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1、换热器设计、压力容器焊接与无损检Microsoft Word 文档 换热器设计传热学基础 1.1热传导（导热） 定义：指温度不同的物体各部分或温度不同的两物体间直接接触时，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而进行的热量传递现象。 物质的属性：可以在固体、液体、气体中发生 1.2.导热的特点 必须有温差 物体直接接触 依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而传递热量 不发生宏观的相对位移 1.3导热机理 气体：气体分子不规则热运动时相互碰撞的结果。 导电固体：自由电子运动。 非导电固体：晶格结构的振动。 液体：很复杂。 1.4热传导基本方程傅里叶定律（Fourier） 1.5热导率（导热
2、系数） A?t 具有单位温度差（1K）的单位厚度的物体(1m)，在它的单位面积上(1m2)、每单位时间(1s)的导热量(J)。单位：w/(m.K) 热导率表征物质导热能力的一个参数，为物质性质之一。热导率越大，物质的导热能力越强。热导率的大小与物质的组成、结构、状态（温度、湿度、压强）等因素有关。 1.6当<0.2 W/(m)时，这种材料称为保温材料。高效能的保温材料多为蜂窝状多孔结构 1.7常压下气体混合物的导热系数可用下式估算： =A ?t W = m气体混合物的导热系数，W/m?； i气体混合物中i组分的导热系数，W/m?； yi气体混合物中i组分的摩尔分数； Mi气体混合物中i组
3、分的摩尔质量，kg/kmol。 1.8 液体混合物的导热系数在实验数据缺乏的情况下，可按下法估算： 有机化合物水溶液的导热系数估算式为 =0.9x? 有机化合物的互溶混合液的导热系数估算式为 m= m m,i i xm,i?i 上两式中x和分别为混合液中i组分的质量分率及与混合液相同温度下i组分的导热系数。 1.9导热的几个基本概念 1） 传热速率Q（热流量）： 指单位时间内通过传热面的热量。整个换热器的传热速率表征了换热器的生产能力，单位为W； 2 ）热通量q ： 指单位时间内通过单位传热面积所传递的热量。在一定的传热速率下，q越大，所需的传热面积越小。因此，热通量是反映传热强度的指标，又称
4、为热流强度，单位为W/m2。 A 3）稳定传热（又称定态传热） ：对于连续过程传热系统中不积累热量，即输入系统的热量等于输出系统的热量。 q = Q 稳定传热的特点：传热速率Q为常数，并且系统中各点的温度仅随位置变化而与时间无关。 对于间歇过程：传热系统中各点的温度不仅随位置变化且随时间变化，称为不稳定传热（又称非定态传热）。 2.0平壁导热 由傅立叶定律导过平壁的热流量： =-A dtdx =A tw1-tw2 = tw1-tw2 = tw1-tw2 R W R= 热流密度： A (A)-导热面积为 QA = tw1-tw2 = A时导热热阻 = tw1-tw2 r C q= tw1-tw2
5、 W 2 m 2 r= 2.1平壁导热 q= -单位面积上导热热阻 m CW 由和分比关系 2.2平壁导热 t1-t2 1 = t2-t3 1 = t3-t4 2 2 3 3 q= t1-t 4 1 1 2 2 3 3 例3：硫酸生产中SO2气体是在沸腾炉中焙烧硫铁矿而得到的，若沸腾炉的炉壁是由23cm厚的耐火砖（实际各区段的砖规格略有差异）、23cm厚的保温砖（粘土轻砖）、5cm厚的石棉板及10cm厚的钢壳组成。操作稳定后，测得炉内壁面温度t1为900，外壁面温度t5为80。试求每平方米炉壁面由热传导所散失的热量，并求炉壁各层材料间交界面的温度为多少？由于沸腾炉直径大，可以将炉壁看作平面壁，
6、已知： 1=1.05W?m-1?K-1 耐火砖， 保温砖， 石棉砖, 钢壳 2=0.2W?m-1?K-13=0.09W?m-1?K-14=40W ?m-1?K-1 解：由题意根据多层平壁热流量公式，得： 求耐火砖与保温砖的交界面温度t2 1t2=t1- / =806.8 1q 求保温砖与石棉板的交界面温度t3 =317.5 求石棉板与钢壳的交界面温度t4 3 2 / 22t=t-q qt=t-3 =81.1 4 3/3 计算结果表明，各分层热阻越大则温度降越大，沸腾炉壁主要温度降在保温砖和石棉板层。 3.圆筒壁导热 1)单层圆筒壁导热 圆筒壁的导热面积随半径而变，S2rL。 2)多层圆筒壁导
