浙江大学《强化传热》课件-概述

强化传热技术浙江大学热工与动力系统研究所胡亚才/孙志坚办公室：低温楼221             电话：87952378Email:  [e-mail]课程简介•一.教学目标•1 掌握若干强化传热技术的原理和方法•2 了解强化传热技术的现状和技术发展•二.教学参考书•1 强化传热技术，林宗虎编著，•化学工业出版社•2 热管及其工程应用,吴存真编著•3 管内换热器强化传热技术，钱颂文等编著•4 强化传热，顾微藻编著课程简介•三.教学方式•自主选题及查资料，写读书笔记•1 主动性学习最新内容•2 锻炼科学分析能力•四.考核方法与要求•论文50%+笔试30%+作业20%•选择同学有兴趣的内容写综合报告，作为最终考核。选择若干报告在全班宣读。•1  按发表论文或工程技术要求写•2  着重各种强化传热技术的现状，•存在问题和发展方向等作业•林宗虎：强化传热技术：•人工粗糙面、流体旋转法，外力强化•管束外、管道内•单相流体、凝结、沸腾•电场强化•领域：锅炉、凝结器、燃气轮机、制冷、石油化工•每人自己选一个方向，找十篇以上论文，必须与别人不一样，否则算抄袭，不给成绩。进行总结，写出文献综述文献综述格式要求•1、前言：介绍选题目的和意义•2、所选技术的强化原理：介绍理论和实验结论，实验关联式，研究者采用的研究方法和技术路线。•3、对所选技术的评价：其它传热技术比较，所选技术的优缺点，适用领域。•4、所选技术应用情况：用在什么方面，起了什么作用•5、总结本次学习的体会。应注意事项•要列出你所应用的参考资料•要注明出你所应用成果的来源•要有自己的分析和观点•应学习优秀论文的思路和方法•有意识培养自学和独立解决问题的能力课程简介•五主要内容•1  绪论•2  强制对流换热•3  应用扩展表面•4  沸腾与凝结•5  辐射换热•6  特种强化技术：射流冲击传热，发汗与熔融1   绪论1.1 强化传热的意义•Obama：：“那个国家在清洁能源技术中领先，哪个国家就将引领21世纪世界经济。”•所有能源技术，不是直接的热能转换，就是伴随着热量的产生。•传热技术是清洁能源技术的关键技术之一六绪论1.1 强化传热的意义•工质的流动和传热是动力、核能、制冷、化工、石油、航空、火箭与航天等工业中的常见过程。在这些工业的换热设备中广泛存在着各种传热问题。•换热器在上述各工业中，不仅是保证工程设备正常运转的必不可少的部件，而且在金属消耗、动力消耗和投资方面，在整个工程中占有重要份额。•以热电厂为例，换热器的投资约占整个电厂总投资的70%。在一般石油化工企业中，占40%‐50%；在制冷机中，仅蒸发器的质量要占制冷机总质量的30%‐40%，其动力消耗约占总值的20%‐30%。1.2 强化传热的目的、途径及分类1.2.1 强化传热的目的（提高经济性、环境友好和节约资源）（1）减小初设计的传热面积，以减小换热器的体积和质量（2）提高现有换热器的换热能力；（3）使换热器能在较低温差下工作；（4）减少换热阻力，以较少换热器的动力消耗。(5)  调节物质的状态。1.2.2 换热器及其工作过程换热器是一种能使冷热两种流体在其中通过传热进行热量交换的装置。可分为：表面式，蓄热式和混合式1.2.3 表面式换热器的强化传热途径(1).