传热分析（精选12篇）
传热分析 篇1
1 Workbench软件在传热分析上的应用
Workbench是ANSYS公司提出的协同仿真环境, 作为一个集成框架, 整合现有的各种应用, 将数值分析与仿真结合在一起。软件可以完成一个完整的仿真分析包括CAD集成、几何修改和网格划分。
利用Workbench有限元软件可以分析工程生活中普遍存在的热问题。热分析包括稳态热分析、瞬态热分析、热辐射等。热分析用于计算一个系统或部件的温度分布及其它热物理参数, 如热量的获取或损失、热梯度、热流密度 (热通量) 等。本文中对实例的模拟计算采用稳态传热方法对部件进行温度分布分析。热分析在许多工程应用中扮演重要角色, 如内燃机、预热器、换热器、管路系统等。
2 热分析基本理论
Workbench进行热分析的基本原理是将所处理的对象划分成有限个单元 (包括若干个节点) , 然后根据能量守恒原理求解一定边界条件和初始条件下每一个节点处的热平衡方程, 由此解出各节点温度, 进而求解出其他相关量。
热分析遵循热力学第一定律[1], 即能量守恒定律:对于一个封闭的系统 (没有质量的流入或流出) , 则E=U+Ek+Ep, E=Q-W
E为系统总能;U为系统内能;EK为系统动能;EP为系统位能;Q为系统热量;W系统做功。
对于大多数工程传热问题:系统动能EK和系统位能EP为0;
通常考虑没有做功:W=0, 则:Q=U;
对于稳态热分析[1]:Q=U=0, 即流入系统的热量等于流出的热量;
对于瞬态热分析[1]:q=d U/dt, 即流入或流出的热传递速率等于系统内能的变化。
1) 导热
物体各部分之间不发生相对位移时, 依靠分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动而产生的热能传递称为热传导, 简称导热[2]。例如, 固体内部热量从温度较高的部分传递到温度较低的部分, 以及温度较高的固体把热量传递给与之接触的温度较低的另一固体都是导热现象。
导热遵循傅立叶定律[2]:单位时间内通过单位截面积所传导的热量, 正比于当地垂直于截面方向上的温度变化率。即
式中:φ为热流量, 单位为W;A为截面面积
λ为导热系, 单位为W/m·K
导热系数[2]是表征材料导热性能优劣的参数, 即是一种热物性参数。不同材料的导热系数值不同, 即使是同一种材料, 导热系数值还与温度等因素有关。一般地说, 金属材料的导热系数最高, 良导电体 (如银和铜) , 也是良导热体;液体次之;气体最小。
2) 对流换热
热对流[2]是指由于流体的宏观运动而引起的流体各部分之间发生相对位移, 冷、热流体相互掺混所导致的热量传递过程。热对流仅能发生在流体中, 而且由于流体中的分子同时在进行着不规则的热运动, 因而热对流必然伴随有热传导现象。工程上特别感兴趣的是流体流过一个物体表面时流体与物体表面间的热量传递过程, 并称之为对流传热以区别于一般意义上的热对流。
就引起流动的原因而论, 对流传热可区分为自然对流与强制对流两大类[2]。自然对流是由于流体冷、热各部分的密度不同而引起的。如果流体的流动是由于水泵、风机或其他压差作用所造成的, 则称为强制对流。另外, 工程上还常遇到液体在热表面上沸腾及蒸气在冷表面上凝结的对流传热问题, 分别简称为沸腾传热及凝结传热, 它们是伴随有相变的对流传热。
对流传热的基本计算式是牛顿冷却公式, 热流密度[2]q可以表示为:
流体被加热时:q=h (tw-tf)
流体被冷却时:q=h (tf-tw)
tw为壁面温度:tf为流体温度
h称为表面传热系数 (表面传热系数以前又常称为对流换热系数) , 单位是W/m2·K。表面传热系数[2]的大小与对流传热过程中的许多因素有关。它不仅取决于流体的物性以及换热表面的形状、大小与布置, 而且还与流速有密切的关系。就介质而言, 水的对流传热比空气强烈;就对流传热方式而言, 有相变的优于无相变的, 强制对流高于自然对流。
3) 辐射换热
物体通过电磁波来传递能量的方式称为辐射。物体会因各种原因发出辐射能。其中因热的原因而发出辐射能的现象称为热辐射[2]。
自然界中各个物体都不停地向空问发出热辐射, 同时又不断地吸收其他物体发出的热辐射。通常把由辐射与吸收过程的综合结果造成的以辐射方式进行的物体间的热量传递称为辐射传热, 也称为辐射换热[2]。当物体与周围环境处于热平衡时, 辐射传热量等于零, 但这是动态平衡, 辐射与吸收过程仍在不停地进行。
导热、对流这两种热量传递方式只在有物质存在的条件下才能实现, 而热辐射可以在真空中传递, 而且实际上在真空中辐射能的传递最有效。这是热辐射区别于导热、对流传热的基本特点。当两个物体被真空隔开时, 例如地球与太阳之间, 导热与对流都不会发生, 只能进行辐射传热。辐射传热区别于导热、对流传热的另一个特点是, 它不仅产生能量的转移, 而且还伴随着能量形式的转换, 即发射时从热能转换为辐射能, 而被吸收时又从辐射能转换为热能。
实验表明, 物体的辐射能力与温度有关, 同一温度下不同物体的辐射与吸收本领也大不一样。在探索热辐射规律的过程中, 一种称做绝对黑体[2] (简称黑体) 的理想物体的概念具有重大意义。所谓黑体, 是指能吸收投入到其表面上的所有热辐射能量的物体。黑体的吸收本领和辐射本领在同温度的物体中是最大的。黑体在单位时间内发出的热辐射热量[2]由斯蒂芬波尔兹曼定律表示为:
式中:T—黑体的热力学温度, K;
σ—斯蒂芬波尔兹曼常量, 即通常说的黑体辐射常数, 它是个自然常数, 其值为5.68×10-8W/m2·K4;
A—辐射表面积, m2;
一切实际物体的辐射能力都小于同温度下的黑体。实际物体辐射热流量的计算可以采用斯蒂芬波尔兹曼定律的经验修正形式:
式中:称为物体的发射率 (习惯上又称黑度) , 其值总小于1, 它与物体的种类及表面状态有关。
4) 稳态传热
如果系统的净热流率为0, 即流入系统的热量加上系统自身产生的热量等于流出系统的热量, 则系统处于热稳态。在稳态热分析中任一节点的温度不随时间变化。稳态热分析的能量平衡方程[2]为:[K]+{T}={Q}
式中:[K]—传导矩阵, 包含导热系数、对流系数及辐射率和形状系数;
{T}—节点温度向量;
{Q}—节点热流率向量, 包含热生成 (内热源) 。
Workbench利用模型几何参数、材料热性能参数以及所施加的边界条件, 生成以上各参数。
5) 瞬态传热
瞬态传热过程是指一个系统的加热或冷却过程。在这个过程中系统的温度、热流率、热边界条件以及系统内能随时间都有变化。根据能量守恒原理, 瞬态热平衡[2]可以表达为:
式中:[K]—传导矩阵, 包含导热系数、对流系数及辐射率和形状系数;
[C]—比热矩阵, 考虑系统内能的增加;
{T}—节点温度向量;
{T}—温度对时间的导数;
{Q}—节点热流率向量, 包含内热源。
如果有下列情况产生, 则为非线性热分析:
(1) 材料热性能随温度变化, 如K (T) 、C (T) 等;
(2) 边界条件随温度变化, 如h (T) 等;
(3) 含有非线性单元。
非线性热分析的热平衡方程为:
可以根据不同的工作状况在Workbench里设置相匹配的边界条件或初始条件进行对应的模拟分析。
3 Workbench热分析误差
热分析误差估计仅用于评估由于网格密度不够带来的误差;仅适用于固体或壳球的热单元 (只有温度一个自由度) ;基于单元边界的热流密度的不连续, 仅对一种材料、线性、稳态热分析有效;使用自适应网格划分可以对误差进行控制。
4 实例分析
运用Inventor软件建某级预热器规则筒体部分, 钢板、浇注料和隔热板几何模型[5]。
利用Inventor中Workbench插件跳转到Ansys设置模拟装配好筒体传热过程。首先在工程图解中建立稳态传热分析系统[3] (Steady-State Thermal) , 将本实例近似为稳态传热来模拟分析。
开始编辑工程数据模型, 以二级预热器基础数据做稳态导热测试。筒体内壁温度近似取520℃ (内部气体温度) , 环境温度取20℃, 钢板外壁与空气发生对流传热, 对流传热系数h12.5[w/ (m2·k) ]。
分别建立相应的工程材料, 按照原始数据逐项填入导热系数及厚度等。
因为传热计算第三类边界条件[2]为规定了边界上物体与周围流体间的表面传热系数h及周围流体的温度。由已知条件可断定此工况近似为第三类边界条件。
建立工程实体模型, 由于已在Inventor中建立, 此时可以直接导入。
绘制模型网格[4], 此实例只是做传热的近似分析得到直观的结果, 因此只采用了自动划分。
设置初始条件或边界条件进行分析计算得到温度分布的云图。根据软件设置, 模拟过程为以内壁为热源, 发生热传导, 经过隔热层与钢板后与空气接触, 此时发生热对流。与严格意义上的计算来说省略了内部气体与内壁的对流传热 (接触热阻[2]问题忽略) 。满足对工程传热问题进行初步分析的要求, 可以得到直观的结果。根据此初步分析的结果进行相应调整诸如改变导热材料 (达到更改导热系数) 、调整导热材料厚度等措施, 以便达到满意的热效果提升设备热效率。
5 结语
通过对工程实际问题的计算分析, 可以看出:利用Workbench有限元分析程序[3]可以对各种传热过程进行模拟和计算分析, 尤其是比较常见的工程实际问题, 可以大大地减少工作量和计算中的误差, 并节约了开支。但是如果有限元分析模型建立不当, 边界条件设定的不够准确, 也会造成错误的结果。因此运用此软件进行分析之前应先进行传热过程的分析和初始条件及边界条件的确定, 查表得各种材料热性能。
摘要：利用Workbench有限元软件结合Inventor三维建模分析传热过程, 并对实际的传热实例进行了数值计算分析。
关键词：Inventor三维绘图,Workbench有限元分析,传热分析
参考文献
[1]沈维道, 蒋智敏, 童钧耕.工程热力学第三版[M].北京:高等教育出版社, 2001.
