第二章传热

1、第四章 传 热 第一节 传热的基本概念和理论 一、传热的基本方式 根据传热机理的不同，传热有热传导、热对流和热辐射。 1.热传导 物体内部或者物体之间温度差的存在，热 量自动地由高 温处向低温处的传递过程称为热传导，简称导热。导热的实 质是依靠分子的振动或者自由电子的扩散运动，高温物体分 子剧烈地振动并碰撞相邻的低温物体分子，从而将热量传递 给低温物体，直至整个系统的温度均匀一致。 特点：静止物质内；无物质的宏观位移 2.热对流 流体质点因产生相对位移，将热量从一处传递到另一处 的过程，称为热对流。热对流仅发生在流体中。由于引起流 体质点发生相对位移的原因不同，热对流分为自然对流和强 制对流。

2、由于流体各部分温度不同而引起的密度差异，使流 体产生相对运动而发生的热量传递现象，称为自然传热。由 泵、风机或其他外力作用引起对流传热现象，称为强制对流 传热。 流体与固体壁面间的传热；仅流体中；自然对流；强制对流流体与固体壁面间的传热；仅流体中；自然对流；强制对流 3.热辐射 因热的原因物体发出辐射能的过程，称为热辐射，热辐 射又称辐射传热。热辐射是一种以电磁波传递热能的方式。 物体放热时，热能变成辐射能，以电磁波的形式在空间传 播，当遇到另一个物体时，则部分或全部被物体所吸收而变 成热能。辐射传热不仅有能量的传递，而且伴有能量形式的 转换。热辐射不需要任何介质做媒介，可以在真空中传播。 任

3、何物体只要在绝对零度以上，都可以发射出辐射能，但是 只有在高温下物体之间温度差较大时，辐射传热才成为主要 的传热方式。 二、工业中的换热方式 1.间壁式换热 套管式换热器、列管式换热器 套管式换热器是由两根直径不同的直管同心地套在一起而构 成的，一种流体在管内流动，另一种流体在管外环隙中流 动，两种流体通过内管管壁进行热量交换，内管壁的表面积 为传热面积。 套管换热器 列管式换热器主要由壳体、管束、管板和封头等部件构成。 列管式换热器又称管壳式换热器。一种流体在管内流动，称 为管程流体。另一种流体在管外流动，称为壳程流体。根据 管程流体在换热器管束内流过的次数可分为单程、双程、多 程列管式换热

4、器。 冷流体 热流体 列管换热器 螺旋板式换热器 2.直接接触式换热 直接接触式换热是指冷、热流体在传热设备中通过直接混 合的方式进行热量交换，故又称为混合式换热。工业上常用 的设备有凉水塔、喷洒式冷却塔、混合式冷凝器等。 热煤气 冷氨水 直冷塔 3.蓄热式换热 蓄热式换热是指冷、热两种流体交替通过同一蓄热室， 通过填料将来自热流体的热量传递给冷流体，以达到换热的 目的。 热流体 三、稳定传热和不稳定传热 在传热过程中，若各点的温度仅随空间位置变化而不随 时间变化，称为稳定传热，连续生产过程中的传热多为稳定 传热。稳定传热时通过传热表面的传热速率为一个常量。 在传热过程中，若各点的温度既随空间

5、位置变化，又随时 间变化，称为不稳定传热。间歇操作的传热过程为不稳定传 热。 第二节 热传导 一、热传导的基本定律傅立叶定律 在稳定导热时，单位时间内通过壁面的传热量与垂直于 热流方向的导热面积和温度梯度成正比，即 n t dsdQ n t dSdQ dn dt SQ Q - 导热速率，W S - 传热面积，m2 - 比例系数，又称导热系数，W/(m0C) -温度梯度，即热流方向上单位传热距离的温 度变化强度， 0C/m或K/m n t 对一维稳定导热 二、导热系数 dx dt S Q 上式为导热系数的定义式。导热系数的物理意义为： 当温度梯度为1 /m时，每秒通过1m2 导热面积所传导 的热

