1、- 1 -热能工程高新技术导论系列讲座目录1流化床设计主要内容：流化介质操作速度、流化数与孔板开孔率等。2对流传热与相似原理主要内容：对流传热系数研究基础 3蓄热室传热4竖炉热交换5肋传热效能主要内容：肋高、肋厚、肋间距、肋材质和传热系数。6干燥技术与应用主要内容：干燥时间、干燥物料温度、干燥介质温度等。7中央空调冷负荷确定8冬季室外温度下大型宾馆供暖、热水供应、通风联合调节控制模型讲座人：东北大学热能工程 王国恒修订人：中冶华天南京工业炉有限公司 王浩- 2 -热能工程高新技术导论系列讲座之三蓄热室传热讲座主要内容一、蓄热室传热特点二、蓄热室周期传热系数的理论推导利用工艺制度系数导出的多座蓄
2、热室(包括两座蓄热室)交替工作的不同形状蓄热体周期传热系数统一计算公式。三、蓄热体最佳厚度(直径)推导及其与换向时间的关系式四、蓄热体利用系数与蓄热室工作效能。五、例题求出蓄热体最佳厚度和蓄热室换热面积六、强化蓄热室周期传热系数措施优化七、蓄热室内最佳烟气速度和最佳空气速度确定方法八、蓄热体材质热物性参数的定量确定听讲对象：从事工业炉、炼铁高炉热风炉等专业技术人员教 材：自编 1 2 页- 3 -一、蓄热室内传热过程特点1是一种换热设备要求温度高烟气温度高排烟温度低2废气与空气走同一通道加热期：加热蓄热体的时间或通热气体的时间，用 表示。1(时间周期)1冷却期：冷却蓄热体的时间或通冷气体的时间
3、，用 表示。2(时间周期)2整个周期： (时间周期)210若 则21若 表示为 则2121101 烧 l 吹： 212 烧 l 吹： (高炉热风炉)3 烧 l 吹： 213工艺制度系数。3蓄热体内的传热为不稳定传热 0t且为第二类边界条件，即通过表面传热热流为常数下的传热，主要时间内蓄热体内部处于“正规”阶段。所以： (1)2sqtt表中表 式中： 蓄热体表面与中心温度差，； t- 4 - 蓄热体表面温度，；表t 蓄热体中心温度，；中 通过蓄热体表面面积热流， ；表q hmJ2/S 透热深度(蓄热体厚度之半或直径之半)，m； 蓄热体导热系数， 。w/4蓄热体表面温度随时间变化呈抛物线分布(2)
4、(32minaxmin1表表表表 ttt(3)ii2表表表表 式中： , 分别为加热期内和冷却期内蓄热体表面平均温度；1表t表加热期内即整个周期内蓄热体表面的最高温度；max表冷却期内即整个周期内蓄热体表面的最低温度；in表t由(2)、(3)两式得：(4)(31minax21表表表表 ttt或：(5)）（ 表表表表 21minaxttt5蓄热体断面温度分布也呈抛物线分布加热期末： (6)1ax1tkt表蓄 冷热期末： (7)2min2表蓄 式中： 加热期终了时蓄热体的平均温度；1蓄t冷却期终了时蓄热体的平均温度；2蓄加热期终了时蓄热体表面与中心温差；1t冷却期终了时蓄热体表面与中心温差：2k
5、形状系数。- 5 -注：平板 k=1，图柱体 k=2，球 k=3。二、蓄热室传热系数周期传热系数 ，KJ/m 2per。01假定：(1) 冷气体、热气体在蓄热室内分布均匀；(2) 没有热损失，冷气体得到热量就是热气体失去的热量；(3) 蓄热室为密封体，没有气体的吸入与溢出；(4) 加热期热气体给蓄热体的面积热流为 (KJm 2h)1q冷却期蓄热体给冷气体的面积热流为 (KJm 2h)2根据上述没有热损失的假定：(8)021q周期面积热流，KJm 2per。0q(5) 假定气体对蓄热体加热冷却都是对称的。令 G 为单位换热面积的蓄热体重量，则：, Kg/m2 (9)ks式中：s 透热深度 m；
