四 传热及传热设备

热传导热对流传热过程计算热辐射换热设备第四章传热热量传递的三种基本方式分析室内热量传给室外的热传递过程

(1)室内→内墙:对流换热,热辐射

(2)内墙→外墙:导热

(3)外墙→大气:对流换热,热辐射

三种热量传递方式:导热,对流和热辐射

1.导热(热传导)conductionheattransfer

(1)定义:

物体各部分之间不发生相对位移时,依靠分子,原子及自由电子等微观粒子的热运动而产生的热量传递.

(2)特征:

a.物体间无相对位移;

b.物体间必须相互接触;

b.没有能量形式的转化.

2.热对流(convectionheattransfer)

(1)热对流:

流体的各部分之间由于相对宏观位移而引起的热量传递.

(2)对流换热:

流体流过与之温度不同的固体壁面时引起的热量传递.

(3)特征:

有相对位移;

一定伴随着流体的导热;

没有能量形式之间的转换;

流体和固体壁面相互接触.

(4)牛顿冷却公式

3.热辐射(radiationheattransfer)

(1)定义:由于温度的原因而导致的能量辐射.

(2)特征:

有能量形式间的转化:热能-辐射能-热能

不需直接接触

T>0就有能量辐射

与绝对温度呈4次方关系

1）必须选择适当温位的载热体加热时，温度要求愈高，价格愈贵冷却时，温度要求愈低，价格愈贵2）温度易于调节3）饱和气压低，不易分解4）毒性小，尽量不用易燃、易爆及腐蚀性介质5）价格便宜，来源方便载体的选择热传导1.热传导和傅立叶定律傅立叶定律导热系数λ2.平壁热传导单层/多层平壁3.圆筒壁热传导单层/多层圆筒壁傅立叶定律(1)假设：(1)平壁面积A远大于壁厚，壁边缘处Q散失=0。(2)温度t只沿着垂直于壁面的x方向变化，等温面是垂直于x轴的平面。(3)壁面两侧的温度t1、t2不随时间而变化。.傅立叶定律(2)单位时间内通过平板传导的热量dQ与温度梯度dt/dx及垂直于热流方向的导热面积A正比，即：dQ/dτ=-λSdt/dx稳定传热时，故上式可写为q=Q/τ=-λS(dt/dx)温度梯度

导热系数物质名称导热系数[W/m.K]金属5-420建筑材料0.5-2绝热材料0.01-04水0.6其他液体0.09-0.7气体0.007-0.17导热系数公式

式中λ—固体在温度t℃时的导热系数，w/（m2℃）λo—固体在温度0℃时的导热系数，w/（m2•℃）

a—温度系数，1／℃；对于大多数金属材料为负值，而对大多数非金属材料为正值。

热传导-平壁热传导公式推导得：由傅立叶定律例1有一燃烧炉，炉壁由三种材料组成。最内层是耐火砖，中间为保温砖，最外层为建筑砖。已知

耐火砖b1=150mmλ1=1.06W/m·℃

保温砖b2=310mmλ2=0.15W/m·℃

建筑砖b3=240mmλ3=0.69W/m·℃

今测得炉的内壁温度为1000℃，耐火砖与保温砖之间界面处的温度为946℃。试求：

(a)单位面积的热损失；

(b)保温砖与建筑砖之间界面的温度；

(c)建筑砖外侧温度。例题o

bbbtt1

t2t3t4图3-3多层平壁稳态热传导1）画示意图；2）判断范围；3）列公式；4）分析已知-未知关系；5）求解；6）验算。思路解用下标1表示耐火砖，2表示保温砖，3表示建筑砖。t3为保温砖与建筑砖的界面温度，t4为建筑砖的外侧温度。(a)热损失qq=Q/=λ1/b1(t1-t2)=1.06/0.15(1000-946)=381.6W/m2解题过程(b)保温砖与建筑砖的界面温度t3因系稳定热传导，所以q1=q2=q3=qq=λ2/b2(t2-t3)381.6=0.15/0.31(946-t3)解得t3=157.3℃(c)建筑砖外侧温度t4同理q=λ3/b3(t3-t4)381.6=0.69/0.24(157.3-t4)解得t4=24.6℃热传导-单/多层圆筒壁热传导公式推导：单层圆筒壁热传导用另外类似平壁一种方式表示设rm=(r2-r1)/ln(r2/r1)=b/ln(r2/r1)ln(r2/r1)=b/rm若在热交换器里的一根钢管，管内径是25[毫米]，管壁厚度3.25mm，管长5.0m，管内壁温度是373K,管外壁温度是371K。己知钢的导热系数λ=49W/mK，这根钢管传递热量为多少？例题2解己知r1=25/2=12.5mm=0.0125mr2=12.5+3.25=15.75mm=0.01575mb=3.25mm=0.00325mL=5.00mλ=49W/mKt1=373Kt2=371K(1)按园壁传导的基本公式计算=

=1.33×104W(2)按平壁热传导公式计算q=2πLλ[r1+r2/2](t1-t2)/b=2×3.14×5.0×49×0.0141×(373-371)/0.00325=1.34×104W从上述计算结果可以出，r2/r1<1.3,用平壁热传导公式计算，误差率为1%左右。热对流：主要内容1.对流传热分析2.热对流基本概念常见类型速率方程传热系数α3.对流传热系数关联式对流传热分析湍流主体缓冲层滞流内层层流底层）牛顿冷却定律α——平均对流传热系数，w/(m2℃)S——总传热面积，m2；△t——流体与壁面（或反之）间温度差的平均值，℃；

