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1、传热的的强化与抑制化与抑制主要内容主要内容一、回一、回一、回一、回顾顾:传热传热的三种方式及基本的三种方式及基本的三种方式及基本的三种方式及基本计计算算算算二、二、二、二、环环境工程中境工程中境工程中境工程中传热传热的的的的应应用用用用三、三、三、三、总结总结主要内容主要内容一、回一、回一、回一、回顾顾:传热传热的三种方式及基本的三种方式及基本的三种方式及基本的三种方式及基本计计算算算算二、二、二、二、环环境工程中境工程中境工程中境工程中传热传热的的的的应应用用用用三、三、三、三、总结总结热量传递的方式根据传热介质的特征,热量传递的过程主要有三种方式:凡是有温差存在的地方,就必然有热量传递。热
2、传导:通过物质的分子、原子和电子的振动、位移和相互碰撞发生的热量传递过程热对流:流体中质点发生相对位移而引起的热量传递过程。通常认为是流体与固体壁面之间的热传递过程。(自然对流传热和强制对流传热)热辐射:物体由于热的原因而发出辐射能的过程。(不需要任何物不需要任何物质作媒介作媒介)间壁式换热器热量传递过程:(1)热量由热流体传给固体壁面(2)热量由壁面的热侧传到冷侧(3)热量由壁面的冷侧传到冷流体对流传热对流传热导热对流对流导热稳态传热:热传导-单层平壁的稳态热传导总结:不同方式下的计算总结:不同方式下的计算总结:不同方式下的计算总结:不同方式下的计算传导距离越大,传热壁面和导热系数越小,则导
3、热热阻越大热传导-多层平壁的热传导串联热阻叠加原则 热传导-通过圆管壁的稳定热传导热对流-对流传热系数的经验式总结:不同方式下的计算总结:不同方式下的计算总结:不同方式下的计算总结:不同方式下的计算流体在圆形直管内呈强烈的湍流状态流动流体在圆形直管内呈层流状态流动流体在圆形直管内呈过渡流状态流动:对流传热系数可先用湍流时的经验式计算,再乘以小于1的修正系数流体在圆形直管内呈强烈的湍流状态流动总结:不同方式下的计算总结:不同方式下的计算总结:不同方式下的计算总结:不同方式下的计算2023/12/309K总传热系数,系数,W/(m2K)twTw管内管内对流流管外管外对流流导热冷冷流流体体热流流体体
4、tTdQdQ1dQ3dQ2总传热系数总传热系数2023/12/3010管内管内对流流 管外管外对流流 管壁管壁热传导稳态传热 twTw管内管内对流流管外管外对流流导热冷冷流流体体热流流体体tTdQdQ1dQ3dQ22023/12/3011(1)平壁)平壁 dA=dA1=dA2=dAm讨论:(2)以外表面)以外表面为基准基准 (dA=dA1)以以内表面内表面为基准:基准:Rd1、Rd2传热面两面两侧的的污垢垢热阻,阻,(m2K)/W(3)污垢垢热阻阻 【选选一一一一选选】1.换热器中任一换热器中任一 截面上的对流传热速率截面上的对流传热速率=系数系数推动力推动力,其中推动力是指(其中推动力是指(
5、)A 两流体温差度两流体温差度(T-t)B 冷流体进、出口温度差冷流体进、出口温度差(t2-t1)C 热流体进、出口温度差热流体进、出口温度差(T2-T1)D 液体温度和管壁温度差液体温度和管壁温度差(T-Tw)或或(tw-t)【选选一一一一选选】换热器中任一换热器中任一 截面上的对流传热速率截面上的对流传热速率=系数系数推动力推动力,其其中推动力是指(中推动力是指(D)A 两流体温差度两流体温差度(T-t)B 冷流体进、出口温度差冷流体进、出口温度差(t2-t1)C 热流体进、出口温度差热流体进、出口温度差(T2-T1)D 液体温度和管壁温度差液体温度和管壁温度差(T-Tw)或或(tw-t)
6、【算一算算一算算一算算一算】1.有有一一单单程程列列管管换换热热器器,由由*25mm2.5mm 的的 136 根根钢钢管管组组成成。用用110的的饱饱和和水水蒸蒸气气加加热热管管内内某某溶溶液液(冷冷凝凝液液排排出出温温度度为为 110)。已已知知溶溶液液流流量量为为 15000kg/h,其其平平均均比比热热容容 4.187103/(kg),溶溶液液由由 15加加热热到到 100。若若已已知知管管内内对对流流传传热热系系数数为为 520W/(),管管外外的的对对流流传传热热系系数数为为1.16104W/(),钢钢管管导导热热系系数数为为 45W/(),则则换换热热器器列列管管长长度度为为多多少