6、蓄热体密度 kgm 3；k 形状系数。平板 k =1，图柱体 k =2，球 k =3。G 平板 =sG 图柱体 =s /2G 球体 =s /3如：球体： 31432sR表 面 积重 量2列出传热方程和热平衡方程将两个不同阶段传热过程综合起来看热气体直接向冷气体传热，蓄热体吸热和放热视为中间过程。- 6 -(1) 传热方程：KJ/m2per (10)(210tKq式中： 热气体在加热期 内的平均温度， ：1t 1 冷气体在冷却期 内的平均温度，；2 2 周期传热系数，KJ/m 2per。0k(2) 加热期传热方程：KJ/m2per (11)110)(表tq式中： 热气体与蓄热体表面之间的综合传热
7、系数，w/m 2，或 KJm 2h。注： 11辐对 (3) 冷却期传热方程：KJ/m2per (12) 220)(tq表式中： 蓄热体与冷气体之间的综合传热系数，w/m 2，或 KJm 2h。注： 2辐对 (4) 热平衡方程：对蓄热体，整个周期 0内即加热期和冷却期终了时热量改变增量，即热焓的增加：KJ/m2per (13)(210蓄蓄 tGCqp式中： 蓄热体比热，KJ/kg。3蓄热效率系数： 定义：蓄热体断面有温差时所蓄有的热量与蓄热体断面无温差时所蓄有的热量之比。(14)(minax0表表 tGCqp- 7 -故： (15)(minax0表表 ttGCqp又： )(inax21表表 蓄蓄
8、 tp由式(6)(7)得：整理得： )()(2)(minax21inmax表表表表 tGCtktppp 所以：(16)021)(2qktGCp考虑到其它操作制度： 2121因为蓄热室无热损失 10q即： 12q所以：由式(1) 011)2()qksGCp由式(8) 1)(1ksp由式(9) ( , )1212 )()( akSCSp pChm/2( )02)(1ak 01(17)02)(kS)()22(minaxi1max表表 表表 tGCtkktpp - 8 -4导出蓄热室周期传热系数 :0K由(10)、 (11)、(12)、(13)、(14)式： )()()()( minax2211210
9、 表表表表 ttGCtttKq p ptk3210 表表表表 )(3minax21表表表表 ttt由等比定理： pGCtktq3112021故：(18)021031RKp式中： 周期热阻R210蓄 热气体传热总热阻， 冷气体传热总热阻。2R 蓄热体蓄热热阻。蓄其中： 1122RpGC31蓄由(18)式： (19)pK120将 表达式(17)代入 并注意到 ， 可得：蓄RKSGpCa(20)2(1(30kCSkp蓄- 9 -周期传热系数 ，的最终表达式为：0KKJ/m2per (21)20210 1)(1(3 kSCSkp三、蓄热体蓄热热阻 R 蓄与蓄热体最佳透热深度 S由(20)式看出： 越，
10、第一项热阻小，第二项热阻大所以 必有合理值。S令 0 R蓄蓄(22)0)2(1(32 kCSkp蓄看出 所以 有最小值，故对应 有最佳值。pR3“12蓄 0“蓄R蓄 S由(22)式得蓄热体的最佳透热深度：(23)20)1(kaSm)(pCa式中： 蓄热体导温系数， m2h： 0 整个周期时间，h：k 蓄热体形状系数； 工艺制度系数。四、蓄热体利用系数，R pGCtttKtq31122021 表表表表 由中间三个等式得： R210- 10 -式中： 蓄热体利用系数.R21tR表表五、例题设计一对砖砌蓄热室。要求将空气从 =30加热到 =1000，烟气入蓄2t“2t热室温度 =1350烟气量 V1
