长沙理工大学：《高等传热学》课程教学资源（实验案例）高等传热学案例库

高等传热学教学案例库

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目录 案例一二维稳态导热温度场计算… 案例二管道保温系统设计…3 案例三管壳式换热器设计…6 案例四超声波除垢及强化传热技术…10 案例五太阳能诱导通风流场及温度场分布…13 案例六方管保温特性数值解析…21

目录 案例一 二维稳态导热温度场计算……………………………………………………………1 案例二 管道保温系统设计……………………………………………………………………3 案例三 管壳式换热器设计……………………………………………………………………6 案例四 超声波除垢及强化传热技术…………………………………………………………10 案例五 太阳能诱导通风流场及温度场分布…………………………………………………13 案例六 方管保温特性数值解析………………………………………………………………21

案例一二维稳态导热温度场数值计算 1知识点 (1)导热微分方程与边界条件： (②)导热微分方程的离散与代数方程的建立： (3)导热微分方程的求解方法： (4)计算机编程在求解导热微分方程的应用： 2案例实施 (1)导热微分方程 (2)边界条件： 左侧壁面：第三类边界条件： 其它壁面：第一类边界条件 (3)导热微分方程的离散： la-2+lecam20 △y1 图1二维稳态温度场数值计算结果

1 案例一 二维稳态导热温度场数值计算 1 知识点 (1)导热微分方程与边界条件； (2)导热微分方程的离散与代数方程的建立； (3)导热微分方程的求解方法； (4)计算机编程在求解导热微分方程的应用； 2 案例实施 (1)导热微分方程： (2)边界条件： 左侧壁面：第三类边界条件； 其它壁面：第一类边界条件 (3)导热微分方程的离散： 图 1 二维稳态温度场数值计算结果 0 2 2 2 2 = ¶ ¶ + ¶ ¶ y t x t 0 2 2 2 , 1 , , 1 2 1, , 1, = D - + + D + - + - + - y t t t x t t t m n m n m n m n m n m n

图1为二维稳态导热温度场计算程序界面与计算结果，可以通过改变材料的 导热系数、密度、比热及边界温度来计算不同的导热系数、密度、比热及边界温 度情况下的温度分布并获得温度分布规律。 3分析与讨论 (1)对流换热系数变化对腔体内温度场有何影响？ (2)如何改进二维稳态温度场计算程序求解其它导热问题？ (3)温度场计算还有其它什么计算方法？

2 图 1 为二维稳态导热温度场计算程序界面与计算结果，可以通过改变材料的 导热系数、密度、比热及边界温度来计算不同的导热系数、密度、比热及边界温 度情况下的温度分布并获得温度分布规律。 3 分析与讨论 (1)对流换热系数变化对腔体内温度场有何影响？ (2)如何改进二维稳态温度场计算程序求解其它导热问题？ (3)温度场计算还有其它什么计算方法？

案例二管道保温系统设计 1案例背景 管道保温广泛应用于建筑供热供暖、空调与通风、油气储存与运输，低温液 体储运、电力锅炉烟道、锅炉高温蒸汽输送等领域，是企业节能的重要环节之一。 管道保温是影响节能的重要因素，管道保温越来越受到世界各国的普遍重视。20 世纪70年代后，国外普遍重视管道保温，力求大幅度减少能源的消耗量，从而 减少环境污染和温室效应。1980年以前，我国管道保温的发展十分缓慢，但中 国管道保温工业经过30多年的努力，特别是经过近10年的高速发展，不少产品 从无到有，从单一到多样化，质量从低到高，应用越来越普遍。因此管道保温系 统的设计在工程中具有广泛的应用前景。 2知识点 (1)临界热绝缘直径： (2)多层圆管壁稳态导热： (3)流体横掠单管对流换热： (4)计算机编程在传热学中的应用： 3案例实施 图1管道保温工程示例

3 案例二 管道保温系统设计 1案例背景 管道保温广泛应用于建筑供热供暖、空调与通风、油气储存与运输，低温液 体储运、电力锅炉烟道、锅炉高温蒸汽输送等领域，是企业节能的重要环节之一。 管道保温是影响节能的重要因素，管道保温越来越受到世界各国的普遍重视。20 世纪 70 年代后，国外普遍重视管道保温，力求大幅度减少能源的消耗量，从而 减少环境污染和温室效应。1980 年以前，我国管道保温的发展十分缓慢，但中 国管道保温工业经过 30 多年的努力，特别是经过近 10 年的高速发展，不少产品 从无到有，从单一到多样化，质量从低到高，应用越来越普遍。因此管道保温系 统的设计在工程中具有广泛的应用前景。 2 知识点 (1)临界热绝缘直径； (2)多层圆管壁稳态导热； (3)流体横掠单管对流换热； (4)计算机编程在传热学中的应用； 3 案例实施 图 1 管道保温工程示例

