东南大学传热学课件：第九章 第一节

1、第九章 传热过程分析和换热器热计算本章主要内容 在详细讨论了导热、对流、辐射三种基本热量传递方式的特点和计算方法以后，本章将综合应用这些知识来分析一些典型的工程传热问题。 本章内容是本课程的一个重要组成部分，因为在实际传热问题中不同的传热方式常常同时起作用。 在分析任何一个实际问题时，分析有那些热量传递方式在起作用，以及选用什么方法或公式进行计算是解决问题的基本功。 本章将从四个方面展开讨论。（1）分析与计算通过几种不同几何形状固体壁面的传热过程；（2）针对一种典型的实现两种流体热量交换的设备间壁式换热器，详细讨论其热力设计方法。（3）强化和削弱传热的措施和方法；（4）对几个复杂的热量传递过程

2、的例子进行综合分析。第一节 传热过程的分析和计算传热过程分析和计算传热过程的定义传热系数的定义几种典型传热过程的计算传热过程 传热过程的定义：热量由壁面一侧流体通过壁面传给另一侧流体的热量传递过程称为传热过程。 举例：教室墙壁内外侧空气的传热过程；管内流体与管外流体的传热过程； 计算： 式中 传热面积 传热系数 热冷两种流体的平均温度21ffttAkAk21,fftt传热系数 传热系数的定义： 传热系数的物理意义：冷热两种流体温度相差1度时，单位时间、单位面积冷热流体间传递的热量。 影响因素：传热系数的大小不仅取决于参与传热过程中两种流体的种类，而且还与过程本身（如流速的大小、有无相变等）、固

3、体表面的形状等有关。 计算：通过分析具体的传热过程，计算传热系数。 21ffttAk KmW/2典型传热过程分析传热过程分析通过平壁的传热通过圆筒壁的传热通过肋壁的传热通过平壁的传热通过平壁的传热通过单层平壁的传热通过多层平壁的传热通过单层平壁的传热通过单层平壁的传热物理模型过程分析结论物理模型 一个导热系数为，厚度为，导热面积为A的无限大平板；平板的左侧有温度为 的热流体通过，热流体与平壁表面的换热系数为 ；平壁右侧有温度为 的冷流体通过，冷流体与平板表面的换热系数为 。 1ft1h2ft2h过程分析计算 一般来说，传热过程包含着串连着的三个环节：(1) 从热流体到壁面高温侧的热量传递；(2

4、) 从壁面高温侧到壁面低温侧的热量传递；(3) 从壁面低温侧到冷流体的热量传递。 只要分别计算各环节传递的热量，再根据传热过程的特点，就可以得到整个传热过程的计算表达式，从而确定该过程的传热系数。过程分析计算 从热流体到壁面高温侧的热量传递： 从壁面高温侧到壁面低温侧的热量传递： 从壁面低温侧到冷流体的热量传递： 对于稳态过程，通过串连着的每个环节的热流量应该是相同的，即 三式相加，得到 3211111wfttAh1111Ahttwf （1）212wwttA/221Attww （2）2223fwttAh2322Ahttfw （3） 21212111ffffttkAhhttA 单层平壁的传热系数

5、 传热系数的计算表达式 单位 物理意义：表示当冷热两种流体温度相差1度时，单位时间、单位面积冷热流体交换的热量。21111hhkKmW/2结论 传热系数的大小与传热过程中各环节的热阻有关，且在数值上就等于总热阻的倒数。因此在分析传热过程时，只要搞清组成该传热过程的各个环节，分别计算出各环节的热阻，然后求出总热阻，则其倒数就是该传热过程的传热系数。通过多层平壁的传热通过单层平壁的传热物理模型过程分析结论物理模型过程分析计算 从热流体到壁面高温侧的热量传递 通过第一层平壁的导热 通过第二层平壁的导热 通过第三层平壁的导热 从壁面低温侧到冷流体的热量传递1111wfttAh12112wwttA232

6、23wwttA34334wwttA2425fwttAh多层平壁的传热系数 稳态传热时 将上五个式子相加，并整理得 多层平壁的传热系数为5432121233221112111ffffttAkhhttA23322111111hhk结论 传热系数的大小与传热过程中各环节的热阻有关，且在数值上就等于总热阻的倒数。 对于n层平壁的传热，其传热系数的计算式为211111hhkniii通过单层圆筒壁的传热通过单层平壁的传热物理模型过程分析结论物理模型 有一个无限长的圆管，我们取其中 长的一段进行分析。设管子的内半径为 ，外半径为 ，管壁材料的导热系数为 ，管子内外侧的流体的温度分别为 和 ，复合表面传热系数

7、分别为 和 ，内外侧壁温分别为 和 ，如图所示。 lir0r1ft2ftih0h1wt2wt过程分析计算该传热过程包括(1) 管内侧流体到管内壁的换热；(2) 管内侧壁面到管外测壁面的导热；(3) 管外测壁面到外测流体间的换热。 在稳态条件下，通过各环节的热流量是不变的。过程分析计算 管内侧流体到管内壁的换热 管内侧壁面到管外测壁面的导热 管外测壁面到外测流体间的换热 将上面三个式子改写成温差的形式，然后相加，整理后得到 11111112wfwfittlhrtthAiwwrrltt021ln21222022202fwfwttlhrtthAldhddlldhttiiff0201211ln211单