6、量。导热系数是衡量物质导热能力的一个物理量， 物质的导热系数越大，导热能力越强。 物质的导热系数与物质的组成、结构、温度和压强有 关，通常用实验方法测定，各种物质的导热系数值差别较 大，一般金属固体的导热系数最大，非金属固体的导热系数 次之，液体的导热系数较小，气体的导热系数最小。 在所有的固体中，金属是最好的导热体。金属的导热系数 一般随纯度的增加而增大，随温度的升高而降低。非金属固 体的导热系数随密度的增大而增大，随温度的升高而增大。 与温度的关系 0 - 0 0C时 则 t 0C时的: = 0 （1+ a t） a-温度系数，对于大多数金属材料a 0；对于大多数 非金属材料a 0 液体可

7、分为金属液体和非金属液体。金属液体的导热系数 比一般液体的要高，大多数液态金属的导热系数随温度的升 高而降低。在非金属液体中，水的导热系数最大。除水和甘 油外，绝大多数液体的导热系数随温度的升高而减小，一般 地，纯液体的导热系数比其溶液大 气体的导热系数很小，对导热不利，但有利于绝热、保温。 工业上利用软木、玻璃棉孔隙中的气体的导热系数较小这一 特点，作为绝热、保温材料。气体的导热系数随温度升高而 增大，但随压强的变化很小，可以忽略不计。 在热传导过程中，因物质各截面上温度不同，导热系数也 就不同。所以在工程计算中，应取最高温度t1下的1与最低 温度t2下的2的算术平均值，即m=（ 1+2）/

8、2，或 用算术平均温度tm=（t1+t2）/2查取平均导热系数m。 三、平壁的热传导 1.单层平壁的稳定热传导 t x 0 t1 t2 t1 t2 （1）若= f ( t ) = 0 （1+ a t） dx dt SQ t 2 1 )1 ( 0 0 t t dtatAdxQ 2/ )()( 2 1 2 2120 ttattAQ 2/ )(1)( 21120 ttattA )1)( 120m atttA tm t x 0 t1 t2 t3 令:0 (1+ a tm)= m 则： Q= m A(t1-t2)/ t1 t2 t x 0 t1 t2 t3 令:0 (1+ a tm)= m 则：Q= m

9、 A(t1-t2)/ A tt Q m 21 t1 t2 1 2 3 t t1 t2 t3 t4 x 1 2 3 2.多层平壁的定态导热 若为三层： 1 2 3 1 2 3 A tt Q 1 1 21 1 n i i i n i ii A tt Q 1 1 1 1 对n层平壁导热: （1） （2）热流量Q Q1=Q2=Q3=Q （3）热流密度q（热通量） q =Q/A q1=q2=q3=.=q 四、圆筒壁的热传导 1.单层圆筒壁的热传导 r1 r2 t1 t2 在在r处，取厚处，取厚dr，长，长L的等温薄圆筒壁的等温薄圆筒壁 A=2 rL r2 t2 r1 t1 r dr dt rL dr d

10、t AQ)2( dtL r dr Q2 21 1 2 2lnttL r r Q r2 t2 r1 t1 r 2 1 2 1 2 t t r r dtL r dr Q 21 1 2 ln 2 tt r r L Q 21 1 2 2lnttL r r Q r2 t2 r1 t1 r 21 1 2 12 ln )( tt A A AA Q 1 2 12 ln )( A A AA Am 1 2 12 ln )( A A AA Am A2=2 r2L A1=2 r1L r1 t1 r 当当A2/A1 2 Am=(A2+A1)/2 单层圆筒壁的热传导 Am tt Q 21 1 2 12 ln )( A A

11、 AA Am 2.多层圆筒壁导热 三层： 33 3 22 2 11 1 41 AmAmAm tt Q n层： n i n n n n i nn r r ttL Q 1 1 1 1 ln 1 2 第三节 对流传热 热对流是指流体中质点发生相对位移和混合而引起的热 量传递，热对流仅发生在流体中，它与流体的流动状态有关。 对流传热是指流体与固体壁面间的传热过程。 一、对流传热速率方程 Ww w TTATTA A TT Q )( 对流传热是指湍流主体与固体壁面的传热过程，其传热过 程比较复杂，传热机理也各不相同。工程上采用较简单的处 理方法，将对流传热速率写成如下形式： ttAQ w W TTAQ 当

