生物传热

生物传热（共7篇）

生物传热 篇1

近20年来,由植物油制备生物柴油作为石油燃料的替代物,已引起了世界各国的广泛关注。且主要以实验手段为主,研究各种参数(温度、压力、催化剂等)对转化率的影响,故关于其工艺、原料和产品后处理方面的报道颇多[1,2,3,4]。由于超临界环境下反应的复杂性,关于数值模拟结果方面的报道很少。反应温度影响反应速率和时间,准确模拟反应装置中的传热过程极其重要。功能强大的CFD商业软件用在传热方面的研究效果显著[5,6],故采用CFD软件对一套高温高压间歇式反应装置进行了数值模拟,希望能进一步了解反应过程并为此类反应装置的设计、运行和改造提供参考信息。

1实验装置介绍

反应装置平面图如图1所示,锡池尺寸为50×138×50mm。该装置中根据反应的需要设定锡池的温度,反应釜和反应液处于同一温度(环境温度),以锡池加热反应釜和反应液。经过一段时间传热后,三者温度达到平衡,制备生物柴油的反应在恒温下进行。

2传热理论分析

对于本文研究的实验装置锡池为热源(热体),反应釜与反应液为热阱(冷体)。所涉及的传热方式主要为热传导。描述热传导的机理及数学模型为傅里叶(Fourier)定律。控制方程为三维不可压缩流动的连续性方程和Navier-Stokes动量及能量方程:

式(5)中,流体的比能E定义为单位质量流体的内能和动能之和,E=i+(u2+v2+w2)/2。对于不可压缩流体,内能i=CVT,CV是定容比热容, ᐁ·u=0。于是能量方程可以写成下面的温度方程:

FLUENT采用有限体积法(FVM)求解传热用的是如下形式的能量方程和N-S方程:

式中,keff=kt+k,为有效导热系数,Tref=298.15 K。

在两相交界面处引入耦合边界条件:

这里假设区域Ⅱ为流体,区域Ⅰ为固体。

3计算与模拟

3.1计算模型

为合理设置边界条件,简化计算过程,对传热过程的整体模型作以下假设:

(1)锡池整个外表面不对空气辐射传热,即没有热量损失;

(2)反应液充满反应釜的整个腔体,固-液接触表面没有间隙;

(3)各流体为不可压缩流体,即流体密度不随时间变化。

采用Fluent6.2软件求解传热过程温度场,以反应装置的实际尺寸作为计算的物理模型,选择锡池外表面包含的区域为计算域。由于实验中采用的是超临界甲醇法来制备生物柴油,所以在此以甲醇作为模拟反应釜内的升温过程的流体,模拟的最高温度为573 K。网格划分如图2,锡池的节点数为298 089个,反应釜的节点数为100 214个,反应液的节点数为36 432个。

采用SIMPLE算法求解压力—速度耦合方程,动能和能量的离散格式均采用一阶迎风差分格式,反应釜和各流体壁面均采用标准壁面函数方法处理,材料相关参数来自文献[7,8]。

3.2计算结果与讨论

由非稳态解可知,在经过大约89s时间的传热后,锡池、反应釜和反应液三者温度达到平衡,此时沿中心轴所在对称面得到的温度场分布云图如图3所示。由于前3s时间所求解不稳定,所以截取了3s以后各时刻的锡液传热速率随时间的变化,如图4所示。从锡液传热速率的变化曲线可以看出,前30s内明显高于后段传热时间的传热速率,随着锡池、反应釜和反应液三者温差的降低,传热速率降低,传热过程满足热力学第一定律。将模拟的温升曲线和试验测得的温升曲线进行了对比,如图5,模拟的升温过程和实验数据的误差在8%以内。

甲醇的超临界温度为512.6 K,着重考察了反应釜腔体内流体在512.6 K温度附近的温度场分布,且采取了强化传热的措施,将锡池设为流动状态,图2中的B表面为流体入口,A表面为出口,尺寸减小到40 mm×128 mm×40 mm,以节省锡的用量和减小反应装置的体积,对比了两种传热过程。两种情形反应装置温度场分布对比方图如图6,沿反应液中轴线X-Y图分别为图7及图8所示。其中X-Y图所取的中轴线分别处于X方向15—82 mm和10—77 mm从仿真结果可以得到以下结论。

(1)原来的传热方式在18 s左右使流体温度达到临界温度,温度分布在(516.39—534.7) K,而后者只须8 s左右,温度分布在(520.69—521.69) K,有效地缩短了传热时间和改善了温度分布的不均匀性。与有关文献[9,10]报道的流体在超临界温度下呈现温度不均匀分布的特点相符。

(2)观察图6可以知道反应釜腔体内的流体温度要比左边反应釜壁面温度低,这是因为金属吸热快的缘故。(a)图中流体温度低于反应釜密封端的温度,(b)图中流体温度高于反应釜密封端的温度。由于两种情形传热时间的差别,而反应釜密封端金属较多,前者经过时间较长,密封端吸收了足够多的热量,温度升高较流体快;后者经过时间短,密封端吸收热量较少,温度低于流体。这样可以减少反应釜吸收的热量,减少锡液温度的波动,有利于控制反应温度。

4结论

对某制备生物柴油反应装置传热进行了数值模拟,得出了固-液耦合相各时刻的温度场分布,模拟结果与实验结果的吻合度较高,验证了模型的适应性。着重分析了甲醇在超临界温度下的温度场,模拟结果表明此时反应釜腔体内流体温差较大,即温度场分布不均匀。为了改善这种温度场分布的不均匀性,对该装置采取了强化传热措施的升温过程进行了仿真。对比两种传热方式后发现,传热方式对反应釜腔体内的流体温度影响极大。强化传热可以有效地改善温度分布的不均匀性并缩短传热时间,进而减少了反应釜吸收的热量,可以更充分地利用能量。

超临界状态下的反应机理和传热过程十分复杂,要深入研究超临界状态反应过程中的传热还需要创立新的计算方法,手动编程来实现能够真实模拟考虑反应吸热和放热特性的计算机算法。因此将这种自主开发的传热模型的计算法与CFD软件相结合,进一步提高模型的精确性、通用性及仿真度,以得到更多模拟数据来指导此类装置的设计、运行和改造,并在揭示反应机理方面充当更重要的角色, 是今后工作的主要研究方向。