内程星理材件 長沙照工大 2" 保温大师 内博成理厚变《：) 透 腾餐 出 图2管道保温系统设计计算界面 n华nt, 分界医平n度（心） 温 大 超 工程计非意数输入 光野不臀 光骨想餐 出 图3管道保温系统设计计算结果 图1为管道保温工程示例，钢管外敷设保温材料减少钢管内流体与外部环境 热量交换，从而减少热量损失。应用多层圆管壁导热与流体横掠单管对流换热的 计算方程，通过编程方法管道保温系统设计计算软件，其程序界面如图2。管道 保温计算软件可以计算在不同保温材料及不同管道长度时单双层保温情况下管 道出口温度、管道散热损失。通过在管道保温设计计算软件输入相关工程参数， 可以方便计算出管道热量损失及管道出口温度等工艺参数，用来指导管道保温工 程设计

4 图 2 管道保温系统设计计算界面 图 3 管道保温系统设计计算结果 图 1 为管道保温工程示例，钢管外敷设保温材料减少钢管内流体与外部环境 热量交换，从而减少热量损失。应用多层圆管壁导热与流体横掠单管对流换热的 计算方程，通过编程方法管道保温系统设计计算软件，其程序界面如图 2。管道 保温计算软件可以计算在不同保温材料及不同管道长度时单双层保温情况下管 道出口温度、管道散热损失。通过在管道保温设计计算软件输入相关工程参数， 可以方便计算出管道热量损失及管道出口温度等工艺参数，用来指导管道保温工 程设计

4分析与讨论 (1)不同保温材料对管道保温性能的影响？ (2)管道置于室内与室外对管道散热量有何影响？ (3)管道内径对管道散热量有何影响？ (④)不同保温层厚度情况下管道保温性能如何变化？

5 4 分析与讨论 (1)不同保温材料对管道保温性能的影响？ (2)管道置于室内与室外对管道散热量有何影响？ (3)管道内径对管道散热量有何影响？ (4)不同保温层厚度情况下管道保温性能如何变化？

案例三管壳式换热器设计 1案例背景 管壳式换热器作为一种传统的标准换热设备，在化工、炼油、石油化工、动 力、核能和其他工业装置中得到普遍采用，特别是在高温高压和大型换热器中的 应用占据绝对优势。 管壳式换热器由壳体、传热管束、管板、折流板（挡板）和管箱等部件组成 (见图1与图2)。壳体多为圆筒形，内部装有管束，管束两端固定在管板上。 进行换热的冷热两种流体，一种在管内流动，称为管程流体：另一种在管外流动， 称为壳程流体。为提高管外流体的传热分系数，通常在壳体内安装若干挡板。挡 板可提高壳程流体速度，迫使流体按规定路程多次横向通过管束，增强流体湍流 程度。换热管在管板上可按等边三角形或正方形排列。为提高管内流体速度，可 在两端管箱内设置隔板，将全部管子均分成若干组。这样流体每次只通过部分管 子，因而在管束中往返多次，这称为多管程。同样，为提高管外流速，也可在壳 体内安装纵向挡板，迫使流体多次通过壳体空间，称为多壳程。多管程与多壳程 可配合应用。 图1管式换热器二维图

6 案例三 管壳式换热器设计 1案例背景 管壳式换热器作为一种传统的标准换热设备，在化工、炼油、石油化工、动 力、核能和其他工业装置中得到普遍采用，特别是在高温高压和大型换热器中的 应用占据绝对优势。 管壳式换热器由壳体、传热管束、管板、折流板（挡板）和管箱等部件组成 （见图 1 与图 2）。壳体多为圆筒形，内部装有管束，管束两端固定在管板上。 进行换热的冷热两种流体，一种在管内流动，称为管程流体；另一种在管外流动， 称为壳程流体。为提高管外流体的传热分系数，通常在壳体内安装若干挡板。挡 板可提高壳程流体速度，迫使流体按规定路程多次横向通过管束，增强流体湍流 程度。换热管在管板上可按等边三角形或正方形排列。为提高管内流体速度,可 在两端管箱内设置隔板，将全部管子均分成若干组。这样流体每次只通过部分管 子，因而在管束中往返多次，这称为多管程。同样，为提高管外流速，也可在壳 体内安装纵向挡板，迫使流体多次通过壳体空间，称为多壳程。多管程与多壳程 可配合应用。 图 1 管式换热器二维图