[2]杨世铭, 陶文铨.传热学第四版[M].北京:高等教育出版社, 2006.
[3]洪庆章, 刘洁吉, 郭嘉源.ANSYS教学范例[M].北京:中国铁道出版社, 2002.
[4]雷晓燕.有限元法[M].北京:中国铁道出版社, 2000.
[5]孙义燊.旋风预热器窑与预分解窑的热工参数及生产能力分析[J].水泥工程.1998, (4) .1-3
传热分析 篇2
采用对管外流体温度进行加权平均的方法,应用Laplace变换和归纳法,对任意n排单程叉流翅片管束式换热器的换热和温度分布进行了分析.得到了管内,管外流体的温度分布和换热器效率的`简洁表达式.
作 者：蔡伟华 徐国强 陶智 丁水汀 作者单位：北京航空航天大学,动力系,北京,100083 刊 名：航空动力学报 ISTIC EI PKU英文刊名：JOURNAL OF AEROSPACE POWER 年，卷(期)： 17(4) 分类号：V231.1 关键词：换热器 叉流 热效率
隆华传热:传热领域变革先锋 篇3
1、业务规模快速扩大；
2、全面受益于工业冷却器产业变革；
3、行业四壁垒构筑护城河，公司领先优势显著。
洛阳隆华传热科技股份有限公司（以下简称：隆华传热）是中国最大的换热设备生产基地之一，公司主营业务为冷却（凝）设备的研发、设计、生产和销售，压力容器和机械零配件的生产和销售；公司主要产品为冷却（凝）设备。该设备是流程工业中广泛应用的重要基础设备。公司的综合竞争力在蒸发式冷却（凝）设备领域处于领先地位。
业务规模迅速扩大
隆华传热拥有一支对蒸发式换热机理有深入研究的专业团队，建立了适合下游行业特点和公司实际情况的研究开发和技术创新体系。2008-2010年，公司连续3年被中国化工学会化肥专业委员会、中国化工情报信息协会评为“中国化肥设备制造企业100强”；2010年被评为“2010中国化肥企业综合实力100强”。
近年来，公司业务规模迅速扩大。财务数据显示，2008-2010年，隆华传热主营业务收入由2.09亿元增长至3.23亿元，复合增长率为24.16%；扣除非经常性损益后归属于母公司的净利润由1993.6万元增长至4782.16万元，复合增长率为54.88%。其中2010年，公司高效复合型冷却（凝）器销售收入为2.18亿元，较2009年增长了60.3%。体现了良好的成长性。
全面受益于产业变革
蒸发式冷却（凝）设备目前在我国的应用规模远低于水冷设备，也低于空冷器，但其综合性能优势显著，在我国未来的市场空间非常广阔。
公司的研发产品之一“新型复合式蒸发冷却（凝）器”通过了中国石油和化学工业协会组织的鉴定（中石化协鉴字（2009）底15号）。资料显示，与传统的水冷系统相比，在相同的热换负荷下，采用这种技术可节水30%-70%，节电30%-60%，年节省运行费用50%以上；与普通蒸发冷却（凝）相比，采用该技术可节水30%-50%，节电10%-20%左右。根据国家现阶段出台的一系列装备制造业政策和节能环保政策，节能节水环保都已经作为了公司未来的装备制造业发展的主要方向。公司作为蒸发式冷却（凝）设备领域的领先企业，整体竞争优势明显。
行业四壁垒构筑护城河
首先是设计壁垒。工业领域应用的冷却（凝）设备属于非标准产品。产品设计需要充分了解用户装置的行业、工段、工况等内部特点，必须依靠长期的技术积累。尤其是与大型装置配套的冷却（凝）设备的设计，是以企业的创新能力、丰富的经验和数据、长期的技术积累等为基础，对新进入者是较大的障碍。
其次，进入该行业的资质需要得到国家相关部门的许可证才能开始相关业务，而资质的认定也是有严格的限定的，则就间接限制了进入者的数量，形成了相对的垄断；第三，冷却（凝）设备长期持续在高温、高压、腐蚀性的环境中进行，工艺开展的诀窍和操作规范与企业产品特点、员工技术水平等密切相关，新进入者难以快速、系统的掌握和运用；第四，业绩和品牌在该行业占有很大的优势，也加大了新进入者开展业务的难度。
产能扩张提升利润
一道传热例题的分析与讨论 篇4
1例题及其求解
文献[1]例6-14第二类命题的操作型计算:
某气体冷却器总传热面积为20m2,用以将流量为1.4kg/s的某种气体从50 ℃冷却到35℃。使用的冷却水初温为25℃,与气体作逆流流动。换热器的传热系数约为230W/(m·℃),气体的平均比热容为1.0kJ/(kg·℃)。试求冷却水用量及出口水温。
教材求解过程:换热器在定态操作时,必同时满足热量街算式:
qm1cp1(T1-T2)=qm2cp2(t2-t1) (1)
及传热基本方程式:
将已加数据代入以上两式得:
试差求解式(4),可得出口水温t2=48.4℃。然后由式(3)求得qm2=0.215kg/s。
例题的求解思路清晰、过程简洁,并获得了满足工艺要求的解。但问题是否就此结束了呢?
2例题的分析及讨论
2.1题目定性分析
通过该题目的分析发现,本题目为典型的传热计算中操作型第二类命题,即给定换热器的传热面积及相关尺寸、冷热流体的物理性质,热流体的流量和进、出口温度及换热器传热系数,求冷热流体的用量与出口温度。
本题目是要完成规定的换热任务,求冷却水用量和出口温度。由传热的常识可以知道,在一定的换热速率下,可以通过冷却水小流量、高出口温度或大流量、低出口温度都可能完成规定的换热任务,即实际上可能存在两种操作情况。以上只是定性的分析,具体是否可能存在这种多稳态传热还要通过下面的数学求解做进一步的说明。
2.2例题多稳态求解分析
通过对公示(4)的分析可以看出,例题的求解过程已经将传热问题转化为一个以冷却水出口的温度t2为变量的一元非线性方程的求解问题。该方程是否存在多解,就决定了该传热操作是否存在多稳态。由t2物理意义可知,25℃≤t2≤50℃ 。
为对公式(4)的非线性方程进行求解,我们令函数
如果函数y在区间[25, 50]中为单调函数,则该方程解唯一,否则多解。
因此该函数对t2求一阶导数得:
令y′=0可解得:t2=45.43℃。
因此函数在区间[25,45.43]及区间[ 45.43,50]中分别各有一个解。通过试差法解得:t2(1)=40℃;t2(2)=48.4℃。
利用式(3)分别求得相应的冷却水流量:qm2(1)=0.335 kg/s;qm2(2)=0.215kg/s。
2.3计算结果的分析与讨论
从上面的数学求解可以看出,该方程的两个解(两个冷却水流量、对应两个出口温度)均可以满足换热器规定的换热要求,这两个解均是合理的,即存在多稳态传热。
但是在具体实际操作中,这两个解对应的两种操作条件是否能够稳定操作还需要进一步地分析。在实际生产中,由于环境温度的变化,冷却水温度可能在一定范围内波动。如果换热器冷却水进口温度升高而流量不变,则对数传热推动力下降,t2=48℃。对应的冷却水流量qm2=0.215kg/s不能够完成规定的换热任务。例如冷却水进口温度上升5℃,即t1=30℃而流量不变,如果要完成规定的换热任务,则由热量衡算式(1)解得:t2=53.4℃。显然实际操作中是不可能的,而只能是以换热器热空气出口温度的升高为代价。因此在实际的换热器计算中,冷却水流量为0.215kg/s,出口温度为48.4℃的解是一个操作不稳定的解,应舍弃。
再来看冷却水流量为0.335kg/s,t2=40℃的解。仍然假设冷却水进口温度上升5℃,即t1=30℃而流量不变,由传热速率方程得:
整理得:
根据上面同样的方法可以求得在t2的区间[25,50]内只有唯一解45℃。即此时的冷却水出口温度也升高了5℃,仍然能够完成规定的换热任务,即在冷却水流量为0.335kg/s,t2=40℃解的情况下,换热器操作有一定的弹性,是该例题稳定操作的解。
3结论
通过对传热操作型第二类命题的例题求解及讨论,指出当由冷流体出口温度构成的函数在其可能的取值区间内是单调函数时,有唯一解;当该函数存在极值时,则可能存在多稳态。应针对可能的稳定态进行具体分析,找到能够稳定操作的解。通过该例题的深入讨论,可以使学生既掌握了这类换热操作型计算的普遍规律、加深了对传热过程计算的理解,同时培养了学生严谨的逻辑思维能力,并能够在解习题的过程中培养学生的理论联系实际的能力,使学生具备一定的工程观念[3]。
摘要：通过对《化工原理》中传热操作型第二类命题的例题进行详细分析与讨论,总结了此类命题存在多稳态操作的一般规律,并从实际工业操作的角度对多稳态传热问题进行了分析,确定了在工业条件下能够稳定操作的解,并通过例题的分析,培养了学生初步的工程观念。
关键词：传热,多稳态,操作型,工程观念
参考文献
[1]王军,傅虹,杜静丽,等.化工原理教学中加强学生综合能力培养的实践[J].化工高等教育,2003(3):80-82.