参考文献

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真空隔热油管传热性能研究 篇2

目前各国稠油主要采用注蒸汽的方式开采,注汽过程中的能量损失,特别是井筒中的能量损失,直接影响热采效果。因此,国内外许多学者对井筒传热进行了大量的研究。在研究井筒传热问题时,为了简化计算,都是将隔热油管的隔热层看作一个整体,将隔热层的传热视为导热,并引入视导热系数的概念来衡量隔热油管的隔热性能[1]。到目前为止,还没有见到有关隔热油管隔热层的结构优化研究的详尽报道。研究隔热油管隔热层内部的传热机理,分析隔热层各种结构参数对隔热油管隔热性能的影响,对掌握影响隔热油管自身隔热性能的主要因素以及改善隔热油管隔热性能,起着重要的指导作用。

本文拟研究真空隔热油管隔热层的传热机理,建立隔热层传热的数学模型,通过模拟计算分析隔热层各种结构参数对隔热油管隔热性能的影响。

1 真空隔热油管隔热层结构

目前常用的真空隔热油管结构示意图如图1所示。隔热油管内管外壁先缠一层铝箔,然后在铝箔上缠一层玻璃丝布,再缠第二层铝箔、第二层玻璃丝布,直到按设计要求缠到所需要的层数[2]。缠绕完毕后,中间抽真空,以减少因空气引起的对流换热及导热引起的热量传递。一层铝箔加一层玻璃丝布为一层结构,现以4～6层结构比较多。

1 隔热油管结构示意图 1-接箍;2-密封圈;3-隔热衬套;4-衬管;5-外管; 6-隔热层;7-内管

2 模型的建立

本文通过分析各影响因素对隔热油管视导热系数的影响来分析其对隔热油管隔热性能的影响情况。把隔热管复杂的结构视为与其隔热厚度相同的一种“假想固体”以纯导热方式传递热量,该“假想固体”的导热系数称“视导热系数”。隔热油管视导热系数的计算式如下

$\lambda =\frac{\Phi \ln \frac{d{}_{\text{w}}}{d{}_{\text{n}}}}{2\pi l({\rm T}{}_{\text{n}}-{\rm T}{}_{\text{w}})}$

式中 Φ——隔热油管段总的散热损失,W;

λ——隔热油管导热系数,W/(m·K);

l——隔热油管段长度,m;

Tn——隔热油管内壁内侧温度,K;

Tw——隔热油管外壁外侧温度,K;

dn——隔热油管内径(取隔热油管内径),m;

dw——隔热油管外径,m。

2.1 实验模型

辽河油田总机厂是我国隔热油管生产的主要厂家,该厂对其生产的每根隔热油管都进行性能测试。检测隔热油管性能的实验条件:将电热棒插入到隔热油管内部,隔热油管放置于室内,待稳定以后,通过电热棒加热功率得到被测隔热油管的视导热系数。

2.2 数学模型

整个实验的传热过程包括五个环节:电热棒外表面与隔热油管内壁之间的对流与辐射的复合换热Φ1、隔热油管内壁内侧向内壁外侧的导热Φ2、隔热油管内壁外侧向隔热油管外壁内侧的多层辐射换热Φ3、对流换热及导热Φ4、隔热油管外壁内测向外壁外侧的导热以及隔热油管外壁向周围环境的复合换热Φ5。其传热模型如图2所示。

根据传热分析,隔热油管段各环节散热损失满足以下关系

Φ=Φ1=Φ2=Φ3+Φ4=Φ5 (1)

2.2.1 电热棒外表面向隔热油管内壁表面之间的传热

电热棒外表面向隔热油管内壁表面之间的传热分成两部分:电热棒外表面向隔热油管内壁表面的辐射换热以及两表面之间空气间层的对流换热。

Φ1=Φ1r+Φ1h (2)

式中 Φ1r——两表面间的辐射换热量,W;

Φ1h——对流换热量,W;

电热棒外表面向隔热油管内壁表面换热属于平行平板间的辐射换热,计算公式为

$\Phi {}_{1\text{r}}=\frac{\sigma A{}_0({\rm T}{}_{\text{d}}^4-{\rm T}{}_{\text{n}}^4)}{\frac{1}{\epsilon {}_{\text{d}}}+\frac{1}{\epsilon {}_{\text{n}}}-1}(3)$

式中 Td——电热棒外表面热力学温度,K;

Tn——隔热油管内管内表面热力学温度,K;

εd——电热棒外表面发射率;

εn——隔热油管内表面发射率;

A0——传热平均面积,m2。

电热棒外表面与隔热油管之间空气夹层的对流换热属于有限空间自然对流换热问题,对流换热量计算公式为

Φ1h=h1A0(td-tn) (4)

式中 h1——两表面间自然对流换热系数,

W/(m2·K);

A0——对流换热平均面积,m2;

td——电热棒外表面温度,℃。

采用的关联式为

$\begin{array}{l}{\rm N}u=0.212(Gr{}_{\delta }{\rm P}r){}^{\frac{1}{4}},Gr{}_{\delta }=7\times 10{}^3~3.2\times 10{}^5\\ {\rm N}u=0.061(Gr{}_{\delta }{\rm P}r){}^{\frac{1}{3}},Gr{}_{\delta }>3.2\times 10{}^5\end{array}(5)$

式中 Nu——空气的努塞尔准则;

Gr——空气的格拉晓夫准则;

Pr——空气的普朗特准则。

2.2.2 通过隔热油管内外管的导热

通过隔热油管内外管的导热属于一维圆筒壁导热问题,计算公式为

$\Phi {}_2=\frac{2\pi \lambda {}_{\text{g}}l(t{}_{\text{n}}-t{}_1)}{\ln (d{}_{\text{w}}/d{}_{\text{n}})}(6)$

式中 Φ2——导热量,W;

λg——管材导热系数,W/(m·K);

l——隔热油管长度,m;

t1——隔热油管内壁外侧温度,K。

2.2.3 隔热油管内壁外侧向隔热油管外壁内侧的热量传递过程

在隔热层内部,热量的传递由三部分组成:通过玻璃丝纤维的导热、通过孔隙的辐射换热以及当压力不为0时,通过孔隙内空气的传热[3]。

Φ3=Φ3c+Φ3r+Φ3x (7)

