工程传热学基本理论锅炉培训.ppt
锅炉培训,2,2024/5/2,基本理论,工程传热学,3,2024/5/2,工程传热学,研究热量传递规律的科学，具体来讲主要有热量传递的机理、规律、计算和测试方法热量传递过程的推动力：温差 热力学第二定律：热量可以自发地由高温热源传给低温热源 有温差就会有传热 温差是热量传递的推动力,传热学（Heat Transfer）,4,2024/5/2,(1)热力学+传热学=热科学(Thermal Science),系统从一个平衡态到另一个平衡态的过程中传递热量的多少。,关心的是热量传递的过程，即热量传递的速率。,热力学：传热学：,传热学与热力学的区别,(2)传热学以热力学第一定律和第二定律为基础，即 始终从高温热源向低温热源传递，如果没有能量形式的转化，则 始终是守恒的,传热学与工程热力学的关系,工程传热学,5,2024/5/2,工程传热学,热量传递的三种基本方式,热量传递的三种基本方式：导热(热传导)、对流(热对流)和热辐射。,1 导热（热传导）(Conduction),(1)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,(2)物质的属性：可以在固体、液体、气体中发生,(3)导热的特点：a 必须有温差；b 物体直接接触；c 依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而传递热量；d 在引力场下单纯的导热只发生在密实固体中。,6,2024/5/2,(4)导热的基本定律：1822年，法国数学家傅里叶Fourier:,上式称为Fourier定律，号称导热基本定律，是一个一维稳态导热。其中：,：热流量，单位时间传递的热量W；q：热流密度，单位时间通过单位面积传递的热量；A：垂直于导热方向的截面积m2；：导热系数（热导率）W/(m K)。,图1-2 一维稳态平板内导热,工程传热学,7,2024/5/2,工程传热学,(5)导热系数 表征材料导热能力的大小，是一种物性参数，与材料种类和温度关。,(6)一维稳态导热及其导热热阻 如图所示，稳态 q=const，于是积分Fourier定律有：,8,2024/5/2,工程传热学,2 对流（热对流）(Convection),(1)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。,(2)对流换热：当流体流过一个物体表面时的热量传递 过程，他与单纯的对流不同，具有如下特点：a 导热与热对流同时存在的复杂热传递过程 b 必须有直接接触（流体与壁面）和宏观运动；也 必须有温差 c 壁面处会形成速度梯度很大的边界层,对流换热的分类 无相变：强迫对流和自然对流 有相变：沸腾换热和凝结换热,9,2024/5/2,工程传热学,对流换热中边界层的示意图,10,2024/5/2,工程传热学,(4)对流换热的基本计算公式牛顿冷却公式（了解）,11,2024/5/2,工程传热学,(5)对流换热系数(表面传热系数)（了解）,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,影响h因素：流速、流体物性、壁面形状大小等,12,2024/5/2,工程传热学,(6)对流换热热阻：（了解）,13,2024/5/2,工程传热学,3 热辐射(Thermal radiation),(2)特点：a 任何物体，只要温度高于0 K，就会不停地向周围空间发出热辐射；b 可以在真空中传播；c 伴随能量形式的转变；d 具有强烈的方向性；e 辐射能与温度和波长均有关；f 发射辐射取决于温度的4次方。,(1)定义：有热运动产生的，以电磁波形式传递能量的现象,(3)生活中的例子：a 当你靠近火的时候，会感到面向火的一面比背面热；b 冬天的夜晚，呆在有窗帘的屋子内会感到比没有窗帘时 要舒服；c 太阳能传递到地面 d 冬天，蔬菜大棚内的空气温度在0以上，但地面却可能 结冰。,14,2024/5/2,工程传热学,15,2024/5/2,工程传热学,(4)辐射换热：物体间靠热辐射进行的热量传递，它与单纯的热辐射不同，就像对流和对流换热一样。,(5)辐射换热的特点,a 不需要冷热物体的直接接触；即：不需要介质的存在，在 真空中就可以传递能量b 在辐射换热过程中伴随着能量形式的转换 物体热力学能 电磁波能 物体热力学能c 无论温度高低，物体都在不停地相互发射电磁 波能、相 互辐射能量；高温物体辐射给低温物体的能量大于低温物 体辐射给高温物体的能量；总的结果是热由高温传到低温,16,2024/5/2,工程传热学,(6)辐射换热的研究方法：假设一种黑体，它只关心热辐射的共性规律，忽略其他因素，然后，真实物体的辐射则与黑体进行比较和修正，通过实验获得修正系数，从而获得真实物体的热辐射规律,(7)黑体的定义：能吸收投入到其表面上的所有热辐射的物体，包括所有方向和所有波长，因此，相同温度下，黑体的吸收能力最强,黑体辐射的控制方程：斯蒂芬-波尔兹曼Stefan-Boltzmann 定律,真实物体则为：,（9）两黑体表面间的辐射换热,17,2024/5/2,传热过程和传热系数,1 传热过程的定义：两流体间通过固体壁面进行的换热,2 传热过程包含的传热方式：,导热、对流、热辐射,工程传热学,18,2024/5/2,3 一维稳态传热过程中的热量传递,一维稳态传热过程,忽略热辐射换热，则左侧对流换热热阻,固体的导热热阻,右侧对流换热热阻,工程传热学,19,2024/5/2,上面传热过程中传递的热量为：,传热系数，是表征传热过程强烈程度的标尺，不是物性参数，与过程有关。