[2]陈敏恒,丛德滋,方图南,等.化工原理(第二版)[M].北京:化学工业出版社,1999:292-292.
传热学感想 篇5
经常被称为热科学的工程领域包括热力学和传热学.传热学的作用是利用可以预测能量传递速率的一些定律去补充热力学分析，因后裔只讨论在平衡状态下的系统．这些附加的定律足以3种基本的传热方式为基础的，即导热、对流和辐射。传热学是研究不同温度的物体，或同一物体的不同部分之间热量传递规律的学科。传热不仅是常见的自然现象，而且广泛存在于工程技术领域。例如，提高 热管热传递速率曲线图锅炉的蒸汽产量，防止燃气轮机燃烧室过热、减小内燃机气缸和曲轴的热应力、确定换热器的传热面积和控制热加工时零件的变形等，都是典型的传热问题。
就学科而言，传热学是偏于数学理论的，公式繁杂冗长，仅仅是求解结果看起来就已经是十分头痛了，更别说求解过程，初看起来只能是望洋兴叹、望而却步，经过本科阶段的学习，大体就是这么一个映像，然而随着学习的深入以及研究生阶段注重求解过程和求解方法的讲解，传热学开始变得简单了，特别是赵老师通俗易懂、深入浅出的讲解，很多复杂的传热问题可以简化、假设，最终归结为求解偏微分方程。求解标准解一段尤为精彩，无限大区间的一维非稳态导热问题，任意内热源，任意初始温度，由于傅立叶变换是无限大区间的积分变换，因此很适合求解这类问题，最终导出了这类问题的标准解，这一标准解用途十分广泛，许多一维非稳态导热问题都可以从这个解直接导出，通过引入狄拉克函数还可以把定常热流问题转换为内热源，可谓是一个万能的标准公式。能将如此繁杂的问题运用数学手段求出绝对精确的解，细细体会求解过程，实在是妙不可言，异彩纷呈啊！
微槽内纳米流体沸腾传热特性实验 篇6
关键词：纳米流体 微槽 沸腾 实验
中图分类号：TB131 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）06（b）-0056-02
随着科技的发展，电子设备产生的局部高热流成为了电子设备热控制所面临的重要问题，纳米流体技术为这类问题的解决提供了新思路。纳米流体，是将1～100 nm的金属或非金属的固体颗粒分散在液体中形成的一种悬浮液。在流动状态下，固体颗粒可以明显改变流体的热量传输特性，为强化微细尺度对流换热创造了条件[1]。纳米流体的微尺度传热问题已经成为传热传质领域的一个热点。
国内外对纳米流体微槽道两相流动的换热特性做了一系列的研究，但目前对涡旋微槽道的研究较少。而涡旋微槽道由于流道是弯曲的，流体在流动过程中产生的“二次流”可有效对抗过载效应。因此深入研究纳米流体在涡旋微槽道换热特性是十分必要的。
1 实验装置
1.1 纳米流体的制备
此实验采用的是两步法制备纳米流体，在制备前先在水中加入了一定量的醋酸作为分散剂，然后将13 nm的Al2O3纳米粒子分散到水中，制备成Al2O3-水纳米流体，配制好再经过超声波振荡器进行超声振荡，使其能更加稳定。
1.2 试验件
试验件如图1所示，每个实验件有6个小涡旋微槽，两个小微槽共用一个液体进口，涡旋微槽的中间是一个液体出口。槽道的具体尺寸规格见表1。
1.3 实验台
该实验是由两套分系统组成，分别是纳米流体循环分系统和加热与数据采集分系统。实验系统如图2所示，纳米流体从恒温水槽内流出，经离心泵进入涡旋微槽预热器预热，加热到60 ℃以上后流入实验段。经实验段加热达到实验状态后进入冷凝器进行冷却，最终流回恒温水槽。预热段和实验段的加热分别由两个稳压电源提供，实验段的测温热电偶和压力传感器经接线柱连接到采集卡上，进行温度和压力的数据采集。
2 实验结果与分析
2.1 质量流量对纳米流体传热特性的影响
纳米流体在粒子体积浓度为0.1%、质量流速变化时的沸腾换热特性如图3所示。纳米流体的沸腾换热系数随着质量流量的增加而增加。当流量从3 kg/h提高到6 kg/h时换热系数有了大幅度提高，平均提高了50%左右。
2.2 干度对纳米流体传热特性的影响
图4为在试验件No.2中，质量流量为5 kg/h、干度变化时的沸腾换热系数图。可以看出，在较小的干度条件下，沸腾换热系数只会出现微小的增加或基本保持不变，这同马虎根[2]所研究的结论基本是相同的。
2.3 浓度对纳米流体传热特性的影响
图5为在试验件No.2中，质量流量为5 kg/h、纳米粒子体积浓度变化时的换热系数变化情况。纳米流体的沸腾换热系数起先随着浓度的增加而增加，当浓度到达0.07%时沸腾换热系数出现了下降的趋势。在流体单相流动实验中也同样有这种现象，不过对应的纳米流体浓度要比在两相实验的浓度高[3]。这主要是由于随着纳米粒子浓度的提高粒子之间就容易积聚，容易恶化传热。
3 结语
Al2O3纳米流体在涡旋微槽道沸腾流动中，质量流量升高，流体的换热系数提高；纳米流体浓度升高，换热系数先升高后降低；干度对流体换热及摩擦阻力影响不大。在实际应用中，流量、槽道类型的选择要综合考虑泵能够提供的压头以及需要满足条件的散热能力。
参考文献
[1]戴闻亭.细圆管内纳米颗粒悬浮液流动和对流换热的实验研究[D].清华大学，2002.
[2]马虎根，胡自成，罗行，等.微尺度通道内混合物流动沸腾特性研究[J].机械工程学报：2005，41（1）：29-32.