式中 Φ3c——通过玻璃丝布导热量,W;

Φ3r——两表面的辐射换热量,W;

Φ3x——通过玻璃丝布孔隙中的稀薄气体的传热量,W。

(1)通过玻璃丝布的导热量Ф3c

玻璃丝布用纤维可以看作边长为1 mm的四方柱,孔隙可以看作边长为4 mm的正方形。因此,可以得出孔隙的面积占总面积的比例为64%。在此,我们把孔隙的面积占总面积的比例简称为孔隙比,用字母α表示。

通过每层玻璃丝布的导热量计算公式如下

$\Phi {}_{3\text{c}}=\frac{\lambda {}_b}{\delta }A{}_1(1-\alpha )({\rm T}{}_{\text{Ι}+1}-{\rm T}{}_{\text{Ι}})(8)$

式中 λb玻璃丝纤维导热系数,W/(m·K);

A1——玻璃丝布施工面积,m2;

α——孔隙比;

TI+1——第I+1层铝箔表面温度,K;

TI——第I层铝箔表面温度,K;

δ——玻璃丝纤维厚度,m。

(2)通过孔隙的辐射换热量Φ3r

由于两层铝箔的距离很近,所以可以简化为两表面面积相等,角系数为I的辐射换热情况,计算公式为

$\Phi {}_{3\text{r}}=\frac{\sigma A{}_{\text{Ι}}\alpha ({\rm T}{}_{\text{Ι}+1}^4-{\rm T}{}_{\text{Ι}}^4)}{\frac{2}{\epsilon {}_l}-1}(9)$

式中 εl——铝箔发射率。

(3)通过玻璃丝布孔隙中的稀薄气体的传热量Φ3k[4,5,6]

由于理想情况是抽成真空,但实际很难达到,玻璃丝布孔隙中充有一定的稀薄气体, 稀薄气体热流密度的计算见参考文献[7],则气体的传热量

Φ3x=q(1-α)AI (10)

2.2.4 隔热油管外壁向周围环境的传热

隔热油管外壁向周围环境的传热分为两部分:隔热油管外壁与周围空气间的自然对流换热和隔热油管外壁向周围壁面的辐射换热

Φ4=Φ4h+Φ4r (11)

式中 Φ4h——对流换热量,W;

Φ4r——隔热油管外表面与周围环境其它表面间的辐射换热量,W。

对流换热量计算公式为

Φ4h=h2Aww(Tw-Tf) (12)

式中 h2——隔热油管外表面与空气间的自然对流换热系数,W/(m2·K);

Aww——隔热油管外表面积,m2;

Tf——周围环境空气温度,K。

隔热油管外壁与周围空气间的自然对流换热采用的实验关联式为[8]

Nu=0.36+0.363Gr1/6+0.0914Gr1/3 (13)

隔热油管外表面与周围环境其它表面间的辐射换热属于非凹小物体放大空间中的的辐射换热

Φ4r=σAwwεw(T4w-T4f) (14)

式中 Tw——隔热油管外表面热力学温度,K;

Tf——周围其它表面热力学温度,K;

εw——隔热油管外表面发射率。

3 计算结果及分析

本部分将分别给出隔热层层数、玻璃丝布孔隙比、铝箔发射率以及支撑材料导热系数对隔热油管隔热性能的影响的分析计算结果。

3.1 隔热层层数对隔热油管隔热性能的影响

以62×114.3 mm隔热油管为例,玻璃丝布孔隙比为0.64,隔热层层数为0～8层,支撑材料玻璃丝布导热系数为0.05 W/(m·K),铝箔发射率为0.03。

隔热油管隔热层层数在不同压力条件下对视导热系数的影响如图3所示。

由图3可见,在同一压力条件下,随着隔热层层数的增加,隔热油管视导热系数降低。但是,随着层数的增加,其对隔热油管视导热系数的影响越来越小。当隔热层层数达到4层以后,隔热层层数对隔热油管视导热系数的影响明显减小;当隔热层层数达到7层以后,隔热层层数对隔热油管隔热性能的影响就很弱了。而增加隔热层层数会使隔热油管的生产成本增加,因此,综合考虑生产成本和隔热性能,确定比较合理的隔热层层数应该在4～6层之间。另外,不同的压力条件下,隔热层层数在1～8层之间时,隔热油管视导热系数随层数变化的趋势基本相同,可见,层数对隔热油管视导热系数的影响与真空度的关系不大。

3.2 发射率对隔热油管隔热性能的影响

以62×114.3 mm隔热油管为例,玻璃丝布孔隙比为0.64,隔热层层数为1～6层,支撑材料导热系数为0.05 W/(m·K),压力为0的条件下,不同隔热层层数下隔热油管的铝箔发射率对视导热系数的影响如图4所示。在层数为1～6层,不同压力条件下隔热油管的铝箔发射率对视导热系数的影响如图5所示。

由图4可以看出,随铝箔发射率的增大,视导热系数也不断增大,而且层数越少隔热油管视导热系数受铝箔发射率影响越大;隔热层层数在4～6层之间,铝箔发射率对视导热系数的影响趋势基本相同;隔热层层数在4～6层之间,铝箔发射率处于0.01～0.05之间时,隔热油管具有比较好的隔热性能。

由图5可以看出,在不同压力下,发射率对视导热系数的影响趋势是不变的,因此,发射率对视导热系数的影响与真空度关系不大。

3.3 孔隙比对隔热油管隔热性能的影响

我们把孔隙的面积占总面积的比例简称为孔隙比。假设玻璃丝布的纤维可以看作边长为1 mm的四方柱,孔隙可以看作边长为4 mm的正方形,可以得出此时孔隙的面积占总面积的比例为64%,即孔隙比为0.64。