,传热系数,工程传热学,k 越大，传热越好。若要增大 k，可增大,20,2024/5/2,1、概念 使热量由一种流体传给另一种流体的设备2、分类：按照流动特点分：,逆流式,顺流式,错流式,换热器,工程传热学,21,2024/5/2,按照换热特点分：,间壁式、混合式、蓄热式,A.间壁式：,特点：冷热流体分别在换热器的两侧同时连续流动 夹套式换热器 蛇管式换热器 套管式换热器 列管式换热器：固定管板式、U型管式、浮头式 板式换热器 翅片式换热器,混合流,工程传热学,22,2024/5/2,间壁式换热器 间壁式换热器中，以列管换热器最为重要。介绍几种常用的间壁式换热器：（一）夹套式换热器 夹套式换热器是最简单的板式换热器。如图所示。它是在容器外壁安装夹套而成的，夹套与器壁之间形成的空间为加热介质或冷却介质的通路。夹套式换热器主要用于反应过程的加热和冷却。在用蒸汽进行加热时，蒸汽有上部接管进入夹套，冷凝水由下部接管流出。作为冷却器时，冷却介质（如冷却水）由夹套下部接管进入，由上部接管流出。,工程传热学,23,2024/5/2,工程传热学,24,2024/5/2,(二)蛇管式换热器 蛇管式换热器可分为两类1、沉浸式蛇管换热器 蛇管多以金属管弯制而成，或制成适应容器要求的形状，沉浸在容器中。两种流体分别在蛇管内、外流动进行热量交换。几种常用的蛇管形状如图所示。2、喷淋式换热器喷淋式换热器如图所示，它多用冷却器。蛇管成行的固定在支架上，热流体在蛇管内流动，自最下管进入，由最上管,工程传热学,25,2024/5/2,流出。冷水由最上面的淋水管留下，均匀的分布在蛇管上，并沿其两侧下降至下面的管子表面，最后流入水槽而排出。冷水在各管上表面流过时，与管内流体进行热交换。(三)套管式换热器 套管式换热器是由直径不同的直管制成的同心套管，然后用U型弯管将多段套管串联而成，如图所示。,工程传热学,26,2024/5/2,工程传热学,27,2024/5/2,工程传热学,28,2024/5/2,（四）列管式换热器,列管式（又称管壳式）换热器是目前化工生产中应用最广泛的换热设备。优点：单位体积所具有的传热面积大；结构紧凑，坚固，传热效果好；适用性较强，操作弹性较大；可用多种材料制造，尤其在高温、高压和大型装 置上多采用列管式换热器。列管式换热器主要结构：由壳体、管束（又称花板）、和封头（又称顶盖）等部件构成。,工程传热学,29,2024/5/2,列管式换热器的主要形式有以下几种。1、固定管板式（如图所示）,工程传热学,30,2024/5/2,工程传热学,31,2024/5/2,2、U型管式换热器 如图所示，U型管式换热器的每根管子完成U型，流体进、出口分别安装在同一端的两侧，封头内用隔板分成两室。,工程传热学,32,2024/5/2,工程传热学,33,2024/5/2,3、浮头式换热器（如图所示）,工程传热学,34,2024/5/2,(五)板式换热器（1）平板式换热器 板式换热器主要有一组长方形的薄金属板平行排列、夹紧组装于支架上而构成。两相邻板片的边缘衬有垫片，压紧后板间形成流体通道，且可用垫片的厚度调节通道的大小。每块板的四个角上，各开一个圆孔，其中有一对圆孔和板面上的流道相通，另外一对圆孔则不相通，它们的位置在相邻的板上是错开的，以分别形成两流体的通道。冷、热流体交错的在板片两侧流过，通过板片进行换热。每块金属板面冲压成凹凸的波纹状，使流体均匀的流过，增强了流体的湍流，又增加了传热面积，有利于传热。,工程传热学,35,2024/5/2,工程传热学,36,2024/5/2,（2）螺旋板式换热器 如图所示，螺旋板式换热器是由两张间距一定的平行的薄金属板卷制而成，在其中央设有隔离挡板，将两螺旋形通道隔开，两板之间焊有定距柱以保持通道的间距，在器的顶、底不上分别焊有盖板或封头。冷、热流体分别进入两条通道，在器内逆流流动，通过薄金属壁进行换热。,工程传热学,37,2024/5/2,(六)翅片式换热器 翅片式换热器有翅片管换热器和板翅换热器两类。1，翅片管换热器 翅片管换热器的构造特点是，在管子表面装有径向或轴向翅片。常见的翅片如图所示。,工程传热学,38,2024/5/2,2，板翅式换热器板翅式换热器是一种更为紧凑、轻巧、高效的换热器。板翅式换热器的结构形式很多，但是基本结构元件相同，即为两块平行的薄金属板间，假如波状或其他形状的金属翅片，两边以侧条密封，组成一个换热基本单元。将各基本单元进行不同的叠积和适当的排列，并用钎焊固定，即可制成并流、逆流或错流的板束（又称芯部），如图所示,工程传热学,39,2024/5/2,按照结构形状特点分:管式和板式。,B.混合式：,特点：冷热流体分别交替的流过同一加热面。热流体流过加热面储蓄热量，而当冷流体流过时，加热面又将蓄积的热量传给冷流体,特点：利用冷热两流体直接接触，并互相混合，将热量由一方传给另一方。,C.蓄热式：,工程传热学,40,2024/5/2,工程传热学,(1)导热 傅里叶 Fourier 定律：(2)对流换热牛顿Newton 冷却公式：(3)热辐射 斯蒂芬-波尔兹曼定律：Stenfan-Boltzmann 定律：四次方定律：(4)传热过程 换热器,小结,