表面式换热器传热计算式Q=kAΔT(2) 增大平均传热温差以强化传热(3)增加换热面积以强化传热(4)提高传热系数以强化传热1.2.4 强化传热技术的分类按传热过程可分为：导热过程的强化单相对流换热过程的强化沸腾过程的强化凝结传热过程的强化辐射过程的强化1.2.4 强化传热技术的分类•有功强化传热技术：包括机械强化法、振动法强化法、静电场法和抽压法等•无功强化传热技术：包括表面特殊处理法、粗糙表面法、扩展表面法、装设强化元件法、加入扰动流体法（添加剂法）等1.3 强化传热技术的发展•1970年后出现的世界性能源危机加速了强化传热技术的发展：•粗糙表面法、插入旋转元件法、加入扰动流体法、采用换热面表面振动法、流体振动法1.3 强化传热技术的发展•20世界80年代，第二代传热技术，不少高效能换热面，各种紧凑式换热器得到了较普遍的使用•三维肋管、漩涡发生器和复合强化传热等技术，强化传热技术进入第三代1.3 强化传热技术的发展•与实际生产工艺紧密结合，强调解决问题的个性，关键是新的换热设备及换热系统的设计。•必须在低温差情况下传热，强化传热技术只有两个手段：增加传热面积和提高传热系数，从而形成小、细、曲、综的发展趋势•小：单位传热面积的体积小，指标是比面积：过去700m2/m3叫紧凑式换热器。现在提高2～3倍，达2000m2/m3，甚至仿生，向肺看齐，有上万m2/m3。•细：换热通道的当量直径向细的方向发展，如微纳米通道，多空介质系统，分型换热系统。间壁式换热设备的壁厚也越来越薄，如管壁厚从几毫米向0.1毫米甚至向几十微米发展，同时要能耐高压。•曲：换热面的形状从光滑平面向空间曲面发展，在相同雷诺数条件下获得尽可能大的换热系数和尽可能小的流阻。•综：强调系统的合理和综合效果，1.4 强化传热技术的效应评价准则•技术经济比较：•第一种为在换热功率、工质流量与压力损失相同时比较采用强化传热技术的换热器与普通换热器的换热面积和体积•第二种为在换热器体积、工质流量与压力损失相同时比较采用强化传热技术的换热器与普通换热器的换热功率•第三种为在换热体积、换热功率与工质流量相同时比较采用强化传热技术的换热器与普通换热器的压力损失第一种为在换热功率、工质流量与压力损失相同时比较采用强化传热技术的换热器与普通换热器的换热面积和体积。同一管径，管间距布置•Q=Q0，qm=qm0，Δp=Δp0，ΔTm=ΔTm0，求：A/A0，V/V0。•Q=Q0，hFΔTm=h0F0ΔTm0，•h/h0=F0/F当都为管子时，设d=d0，有：•F=πndl，F0=πn0d0l0，nhdl=n0h0d0l0 ，nhl=n0h0l0  ，h/h0=F0/F=n0l0/nl•Δp=fl/d*0.5ρ *u*u，•Δp0=f0l0/d0*0.5ρ *u0*u0，•flu2=f0l0*u0*u0 ，f0=c2Re0‐0.2，Nu=hd/k Nu0=c1Re0.8，•Nu/Nu0=h/h0=(Nu/Nu0)Re(Re/Re0)0.8•f/f0=(f/f0)Re(Re/Re0)‐0.2•Re=ud/ν，Re/Re0=u/u0=n0/n•l0/l=f/f0*u2/u0*u0=(f/f0)Re(Re/Re0)1.8•l0/l =(Nu/Nu0)Re(n/n0)0.2 •两换热器管子的管数比：•n/n0=l0h0/lh•=(f/f0)Re(Re/Re0)1.8 /[(Nu/Nu0)Re(Re/Re0)0.8]•n/n0=[(f/f0)Re/(Nu/Nu0)Re]0.5•l0/l =(f/f0)Re([(f/f0)Re/(Nu/Nu0)Re]‐0.5)1.8 •= (f/f0)Re0.1(Nu/Nu0)Re0,9•横截面积A/A0=n/n0=[(f/f0)Re/(Nu/Nu0)Re]0.5•换热器体积V/V0=ln/l0/n0=[(f/f0)Re/(Nu/Nu0)Re]0.5*(f/f0)Re‐0.1(Nu/Nu0)Re‐0,9•=(f/f0)Re0.4(Nu/Nu0)Re‐1.4•当A/A01，和V/V01时，强化了传热。第二种为在换热器体积、工质流量与压力损失相同时比较采用强化传热技术的换热器与普通换热器的换热功率，同一管径，管间距布置•V/V0=1，qm=qm0，Δp=Δp0，ΔTm=ΔTm0，求：Q/Q0，。