化工原理复习课-传热

1、化工原理复习课 传传 热热2014.6.3非稳态传热非稳态传热 ,zyxftqQ 稳态与非稳态与非稳稳态传热态传热 稳态传热稳态传热 zyxftqQ, 0 t 传热速率在任何时刻都是常数，系统各点的温度仅传热速率在任何时刻都是常数，系统各点的温度仅随位置变化而与时间无关，反之为非稳态传热，本章随位置变化而与时间无关，反之为非稳态传热，本章主要讨论稳态传热。主要讨论稳态传热。管壁内侧管壁内侧热流体热流体对流对流)(1)1(Q两流体通过间壁的传热过程两流体通过间壁的传热过程t2t1T1T2对流对流对流对流 传导传导冷冷流流体体Q热热流流体体管壁外侧管壁外侧管壁内侧管壁内侧热传导热传导)(2)2(Q

2、冷流体冷流体管壁外侧管壁外侧对流对流)(3)3(Q稳态传热：稳态传热：QQQQ 321式中式中 tm两流体的平均温度差，两流体的平均温度差，或或K； A传热面积，传热面积，m2； K总传热系数，总传热系数，W/(m2)或或W/(m2K)。总总热热阻阻总总传传热热推推动动力力 KAttKAQ/1mm总传热速率方程总传热速率方程傅立叶定律傅立叶定律xtAQdd式中式中 dQ 热传导速率，热传导速率，W或或J/s； dA 导热面积，导热面积，m2； t/ x 温度梯度，温度梯度，/m或或K/m； 导热系数，导热系数，W/(m)或或W/(mK)。 负号表示传热方向与温度梯度方向相反负号表示传热方向与温

3、度梯度方向相反 傅立叶定律是傅立叶定律是热传导的基本定律热传导的基本定律，它指出：单位时间内传导，它指出：单位时间内传导的热量与温度梯度及垂直于热流方向的截面积成正比，即的热量与温度梯度及垂直于热流方向的截面积成正比，即t1t2btxdxQ平壁的稳态热传导平壁的稳态热传导 （一）单层平壁热传导一）单层平壁热传导 假设：假设：材料均匀，材料均匀， 为常数；为常数；一维温度场，一维温度场，t沿沿x变化；变化； A/b很大，忽略端损失。很大，忽略端损失。)(21ttbAQ （二）多层平壁热传导二）多层平壁热传导假设：假设：各层接触良好，接触面各层接触良好，接触面两侧温度相同。两侧温度相同。t1t2b

4、11txb2b323t2t4t3AbttAbttAbttQ334322321121 总热阻总热阻总推动力总推动力 iRttAbAbAbttt41332211321 圆筒壁的稳态热传导圆筒壁的稳态热传导 （一）单层圆筒壁的热传导一）单层圆筒壁的热传导 特点特点：(1)传热面积随半径传热面积随半径变化，变化， A=2 rl(2) 一维温度场，一维温度场，t沿沿r变化。变化。mAbttQ 21 （二）多层圆筒壁的热传导二）多层圆筒壁的热传导 niinniiiinniiiinRttAbttrrttlQ1111111111ln1)(2m 2021-11-2210q湍流主体湍流主体对流传热对流传热温度分布

5、均匀温度分布均匀p层流底层层流底层导热导热温度梯度大温度梯度大p壁面壁面导热导热(导热系数较导热系数较流体大流体大)有温度梯度有温度梯度不同区域的不同区域的传热特性：传热特性：传热边界层传热边界层（thermal boundary layer） ：温度边界层。温度边界层。有温度梯度较大的区域。有温度梯度较大的区域。传热的热阻即主要集中在此层中传热的热阻即主要集中在此层中。温度温度距离距离TTwtwt热流体热流体冷流体冷流体传热壁面传热壁面湍流主体湍流主体湍流主体湍流主体传热壁面传热壁面层流层流底层底层层流层流底层底层传热方向传热方向对流传热示意图对流传热示意图对流传热对流传热式中式中 Q 对流

6、传热速率，对流传热速率，W； 1 、 2 热、冷流体的对流传热系数，热、冷流体的对流传热系数， W/(m2K)； T 、TW、t、tW 热、冷流体的热、冷流体的平均平均温度及温度及 平均平均壁温，壁温，。 )(11WTTAQ )(22ttAQW 冷流体：冷流体：热流体：热流体：牛顿冷却定律牛顿冷却定律对流传热速率方程对流传热速率方程2.引起流动的原因引起流动的原因自然对流：由于流体内部密度差而引起流体的流动。自然对流：由于流体内部密度差而引起流体的流动。强制对流：由于外力和压差而引起的流动。强制对流：由于外力和压差而引起的流动。 强制强制 自然自然 对流传热系数的影响因素对流传热系数的影响因素