图2管式换热器三维图 2工程计算实例 欲设计一台管壳式空气冷却器，空气在壳侧流动，空气进口温度为=110℃， 出口温度为1=40℃，进口处空气体积流量4.68m/s,平均定压比热 C=1009J/(Kg.K)。冷却水在管内流动，进口水温，=30℃，出口水温为1=38℃。 为强化传热，采用铜质环肋的肋片管，其基管外径d。=26mm,壁厚8=1mm,肋化 系数（加肋后肋片侧总表面积与该侧未加肋时的表面积之比）9.6，肋面总效率 =0.91,材料导热系数=398w/(血.K)。该冷却器的总管数108根，水侧流程数 为4，空气侧流程数为1。空气与冷却水的流动方向相反。已知空气侧表面传热 系数h=206W/(m.K)。 试求(1)试求冷却水质量流量： (②)计算该管壳式空气冷却器的传热面积。 3知识点 (1)换热器形式： (2)换热器设计计算： (3)对数平均温差： (4)能量守恒定律： 4案例实施 (1)实施步骤

7 图 2 管式换热器三维图 2 工程计算实例 欲设计一台管壳式空气冷却器，空气在壳侧流动，空气进口温度为 =110℃， 出 口 温度为 =40℃ ， 进 口 处 空气体 积 流 量 4.68m3 /s ， 平均定压 比 热 C1=1009J/(Kg.K)。冷却水在管内流动，进口水温 =30℃，出口水温为 =38℃。 为强化传热，采用铜质环肋的肋片管，其基管外径 do=26mm，壁厚 δ=1mm，肋化 系数(加肋后肋片侧总表面积与该侧未加肋时的表面积之比)β=9.6，肋面总效率 η0=0.91，材料导热系数 λ=398W/(m.K)。该冷却器的总管数 108 根，水侧流程数 为 4，空气侧流程数为 1。空气与冷却水的流动方向相反。已知空气侧表面传热 系数 h0=206W/(m.K)。 试求(1)试求冷却水质量流量； (2)计算该管壳式空气冷却器的传热面积。 3 知识点 (1)换热器形式； (2)换热器设计计算； (3)对数平均温差； (4)能量守恒定律； 4 案例实施 (1)实施步骤 ' 1t '' 1t ' 2t '' 2t

①判断换热器形式： ②计算冷热流体换热量； ③利用热平衡原理，冷流体吸收的热量等于热流体放出的热量： ④若一侧热量无法直接求出，则利用对流换热计算关联式，计算对流换热系 数值 ⑤求对流平均温差，若非套管换热量，则需进行对数平均温差的修正。 (2)实施过程 ①查空气物性参数，得110℃时，p=0.922kh/m 空气质量流量：m=4.68×0.922=4.315kg/s 冷却水质量流量： %-e-4-0-47482000-40=9127g1: mcpl 4.315×1009 换热量： p=m,cp1G-1)=4.315×1009×(110-40)=304.768kW ②冷却水流速： ll =m 9.127 =0.752m/s ,--8200 =2.44×10 流动状态为紊流： Nu,=0.023Reg8Pr=0.023×2440008×4.8650.4=140.11 0.627 =3660.4W1m2.K) 纯逆流时： -4--10-38)0-30-3141℃ h110-38 40-30 p-德动-0a

8 ①判断换热器形式； ②计算冷热流体换热量； ③利用热平衡原理，冷流体吸收的热量等于热流体放出的热量； ④若一侧热量无法直接求出，则利用对流换热计算关联式，计算对流换热系 数值； ⑤求对流平均温差，若非套管换热量，则需进行对数平均温差的修正。 (2)实施过程 ①查空气物性参数，得 110℃时，ρ=0.922kh/m3 空气质量流量：m2=4.68×0.922=4.315kg/s 冷却水质量流量： 换热量： ②冷却水流速： 流动状态为紊流： 纯逆流时： ℃ t t kg s c t t m c m p p (110 40) 9.127 / 4174 (38 30) 4.315 1009 ( ) ( ) '' 1 ' ' 1 2 '' 2 2 1 1 2 ´ - = ´ - ´ - = - = m c p (t t ) 4.315 1009 (110 40) 304.768kW '' 1 ' f = 1 1 1 - = ´ ´ - = m s n d m u 0.752 / 0.024 4 4 108 993.95 9.127 4 2 2 2 2 2 = ´ ´ ´ = = p p r 4 6 2.44 10 0.742 10 0.024 0.752 Re = ´ ´ ´ = = - f f du n 0.023Re Pr 0.023 24400 4.865 140.11 0.8 0.8 0.4 = = ´ ´ = n Nu f f f 3660.4 /( . ) 0.024 0.627 140.11 2 W m K d h Nu f = f = ´ = l 31.41 40 30 110 38 ln (110 38) (40 30) ln '' ' ' '' = - - - - - = D D D - D D = t t t t t逆流 0.114 110 30 38 30 ' 2 ' 1 ' 2 '' 2 = - - = - - = t t t t P