锅炉汽包与受热排管的传热分析 篇7
1.1 锅炉汽包模型
本次研究过程中笔者主要分析了某300MW和125MW两种电站锅炉汽包, 对其锅炉模型数据进行计算。计算过程中电站锅炉汽包共性部分依照300MW电站锅炉进行计算, 其他部分分别计算。除此之外, 笔者还通过ANSYS模型对300MW和125MW电站锅炉汽包进行简化, 依照结构对称性选取1/4进行计算。
1.2 汽包检测边界条件分析
汽包温度测点工共18点, 通过K型铠装热电偶进行测点温度检测。检测时需在检测点处设置开口, 将K型铠装热电偶置于开口处进行温度测量, 开口需设置密封装置。检测过程中汽包压力和水位可以直接选取平衡状态下的压力和水位。检测过程中直接对不同工作状态下的汽包传热指标进行观测, 分别计算300MW和125MW在不同状态下的各项传热数据。
1.3 汽包传热分析
选取汽包第700min冷态启动工况检测结果, 其具体状况见图1。
(b) t=700min
图1700min汽包温度梯度图图中明暗色彩表示温度下降规律, 红色为温度最大值, 蓝色为温度最小值, MX为温度最大值位置, MN为温度最小值位置。
由上述数据检测数据可知冷态启动过程中汽包温度变化趋势一致, 但整体温度数值差异较大, 内部温度高于外部温度。尤其是在水位线附近, 汽包壁径向温差与周向温差值明显高于其他部分。随机选取汽包测量点对汽包温度变化状况进行观测, 其温度响应曲线见图2, 其中A、B、C、D分别为汽包内、外上壁和内、外下壁的测点。
2 锅炉受热排管的传热分析
2.1 锅炉受热排管模型
本次研究的过程中主要对WGZ220/6.8-1型锅炉受热排管受热状况进行分析, 在该基础上构建锅炉受热排管模型。
2.2 锅炉受热排管边界条件分析
边界条件分析过程中笔者主要从受热排管的温度、压力、对流换热系统、蒸发器、水重等出发, 对受热排管模型受热状况进行分析, 约束条件与实际条件一致, 防止出现由管道条件问题引起的受热分析误差。
蒸发器模型数据处理的过程中将温度数据选取为295.3℃, 对流换热系数选取为5180W (m2.℃) ;受热管道外部温度数据选取为378℃, 内部温度选取548.7℃。相关资料显示:管道进出口温度随位置的变化逐渐发生改变, 整体呈现自上向下逐渐递减的趋势。
2.3 受热排管传热分析
从二维平面来看:1) 蒸发器平面单元上温度沿排管中心线呈现对称分布, 由中心向两边逐渐降低, 最高温度在排管中间位置, 数值为323.82℃;2) 平面半排管中受热导管中间温度最高达到477.57℃, 远高于常规温度。这主要是由于平面半排管中部存在的锅炉部件运行过程中造成排管温度上升, 这在很大程度上影响了锅炉的正常运行;3) 平面全排管中没有中间肋板时鳍片与管上温度基本相同, 中部温度与两边温度差异不大。这主要是由于中部没有锅炉部件, 运行过程中不会产生高温, 形成高温区域, 这为锅炉受热排管优化设计提供了新的契机。
从三维模型来看:1) 锅炉蒸发器内部温度存在明显差异, 其排管上部温度明显高于排管下部温度, 温度由上到下逐渐降低。锅炉蒸发器模型中部肋板温度最高, 温度向两侧逐渐降低;2) 锅炉系统中沿水平线温度呈现规律性变化, 最大温度处产生于中间肋板, 排管上部温度高于排管下部温度, 具体状况见图3。
综上所述, 锅炉冷态启动过程中汽包温度变化趋势一致, 内部温度高于外部温度。尤其是在水位线附近, 汽包壁径向温差与周向温差值明显高于其他部分;锅炉锅炉蒸发器中间肋板处为高温区域, 温度向两侧逐渐降低;锅炉排管竖直方向上温度由上向下逐渐降低, 温度变化具有一定规律。
摘要：文章主要研究了锅炉汽包和受热排管的传热状况。本文首先从文献资料出发, 对锅炉汽包传热状况进行分析, 建立传热模型对其传热状况进行研究。其次, 结合实际内容对锅炉受热排管的传热特性进行分析, 深入挖掘了锅炉受热排管传热指标。文章对锅炉安全运行具有一定的贡献性作用。
关键词：锅炉,汽包,受热排管,传热
参考文献
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热管换热器传热效率分析 篇8
随着世界经济的不断发展,能源的形式日趋紧张,建筑空调的余热回收也逐渐被人们重视。在众多的余热回收设备中,热管换热器以其在结构上易于实现逆流、小温差时热效率高、占用空间小、易于安装等优点大量应用于建筑空调的余热回收中。作为热管换热器的基本元件热管,国内外已从理论和实验上做了广泛深入的研究,这些研究主要集中在热管的工作极限以及热管的工质充注、安装倾角、不同工质对传热效率的影响上,而对应用于建筑空调的热管换热器与其他类型的换热器相比,热效率高在什么地方分析的文章很少,有些学者甚至认为热管的导热性与相同的金属比较,要高几个数量级。这种夸张的比较显然是没有意义的。本文通过分析热管换热器与其他换热器的热阻,从理论上得出热管换热器传热效率高在什么地方。
2 热管换热器的热阻分析
在建筑空调中应用的热管换热器绝大部分为重力热管(又称两相闭式热虹吸管),它用热管这种标准元件进行组装来满足不同的热性能技术参数。热管的工作原理见图1所示,热量从热源到冷源的传递热阻由下列8部分组成(等效热阻示意图见图2):
1)热源与蒸发段外壁的换热热阻R1;
2)蒸发段管壁的导热热阻R2;
3)蒸发段管内沸腾换热热阻R3;
4)蒸发段到冷凝段工质流动换热热阻R4;
5)冷凝段管内凝结换热热阻R5;
6)冷凝段管壁导热热阻R6;
7)冷源与凝结段外壁的换热热阻R7;
8)热管管壁轴向导热热阻R8。
对于热管管壁的轴向导热,由于管壁很薄且热管轴向较长,其导热热阻与其他环节相比要大得多,因此,热管管壁轴向导热热阻R8可忽略不计[1]。蒸发段到冷凝段工质流动换热热阻R7数量级大约在10-7次方,R3、R5数量级大约在10-3次方。它们与热阻R1、R2相比是小量[2],在计算过程中可以忽略不计。
因此,热管整体热阻可简化表示为:
式中,α1、α2分别为冷热源与热管管壁对流传热系数,W/(m2·K);λ为热管管壁导热系数,W/(m·K);δ为热管壁厚,m。
对于建筑空调余热回收使用的热管换热器,由于冷热源全为空气,空气流速也近似相等,可认为α1=α2。因此
以直径9mm,壁厚1mm的铜管作为热管为例,热空气定性温度为30℃,冷空气定性温度为20℃,风速取2.5m/s。经计算可知,α1约为52.75(W/m2·K),因此热管热阻为
3 热管换热器与板式、管式换热器的热阻比较
根据传热学的知识,对流、导热是板式换热器热量传递的基本方式。其总热阻可表示为:
用在建筑空调余热回收中的板式换热器,也可近似认为α1=α2。因此
以1mm厚的锯齿翅片型板式换热器为例,热空气定性温度为30℃,冷空气定性温度为20℃,风速取2.5m/s。经计算可知约为73.34W/(m2·K),因此热管热阻为
通过以上计算比较说明,热管换热器与板式换热器一样,影响其热传效率的主要因素为外部对流换热热阻,若热管换热器采用光滑管时,用在建筑空调余热回收上显示不出优越性。
但热管换热器的吸热和放热段都在外表面,这样可以在其表面方便地增加翅片以达到强化换热的目的,而对于板式或管式换热器虽然也可以在外表面增加翅片扩大换热面积,但是内部受工艺限制很难做到[3],现假定热管换热器的肋化效率为η,忽略热管管壁的导热热阻,则加上翅片后的热管热阻为:
对于管式换热器,忽略热管管壁的导热热阻,同样假定外表面肋化效率为η,则加上翅片后的热阻为:
由于η>1,因此,无论管式换热器肋化效率有多大,其传热效率最多增大一倍,而热管换热器从理论上传热效率可以提高η倍(一般η>>1)。由于热管换热器与其他换热器相比较大,根据传热学基本公式Q=KFΔt可知,热管换热器可以在小温差下传递相同的热量。
对于建筑空调余热回收用的热管换热器,在合理的工作介质和热管倾角范围内,热管内部的传热极限要大于外界输入的热量,因此,如何强化热管与外界传热是此换热器设计的关键。
4 结论
通过以上分析可知,热管换热器与其他换热器相比,热效率高的原因主要在于其肋化效率远大于其他类型的换热器,由于热管的特殊结构,可方便地扩展吸热和放热面积,因此,在传递相同热量的情况下,热管换热器可以在小温差下运行,最大限度地回收余热。对于建筑空调余热回收使用的热管换热器,如何强化热管与外界传热是提高其效率的关键。
摘要：对热管换热器与其他类型换热器的传热热阻进行分析,从理论上说明热管换热器高效率的原因以及为什么热管能在小温差下进行余热回收。同时,给出提高建筑空调余热回收用的热管换热器的热效率的方法。
关键词：热阻,热效率,强化传热
参考文献
[1]李宗祥,王秀春.节能原理与技术[M].西安:西安交通大学出版社,2004.
[2]吴和英.热虹吸管换热热阻分析[J].中国科技信息,2006(11):308,327.