7、少米米?(垢垢层层热热阻阻和和热热损损失失可可忽忽略略不计不计)。【算一算算一算算一算算一算】解:解:又又S0=nd0L【算一算算一算算一算算一算】2.在在逆逆流流操操作作的的套套管管换换热热器器中中,用用15的的冷冷水水冷冷却却某某溶溶液液。已已知知溶溶液液的的流流量量为为1800kg/h,平平均均比比热热为为4.18kJ/(kg),其其进进口口温温度度为为80,出出口口温温度度为为50,冷冷却却水水出出口口温温度度为为35,该该 换换 热热 器器 尺尺 寸寸 为为 外外 管管 108mm4mm,内内 管管57mm4.5mm,长长6mm,则则基基于于内内表表面面积积的的总总传传热热系系数数为
8、多少?(假设换热器的热损失可忽略)为多少?(假设换热器的热损失可忽略)【算一算算一算算一算算一算】解:解:【算一算算一算算一算算一算】3.传热面积为15的列管式换热器,壳程用110的饱和蒸汽将管程某溶液由20加热到80,溶液的处理量为2.5104 kgh-1,比热为 4 kJkg-1K-1,试求此操作条件下的传热系数,又该换热器使用一年后,由于污垢热阻增加,溶液出口温度将至70,若要使出口温度仍未80,加热蒸汽温度至少要多高?解:解:污垢热阻未增加前污垢热阻未增加前污垢热阻增加后污垢热阻增加后污垢热阻增加后,仍要使溶液进出口温度不变污垢热阻增加后,仍要使溶液进出口温度不变解得加热蒸汽的温度为解
9、得加热蒸汽的温度为 T=128主要内容主要内容一、回一、回一、回一、回顾顾:传热传热的三种方式及基本的三种方式及基本的三种方式及基本的三种方式及基本计计算算算算二、二、二、二、环环境工程中境工程中境工程中境工程中传热传热的的的的应应用用用用三、三、三、三、总结总结膜法、热法已经发展成为含盐污水主要的深度处理技术。反渗透技术处理产生的高浓度含盐浓水仍然无法处理。因此,含盐污水“零排放”关注的重点已经转移到含盐浓水的处理上。多膜集成-蒸发结晶耦合系统是当前高盐污水实现资源化闭环和循环利用的重要的途径之一。使高盐污水实现资源化闭环和循环利用,促进低成本、高稳定性的蒸发结晶技术和装备发展。【看一看看一
10、看】【看一看看一看】传热、流体传热、流体流动相结合流动相结合【看一看看一看】3D3D建模并网格划分以及数值模拟建模并网格划分以及数值模拟工业含盐污水工业含盐污水降膜蒸发器降膜蒸发器【看一看看一看】在VOF方法中,对于每个控制体积中对应的每个质量控制方程,该相的质量控制方程为:通过求解动量方程获得控制体积中所有相的流场变量:控制体积中所有相的温度场变量由能量方程获得:数学模型数学模型【看一看看一看】本文采用的湍流模型是RNG k-模型,根据工质情况和管内大流量降膜的特性选择,其湍动能方程为:耗散率方程为:本文采用的湍流模型是RNG k-模型,根据工质情况和管内大流量降膜的特性选择,其湍动能方程为
11、:耗散率方程为:研究结果研究结果3 3:降膜蒸发过程的流动降膜蒸发过程的流动与蒸发模拟与蒸发模拟数学模型数学模型降膜蒸发管内的流体分布降膜蒸发管内的流体分布含盐废水速度矢量分布含盐废水速度矢量分布流体在管中心和距管壁1毫米处的速度较大。中心流体的速度在中部和出口部分相对稳定,但是在入口部分出现一些振荡。这主要是因为管中心的流体是液相汽化后产生的水蒸气。由于水蒸气的密度比空气的密度小,下面产生的水蒸气向蒸发管的上部聚集。由于蒸汽不能从入口流出,液体分布器下方会产生摆动。Wang Xinlong et al.Environmental Technology&Innovation,2020,acdb
12、盐水物性参数盐水物性参数盐水物性参数随温度变化盐水物性参数随温度变化Wang Xinlong et al.Environmental Technology&Innovation,2020盐水与纯水在蒸发过程中有着不一样的表现:含盐污水膜的轴向速度略小于纯水膜的轴向速度。含盐污水膜的温度略高于纯水膜。盐水与纯水传热传质对比盐水与纯水传热传质对比轴向轴向/径向速度对比径向速度对比沿管温度分布沿管温度分布Wang Xinlong et al.Environmental Technology&Innovation,2020含盐污水和纯水的液膜厚度在25-100mm范围内迅速减小到0.73mm,然后在2
13、26.3-800mm范围内不断增大,最后在800-1000mm范围内减小。在与进水距离相同的情况下,含盐污水的液膜体积分数小于纯水的液膜体积分数。(液体体积分数定义为0.25的位置是气液界面)液膜厚度沿管分布液膜体积分数分布盐水与纯水传热传质对比盐水与纯水传热传质对比Wang Xinlong et al.Environmental Technology&Innovation,2020液膜轴向速度分布在0-100mm阶段,轴向速度从0.1m/s秒迅速增加到1m/s;在100-900毫米范围内,液膜的轴向速度缓慢增长,最终达到1.6m/s。在50-400mm范围内,轴向速度随着管道直径的增加而减小
