传热学教案90.doc

第9章传热过程分析与换热器热计算第一章已经讨论过传热过程和传热系数。传热过程分析求解的基本关系为传热方程式(1-11)。即：式中为传热系数(在容易与对流换热表面传热系数相混淆时，称总传热系数）。本节将对通过平壁、圆筒壁的传热系数作进一步分析。肋壁是工程技术领域中广泛用来增强换热的金属壁面，本节将详细讨论通过肋壁的传热系数计算式，并对与此相关的圆管的临界热绝缘直径问题作出相应的分析。1．通过平壁的传热通过平壁的传热在第一章已经讨论过，其传热系数可按式（1－12）计算，即：（9－1）由于平壁两侧的面积是相等的，因此传热系数的数值不论对哪一侧来说都是一样的。式中表面传热系数和，可以根据具体情况选用以前各章相应的公式来确定。这里补充说明一点：如果通过壁面的流体是含有二氧化碳、水蒸气等三原子气体的烟气，则一般既要考虑对流换热，也要计及辐射换热。例如，锅炉省煤器的烟气侧换热就属于这种情况。这时可采用复合表面传热系数代替上式中的传热系数。2.通过圆管的传热图9-1通过圆管的传热圆管外侧的表面积不相等，所以对内侧和外侧而言的传热系数在数值上是不同的。对管长为的一段圆管的传热过程来作分析。参看图9-1，管子内半径为，外半径为（内径和外径分别为和），管壁材料的导热系数为，管子内、外侧的复合表面传热系数分别为和，内、外侧壁温分别为和。传热过程包括管内流体到管内侧壁面、管内侧壁面到外侧壁面、管外侧壁面到外侧流体三个环节。在稳态条件下，通过各环节的热流量是不变的。各环节的温度差可表示如下：三式相加可导得：（9-2）对外侧面积而言的传热系数的定义式由下式表示：（9-3）从以上两式的对比中可以得以管外侧面积为基准的传热系数计算式：（9-4）习惯上，工程计算都以管外侧面积为基准，所以式（9-4）中的就未加下角码“o”从热阻的角度看，式（9-4）可以改写成：（9-5）等式左边是对管外壁而言的传热总热阻，右边三项分别是管内、管壁、管外三个传热环节的热阻。式（9-5）再一次体现了第二章阐述的串联热阻的叠加原则。但是必须注意，由于管子内、外表面积的不同，这里的分析必须对整个表面积进行。在运行过程中，管子内、外侧常会积起各种污垢，所以以上传热系数计算公式中还要增加相应的污垢热阻项。3.通过肋壁的传热图9-2通过肋壁的传热在表面传热系数较小的一侧采用肋壁是强化传热的一种行之有效的方法。下面以平壁的一侧未肋壁的较简单的情况，作为分析肋壁传热的对象。参看图9-2所示的一侧为肋壁的平壁。物肋一侧的表面积为，肋侧总表面积为，它包括肋面突出部分的面积及肋与肋间的平壁部分的面积两个部分，即。肋间壁面与流体的换热量为，而肋面本身与流体间的换热量为。此处为肋效率，可按2-4节的公式进行计算。在稳态条件下，通过传热过程各环节的热流量是一样的，于是可以列出以下方程式：（a）（b）（c）式中，称为肋面总效率。从以上三式中消去可得：于是以肋侧表面积为基准的肋壁传热系数为：（9-6）为了与未加肋的平壁传热系数式（9-1）相对比，可以写出以光侧表面积为基准的肋壁传热系数的表达式：（9-7）式中，，称为肋化系数。即加肋后的总表面积与该侧未加肋时的表面积之比。往往远大于1，而且总可以使远大于1，使外侧的换热热阻从降低到，从而使传热量增大。值得指出，在工程传热计算中，为了表征一种强化传热表面相对于光滑表面的优越性，一般都是以未加肋时的表面积（或轧制肋片前的胚管面积）作为计算总传热系数及热流量的面积的。4.临界热绝缘直径现在来讨论与圆管外加肋片以强化换热有一定关系的圆管外加保温层的问题。圆管外加肋片增加了外表面积，从而有利于增强传热，但在增加表面积（即减小表面换热热阻）的同时也增加了导热热阻。类似地，在圆管外敷设保温层也同时具有减小表面对流换热热阻及增加导热热阻两种相反的作用。那么，为什么后一种情况下传热过程一般地是被削弱了，或者加肋片有没有可能使传热过程削弱而加保温层反而使散热增加呢？对这一问题的回答取决于增加表面积后所引起的对流换热热阻减小的程度及导热热阻增加的程度的相对大小。对于加肋片的情形，肋片都用金属做成，导热系数很大，而且肋片所增加的换热面积的倍数较高．因而使总的热阻明显降低。但是，保温材料的导热系数都很小，敷设保温层后换热面积的增加是由于简单地扩大直径而致，增加的幅度有限，因而一般地使总热阻增加。所以，表面上看来截然相反的两件事——肋片强化换热、保温层削弱换热，其内部却有这样辩证的关系(图9.3)，而且在一定条件下肋片与保温层的作用还可能互相转化，也就是说加保温层一定能起到减小热损失的作用吗？下面加以分析。对于管外加保温层的情况，设圆管内径为，外径为，管壁导热系数为，加保温层后管的外径为，保温层的导热系数为，则通过圆筒壁的总热阻为：从总热阻的表达式可以看出，加保温层后导热热阻增加，而对流换热