超声式蒸发器强化传热性能分析 篇9
在蒸发器中采用超声技术, 可以使液体表面产生蒸汽型喷雾, 即在液体表面产生一层雾化带, 因而蒸发表面积会大大增加, 另外喷雾可以造成液体与周围气体产生相对运动, 使湍动系数大大增加[1]。同时, 超声技术可以使液体产生超声空化, 这不仅造成液体内部之间非常剧烈的湍动, 使液体与周围气体压力差幅度加大, 而且降低溶液的表面张力, 从而降低了成核势垒, 促进了液体内部的能量交换, 使液体蒸发过程得以强化[2]。超声波对于防止和去除加热室内的结垢具有明显的效果, 从而进一步增加传热系数, 使液体蒸发过程得以强化。因此, 超声技术非常适用于糖类、黑液、石油等在蒸发过程中结垢严重的溶液浓缩[3,4,5]。
近年来, 国内外关于超声波在清洗、分离和防结垢方面的研究已有较多文献报道[6,7,8,9]。其研究表明, 由于超声波产生的“空化雾化作用”, 能够达到强化传热和防、除垢的目的。但是, 理论研究与食品液体的实际浓缩存在极大的差别, 其结果不能直接应用于食品工业中[10]。对于具体的蒸发溶液采用何种频率和功率的超声波才能达到最佳的强化效果、超声波产生的“空化现象”对蒸发溶液是否有影响等, 这些研究至今没有具体的相关文献报道[11,12,13]。从所查的文献[14]来看, 有研究者将超声源加入蒸发系统的汽液分离室内, 目的是提高汽液的分离速度, 缩短分离时间, 但无法防止加热室中物料的结垢, 从而无法强化传热。
本课题拟将超声源直接作用于蒸发器的加热室内, 可有效地减少垢层生成, 增加流体的湍流速度, 提高传热系数, 该研究未见公开的文献报道。
1 实验过程
1.1 研究方法简介
单因子评价法就是用蒸发性能最差的单项指标所属因素来确定综合蒸发性能, 即用单个因素对蒸发性能影响的实验结果对照其总体蒸发性能研究结果, 确定其蒸发性能的好坏。在所有影响其蒸发性能的因素中选取蒸发性能最差的一类作为其蒸发性能[15]。
1.2 实验设备及流程
实验设备主要包括超声蒸发器、蒸汽锅炉、离心泵、冷凝器及各种储罐等。超声蒸发装置实验流程如图1所示, 该流程主要由物料系统、蒸汽加热系统、二次蒸汽及冷凝系统和真空系统等组成。于其容量的2/3处, 过少则导致真空泵不能正常工作, 过多则容易造成水从水箱溢出。
实验第三步, 当收集锅炉蒸汽的冷凝水储罐内有冷凝水, 即生蒸汽产生, 二次蒸汽 (物料被蒸发后经冷凝器冷凝形成的冷凝水) 和浓缩液 (未被蒸发物料) 产量稳定时, 调节真空泵示数到设定值, 调节转子流量计到设定流量, 并时刻关注其读数。
1—进料预热罐2、9、10—离心泵3—转子流量计4—超声式蒸发器5—蒸汽锅炉6、11—真空表7—水箱8—冷凝器12、15、16—冷凝水储罐13、14—浓缩液储罐17—真空泵
实验开始之前, 先检查设备, 确认无误后, 开始进行实验。
实验第一步, 进行预热, 向蒸汽锅炉内注入冷水, 打开蒸汽加热开关将蒸汽加热到设定温度, 同时时刻注意蒸汽锅炉上的压力表示数, 使其不可过大以保证安全。同时, 将物料注入进料预热罐, 打开进料预热开关, 对物料进行预热。
实验第二步, 当蒸汽锅炉内蒸汽温度以及进料预热罐内物料温度达到设定温度并且相对稳定之后, 打开水箱进、出水阀门, 打开真空泵, 调节真空表压力到设定值, 打开进料阀。与此同时, 要时刻关注蒸汽锅炉上压力表示数以及水箱水量, 确保蒸汽锅炉内压强不能过大以保证安全, 水箱内水量要处
在此步骤中需要注意的是, 由于在真空体系中任何一个阀门的调大或调小都会对真空度造成较大影响, 进而对流量的大小产生影响, 导致实验结果的不准确。因此, 调节锅炉蒸汽出口阀门, 以保证蒸汽温度稳定在设定值, 确保实验结果的准确性;不断测量进料预热罐内物料温度, 适当加入冷水或热水以调节物料温度稳定在设定值, 以保证实验结果的准确性;当真空表示数和转子流量计示数调节到设定值并达到稳定, 蒸汽锅炉压力表示数显示正常并稳定, 水箱水量正常, 蒸汽温度、物料温度达到设定值并保持稳定时, 开始进行测量。同时, 切换二次蒸汽冷凝水储罐和浓缩液储罐并计时 (本实验设定的单因子实验时间间隔5 min) , 在实验测量中, 要时刻注意真空表示数、转子流量计示数、锅炉蒸汽温度、进料物料温度保持稳定在设定值, 水箱水量合适, 蒸汽锅炉压力合适, 以保证实验结果的准确和实验的安全。在测量中, 把暂时不用来收集二次蒸汽和浓缩液的储罐内部水排出, 以备紧接着下次测量用。在排出废水时, 要注意先关闭储罐真空阀 (保证试验中真空度的稳定) , 再慢慢打开储罐排空阀 (防止储罐内外压力差过大, 对储罐尤其是视镜处造成破坏, 减短储罐使用寿命) , 最后打开排水阀排水。排完水后, 要先关闭排水阀, 再关闭排空阀, 最后打开真空阀, 以保证试验中真空度的稳定。
实验第四步, 达到测量时间后, 同时切换二次蒸汽冷凝水储罐和浓缩液储罐阀门, 第一组实验结束。同时第二组实验开始, 第二组实验与第一组实验条件完全相同, 所以不用再次调节各阀门和表, 只需适当加以调整即可。排水方法同上, 收集并测量二次蒸汽、生蒸汽和浓缩液, 记录下实验数据。
2 实验结果与讨论
实验的设计采用了单因子评价法, 根据传热系数速率方程求出其传热系数, 从而比较其传热性能的大小, 看其对蒸发传热是否具有强化作用。本实验从改变进料温度、改变进料流量、改变进料温度与蒸汽温度的温差、改变超声功率的大小这4个方面分别对超声蒸发装置的传热性能进行了研究。
2.1 公式推导
在试验中分别测出二次蒸汽和浓缩液的体积, 利用公式 (1) 求出进料物料的质量。
式中m———进料物料的质量, g;
ρ——水的密度, g/cm3;
v——进料体积, 为二次蒸汽体积与浓缩液体积之和, m L。
物料的质量流量:
式中m———进料物料的质量, g;
Δt———每组实验的传热时间, s;
qm———流体的质量流量, kg/s。
热流量:
式中qm———流体的质量流量, kg/s;
Q———热流量, W;
r———汽化潜热, k J/kg。
传热系数速率方程:
式中Q———热流量, W;
K———总传热系数, W/ (m2·K) ;
A———传热面积, m2, 本实验装置A=0.3 m2;
Δtm———进料温度与蒸汽温度温差, ℃。
合并公式 (1) 、 (2) 、 (3) 、 (4) , 得到传热系数的计算公式为:
其中, 汽化潜热r由饱和水蒸气表查得。
2.2 不同进料温度的影响
本组实验通过改变不同进料温度以及有无超声对其传热性能产生的影响进行研究。其中, 稳定进料流量为60 L/h, 进料温度与蒸汽温度的温差稳定在50℃, 有超声时超声功率为0.8 W/m2, 进料温度从50~75℃每隔5℃测量1次。根据公式 (5) 计算出其传热系数。
不同进料温度时, 有无超声与传热系数的变化关系如图2所示, 表明了在上述条件下, 传热系数随进料温度变化的情况。随着进料温度的增加, 传热系数相应增大。因为随着温度的升高, 物料的黏度减小, 雷诺数变大, 物料的流动性能变好, 湍动程度加强, 因而其传热性能得到强化。加入超声后, 在进料温度较小时, 传热系数要比没有超声的时候大许多, 在进料温度55℃时, 传热系数减小, 到70℃时达到最小, 随着进料温度继续增大, 传热系数又有所回升, 但是传热系数在总体上比没有超声时要大, 这是因为加入超声以后, 湍动系数相应加大, 即增大了其传热系数。该实验表明, 在改变进料温度的情况下, 超声对蒸发器传热性能有一定的强化作用。
2.3 不同进料量的影响
本组实验通过改变不同进料流量, 以及有无超声对其传热性能产生的影响进行了研究。其中, 稳定进料温度60℃, 进料温度与蒸汽温度的温差稳定在50℃, 即蒸汽温度为110℃, 有超声时超声功率0.8 W/m2。进料流量从30~75 L/h每隔10 L/h测量1次。根据公式 (5) 计算出其传热系数。
不同进料流量时有无超声与传热系数的变化关系如图3所示, 表明了在上述条件下, 传热系数随进料流量变化的情况。随着进料流量的增大, 传热系数呈增大趋势, 有超声作用比没有超声作用的传热系数大。由于随着物料的质量流量增大, 即物料的流速增大, 使得雷诺数变大, 湍动系数变大。另外, 物料的速度增大使其当量膜厚减薄, 传热系数也将增大。而当加入超声时, 超声空化作用使流体质点杂乱程度加剧, 传热性能相应增强。该实验表明在改变进料流量的情况下, 超声对蒸发器传热性能有一定的强化作用。