以62×114.3 mm管为例,隔热层层数为6层,支撑材料导热系数为0.05 W/(m·K),压力0～100 000 Pa,铝箔发射率为0.03。

将隔热油管支撑材料的孔隙比在不同压力条件下对视导热系数的影响如图6所示。

由图6可以看出:孔隙比对隔热油管视导热系数的影响是比较大的,当压力大于1 000 Pa时,空气导热系数比支撑材料导热系数大,随着孔隙比的增大视导热系数是增大的,而且压力越大视导热系数增大的幅度越大;当压力等于1 000 Pa时,空气导热系数与支撑材料导热系数大小相当,随着孔隙比的增大视导热系数基本保持不变;当压力小于1 000 Pa时,空气导热系数比支撑材料导热系数小,随着孔隙比的增大视导热系数是减小的,而且压力越小视导热系数增大的幅度越大。

3.4 支撑材料导热系数对隔热油管隔热性能的影响

以62×114.3 mm管为例,隔热层层数为6层,支撑材料导热系数为0.01～0.1 W/(m·K),压力0～100 000 Pa,铝箔发射率为0.03。

隔热油管支撑材料导热系数在不同压力条件下对视导热系数的影响,如图7所示。

由图7可见:支撑材料导热系数对隔热油管视导热系数的影响是比较大的,隔热油管视导热系数随支撑材料导热系数的增加呈线性增加的趋势。由于各条曲线的斜率基本相同,可知支撑材料导热系数对隔热油管视导热系数的影响与压力关系不大。

4 结论

本文介绍了真空隔热油管隔热层结构,并建立了在实验条件下的隔热油管传热计算模型,利用计算软件,计算出不同隔热结构情况下的隔热油管隔热性能,分析了不同隔热层层数、气体压力、铝箔发射率和玻璃丝布孔隙比对隔热油管隔热性能的影响,得出如下结论:

(1)对于玻璃丝布+铝箔这种隔热结构,隔热层层数宜选为4～6层之间;

(2)选用的铝箔表面要尽量光滑、无腐蚀并且平整,发射率在0.01～0.05之间为好;

(3)对于玻璃丝布+铝箔这种隔热结构,在缠绕玻璃丝布工艺中,尽量不要让玻璃丝布对角线方向受力,以确保较大的孔隙比;

(4)在生产过程中,要尽量使玻璃丝布和铝箔保持干燥,否则,会使支撑材料导热系数增大,从而降低隔热油管隔热性能。

摘要：真空隔热油管是稠油注蒸汽开采的主要设施之一,其隔热性能直接影响热采效果,因此,分析隔热油管隔热层内部的传热过程,研究隔热层各种结构参数对隔热油管隔热性能的影响,对改善隔热油管隔热性能有重要的指导作用。本文在测试隔热油管视导热系数的实验模型基础上,建立了隔热层传热的物理及数学模型,计算得到不同结构参数下隔热油管的视导热系数;研究了玻璃丝布孔隙比、隔热层层数、支撑材料导热系数以及铝箔发射率对隔热油管隔热性能的影响,研究表明:隔热层层数宜选为46层之间;选用的铝箔发射率应在0.010.05之间;在缠绕玻璃丝布工艺中,尽量不要让玻璃丝布对角线方向受力,以确保较大的孔隙比;在隔热油管加工过程中,应尽量使玻璃丝布和铝箔保持干燥。

关键词：隔热油管,优化,隔热层

参考文献

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邻室传热对负荷的影响 篇3

夏热冬冷地区的气候特点是冬季湿冷、夏季炎热, 全年的采暖期、空调使用期较长, 采暖、空调能耗较高。因此该地区住宅建筑的节能不但要考虑冬季保温, 还要考虑夏季隔热, 同时还不能忽视春秋过渡季节的通风问题。随着人们生活水平的提高, 对于室内舒适性要求也不断提高, 为了改善冬季室内环境, 长江流域今年来也开始冬季采暖, 采暖形式主要是空调采暖。单元式燃气锅炉供热是近几年新建小区所采用的供热系统, 即一栋楼每个单元由一个燃气锅炉集中供热, 经过末端风机盘管送入室内。用户可以控制末端关闭, 由于该方式控制灵活, 室内无人时可关闭系统, 该间歇运行方式虽然起到了节能作用。但是由邻室传热引起的负荷占据相当大比例, 实际并不节能。测试结果表明, 测试负荷远远大于理论设计值。因此在设计时应该加强楼板的保温隔热。

建筑概况

建筑各项标准满足《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》。外墙:采用了挤压成型的聚苯乙烯泡沫板 (EPS) 作为外墙保温。该保温材料具有吸水性能低, 导热系数小, 孔隙率低等特点。 (外粉刷 (10mm) +EPS外保温 (60mm) +钉板条及钢网抹灰 (10mm) +粘土多孔砖 (240mm) +内粉刷 (10mm)

外窗采用带隔热构造的复合窗框型材和双层低辐射中空辐射玻璃。低辐射膜层对中远红外热辐射的反射率很高, 能将80%以上的中远红外热辐射反射回去。冬季, 它对室内暖气及室内物体散发的热辐射, 可以像一面热反射镜一样, 将绝大部分反射回室内, 保证室内热量不向室外散失, 从而节约取暖费用。夏季, 它可以阻止室外地面、建筑物发出的热辐射进入室内, 节约空调制冷费用。同时, 其外立面的装配感、立体感的效果强, 建筑线条清晰流畅。

能源供应方式:

冬季各单元换热站内的燃气锅炉集中向用户供应热水, 包括生活用水和供热两部分。设计时生活热水和供热分开, 供热热水经板式换热器换热后, 送入各用户末端的风机盘管, 向用户室内提供热量, 加热室内空气。并且末端可由用户自动控制关闭。测试期间没开生活热水。

测试方法及参数

测量记录温度、相对湿度。内置温/湿度传感器。温度记录范围-20℃—70°C, 精度0.7℃;相对湿度记录范围25%—95%;记录容量:7943个测量数据, 使用于环境温度湿度测量记录;

根据公式 (1) 、 (2) 计算燃气锅炉逐时累及耗热量和用户单元瞬时热功率:

布德鲁斯锅炉:G234, 标准利用率93%, 最高设计出水温度:110℃/120℃;使用天然气, 燃烧方式为大气预混式燃烧;锅炉间歇运行:燃气锅炉设置温度70℃, 当温度水温达到70℃时自动关闭。