11、=4000Nm3h，空气量为 V2=3600Nm3h。砖1t密度 =1700kg m 3，导热系数 =1.48kcalmh比热Cp=0.4kcal kg。设换向时间为 0.25 小时。求砖最佳厚度和蓄热室换热面积。解：1确定最佳厚度 hmCap /1076.240178. 23kS 0853)1(230 砖最佳厚度 2S=0.057 m2确定换热面积：一周期内空气从烟气获得热量： percaltCVQp /2805.)3.0132.(60)(2“22 一周期内烟气带入热量：percaltp /495.57.4011 一周期内烟气自蓄热室带走的热量：(设热损失为 5) =0.9549500028
12、0000=190000 kcal/per失Q废气 1m3 的热量(即热焓) ： 3/1904Nmkcali废 tCp废查 i - t 图得废气温度 =550“1t- 11 -烟气与空气之间平均温度差：4303051ln)()13(mt计算蓄热室周期传热系数：己通过计算得hmkcal21/42 2010 1)34(SCKp 5.01)48.54.70285.(3.41 permkcal2/183991单位时间传热系数：hmkcalK20/36.58.蓄热室换热面积(一个蓄热室)： 20204318.tQFm六、强化蓄热室周期传热系数优化措施：上面例题得：permkcalK20 /18.39.04
13、.9.1看出 2R1蓄强化措施 1减少 ：蓄R 、 、C p 加倍 0127.)5.0129.(3)5.0284.30285.1( 蓄permkcalK0 /979- 12 -提高 0K 5.7108.342强化措施 2减少 ：1R减少一半、即增大 一倍、 =0.0451R1R7.39.045.0. K提高 61837强化措施 3减少 ：2R减少一半、即增大 一倍、R 2=0.0952R5.409.35.09.1K提高 384减少哪个那个热阻最有效，显然应减少 最有效。2R结论： 中那个热阻大减少那个最有效。本例题中应提高空气速度。0K七、最佳烟气速度与最佳空气速度确定方法若蓄热体材质己确定，
14、上面例题最佳烟气、空气速度的条件是：= = =0.03451R2蓄 0345.2.1116 161辐 射对11辐 射由 计算式立刻可得烟气最佳速度。对同理： =0.0345 2R226辐 射对 由 计算式也得到空气最佳速度。对八、蓄热体材质若： 、 不能减少到与 匹配的热阻值，说明 不需要那么小1R2蓄R蓄R- 13 -、 ，不必选择那么大。pC- 14 -附：1. 平板平均温度计算平板两面加热，其平均温度可以表示为：(1)LSt其中 S 为图 l 中阴影部分的面积，L 为阴影部分底边长。因平板两侧加热，阴影部分关于纵坐标对称，故： (2)3201表表中表表 xtxtd(3)表L(4)23表中
15、 xtSt平板中的温度分布曲线可以表示为：(5)中tt2所以 (6)tx中表表由式(4)、(6)可得(7)tt32表图 l 平板加热平均温度分布2圆柱体平均温度计算圆柱体四周加热，其平均温度可以表示为：(8)SVt- 15 -其中 V 是图 2 中阴影部分体积，S 是圆柱体底面积。 2020rtxdzrdzrd中 表 (9)420 1)(表中表中表 xttx(10)表S所以 (11)21表中 xtVt由式(6)、(11)可得(12)ttttt 422)( 表表表图 2 圆柱体加热平均温度分布3. 球体平均温度球体周围加热，其平均温度可以表示为： (13)Vtt其中 Vt是图 3 中温度在球体上的积分， V 是球体积。(14)5320 4)(4表表中中表 xtdrtrxt (15)3表x所以 (16)25表中tVt由式(6)、(16)可得(17)tttxt 523)(32表表表中- 16 -图 3 球体加热平均温度分布