7、1.1.流动状态流动状态 湍流湍流 层流层流 5. 是否发生相变是否发生相变 相变相变 无相变无相变4. 传热面的形状，大小和位置传热面的形状，大小和位置 形状形状管、板、管束等；管、板、管束等； 大小大小管径、管长、板厚等；管径、管长、板厚等； 位置位置管子的排列方式，垂直或水平放置。管子的排列方式，垂直或水平放置。3.流体的物性流体的物性 ， ， ，c cp p m mQKAt 一、传热平均温度差一、传热平均温度差二、总传热系数二、总传热系数三、壁温的计算三、壁温的计算传热过程计算传热过程计算一、传热平均温度差一、传热平均温度差1212lntttttm 逆流、并流均适用；逆流、并流均适用；

8、 当当 t2/ t12，则可用算术平均值。，则可用算术平均值。对数平均温度差对数平均温度差二、总传热系数二、总传热系数22m11d1dd1d1AAbAAK （1）平壁）平壁 dA=dA1=dA2=dAm21111 bK讨论：讨论：（2）以外表面为基准）以外表面为基准 (dA=dA1) 212m111dd1dd11AAAAbK 212m111111ddddbKdlA K1以外表面为基准以外表面为基准的总传热系数，的总传热系数，W/(m2.K)dm对数平均直径，对数平均直径，m2121mln/ )(ddddd 2m21212111 ddbddK以以内表面内表面为基准：为基准：d1/d22 可用算术

9、平均值可用算术平均值三、壁温的计算三、壁温的计算对于稳态传热：对于稳态传热： 22WmWW11Wm11AttAbtTATTtKAQ11WAQTT mWWAbQTt 22WAQtt twTw管内对流管内对流管外对流管外对流导热导热冷冷流流体体热热流流体体tTdQdQ1dQ3dQ2传热计算小结传热计算小结总传热速率方程总传热速率方程mtKAQ 热量衡算式热量衡算式 (热负荷热负荷)无相变无相变 11122221mpmpQq cTTqctt 12221mmpQqrqctt 有相变有相变 应用条件：应用条件： 定态流动，定态流动，qm为常数；为常数； cP为常数；为常数； K为常数；为常数； 忽略热损

10、失。忽略热损失。传热计算小结传热计算小结总传热速率方程总传热速率方程mtKAQ 热量衡算式热量衡算式 (热负荷热负荷)无相变无相变 11122221mpmpQq cTTqctt 12221mmpQqrqctt 有相变有相变 应用条件：应用条件： 定态流动，定态流动，qm为常数；为常数； cP为常数；为常数； K为常数；为常数； 忽略热损失。忽略热损失。习题习题1 蒸汽管道的外径为蒸汽管道的外径为220 mm ,其上覆盖一层厚为其上覆盖一层厚为200 mm 的保温层。蒸汽管外表面温度为的保温层。蒸汽管外表面温度为177 ，保温层外表面温度为，保温层外表面温度为40 ，保温材料，保温材料 = 0.

11、52 + 910-4 t (w/m) 。求。求 每米管长的每米管长的热损失。热损失。解：解：drdtrLQ2drdtrLQ2分离变量积分分离变量积分dttrdrLQ401774310110)10952.0(2)/(2 .513ln7 .531210952. 02ln3101101774024310110mwrLQttrLQ习题习题2 （传热综合问题）（传热综合问题） 在在1m长的套管换热器中用热水将管内的果汁从长的套管换热器中用热水将管内的果汁从t1=10 加热至加热至t2=50 ，热水从进口温度，热水从进口温度T1=98 降至降至T2=68 ，两流体并流流动，求（，两流体并流流动，求（1）欲

12、将果）欲将果汁加热至汁加热至 t2=60 ，管长需增加多少米？，管长需增加多少米？ （2）若改用逆流操作后管长增加多少米？（上述各工况若改用逆流操作后管长增加多少米？（上述各工况下热水、果汁的流量，入口温度，所有的物性参数下热水、果汁的流量，入口温度，所有的物性参数均不变且忽略热损失）均不变且忽略热损失）解：换热器中两流体无相变化，则有解：换热器中两流体无相变化，则有Q=qmhcph(T1-T2)=qmccpc(t2-t1)Q=qmhcph(98-68)=qmccpc(50-10)（a） 当果汁加热至当果汁加热至 t2=60 时，设水的出口温度为时，设水的出口温度为T2，根，根据题意有据题意有

13、Q=qmhcph(98-T2)=qmccpc(60-10)（b）联立式联立式a和和b，解得：，解得： T2=60.5 对于第一种工况：对于第一种工况：1 .4450681098ln)5068()1098(1mt对于第二种工况：对于第二种工况：9 .16605 .601098ln)605 .60()1098(2mt由总传热速率方程：由总传热速率方程： Q=KAtm ，可得可得221122112211121221)2()2()()(mmmmmmpccmpccmtLtLtrLKtrLKtKAtKAttCqttCqQQ代入数据得代入数据得9 .161 .441060105021LL26.312LL流体为并流时流体为并流时热水的出口温度仍为热水的出口温度仍为 T2=60.5 T1=98T2=60.5t1=10t2=60逆流时传热温度差为：逆流时传热温度差为：