测试结果分析

测试房间主要有三楼房间1, 4楼房间2, 五楼房间3和房间3, 朝向正南。测试时间:8月23日10:00——8月25日16:00。测试期间房间设置18℃。

从测试结果可以看出, 室内温度明显高于设定温度, 最高温度达26℃, 出现在下午1点, 因为1点太阳辐射最强, 通过外窗受太阳辐射影响较大。此时温度较高。

从上午10点开始测试, 房间供暖系统刚刚开启, 室内温度较低, 随着不断加热, 房间室内温度逐渐上升。房间301温度始终高于其他房间温度, 因为501和502房间由于处于顶楼, 因此温度略低。25日室内停止供暖后, 401房间温度同24日基本没有变化, 维持在13℃左右。说明该建筑围护结构的保温性能良好。测试期间, 尽管各房间设置的温度相同, 同一单元内不同房间也有较为明显的温差。

从图中可以看出:由于该小区建筑的围护结构有很好的保温性能。室外温度波动对室内温度的影响较小。

结论

由于用户末端可控, 系统间歇运行, 并且邻室传热导致负荷较大, 导致实测负荷明显大于设计负荷。在设计时应该加强对楼板的保温隔热。燃气锅炉间歇运行, 设置了自动启停装置。燃气热量得到充分利用。从测试结果来看, 燃气总热量和用户总耗热量基本平衡。用户外墙保温系统较好, 热惰性大。且当供热系统全部关闭后, 室内温度下降缓慢。可以缩短供热时间, 节约能耗。

摘要：本文对上海某小区单元式供热冬季运行工况进行测试, 并分析测试数据同理论设计值的偏差, 根据邻室传热温差修正公式, 对测试结果进行了修正, 修正结果表明, 由于邻室温差传热影响, 导致实际测试负荷明显大于理论计算值。

关键词：建筑节能,测试,围护结构,夏热冬冷地区

参考文献

[1]孟长再, 谢晓明。分户供暖系统户间传热问题的探讨。建筑热能通风空调。Vol27 No5 2008:58-59。

氧气转炉汽化冷却烟道传热计算 篇4

氧气转炉过程中其涉及到冶金系统的烟气余热的有效回收效果, 并随着国家工业机械部颁布的烟道式余热锅炉设计导则以及氧气转炉余热锅炉技术条件两个条款规范, 开始对其传热计算的方法进行了研究, 因而对其进行传热计算的方法探讨具有重要的现实意义。

1 转炉余热烟道的发展研究现状

转炉余热烟道温度场和热应力的计算是一个涉及到传热、功能、力学的整体运作过程。由于影响因素相对较多, 因而清晰的获得热应力和变形的分布规律是相对不容易的。烟道作为转炉整个项目大家族中最基础构成单元, 在工业生产中一个非常常见的结构单元, 其地位及作用往往被轻视, 在设计上也过于简单, 对其的热应力计算相对不多, 大部分时候都是依靠己发生的事故来判断结构有影响的位置, 处于被动的事后维修阶段, 带来很多实际工作的阻碍。这些阻碍都会使得整体的维护工作处在一个不利的状况中。在随着工程生产的投产运行, 其烟道承受烟气压力和整体多因素的负担开始提高, 并自身载重、积灰载荷及外部自然条件的作用, 产生了难以忽视的问题。通过改进烟道结构进而慢慢由隔板式向密排式开始进行研究, 由水冷却向全汽化冷却开始进行。通过对这一过程的整体性的研究主要集中在对烟气的处理回收利用或者是对烟道问题研究、制造方式以及传统的积累经验对结构设计提出改进等方面, 但都在涉及烟道的温度场以及热应力的研究过程中存在偏少的状况[2]。

2 烟气成分的计算

烟气的物理特性参数主要包含汽化冷却入口烟温和焓值, 以及进入炉气的燃烧产物和进入烟罩时, 其烟气中含有的携带热量。其热量的主要包括炉气的物理热, 一氧化碳等可燃物通过燃烧所释放出的辐射热量。并在空气带入的热量主要包括从烟罩入口的空气以及汽化器高温段漏入的气体, 进而通过对这过程的直观联系, 得出漏入空气温度一般可按31%的进入烟罩的热量进行等量的对比分析, 并需要对其带入空气中的热量进行排除, 这之中是不包含灼热的炉尘和熔池内的金属向罩内的辐射传热产出的, 因而需要对比在国内外资料关于烟气在热量中含量关系, 以及烟气总能量的3.8%左右进行对比, 并且在烟气中的二氧化碳和水蒸气会发生有效的化学作用关系产生, 热分解需要吸热, 减少了烟气的焓值。使得在烟气的焓值计算中可以对其进行公式的表示。

公式中的I为炉其的焓值, Il为炉其的物理热量, Ir为炉其中的可燃物燃烧所释放的热量, Ik为空气中的带入热量值。IF为炉气中的二氧化碳和水的分解过程所产生的热量效果。通过计算炉气的物理热过程分析, 其整体性较为复杂, 并需要考虑到二氧化碳以及一氧化碳和水蒸气等方面不同的作用影响, 其计算公式是一种合成公式,

其中公式Ni为可燃物燃烧后的各部分构成气体所占的百分比, Ii为可燃物在燃烧后各构成气体的焓值程度, Ih为可燃物在燃烧后炉尘的焓值大小程度。其在燃烧后的炉尘需要按照严格的焓值计算方法进行推导:

其μy之为烟气中的烟尘浓度大小程度, μl为炉其中的烟尘的浓度大小程度, Cash表示溶尘损失的百分比程度。因而在计算炉气的物理数值中, 需要对各构成部分的焓值以及相应的参考资料进行有效的考量, 并在炉尘计算中考虑到准确的数据, 并对其转炉炉尘的密度进行一定的判定, 要取值在0.173KG/Nm3。这种取值是相对于中小型的转炉炉尘密度进行考虑的。其可以取值在0.22KG/Nm3通过这些可以有效对其进行炉尘估算。并可以对炉气中的一氧化碳在燃烧中的放热效果进行判定, 其公式为:

其公式中TIk为当地环境温度的变化程度, Csk为湿空气的定压比热程度, 其二氧化碳以及水蒸气分解所产生的热量分解, 其二氧化碳以及水蒸气的分解程度和相关资料可以通过分解热量的计算公式进行判定。