12、流体被加热时 当流体被冷却时 上述两式是对流传热速率方程，又称牛顿冷却定律。 式中 Q对流传热速率，W A传热面积，m2 T换热器任一截面上热流体的平均温度， Tw换热器任一截面上与流体相接触一侧的壁 面温度， t换热器任一截面上冷流体的平均温度， tw换热器任一截面上冷流体相接触一侧的壁 面温度， 对流传热系数（又称对流传热膜系数、给热 系数），W/（m2 ） 上述两式是对流传热速率方程，又称牛顿冷却定律。式中 冷、热流体的平均温度和壁面温度都是流体流经某一指定截 面上流体的平均温度和壁面温度，所以，式中对流体系数 也只是代表这一指定截面积上的数值，是局部对流传热系数。 在整个换热器中，流体

13、温度和壁温都随流体流动方向而改 变，所以局部对流传热系数也沿流体流动方向而变化。工程 上，为了方便起见，在设计换热器时，都按流体和壁面的平 均温度计算，而对流体传热系数也用平均温度下的平均对流 传热系数的数值，牛顿冷却定律可以表示为： A t tAQ 1 式中 平均对流传热系数，W/（m2k） A总传热面积，m2 流体与壁面温度差的平均值， 对流传热热阻 t A 1 当热流体在换热器管内流动时 当冷流体在换热器管内流动时 式中 、 换热器管内侧和外侧流体对流传热系 数， W/（m2 ） 、 换热器的管内表面积和管外表面积，m2 wii TTSQ ttSQ woo i o i S o S 牛顿冷

14、却定律是将复杂的对流传热过程的传热速 率与推动力和热阻的关系用一简单的关系式表达出 来。但如何求得各具体条件下的对流传热系数，成 为解决对流传热问题的关键。 对流传热系数表示单位温度下，单位传热面积的对 流传热传热速率，其单位是W/（m2 ），其值反 映了对流传热的效果。在其他条件不同的情况 下，若愈大，对流传热则愈快。对流传热系数不同 于导热系数，对流传热系数不是物性参数，它是受 多种因素影响的一个综合性参数。 tS Q 二、对流传热系数 1.对流传热系数的物理意义 牛顿冷却定律也是对流传热系数的定义式，即： 2.影响对流传热系数的因素 影响对流传热系数的因素很多，包括流体的种类和物理 性质

15、，流体的流动类型（层流或湍流）和对流情况（自然对 流和强制对流），传热温度的高低和相变化，传热面积的形 状、大小、排列方式和位置等，而这些因素又不是孤立存在 的，往往相互制约产生综合性的影响。 第四节 稳定传热过程的计算 一、传热的基本方程 在传热过程中，传热速率与传热面积和冷热流 体间的温度差成正比，可用数学表达式表示： m tKSQ 式中： Q单位时间内通过换热器的热量，及传热速率，W S换热器的传热面积，m2 tm冷、热流体间传热温度差的平均值，K K比例系数，称为传热系数，W/(m2K) 二、热负荷的计算 在间壁式换热器中，单位时间内冷、热流体所交 换的热量，称为换热器的热负荷。换热器

16、的换热能 力就是总传热速率方程式中的传热速率。换热器的 实际传热速率应大于或等于热负荷。当换热器保温 良好，且热损失可忽略时，热流体在单位时间内所 放出的热量等于冷流体在单位时间内吸收的热量， 及Q吸=Q放。热负荷的计算方法如下。 1.焓差法 用焓差发计算热负荷的计算式为： 1221ccchhh HHWHHWQ 式中 Q换热器的热负荷，KJ/h或KW W流体的质量流量，Kg/h或Kg/s H单位质量流体的焓，KJ/Kg 下标h表示热流体，c表示冷流体，1表示进口，2表 示出口 2.显热法 当两侧流体均不发生相变时，热负荷的计算 式为： 1221 ttCWTTCWQ pccphh 式中 Cp流体的平均比定压比热容，KJ/(Kg) T热流体的温度， t冷流体的温度， 3.潜热法 若热流体发生饱和蒸汽冷凝，而冷流体只是温度发 生变化，则热负荷的计算式为： 12 ttCWrWQ pcchh 式中 Wh饱和蒸汽的冷凝速率，Kg/h或Kg/s