7、导热系数大的材料在外面，导热系数小的材料放在里层对保温更有利。 4.1热对流与对流换热 定义与特征 定义：流体中（气体或液体）温度不同的各部分之间，由于发生相对的宏观运动而把热量由一处传递到另一处的现象。 流体中有温差 热对流必然同时伴随着热传导，自然界不存在单一的热对流 q Wm 对流换热：流体与温度不同的固体壁间接触时的热量交换过程 热流密度 2 4.2对流换热的特点 对流换热与热对流不同，既有热对流，也有导热；不是基本传热方式 导热与热对流同时存在的复杂热传递过程 必须有直接接触（流体与壁面）和宏观运动；也必须有温差 5牛顿冷却公式（1701） 热流量W，单位时间传递的热量 q 热流密度
8、W/m2h 表面传热系数 W 2A 与流体接触的壁面面积 m =hA(tw-t) Wq= Af2 =h(tw-t) Wm(m2?C) tw 固体壁表面温度 t 流体温度 6.表面传热系数（对流换热系数） h= (A(tw-t)W(m?C)2 当流体与壁面温度相差1度时、每单位壁面面积上、单位时间内所传递的热量。 h是表征对流换热过程强弱的物理量。 影响h因素：流动原因、流动状态、流体物性（、cp)有无相变、壁面形状大小等 7.1对流传热机理 对流传热是流体流动过程中发生的热量传递. 工业过程的流动多为湍流状态，湍流流动时，流体主体中质点充分扰动与混合，所以在与流体流动方向垂直的截面上，流体主体
9、区的温度差很小。 由于壁面的约束和流体内部的摩擦作用，在紧靠壁面处总存在滞流底层，故主要热阻及温度差都集中在滞流底层。 7.2对流传热特点 由于固体壁面对流体分子的吸附作用，使得壁面上的流体是处于不流动或不滑移的状态 在流体的黏性力作用下会使流体的速度在垂直于壁面的方向上发生改变。流体速度从壁面上的零速度值逐步变化到来流的速度值。 同时，通过固体壁面的热流也会在流体分子的作用下向流体扩散(热传导)，并不断地被流体的流动而带到下游（热对流），因而也导致紧靠壁面处的流体温度逐步从壁面温度变化到来流温度。 流体与壁面之间的温度变化可认为全部发生在厚度为t的一个膜层内，通常将这一存在温度梯度的区域称为
10、传热边界层。传热边界层以外，温度是一致的、没有热阻. 8.对流换热过程的分类 对流换热：导热 + 热对流；壁面+流动 对流换热的分类： 1）流动起因：2）换热表面的几何因素：3）流动状态：4）流体有无相变： 9.对流传热系数的影响因素及其求 流体的种类和性质；流体的流动形态：流体的对流状态传热壁面的形状、排列方式和尺寸 10.对流传热过程中的准则数的物理意义 10.1 称为雷诺数，表征了给定流场的惯性力与其黏性力的对比关系，也就是反映了这两种力的相对大小。 利用雷诺数可以判别一个给定流场的稳定性，随着惯性力的增大和黏性力的相对减小，雷诺数就会增大，而大到一定程度流场就会失去稳定，而使流动从层流
11、变为紊流。 10.2 10.3 努谢尔特（Nusselt）准则，它反映了给定流场的换热能力与其导热能力的对比关系。这是一个在对流换热计算中必须要加以确定的准则。 11.对流传热系数的影响因素(h = f ( 物性、流动状态、温度、边界状况) 1)流体的种类和相变化的情况 2)流体的物性 导热系数 大，h 大； 粘度 大，h 小； 比热和密度 Cp 大，h 大； 体积膨胀系数 大，h 大。 3) 流体的温度 流体物性、附加自然对流 4)流体的流动状态 滞流小、湍流大 5)流体流动的原因 自然对流小、强制对流大 6)传热面的形状、位置和大小 形状：管、板、环隙、翅片等 位置：水平、垂直、管束的排列
12、方式 大小：管径、管长、板高、进口效应 12应用准数关联式应注意的问题 a 定性温度 b 特征尺寸c 特征流速d 应用条件 13.特征尺寸、特征流速和定性温度的确定 特征参数是流场的代表性的数值，分别表征了流场的几何特征、流动特征和换热特征。 特征尺寸，它反映了流场的几何特征，对于不同的流场特征尺寸的选择是不同的。 流体平行流过平板：流动方向上的长度尺寸； 管内流体流动：垂直于流动方向的管内直径； 流体绕流圆柱体流动：流动方向上的圆柱体外直径。 非圆管：取当量直径4 流动截面积/传热周边长 特征流速，它反映了流体流场的流动特征。 流体流过平板：来流速度； 流体管内流动：管子截面上的平均流速； 流体绕流圆柱体流动：来流速度。 定性温度，无量纲准则中的物性量是温度的函数，确定物性量数值的温度称为定性温度。 外部流动：来流流体温度和固体壁面温度的算术平均值，称为膜温度； 内部流动：管内流体进出口温度的平均值（算术平均