3 辐射传热计算

大型锅炉标准计算需要对水冷壁管道的传热计算进行严格的算法设计, 其需要根据气化冷却烟道的物理特点和结构特点进行辐射热量计算公式, 设公式为:

整个公式中, Qi是冷却室受热面积所吸收的热量程度, V1是炉气的总量值, M是水冷壁的物理特点参数值, ad1是水冷壁的当量黑度表示大小, 并同时要考虑到水冷壁的热有效系数以及入口计算的烟温和出口计算的烟温程度, 使得可以得出对水冷壁的当量黑度计算的参考数值,

其中a可以表示为烟气的黑度, 进而通过对烟气黑度计算公式的对照判定, 可以得出烟气中各构成部分的黑度判定, 并要依靠各构成部分的分组压力值以及辐射层相应的厚度程度, 来进行和乘积的有效对比进而开始确定其查询的有效系数曲线值。

在公式中需要考虑的要素包含净烟气黑度以及二氧化碳的黑度关系, 同时也需要对水黑度进行考虑, 也要对烟尘辐射减弱系数的程度大小进行判定, 并要对烟气的绝对压力值要参考标准大气压的取值进行判定, 同时也要考虑到辐射层厚度值。这一公式可以有效的对烟气的黑度进行计算方法的判定。其重视中关于炉口段以及烟罩段的取值要在0.05左右, 并且炉口段要在上辐射段取0.01值, 其也需要考虑烟尘中的炉尘计算浓度以及烟尘评价温度的百分比, 并要计算出尘粒计算的相应直径。其成立的直径也需要根据其空气的过程系数进行有效的确定, 并要考虑在不构成参数在相互不同比值下所对应的变化, 进而对其水冷壁比较的系数以及水冷壁热有效的系数以及水冷壁特性参数机械一定剂量的参考判定, 在对综合试差进行判定可以得出其计算的流程过程结果。

4 结束语

通过按照机械工业部所提出的计算方法进行一定程序的计算设计, 并可以通过实例进行有效的计算方法验证, 发现其段位辐射传热数据在可知的情况下, 其流传热量的对比也相对可以判定, 其和机械部标准算法相比较更具有现实意义。

摘要：氧气汽化冷却烟道传热的计算方法是一项相对较为适用的研究算法, 通过对其烟气成分计算和辐射传热计算等计算方法的研究, 可以得出其烟气的构成以及焓值等方面的相应计算方法, 并可以按照辐射传热计算的崭新标准替代机械部传统标准关于辐射传热计算的制定。使得锅炉辐射室标准获得一个计算方法, 确定出整体汽化冷烟道的温度变化规律以及热能回收的效率情况。

关键词：氧气,转换,烟道

参考文献

[1]赵锦.转炉烟气全干式除尘及余热回收新工艺研究[D].东北大学, 2012.

[2]姬立胜.转炉烟气余热的充分回收与合理利用[D].东北大学, 2012.

传热学课程考试改革实践 篇5

一、“1+1”

前两部分是平时成绩和程序成绩。平时成绩占期末总评的10%, 其中主要包括学生到课情况、回答问题情况以及作业情况。考核方式采用扣分制, 即开学时每个同学有10分。每个学期点名次数在3~4次, 缺席扣3分, 请假和迟到扣1分;课堂提问随即, 作为附加奖励, 问答完全正确加2分, 回答基本点到位加1分;作业每个学期5~6次, 为了避免抄袭作业情况发生, 不统计作业做的好坏, 对于相同作业者都扣3分, 少交一次扣1分。平时成绩的总体考核统计原则是扣完为止, 不溢出。问卷调查显示, 有个别同学认为请假不应扣分, 这也是传热学课程考试改革需要不断创新和完善的地方之一。程序成绩也占期末总评的10%。程序成绩是传热学课程的特点, 主要针对“导热问题数值算法”一章进行考核。通过对实际问题进行物理数学建模, 编写程序进行数值计算, 将前导课程C语言与传热学及工程应用联系在一起, 使学生学以致用。问卷调查表明, 84.5%的同学认为以前学C语言都不知道有什么用, 现在用来解决实际问题才明白计算机语言的重要性。程序成绩的评定遵循以下原则:解不能收敛扣5分, 程序没有优化扣1-3分, 没交程序自然没有本部分成绩。

二、“3”

第三部分是团队合作考核法, 占总评成绩的30%。团队精神是任何个人单位和集体取得事业和科研成功的主要因素之一。目前用人单位对高校毕业生提出的问题表现在:拼搏精神不足;创新能力明显不够;解决实际问题的能力差;团队协作意识弱。这也是由于高校长期传统的教学方式和考核制度造成的。西安科技大学安全类传热学课程考试改革通过团队合作考核对以上问题进行了改善。通过布置一些与传热学课程有关的工程问题 (学生也可自选与本课程相关题目) , 将学生按四到六人分为一个小组, 每个小组一个题目, 最后完成一篇科技论文。学生分工合作, 互相讨论, 通过查阅文献, 分析总结, 最后提出自己的想法来完成论文, 这样既提高了学生查阅文献的能力, 还培养了团队合作精神, 也易于培养学生成为研究型工程人才。即, 通过此部分的考核, 能达到《国家中长期教育改革和发展规划纲要 (2010-2020年) 》文中对于人才培养的要求。既然是团队合作考核法, 最终某篇论文的成绩是该小组所有成员的共同成绩。论文成绩的评定按照论文规范性、文献综述能力、论文创新性或实用性、论据论点充分性、综合评判等5个部分进行评分, 每部分占该部分30分中的6分。论文规范性按照西安科技大学学报自然科学版格式进行评判, 其中也包括符号、图标的规范性等;文献综述能力主要看学生是否对论文研究方向上国内外的研究现状进行归纳分析;论文创新性或实用性主要看论文有没有亮点;论据充分性考核学生的书面表达能力;综合评判是对论文进行综合评价, 也包括能否按时完成论文。团队合作考核法问卷调查突出三个特点:78.6%的学生已经完全知道该如何处理工程问题及撰写科技论文;86.3%的同学深深体会到团队合作的重要性;有同学反映, 该组有同学没有参与科技论文写作的任务。第三个特点也是考试改革中需要改进的地方之一, 需要在考试改革实践中进行完善或修正。