14、。在不同的管长条件下,轴向速度沿管长先增大后减小,但在1000 mm处总是达到最大轴向速度。管长与管径的选择管长与管径的选择Wang Xinlong et al.Environmental Technology&Innovation,2020液膜体积分数在管径为50 mm时最低,即在管径为50 mm的条件下,液膜的蒸发速率最快。出口处液膜的体积分数随着蒸发管长度的增加而减小。此外,在900-1800毫米范围内,出口液膜的体积分数缓慢下降。考虑到经济性和效率。取1000毫米管长为宜。不同管径不同管径/管长时液膜沿管的液体体积分数管长时液膜沿管的液体体积分数管长与管径的选择管长与管径的选择Wang
15、 Xinlong et al.Environmental Technology&Innovation,2020壁面处温度分布500mm处径向温度分布轴向温度分布蒸发管内的温度分布直接关系到蒸发管的传热性能。含盐污水进入蒸发管后温度缓慢升高;靠近壁面处液体的温度急剧下降,表明传热过程主要集中在靠近壁面的液膜区域。而蒸汽区域的温度变化范围不大。进口速度的增大会导致整个管内温度的降低。入口速度与管内流体温度的关系入口速度与管内流体温度的关系Liu B.et al.Water Ruse,20210.1m/s0.175m/s0.15m/s0.125m/s100mm600mm入口速度与液膜厚度的关系入口速
16、度与液膜厚度的关系液膜在100-800mm范围内逐渐增厚,这是由于壁面附近出现气泡,所以液膜的厚度增加。在距进口800-1000mm范围内,蒸发过程非常剧烈,所以液膜厚度减小。含盐废水的入口速度与液膜厚度呈现正相关的关系。如右图,管内蒸汽区液体体积分数也会随着入口速度增加而增大。液膜厚度分布距入口100/600mm处液体体积分数Liu B.et al.Water Ruse,2021壁面处温度分布500mm处径向温度分布轴向温度分布管内含盐污水的温差在进口处最大,但在出口处增加到相同的温度。含盐污水进口温度的升高使整个蒸发管内流体的温度升高。含盐污水每增大10K对管内流体带来的温度改变不同,由3
17、13K增大到323K时最为明显。入口温度与温度分布的关系入口温度与温度分布的关系Liu B.et al.Water Ruse,2021313K343K333K323K100mm600mm入口温度与液膜厚度的关系入口温度与液膜厚度的关系在0-600mm范围内,提高进口污水温度对液膜厚度影响不大,但在6001000mm范围内,对液膜厚度影响较大。当液体入口温度升高到333K时,出口液体体积分数小于30%。当液体入口温度升高到343K时,液膜更薄。液膜厚度分布距入口100/600mm处液体体积分数Liu B.et al.Water Ruse,2021污水的径向速度在入口处最大,随后在距离入口0-20
18、0mm范围内急剧下降,并在距入口800mm以后减小到0m/s附近。在距入口80-700mm范围内,入口速度增大,使得蒸发管内径向速度增大,这会导致工作液在蒸发管内的流程增大,提高传热效果。管径比为1.4:1时径向速度分布入口速度与径向速度的关系入口速度与径向速度的关系无论是增加蒸发管的上下管径比还是增加含盐废水的进口速度都会使蒸发管内的液膜径向速度增大,对蒸发效果有明显改善。manscriptmanscript管内局部对流传热系数分布如左图,入口速度不同,管内对流换热系数在250012500W/m2k范围内变化,先增大后减小,在出口处达到最小值。蒸发管中段液膜流速大,局部对流换热系数大。但离出
19、口越近,液膜中气体的体积分数增大使得液膜厚度增加,热阻增大,因此局部对流换热系数较小。入口流速的增大导致管内局部对流换热系数整体增大,最大值越靠近出口入口速度与管内对流传热系数的关系入口速度与管内对流传热系数的关系入口速度与管内对流传热系数的关系入口速度与管内对流传热系数的关系在距进口0350mm范围内,对流换热系数随进口温度的升高而增大。主要原因是在距进口0350mm范围内,污水温度升高,粘度降低,液膜速度增大,对流换热系数增大。在距入口350mm到出口范围内,对流换热系数随入口温度的升高而减小。是由于管内液体温度升高,温差减小,因此对流换热系数减小。管内局部对流传热系数分布Liu B.et al.Water Ruse,2021入口速度与管内对流传热系数的关系入口速度与管内对流传热系数的关系Liu B.et al.Water Ruse,2021管内局部对流传热系数分布当污水进口浓度由2%增加到6%时,局部对流换热系数整体减小。当工质入口浓度增加到8%时,在距入口0520mm范围内,局部对流换热系数继续减小;而在蒸发管后半段,局部对流换热系数增大,但不超过工质进口浓度为2%时的值。总之,在相对较低的盐浓度下,平均对流换热系数变化不大。本次本次课结束,再束,再见!
限制150内