2.4 不同传热温差的影响
本组实验通过改变不同温差, 以及有无超声对其传热性能产生的影响进行了研究。其中, 稳定进料温度60℃, 进料流量60 L/h, 超声功率0.8 W/m2, 进料温差从40~60℃每隔5℃测量1次。根据公式 (5) 计算出其传热系数。
不同温差时有无超声与传热系数的变化关系如图4所示, 表明了在上述条件下, 传热系数随进料温差变化的情况。随着进料温差的增大, 传热系数呈现出减小的趋势, 传热系数在有超声作用时比没有超声作用时大。因为随着温差的增大, 汽化核心数增加, 气泡长大速率加快, 致使大量气泡在加热表面汇合, 形成一层蒸气膜, 而热量必须通过此蒸汽膜才能传递到液体主流中去, 使传热系数下降。而加入超声以后, 超声产生强烈的振动, 使气泡破裂, 这就对蒸气膜的形成起到一定的阻碍作用, 因而对蒸发传热有强化作用。该实验表明, 在改变进料温差的情况下, 超声对蒸发器的传热性能有一定的强化作用。
2.5 不同超声功率的影响
本组实验通过改变不同超声功率, 对其传热性能进行了研究。其中, 稳定进料温度60℃, 进料温差50℃, 即蒸汽温度110℃, 进料流量60 L/h, 超声功率从0~1.5 W/m2每隔0.3 W/m2测量1次。根据公式 (5) 计算出其传热系数。
不同功率与传热系数的关系如图5所示, 表明了在上述条件下, 传热系数随超声功率变化的趋势, 随着超声功率的增大, 传热系数呈现增大的趋势, 当超声波功率达到1.2 W/m2时, 传热系数达到最大值, 之后略有减小。这是因为: (1) 超声可以在液体表面产生一层雾化带, 增大了蒸发表面积, 同时也增大了湍动系数; (2) 超声使液体产生超声空化, 这既造成了液体内部之间非常剧烈的湍动, 又降低溶液的表面张力, 促进其内部能量交换, 使蒸发过程得以强化; (3) 超声波的防止结垢和除垢功能较明显, 亦能增加传热系数。该实验表明, 超声功率越大, 对蒸发器的传热性能的强化作用越明显。
3 结论
通过实验, 对超声源直接作用于蒸发器加热室, 得出了以下结论:
(1) 进料温度越大、进料流量越大和超声功率越大, 则传热系数K越大, 蒸发传热性能越强。
(2) 进料温度与蒸汽温度的差值越大, 则传热系数K呈现减小趋势, 即蒸发传热性能呈现减弱的趋势。
(3) 在改变进料温度的情况下, 增加超声比不加超声对蒸发性能效果更好。加入超声后, 在进料温度较小时, 传热性能强化效果明显, 随着进料温度的增大, 传热性能强化效果相对较弱。
(4) 在改变进料流量以及改变进料温度与蒸汽温度的温差两种情况下, 加入超声均比不加超声的传热性能要强。
管壳式换热器的强化传热技术分析 篇10
1 换热器传热强化的作用
强化换热器的传热过程, 主要的目的就是为了能够在单位的时间与传热面积中尽量传递更多的热量。而主要的意义就是在特定设备投资与输送功耗的情况下, 取得一定的传热量, 进而使得设备容量不断增加, 不断增强劳动生产率。同时, 在设备容量不变的情况下, 使得结构紧凑且降低占有的空间, 有效地节省材料并降低成本。这样一来, 就能够在特定技术下, 能够实现特殊工艺要求的实施。
2 管程强化传热分析
2.1 螺旋槽管
使用专业轧管设备, 并且在圆管的表面滚压螺旋线形状凹槽, 使管内部形成螺旋线形状并凸起, 这就是螺旋槽管。如果管内介质处于流动状态, 那么很容易受到螺旋线形状槽纹的影响, 进而使与管壁部分相靠近的介质沿槽纹方向出现螺旋性流动, 导致边界层厚度变薄, 确保实际的换热效果得到提高[1]。但是, 有部分介质仍然会沿着壁面进行纵向运动, 同时, 还会在槽纹凸起的部位出现纵向漩涡情况, 进而将边界层分层。这样一来, 就会使边界层中介质点运动速度实现提升, 实现管壁处介质与主体介质的热量传递。
2.2 波纹管
对管子进行加工, 使其内外都呈现出连续波纹曲线, 这就是波纹管, 属于强化管。波纹管的管子纵向截面呈现的是波形, 而且是由相切的不同尺寸圆弧所构成。然而, 因为管内流体的流动状态是不断变化的, 使得湍流程度提升, 强化了传热效果。而在不锈钢薄壁波纹管换热器的试验与研究当中, 若使用的介质是水, 管内的传热系数就能够达到光管1.8-2.8倍[2]。如果介质是机油, 那么管内传热系数是光管的2.1-2.4倍。
2.3 内插物管
这种强化传热的方法是在管内插入物确保介质形成漩涡运动的前提下, 提高流体径向混合, 实现介质速度和温度的均匀分布, 增强传热性能。其中, 将内插物管应用在高黏度流体与低雷诺数中, 实际的传热效果更理想。但是, 插入物可以选择的种类众多, 而比较常见的就是螺旋片、螺旋线与扭带。在实际的试验当中发现, 当处于层流换热状态时, 将扭带插入到管内以后, 对流传热的系数能够增加2-3倍左右[3]。
3 壳程强化传热分析
考虑到间壁传热原理内容, 在传热效果不高的一侧, 会对换热设备换热的效率产生一定的影响。然而, 该侧一般都在壳程处, 所以, 不断研究并开发了以下三种换热器类型。
3.1 折流杆换热器
将壳程折流板转变成折流杆, 同时予以固定管束, 这就是折流杆换热器。其中, 从不同方向对换热管进行固定, 这样一来, 在流体的作用之下, 出现振动情况的几率就会降低。在上世纪的中后期, 某石油公司针对管壳式换热器内部存在的问题进行了改善, 并且研发了壳程介质, 使其成为能够纵向流动的折流杆式换热器[4]。其中, 菲利普公司所使用的螺纹管, 就将其当作换热管, 与弓形折流板换热器相比, 其传热系数得到提升, 而实现压浆的减少。目前, 在无相变与有相变的冷凝传热方面, 折流杆螺旋槽管再沸器的应用, 使得总传热系数有所提高, 还能够避免震动破坏问题的发生。现阶段, 部分单位将圆钢条转变成扁钢条或者是波形扁钢等, 实际效果十分理想。但是, 这种结构通常比较适用在大流量情况下。
3.2 螺旋折流板换热器
这种类型的换热器会使用若干1/4壳程截面的扇形板来进行组装, 并形成螺旋形状的折流板, 确保壳程介质能够呈现出螺旋流动状态。这样一来, 介质流动返混就比较少, 而且不容易出现死区, 并且在离心力的作用与影响之下, 介质和换热管在接触以后就会与管壁相脱离, 并形成尾流, 充分地分离边界层, 对传热的效果进行了有效地改善[5]。在相同流量的条件之下, 最大的压降可以降低45%。与此同时, 螺旋折流板在压降比较低的情况下, 能够保证介质出现较大流速, 进而提高雷诺数, 有效地提升传热数。而最大的特点就是在单位压降之下, 其换热系数比较高, 而且比较适用于对流体诱导震动与污垢热阻等方面要求比较高的领域, 而且, 高粘度流体效果十分明显。
3.3 曲面弓形折流板换热器
现阶段, 研发出一种新型的管壳式换热器, 即曲面弓形折流板换热器, 曲面是圆弧面。其中, 各折流板曲面外凸的一侧需要与壳程流体进口相对, 同时, 使用这种折流板能够保证被导流以后的壳程流体流动曲线更加光滑, 与介质的流通通道相吻合, 进而对壳程介质流动速度分布情况予以全面改善, 减少流动死区以及传热死区[6]。同弓形折流板换热器相对比, 这种类型的换热器壳程膜的传热系数能够增加3-11%。
4 管壳式换热器传热强化的发展趋势
在管壳式换热器的发展过程中, 逐渐向着支撑式的方向发展, 并且从弓形折流板式支撑变成折流杆式支撑, 最终形成现阶段的自支撑形式。而在整个变化的过程中, 管壳式换热器壳程膜的传热系数呈现出增加地趋势, 而压降则不断下降, 由此可见, 换热器的综合传热性能始终处于不断提高的状态。
首先, 随着计算流体力学与传热学的发展, 在换热器传热强化研究领域中, 数值模拟成为实用性工具, 并且能够对传热过程当中的影响因素进行预测, 实际的方法十分简单, 而且效率很高, 使用的费用不高[7]。
其次, 通过对先进仪器的使用, 像是红外摄像仪或者是激光测速等可视化的技术, 能够对换热器流场分布以及温度场的分布进行研究, 更好地掌握强化传热机理内容。
最后, 应该不断研究并开发全新的高效节能换热器, 进而更好地将其应用在高新技术领域当中。
结束语
综上所述, 管壳式换热器强化传热的研究具备明显的社会与经济效益。与此同时, 不仅能够与国家节能减排的要求相适应, 同时, 还能够减少企业生产的成本。通过对管壳式换热器强化传热技术的分析, 希望能够在其今后的发展中得到完善。
参考文献
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传热分析 篇11