三、“5”

第四部分采用闭卷考试进行, 占总评成绩的50%。该部分考试是传统的闭卷考试, 但又与传统的方式不同, 其是在考虑了传热学这门课程自身特点的基础上进行了改革修正。西安科技大学安全类传热学课程考试改革实践分三类内容对学生进行考核。

1. 基本概念及基本理论的记忆考核, 占闭卷考试的30%。

该部分通过名词解释、填空、简答说明、证明等形式展开。主要考核学生对传热学课程基本知识点及常识性问题的记忆掌握。这部分不牵涉复杂公式 (尤其是经验公式) 的记忆。

2. 基本知识点引申的应用掌握考核, 占闭卷考试的20%。

这部分考核内容在授课时没有特别强调, 以判断题的形式出现, 用来考查学生对本课程相关知识点的扩展应用。有些知识点教材里有提示, 比如“冷凝器一般采用水平的布置方式”;有些教材里没有提示, 例如“冬天晒过的棉被感觉更暖和是因为棉被里存了更多的空气的缘故”。

3. 工程问题的应用及计算, 占闭卷考试的50%。

此部分包括两种形式:计算题和物理数学建模, 一般是5道大题, 每题10分。所有计算题所用公式及系数在题干里以“提示”的形式给出, 比如在计算对流换热系数及换热量时, 给出层流和湍流两套公式, 学生在答卷时首先计算雷诺数的大小, 然后确定该用哪一个公式进行计算。物理数学建模通过给定的实际问题, 要求学生通过对问题的假设简化, 确定微分方程及时间边界条件, 不需要计算。闭卷考试成绩的确定有学校标准的评分标准, 工程问题的应用计算评分时重过程而非重结果。通过近两年的对传热学闭卷考试的改革实践发现, 学生闭卷考试成绩拉得很开, 平时不学习的同学基本对第三类考试内容无从下手。闭卷考试问卷调查显示, 89.4%的同学认为该方式能体现学生对本课程所学知识的真实掌握水平。

西安科技大学安全类专业传热学考试改革是在不断的教学过程中进行的, 该考试改革方案是针对目前教育制度而制定的。而改革是一个需要不断研究不断创新的课题, 及时发现问题、解决问题, 才能创造出以现代化教育科学理论为指导的, 行之有效的高等教育课程考试改革, 为培养一代新人做出更大贡献。

参考文献

[1]丁克强, 常春圃, 刘廷凤.“固体废弃物处理”考试方法改革探讨[J].教师, 2011, (10) :53-54.

[2]郭进京, 杨振舰, 杨晓东.高校课程考试方式改革与考试管理探讨[J].教育教学论坛, 2011, (35) :188-189.

[3]丁克强, 常春圃, 刘廷凤.本科院校考试改革的分析探讨[J].中国电力教育, 2011, (31) :78-79.

[4]王欢.我国高等教育考试改革的目标与方向的探索[J].西南科技大学高教研究, 2007, 83 (2) :13-15.

[5]郭永辉, 王子云.关于传热学课程教学改革之我见[J].制冷与空调, 2004, 16 (2) :69-70.

《传热学》课程的教学探讨 篇6

一、绪论部分

这方面的教学内容除了介绍某些最主要的基本概念外, 主要应该是加强内容的连贯性和系统性, 使学生对学科结构和三种常见的传热方式建立起较完整的轮廓。这部分着重讲述两个问题: (l) 传热的三种基本方式; (2) 传热过程与传热系数。此外, 向学生介绍一些参考书, 培养他们的自学能力。为了激发学生的学习热情, 我举了日常生活中经常碰到的两个例子:①为什么热水瓶中的水在相当长的时间内不会冷?②我们吃烫的食物时, 舌头、嘴巴都有哪些习惯动作?这两个问题一个是常见的事物, 另一个是学生的亲身体验。让学生带着这两个问题, 我把传热的三种基本方式讲了一遍, 并简要地介绍了热阻的概念。这样在课程一开始就吸引学生的兴趣, 让他们带着问题进行下面的学习。

二、导热部分

由于现在的高等教育从“精英教育”向“大众教育”转变, 学生的培养目标是以应用型的工程技术人员为主, 所以除了推导导热微分方程外, 更注重对一个具体问题微分方程的建立, 边界条件从已知条件的抽象, 以及对所得结果的物理意义的分析, 在物理概念上多花功夫, 使之对传热学的基本概念加深印象。对于稳态问题, 一般采用导热微分方程 (或傅立叶定理) 加边界条件便可求解。热阻法在稳态求解中简便和直观, 并且用类比法与电阻联系起来, 使学生能理解一维稳态下热流处处相等 (串连) 。在教学方法上, 采用由浅入深的教学方法。例如:在讲变导热系数的导热问题时, 先讲定导热系数的求解方法, 然后通过数学推导, 得出只要求出变导热系数的平均值, 可把变导热系数的问题转化为定导热系数问题的结论。在肋片导热的教学过程中, 先讲装肋片的必要条件, 然后建立数学模型, 并给出精确解、近似解、修正解。让学生掌握对具体对象的数学建模, 明白精确解和近似解之间的差别, 懂得工程上对某些问题进行近似的合理性。这样处理, 思路清楚, 由简到繁, 步步深入, 加强了各内容之间的联系。对于非稳态问题, 首先要向学生讲解什么是非稳态, 它和稳态传热有什么区别?一般非稳态的问题都要查图表, 学生只要认真做几道习题一般都能掌握图表的查阅方法。这部分的重点是集总参数法, 用毕渥数来判断能否使用集总参数法, 毕渥数的物理意义是表征内部导热热阻与外部对流热阻的比值, 当然毕渥数要小到一定程度才能用集总参数法。这时物体内部的导热热阻远小于其表面的换热热阻, 物体内部的温度趋于一致, 以致可以认为整个物体在同一瞬间均处于同一温度下。这些物理意义既可以使学生更深刻理解计算公式的推导基础, 也可以使学生灵洁运用所学公式解决工程计算问题, 此外它更是学生对新问题进行简化分析的理论依据。