——对流传热热阻。对流传热系数定义式：物理意义：对流传热系数是表示在单位温差下，单位传热面积的对流传热速率；其值反映了对流传热的效果。α↑，对流传热越快。对流传热系数关联式1）影响因素2）因次分析3）具体应用的简化无相变强制对流,自然对流有相变蒸汽冷凝,液体沸腾对流传热系数关联式因次分析确定相关因素写成幂指数的形式写出各项的基本量纲式子左右量纲指数相等4）式子左右量纲指数相等（公斤,s,t,m）5）按指数相同合并得：α=f(u,L,de,β,λ,μ,ρ,Cp,g△t)α=kuaLb

defCph(βg△t)i[α]=[W/m2/K]=[Nm/s/m2/K]=[kg/s3/K]几种常用的准数准数名称准数名称符号准数式意义努塞尔特准数（给热准数）Nu表示对流传热系数的准数雷诺准数（流型准数）Re确定流动状态的准数普兰特准数（物性准数）Pr表示物性影响的准数格拉斯霍夫准数（升力准数）Gr表示自然对流影响的准数使用α经验关联式时应注意的问题

a)应用范围：关联式中Re、Pr、Gr的数值范围。b)?特征尺寸：Nu、Re、Gr等准数中如何选取。c)

定性温度：各准数中流体的物性应按什么温度确定。

有一列管式换热器，由38根φ25mm×2.5mm的无缝钢管组成。苯在管内流动，由20℃被加热至80℃，苯的流量为8.32kg/s。外壳中通入水蒸气进行加热。试求管壁对苯的传热系数。当苯的流量提高一倍，传热系数有何变化。解：苯在平均温度℃下的物性可由附录查得：密度ρ=860kg/m3；比热容cp=1.80kJ/（公斤·℃）；粘度μ=0.45mPa·s；导热系数λ=0.14W/（m·℃）。加热管内苯的流速为

m/s

=1272W/（m2·℃）若忽略定性温度的变化，当苯的流量增加一倍时，给热系数为α′W/（m2·℃）辐射传热---基本概念1）热辐射(定义)：2）吸收(率)、反射(率)和透过(率)Q=QA+QR+QD1=+R+D 3）假想物体黑体：白体/镜体：透热体：灰体：QQDQAQR物体以电磁波形式传递能量的过程。能全部吸收辐射能的物体。能以相同的吸收率且部分地吸收0~∞所有波长范围的辐射能的物体。能透过全部辐射能的物体。能全部反射辐射能的物体。黑度ε：灰体的辐射能力与同温度的黑体的辐射能力之比。几种假想物体假想物体定义ARD较接近的实物黑体能全部吸收辐射能的物体100表面粗糙红砖白/镜体能全部反射辐射能的物体010表面磨光的铜透热体能透过全部辐射能的物体001单原子/对称双原子气体灰体能以相同的吸收率且部分地吸收0~∞所有波长范围的辐射能的物体ɛ1-ɛ0一般固、液体传热计算换热器的传热速率方程1）总传热速率方程

Q=KS(T–t)2）总传热系数换热器的传热速率方程--总传热系数

推导：不同基准的总传热系数平均温度差的推导

并流传热的△tm

dQ=WcCp,c

dt

dQ=Wh

Cp,h

dT∴dt/dQ=1/WcCp,c

dT/dQ=1/Wh

Cp,h∴d(△t)/dQ=d(T-t)/dQdQtt1t2T1T2平均温度差恒温传热：△tm=(T–t)变温传热逆流并流折流错流ＴＴ１Ｔ2t2t１LＴＴ１Ｔ2t2t１L有一碳钢制造的套管换热器，内管直径为φ89mm×3.5mm，流量为2000kg/h的苯在内管中从80℃冷却到50℃。冷却水在环隙从15℃升到35℃。苯的对流传热系数αh=230W/（m2·K），水的对流传热系数αc=290W/（m2·K）。忽略污垢热阻。试求：①冷却水消耗量；②并流操作时所需传热面积；假设总传热系数随温度的变化忽略不计。例题解①苯的平均温度℃，比热容cph=1.86×103J/（公斤·K）

苯的流量Wh=2000kg/h，水的平均温度℃，比热容cpc=4.178×103J/（公斤·K）。热量衡算式为

（忽略热损失）

热负荷W

冷却水消耗量

公斤/h

解题过程②以内表面积Si为基准的总传热系数为Ki，碳钢的导热系数=45W/（m·K）

=4.35×10－3+7.46×10－5+3.18×10－3

=7.54×10－3m2·K/W

Ki=133W/（m2·K），本题管壁热阻与其它传热阻力相比很小，可忽略不计。

并流操作℃传热面积

m2换热器的分类换热器的分类一、根据换热器的用途可分为：加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器、分凝器和再沸器等。二、根据换热器的传热原理可分为：混合式换热器、蓄热式换热器、间壁式换热器。三、根据换热器所用材料可分为：金属材料换热器、非金属材料换热器。换热器传热过程的强化一、尽可能增大传热平均温度差

tm1．两侧流体变温传热时，尽量采用逆流操作

tm

；2．提高加热剂T的温度（如用蒸汽加热，可提高蒸汽的压力）；降低冷却剂的进口温度，

tm

。二、尽可能增大单位体积的总传热面积