关键词：独立学院 传热学 教学方法 探讨与实践
“传热学”是能源与动力专业的一门重要的专业基础课，研究由温差引起的热能传递规律的科学，涉及的领域非常广泛，特别是当下的：航天航空、建筑节能、生物工程等热门领域都蕴藏着大量的传热传质问题。因此，传热学这门课程不仅是能源与动力工程专业课程的核心课程，同时也是机械制造、化学工程、建筑环境与设备工程专业重要的专业选修课。作者作为刚从事高等教育教学工作不久的青年教师，经过了系列的听课、试讲，现在已正式进行课堂教学。回过头来总结所经历过的这段教学，有颇多的体会。本文从分析“传热学”课程特点入手，结合日常教学经验，就如何提高独立学院“传热学”教学质量，浅谈“传热学”课程教学方法几点改进实践体会[1]。
一、课程特点
以杨世铭、陶文铨主编的《传热学》第四版教材为例，课程内容以热力学第一定律和热力学第二定律为基础，介绍热量传递的三种不同方式：热传导、热对流和热辐射的基本定义、计算方法以及三种传热过程在工程上的具体应用。由于三种方式机理不同，控制方程不同，研究方法不同，有着本质的区别，很难将三者贯穿一条主线。同时课程内容知识点多、概念多、应用广，学生难以长时间维持学习兴趣，学习起来非常吃力，使得教学矛盾越来越突出。
二、教学方法的改革
根据北京理工大学珠海学院新生入学成绩统计，2010级至2013级入学的能源与动力工程专业大学生高考录取分数为所当地省份的本科2B线。学生的基础相对较低，专业基础课和专业课学习起来难度较大，缺乏信心和刻苦研究的精神，普遍存在上课不专心听讲，不爱做笔记，课后少复习，很少做除了作业以外的习题。结合我校独立学院的办学特点，2011年北京理工大学珠海学院在2010版教学计划的基础上重新拟定了热能与动力工程专业的教学计划，其中对“传热学”课程的教学大纲和课时相对应做了调整，参考国内其他高校热能与动力专业拟定的“传热学”课程的教学大纲，将“传热学”课程由原来的64课时删减为48课时。另一方面，将原来杨世铭、陶文铨主编的《传热学》教材由第三版更换为第四版，新版教材在老版教材基础上修订增加了许多国内外的学术和工程实践研究成果，同时也增加教材的习题量。因此，受课时数的限制，要顺利完成教学任务，任课教师的工作难度和要求有所加大。
如何在相对有限的时间内让学生掌握“传热学”知识，顺利通过课程考核，与教师的授课的教学方式密不可分，总结分析几点如下：
1.提高课堂教学的趣味性
传热学是研究热量传递规律的科学，关于传热过程的记载在古今中外文献记载中极为常见。“传热学”课如果采用单一的纯理论数学公式授课，大多数学生会消极被动地接受知识，会造成多数人听不懂，因此需要一些形象的实例。对授课教师来说，在备课时应积累一些古今中外与传热学相关的知识和事例，在课堂教学过程中穿插讲授，以增加课堂趣味性，提高学生的听课效率。
比如在讲授第二章的导热微分方程的数学描写时，可以先一张电影画面幻灯片，同时提一个和幻灯片关的问题：为什么《泰坦尼克号》里男主人公杰克最后冻死了，女主人公露西却没有冻死？这个问题很容易吸引学生注意力，紧接着指出由于两人体内的温度分布不同造成的。那为什么不同呢？人体模型温度分布的控制方程是相同的，不同之处在于两人所处的环境不同，前者的身体泡在冰水里，后者的身体在空气中，从传热学的理论就是两者的边界条件不一样造成的不同结果。所以，对一个物体温度场完整的数学表达，应该包括两部分：导热微分方程和边界条件，缺一不可。接着，引出导热微分方程的推导。
讲授对流传热问题时，可以先提问学生自然界风是如何形成？紧接着从解释问题答案来阐释对流传热的机理，让大家能从生活点滴中思索和寻找传热学的踪迹，激发学习兴趣。
2. 重视授课对象
学生是课堂教学的对象，是学习的主体。教学必须以学生为出发点和归宿点。因此备课必须是为学生学习好课程知识而准备，不能脱离学生的实际情况去孤立地备课。必须要考虑到学生的接受能力、心理特点，同时也要考虑到学生学习的习惯及对这门课的学习兴趣等，以便制定出相应的教学策略、内容、深度、方式及媒体，使教学过程对学生的“胃口”。
经常听到有的教师抱怨，本来准备得很充分做足功课的一堂课，教学效果反而不理想，学生感到没听懂、没学会，反应效果很差。仔细分析，认真推敲后，发现造成这一现象的原因就是教师备课时忽视了教学对象。因此，备课前必须要了解和研究学生。
传热学课程的物理名词居多，对传热学名词概念掌握透彻才能更好的理解传热过程及其原理。比如，传热学中热流量的概念，其中包含了时间变量，热流量表示单位时间内传递的热量。实际上是一个功率的概念。在这个地方授课时不能一带而过，必须反复解释与强调热流量与热量是有区别的，学生的惯性思维会顺着原有的物理概念去理解认为是传递的热量，忽略了其中包含的重要时间是因素。如果对热流量概念含混不清，会间接影响学习热流密度及傅里叶定律的计算和应用。相反，用到热力学一些常见的物理名词时，在学生当前的水平应该很熟，比如热效率、热力学能、闭口系开口系的概念，大学物理以及工程热力学中都学习过，就不需要再解释了。
3.传统教学与多媒体教学各有侧重
多媒体教学目前在大学教育教学中相当普遍，与传统教学相比，多媒体教学有无法比拟的優点，可以让传热学的现代发展成果通过视频图片等可视化形象生动的给学生全方位的视觉展示。但在同时，也常出现信息量多大，学生学得快、忘得快，短时间内无法充分理解，没有吃透内容的缺点。
通过动画素材，可以直观的解释火力发电厂中能量是如何进行转化，热量是如何进行传递的。煤粉（燃料）在锅炉中燃烧将化学能转化为高温烟气热能，高温烟气通过对流传热将热量传递给水冷壁的外表面，水冷壁的外表面通过导热将热量传递给水冷壁内表面，内表面与水冷壁管内流动的水再进行对流传热交换，热量被水吸收水汽化变成了水蒸气，再热变成过热蒸汽，过热蒸汽输送到汽轮机，推动汽轮机的主轴转动（机械能），汽轮机带动发电机发电。煤粉源源不断地送往锅炉燃烧，电源源不断的向外输出。这就是典型的能量转化，热量传递形象生动的例子。
“传热学”同时也理论性较强的课程，导热微分方程的求解对学生高等数学的驾驭能力要求高。导热微分方程的推导授课前可先对高等数学中的齐次偏微分方程求解、泰勒级数进行简短的复习，接着从一个一维稳态大平板稳态导热问题数学描写展开，由简单到复杂，由特殊到一般，反向推导三维非稳态有内热源的导热微分方程的一般形式。可以帮助学生理解吃透导热微分方程相关的应用。公式的推导一方面可以培养了学生的科学研究逻辑思维，同时培养学生在工程领域的工程应用能力。另一方面学生通过推导公式，能透彻的理解公式的内涵和意义，所以一定的公式推导是必要的。公式推导的授课过程应以在板书在黑板进行为主，并辅以讲解，才能达到较好的教学效果。
对实验性较强的章节，如管内流动、蒸发与沸腾和辐射换热，换热器等工程应用多的章节，应以多媒体课件为主。通过借助先进的现代化教学手段，多媒体形象地演示动态实验，增强课堂的实效性，提高教学质量[3]。
4. 注重能力的培养
“传热学”的学习过程中，授课教师应注意培养学生解决实际问题的能力。本校产学研单位企业生产过程中存在一些待解决问题。比如：如何降低电容元件生产过程中的能耗；研制新型烹饪的加热模式等生产实践项目。对生产过程中存在的问题进行必要的抽象简化假
设，让学生参与学研项目的研究过程。对学生的专业思维能力和动手能力都有较大的提升。
三、考核方式的改进
从往年的考试分析来看，传热学课程闭卷考试的效果一般。按我院的教学要求，除了闭卷考试外，也可以根据课程的特点进行其他方式考核。比如采用开卷考试，或者采用分段小测试加上大论文相结合的方式考核。总评成绩和平时成绩计算如下：平时成绩=考勤（30%）+作业（70%），总评成绩=平时成绩（20%）+实验成绩（10%）+期末考核（70%）。
四、“立体化”多渠道的教学途径
传热学课程开通了网络课程，共享资料包括教学教学课件、大纲、日历、教材答案等，并链接国内重点高校的传热学精品课程网址，学生在课下可以利用网络教学资源，按自己的学习进度进行自习或复习，巩固所学的知识[1]。
五、结语
独立学院的“传热学”教学要针对学生的特点，多鼓励和因循诱导，增加学习的自信心。课程教学从各方面进行了改革，使得本课程教学相比较以前有了很大的改变和进步。作者是在多位经验丰富的老教师的指导帮助下进行“传热学”教学实践，结合教学及科研中的体会， 做了几点总结，希望与广大的教育工作者进行更多的研究、探讨和交流。
参考文献：
[1] 杨世铭，陶文铨.《传热学》第四版[M].北京：高等教育出版社，2006.
