面外的对流换热系数
传热方式
烟气
对流
共存
辐射
CO2, H2O, SO2 三原子
受热面
主要对流（温度低，辐射小）
主要对流，所以按对流换热计算
对流受热面间传热方式
壁面导热 对流
对流+（辐射）
锅炉中以对流为主的受热面
凝渣管束（锅炉出口大间
距，不易结渣，降低渣温）
锅炉管束 对流过热器 再热器 省煤器 空气预热器
Fpj

H1 H2 H1 H2
F1 F2
辐射放热系数af
概念
烟气容积 ---- 受热面 近似认为气体层和包围它的壳壁之间的辐射传热问题
辐射传热量（假设壳壁为黑体）

Q 0 (ayTy4 AyTb4 )H
实际： 烟气黑度 烟气对壳壁辐射的吸收率
Re0.6
Pr0.33
纵向
18.7 W/m2C l/d>50
d
0.023CtCl

d dl
Re 0.8 Pr 0.4
Wy=6 m/s, d=51 mm, s1/d=2.5, s2/d=2.0, Z2=20, py=600 C Cs:管束几何布置方式的修正系数； Cz:烟气行程方向上管子排数的修正系数； Ct:考虑管壁温度对流体物性影响的温度修正系数； Cl:相对长度修正系数

(a)初始条件，即非稳态问题中初始时刻物理量的
分布（稳态问题不需要这一条件）。
(b)边界条件，即所研究系统边界上的温度(或热
流密度)、速度分布等条件。
(c)几何条件，即换热表面的几何形状、位置以及 表面的粗糙度等。 (d)物理条件，即物体的种类与物性。
量纲分析是获得无量纲量的一种方法。
长处是方法简单，并对还列不出微分方程而只知道
10.2.1.1 物理现象相似的条件
1）必须是同类现象，即现象的物理性质相同，描 述该类现象的关系式有类同的数学表达式和内容。 2）物理现象相似只能发生在几何相似的体系中。 3）2个物理现象相似，意味着用来说明这2个现象 物理性质的一切物理量相似。即在空间相对应的各 点和时间上相对应的瞬时，说明第一个现象的某一
普朗特尔准则 Pr=
=定数 (表征流体物性对换热影响)
10.2.1.3 定性温度和定型尺寸

准则包含有物性参数，而物性参数均随温度变化。 在换热过程中，流场内各处温度不同，物性也不同。 这就要选取一个有代表性的温度来确定物性参数，
并把它当作常数来处理，这个确定物性参数的温度
称为定性温度。

同理，选取的代表换热表面几何特征的尺寸，就称 为定型尺寸。
将式(c)代入式(e)得
(e)
' y ' " y" ' "
习惯上，用l 来表示换热面的特征尺寸
' y ' " y" 则 被表示为 ' "
' l ' " l" (f) ' " l 两个对流换热现象相似，无量纲 必相等
Nu Nu 并称其为 准则， 数越大， 越大对流 换热越强烈，于是Nu 就可作为“相似判据”

由于粘性作用，流 体流速在靠近壁面 处随离壁面的距离 的缩短而逐渐降低； 在贴壁处被滞止， 处于无滑移状态
第五章 对流换热
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从 y = 0、u = 0 开始，u 随 着 y 方向离壁面距离的增加
而迅速增大；经过厚度为
的薄层，u 接近主流速度 u
y = 薄层 — 流动边界层
或速度边界层
— 边界层厚度
(2) 物理条件 说明对流换热过程的物理特征
如：物性参数 、 、c 和 的数值，是否随温
度和压力变化；有无内热源、大小和分布 (3) 时间条件 说明在时间上对流换热过程的特点
稳态对流换热过程不需要时间条件 — 与时间无关
(4) 边界条件 说明对流换热过程的边界特点 边界条件可分为二类：第一类、第二类边界条件 a 第一类边界条件 已知任一瞬间对流换热过程边界上的温度值 b 第二类边界条件 已知任一瞬间对流换热过程边界上的热流密度值
10
10-2 对流换热的数学描述
❖ 1对流换热微分方程及其单值性条件
❖ （1）对流换热的微分方程
当粘性流体在壁面
上流动时，由于粘
性的作用，流体的
流速在靠近壁面处
随离壁面的距离的
缩短而逐渐降低；
在贴壁处被滞止，
处于无滑移状态
第五章 对流换热
（即：y=0, u=0）11
在这极薄的贴壁流体层中，热量只能以导热方式传递 根据傅里叶定律：
❖ .2.非牛顿流体,凡是不符合牛顿流体公式的流体,统 称为非牛顿流体.其中,流变行为与时间无关的有:假 塑性流体,胀塑性流体和宾汉(Bingham)流体.而流变 行为跟时间有关的,又分为触变性流体和震凝性(即 反触变性)流体
第五章 对流换热
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1 质量守恒方程(连续性方程)

1 do do do 1 ln( ) hi d i 2 di ho
3
通过肋壁的传热
A1
肋壁面积： Ao A1 A2 稳态下换热情况：
Ai
hi Ai (t f 1 tw1 ) Ai (t w1 t wo ) ho A1 (t wo t fo ) ho f A2 (t wo t fo )
th th R tc tc
式中：下标1、2分别表示两种流体，上角标 ` 表示进口， `` 表示出口，图表中均以P为横坐标，R为参量。
（2）P的物理意义：流体2的实际温升与理论上所能达到
的最大温升之比，所以只能小于1 （3）R的物理意义：两种流体的热容量之比
th qmc cc th R tc qmh ch tc
t max t min t m t max ln t min
或者我们也可以将 对数平均温差写成 如下统一形式(顺 流和逆流都适用)
5
算术平均温差
平均温差的另一种更为简单的形式是算术平均温差，即
t m ,算术
t max t min 2
t m ,对数
t max t min t max ln t min
可见，保温层使得导热热阻增加，换热削弱；另一方面，降 低了对流换热热阻，使得换热赠强，那么，综合效果到底是 增强还是削弱呢？这要看d/ddo2 和d2/ddo22的值
d o1 do2 1 1 1 1 (d o 2 ) ln( ) ln( ) hi d i 21 di 22 d o1 ho d o 2

t x
t
Ax dt k dA 0 t
t x ln kAx t