三、对流换热部分

影响对流换热的因素有五个方面: (1) 流体流动的因素; (2) 流体有无相变; (3) 流体的流动状态; (4) 换热表面的几何因素; (5) 流体的物理性质。在这一部分我们最关心的是对流换热系数, 通过分析知道粘性流体在壁面上流动时, 由于粘性的作用, 在靠近壁面的地方流速逐渐减小, 而在贴壁处流体将被滞止。贴壁处这一极薄的流体层相对于壁面是不流动的, 壁面与流体间的热量传递必须穿过这个流体层, 而热量传递方式只能是导热。因此将傅立叶定律应用于贴壁流体层, 就把对流换热系数和流体的温度场联系起来。为了求解有关未知数, 需用质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程, 这就使学生对对流换热系数的求解过程有总体的概念。对“对流换热的数学描写”、“层流边界层微分方程组”等内容, 注重对建立方程的简化, 假设条件的讲解, 以及有关准则数物理意义的分析, 即把时间花在重点和难点的讲解。这部分的实验关联式较多, 主要讲解特征长度的选取, 定性温度的选择, 局部换热系数和平均换热系数的区别。对某一具体问题如何选择恰当的关联式以及在允许的误差范围内对同一问题用不同公式计算的合理性, 培养学生工程应用能力。对于特征数方程和实验数据存在误差的问题, 要引导学生用辨证和发展的眼光来看待, 一个复杂的物理现象往往要经历长时间的探索, 而目前的误差反映了现有的认识水平。

四、热辐射部分

我们把这部分的主要概念分成四组: (1) 吸收率、反射率、透射率以及对应的黑体、镜体、透明体; (2) 黑体辐射力、黑体单色辐射力及黑体辐射基本定律; (3) 黑度、单色黑度及定向黑度; (4) 投入辐射、光谱吸收比、灰体及基尔霍夫定律。每一组的概念存在数量关系和交叉关系。通过这种有意识地划类比较, 更能清楚地揭示概念之间的内在联系, “信息”特征鲜明, 从而有利提高学生的理解性、记忆力。角系数是这一部分的重点和难点, 为了让学生理解角系数是与几何相对位置有关, 我举了大量的例子, 让学生在解题过程中灵活应用角系数的各项性质, 加深理解。在多表面系统辐射换热的计算中, 采用换热等效网络图, 重点讲解了有一个表面为黑体和有一个表面绝热的区别, 这样学生就明白为什么一个能采用并联热阻的求解法而另一个却不能的原因。

传热学是一门工程应用性很强的学科, 需要考虑综合经济问题, 像如何正确处理增强传热和流动阻力增大的矛盾。能量守恒是热传递现象所遵循的一个基本规律, 《传热学》的形成、发展与它的运用息息相关。能否通过课程教学深刻理解热传递过程与能量守恒的关系, 并基本掌握建立能量方程的方法与技巧, 就成为提高学生解决问题能力的关键之一。随着计算机的迅速发展及应用的普及, 热物理问题的数值模拟方法已越来越显示出其重要的作用, 向学生介绍一些大型的商业计算软件, 如:Fluent、ANSYS等, 同时使学生了解传热学在现代生物医学、高新技术中的重要作用, 这能够启发学生善于发现和解决工程问题, 调动学生的学习积极性以及学习的创新热情, 进一步巩固所学理论知识, 提高工程实践能力和学习兴趣, 培养应用型高级技术人才。

摘要：《传热学》是热能工程专业的一门主干课程, 也是发展石油化工科技的支柱学科之一。本文对传热学课程的教学作了分析, 得出应提高学生解决具体问题的能力, 培养应用型人才的目的。

关键词：传热学,教学探讨,基本概念

参考文献

[1]杨世铭, 陶文铨.传热学[M].北京:高等教育出版社.1998.

热管传热特性的物理试验研究 篇7

1 热管传热性能的物理模型试验

本试验通过自制的一套制冷保温系统对热管的冷凝段的空气温度进行制冷控温, 以实现对热管冷凝段的人工冷却。在人工冷却热管冷凝段的条件下, 对热管冷却试验土体的传热性能和土体的温度场等进行分析研究。

试验采用的热管参数如下。

外经:42mm;总长:2520mm;肋片高度:21mm;肋片厚度:1.2mm。

肋片数:32;工质:氨;充液率:12%。

热管埋入土中长度为1720, 外露800作为冷凝散热段。

试验土样采用饱和细砂, 为便于描述, 下文统称为“土体”。

2 热管传热性能物理模型试验结果分析

2.1 土体中各测点温度变化分析

沿热管径向不同距离处土体温度随试验时间的变化情况如图1所示。

试验后期稳定阶段土体的温度场分布情况如图2所示。

2.2 土体冻结速率分析

对试验后期稳定阶段的土体温度场进行分析可知, 在试验系统达到稳定时, 部分土体发生了冻结, 本节拟对土体的冻结速率进行分析。如表1所示。

3 结语

通过对物理模型试验结果进行分析和对比, 可以得出如下结论。

(1) 在人工冷却热管冷凝段试验过程中, 土体沿热管径向存在着明显的温度梯度:土体温度随着热管径向距离的增加而逐渐升高, 并且, 冷凝段控制温度越低, 径向的温度梯度越明显。

(2) 热管工作时, 其蒸发段管壁温度底部温度较高, 其他各处温度相对较低并且温度比较均匀, 具有较好的恒温特性;在试验前期冷凝段管壁温度随着冷凝段的空气温度而有一定波动, 在试验后期阶段, 整个系统的传热相对比较平稳, 冷凝段和蒸发段的管壁温度则基本保持不变, 并且随着冷凝段空气温度的降低, 热管的工作温差相应增大, 冷凝段控温为-20℃和-10℃的试验分组后期的热管工作温差约为3.3℃和0.8℃。

(3) 在长期稳定的工作状况下, 热管冷凝段的空气温度、土体的初始温度是影响热管工作效果和系统稳定后的温度场分布的重要因素。

参考文献

[1]赵秀锋, 郭东信.中国科学院青藏高原综合观测研究站年报 (第3卷) [M].兰州:兰州大学出版社, 1995.