[2]邝华.理论力学课堂教学效果思考与探讨[J].广西物理，2011， 32（4）： 39-40.
传热分析 篇12
地板辐射采暖系统作为当今较为流行的一种采暖方式,已经得到了大规模应用。国内外众多学者进行了相关的研究。在地板辐射采暖系统传热分析中,大多数学者将相邻两管之间看做零热面(利用此方法的统称为零热面模型),或不考虑内外墙的散热。大多数研究者已经提及零热面、内外墙以及楼板对地板辐射采暖散热的影响,但是没有具体进行分析[1,2,3,4,5]。
通过分析零热面、内外墙以及楼板的散热对地板辐射采暖散热的影响,修正了目前的地板辐射采暖传热模型,然后进一步分析了影响地板辐射采暖盘管散热的因素。
1 传热模型的建立
由于地板中实际构造复杂,且条件纷繁,难以求解。为了将实际情况抽象应用到物理模型,特做如下假设:(1)温度沿管轴线方向温降较小,将三维传热过程看作是二维传热过程;(2)运行过程可近似为稳态传热过程;(3)地板表面由于是有限空间自然对流和辐射的换热过程,将它当作一个复合换热过程;(4)假定各层材料物性均匀,且材料紧密接触,不考虑其接触热阻;(5)假定管道内壁、内外墙为第一类边界条件;(6)由于楼板下表面温度比楼下空气温度高,导致只能发生导热和辐射换热,但是由于空气导热系数较小,因此可以忽略,则只考虑其辐射传热。
控制方程
边界条件
辐射热流密度量可按式(2)计算
对流的换热量可由式(3)给出
地板表面的热流密度为复合热流密度qc
式中qf为辐射换热量,W/m 2;qd为对流换热量,W/m 2;tb、tp为地板表面和管道内壁平均温度,℃;tn为室内温度,℃;x、y为X、Y方向坐标;tleft为建筑维护结构左墙体温度,℃;tright为建筑维护结构右墙体温度,℃;tbottom为建筑维护结构的楼板下表面温度,℃;λabfg、λbcgh、λchdl、λdlem、λemon分别为地面层、找平层、填充层、保温层、楼板层的导热系数,W/(K·m)。
2 数值模拟及结果分析
2.1 不同模型对比分析
模拟条件为:方案1,室内空气温度18℃;热水管的供水温度是55℃,回水温度为45℃,供回水的平均温度为管壁的温度;管径为30mm;找平层为水泥砂浆,厚为20mm,导热系数0.93W/(K·m);地面层为大理石,厚为40mm,导热系数2.9W/(K·m);填充层为碎石混凝土,厚为80mm,导热系数1.5W/(K·m);保温层为聚苯乙烯,厚为20mm,导热系数0.047W/(K·m);管间距为200mm。地板表面辐射系数0.87,对流换热系数60W/(m 2·K);左墙体温度10℃;右边界墙体温度15℃;下边界楼板为辐射换热,辐射系数0.87。方案2,要求左边界、右边界和下边界为绝热条件,其余条件同方案1。方案3,要求左边界、右边界为绝热条件,其余条件同方案1。方案4,下边界为绝热条件,其余条件同方案1。方案5,要求左边界为绝热条件,其余条件同方案1。方案6,要求右边界为绝热条件,其余条件同方案1。数值模拟结果如图1、图2。
通过图1中可以看出,方案1和方案4曲线变化趋势几乎一致,由于左右边界的非对称性,导致曲线呈现非对称分布,在楼板下表面设置绝热条件导致地板表面温度显著上升,最大温升0.27℃(两者最大偏差1%)。方案2和方案3曲线变化趋势几乎一致,由于左右边界的对称性,导致曲线出现对称分布,在楼板下表面设置绝热条件导致地板表面温度显著上升,最大温升0.39℃(两者最大偏差2%)。方案5和方案6曲线变化趋势完全相反,且导致曲线出现非对称分布,同方案1对比,温度最大温升9.39℃(两者最大偏差47%)。左右边界条件设置的不一致导致曲线的非对称分布,从而导致零热面模型的误差偏大。在(0—0.5)m段方案1、方案4、方案6地板表面温度变化趋势几乎一致,因为它们具有一致的左边界条件;而方案2、方案3变化一致,因为它们具有一致的左右边界条件。在(2.0—2.4)m段方案1、方案4、方案5变化趋势几乎一致,因为它们具有一致的右边界条件。在(0.5—2.0)m段方案1、方案3、方案5、方案6变化趋势几乎一致,方案2、方案4趋势几乎一致,说明在主供热区域楼板的下边界条件起着主要作用。
从图2中可以看出,同样的边界条件设置导致楼板下表面曲线变化呈现一致性,例如方案1和方案4,方案2和方案3。同地板表面温度变化特点相比,楼板下表面的边界条件设置对楼板下表面散热影响更大,温度最大差异16.08℃(设置第三类边界条件和第二类边界条件导致两者最大偏差60%)。在(0—0.5)m段方案1、方案6变化趋势几乎一致,而方案4虽然具有一致的左边界条件,但是由于下边界条件的影响导致温度曲线出现明显的不一致性;而由于具有相同的下边界条件,在(0—0.5)m段方案3、方案5变化趋势几乎一致,可见下边界条件设置对系统散热的影响。
2.2 不同影响因素分析
2.2.1 热水管径的影响
数值模拟结果如表1。由表1可知,管径在16mm—20mm区间,热流密度增长速率为10.63(W·m-2),温度增长速率为0.17,而管径在20mm—25mm区间,热流密度增长速率为3.08(W·m-2),温度增长速率为0.05,进一步说明了管径增加到一定时,继续增加管径导致地板表面的热流密度和温度增长趋势逐渐减小。
2.2.2 管间距的影响
数值模拟结果如表2。由表2可知,随着管间距增大热流密度逐渐变小,地板表面温度分布波动增加,因此一定的管间距是保证供热舒适的前提条件。在实际工程中应该注意管间距的选择,既考虑节能,又考虑地面温度分布均匀。间距过大,温度分布不均匀;管间距过小,容易造成热量耗费大。
2.2.3 进出口水温的影响
数值模拟结果如表3。由表3可知,随着热水增大热流密度逐渐增大,地板表面温度升高和波动增强,因此一定的热水温度是保证地面温度舒适的必要条件。
2.2.4 地板层材料的影响
数值模拟结果如表4。由表4可看出,三者之中大理石导热系数最大,其地板表面温度最高,瓷砖次之,这两者在供热区域曲线分布呈现周期性变化,并且振幅随导热系数增大而逐渐增强。软木板导热系数较小,造成地板表面温度总体偏低,但是其分布较均匀,进一步说明地板层材料对供热区域的供热量和温度分布影响较大。在一定的供暖条件下,选择合适的地板层材料是保证地面温度舒适的客观条件。
3 结论
1)研究核心区域供热管内部分管道之间传热可以考虑采用零热面模型。而分析地板表面温度总体分布,需要考虑内外墙体壁温,若存在较大差异采用零热面模型将会导致显著偏差,此时将内外墙体的边界条件设为第一类边界条件比较合理。
2)楼板下表面的边界条件设置对传热影响较大,在计算中将楼板下表面设为由辐射换热等效的第三类边界条件较为合理。
3)随着管径的变大,地板表面温度逐渐增大,而其变化趋势逐渐减小。随着管间距的变大,地板表面温度逐渐减小,在供热区域不再均匀分布,逐渐呈现周期性变化,且周期相应地增加,保证一定的管间距是供热舒适的前提条件。随着热水温度的变大,地板表面温度逐渐升高,在供热区域曲线分布呈现周期性变化逐渐明显,并且振幅相应地增大。地板层材料对供热区域的供热量影响较大,在一定的供暖条件下,选择合适的地板层材料是保证地面温度舒适的客观条件。
参考文献
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[3] Weitzmann P,Kragh J,Roots P,et al.Modeling floor heating sys-tems using a validated two-dimensional ground-coupled numericalmodel.Building and Environment,2005;(10):153—163
[4]朱家玲,苗常海.地板辐射采暖空间温度场的数值模拟.太阳能学报,2005;26(4):493—496
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