8、层圆筒壁传热系数 对外侧面积而言传热系数的定义式为 以外侧面为基准的传热系数计算式为 对内侧面积而言传热系数的定义式为 以内侧面为基准的传热系数计算式为 工程计算都是以管外侧面作为计算基准，为书写方便以k表示，即 2121ffiiffiittldkttAk21002100ffffttldkttAk20011ln211hddddldhkiiii2000101ln211hddldddhkii0kk 210210ffffttldkttkA结论 分析通过圆筒壁传热量计算公式，可以得到 等式的左边是对管外壁而言的总传热热阻，右边三项分别是管内、管壁和管外三个环节的热阻。说明串连热阻的叠加原。 该式也再一

9、次说明，传热系数的大小与传热过程中各环节的热阻有关，且在数值上就等于总热阻的倒数。因此在分析传热过程时，只要搞清组成该传热过程的各个环节，分别计算出各环节的热阻，然后求出总热阻，则其倒数就是该传热过程的传热系数。 00000001ln2111ln2111AhddlAhldhddlldhkAiiiiii通过多层圆筒壁的传热通过单层平壁的传热物理模型过程分析结论物理模型过程分析计算 分别计算各环节的传热量，然后将传热量计算式改写成温差表达式，相加并整理，即可得到 由上式便可得到多层圆筒壁传热系数的计算公式21002111211ln211ffnjjjjiffttkAldhddlldhtt211010

10、1ln211hdddhddknjjjji结论 计算通过圆筒壁传热的传热系数时，要特别注意 计算基准。当选取不同表面作为计算基准时，其 传热系数的计算表达式是不同的。工程中一般采 用以外侧面作为计算基准。通过肋壁的传热通过单层平壁的传热物理模型过程分析结论物理模型 右图所示的是一侧为肋壁的平壁。无肋一侧的表面积为 ，壁面温度为 ，肋侧总面积为 ，它包含肋面突出部分的面积 和肋与肋间的平壁部分的面积 。无肋侧流体的温度为 ，流体与壁面间的换热系数为 ；有肋侧流体的温度为 ，流体与肋面间的换热系数为 。设肋与肋间的平壁处的温度为 ，肋壁材料的导热系数为 。iAwit0A1A2Afitih0ft0h0

11、wt过程分析计算热流体与无肋侧壁面的换热通过肋壁的导热流体与有肋侧壁面的换热 为肋面总效率，其计算式为 wifiiitthA0wwiittA0000000200010fwfwffwttAhttAhttAh 热量肋片表面与流体交换的热量肋间壁面与流体交换的0 0210AAAf 通过肋壁的传热系数 联立求解上面的三个式子，可以得到 通过肋壁传热系数的计算式为（1）以有肋侧面为计算基准时为（2）以无肋侧面为计算基准时为 式中， 称为肋化系数00000011ffifiiiffittAkAhAAhtt000011hAAAhAkiiif0000011111hhAhAhkiiif iAA /0肋化的作用 未

12、加肋片时的传热系数 加装肋片后的传热系数 加肋片可以提高传热系数 加肋片可以强化传热，且应该加在换热热阻较大的一侧。0111hhki 00111hhkif 1/0 iAA10 结论肋壁传热系数为该传热过程中各环节传热热阻之和的倒数，即为该过程中总热阻的倒数； 在光表面上加肋可以起到强化传热的作用；为强化传热肋片应加在换热表面传热系数较小的一侧，即换热热阻较大的一侧。临界热绝缘直径 问题的提出 临界热绝缘直径的计算 工程应用问题的提出 根据经验我们知道，在一个圆管的外面敷设一层保温材料，可以减少该圆管的散热损失。但是，是否在任何情况下，加保温层都能起到保温的作用呢？ 要回答这个问题，就要对该传热

13、过程进行认真的分析。 在圆管外敷设保温层，无疑增加了保温层的导热热阻，可减少散热；但敷设保温层的同时也增加了圆管外表面的换热面积，这将有利于圆管的散热，对保温是不利的。 所以，在圆管外敷设保温层具有同时减小表面对流换热热阻和增加导热热阻两种相反的作用。当这两种相反的作用使总传热热阻增加时，传热量将减小；反之传热量将增加。 因此对圆管换热而言，一定存在着某一个直径，当圆管直径等于该直径时，散热量最大，该直径称为临界热绝缘直径。临界热绝缘直径的分析 计算模型 热量计算公式 分析热量计算公式，可以发现：在圆管外包保温层时导热热阻增加，而换热热阻减小。0000100)2(12ln21ln211lhdddlddllhdttiiiffi 0012ln21ddl 00)2(1lhd热阻及热量变化图临界热绝缘直径的计算 当圆管传热量最大时，其所对应的直径称为临界热绝缘直径；即 时的直径。这里 为保温层的外径。 将 记为临界热绝缘直径 如果圆管外径小于临界热绝缘直径，这时在圆管外敷设保温材料，随着保温材料厚度的增加，散热量也会增加，所以此时非但起不到保温的作用，反而会起相反作用；若圆管外径大于临界热绝缘直径，这时在圆管外敷设保温材料，随着保温材料厚度的增加，散热量会减少，此时才能真正起到保温的作用。0/ dddd01ln211001lhdddlddd012hddd