•V/V0=1，d=d0，有：•nl=n0l0  ，ndl=n0d0l0 ，F=F0，•Q=hFΔTm，Q0=h0F0ΔTm0，Q/Q0=h/h0•Δp=fl/d*0.5ρ *u*u，•Δp0=f0l0/d0*0.5ρ *u0*u0，•flu2=f0l0*u0*u0 ，•f0=c2Re0‐0.2，Nu=hd/k，Nu0=c1Re0.8，•Nu/Nu0=h/h0=(Nu/Nu0)Re(n0/n)0.8•l0/l=n/n0=(f/f0)Re(n0/n)1.8•该式给出了l0/l、f/f0)Re、和n0/n之间的关系•(f/f0)Re= (n/n0)2.8•两换热器换热量比：•Q/Q0=h/h0=(Nu/Nu0)Re(n0/n)0.8•=(f/f0)Re‐2/7 (Nu/Nu0)Re•Q/Q01时，强化了传热第三种为在换热体积、换热功率与工质流量相同时比较采用强化传热技术的换热器与普通换热器的压力损失•Q=Q0，qm=qm0，V/V0=1，ΔTm=ΔTm0，求：Δp/Δp0。•Q=Q0，hFΔTm=h0F0ΔTm0，•h/h0=F0/F=1,当都为管子时，设d=d0，有•F=πndl，F0=πn0d0l0，nhdl=n0h0d0l0 ，nhl=n0h0l0  ，h/h0=F0/F=n0l0/nl=1•Δp=fl/d*0.5ρ *u*u，•Δp0=f0l0/d0*0.5ρ *u0*u0，•Δp/Δp0=(f/f0)(l/l0)(Re/Re0)2，f0=c2Re0‐0.2，Nu=hd/k Nu0=c11Re0.8，•Nu/Nu0=h/h0=(Nu/Nu0)Re(Re/Re0)0.8=1•(Re/Re0)=(Nu/Nu0)Re‐1.25•f/f0=(f/f0)Re(Re/Re0)‐0.2•Re=ud/ν，Re/Re0=u/u0=n0/n•l/l0=n0/n=Re/Re0•Δp/Δp0=(f/f0)(Re/Re0)3=(f/f0)Re(Re/Re0)2.8 •=(f/f0)Re/ (Nu/Nu0)Re3,51，强化了传热。意味在较小的流速下得到同样的换热系数。技术经济比较指标•考虑成本和运行费用，从经济性上有：C=(nCt+Cs)(1+y)+aCe(nflRe3/(4η))(πμ3/(2ρ2d2)) Ct每米管长价格/元，Cs每米长壳体价格/元，y折旧费/元，Ce：每kWh电价/元，a年运行小时数，η泵与电机效率，μ动力粘度/Pas，ρ流体密度/kg/m3，d管径/m，l管长/mRe0={21.7[n(Ct+Ct0)(1+y)/(aCeη)/(πμ3/(2ρ2d2]+Re3f/4*(Ac0/Ac)}0.357有了Re和Re0，可以根据前面的判据，比较在强化与不强化换热的经济性。七强化传热技术应用主要设备•换热器，余热锅炉，制冷机，热泵，蓄热器等等•以换热器为例：•换热器是实现热交换过程的设备。它广泛应用于电力、化工、炼油、制冷、低温、冶金、建材、环保、航天、航空、食品、轻工、医药等部门，是量大用广的通用设备。以石油化工为例，热交换设备投资占电厂总投资的1/5，重量占工艺投资总重的40%。在年产30万吨的乙烯装置中，各种换热器达300‐500台换热器的应用各种类型翅片管翅片管换热器‐1翅片管换热器‐2各种金属轧制管绕带管及其应用‐1绕带管及其应用‐2各种盘管内插入物管板式换热器的各种板型板式换热器‐1板式换热器‐2椭圆翅片管空冷器椭圆热管空气预热器管壳式换热器‐1换热器种类繁多，结构各异，其中管壳式换热器应用最广，约占各类换热器总量的70%。管壳式换热器‐2折流杆管壳式换热器的结构‐2：折流杆管壳式换热器的结构‐3：折流杆管壳式换热器的结构‐4：折流杆管壳式换热器的结构‐5：