Transcript 第四章 传热

第四章
传 热
主讲人:吕利霞
第一节
概 述
一、传热在生产中的应用
强化传热
1、传热的应用
削弱传热
设计传热设备
2、传热计算问题的应用 计算传热量
减少热损失
二、传热的基本方式
1、热传导
传热机理：通过分子的热振动传递热量；
特
点：分子不发生宏观的位移；
2、热对流
传热机理：通过流体质点的相对位移传递热量；
特
点：流体质点互相混合、碰撞；
自然对流：由于温度不同导致密度差异而引
方式
起的移动；
强制对流：由于外力引起的移动；
对流传热：流体与固体壁面间的热量传递过程。
3、热辐射
传热机理：通过发射电磁波的形式向外辐射能量；
特
点：传热过程不需要介质；
注：实际传热过程中三种方式结合进行。
三、生产中的换热方式
1、混合式：冷热两种流体直接混合；
特点：传热速度快；
适用于：废热回收；
2、间壁式：冷热流体通过间壁传递热量；
特点：两种流体不直接混合，保持原状态；
3、蓄热式
四、间壁式换热器传热过程简述
1、过程：
（1）热流体
（2）间壁一侧
（3）间壁另一侧
对流
间壁；
传导
对流
间壁另一侧；
冷流体；
2、概念：
（1）传热速率（热流量）：Q
单位时间内通过传热面的热量，单位为：W 。
（2）热通量q
单位时间内通过单位面积所传递的热量，单
位为W/m2。
（3）定常传热：
传热系统中各点的温度、传热速率、热通
量仅随位置改变，不随时间而变的传热过程。
特点：同一传热方向上，传热速率是一常量。
第二节
热传导
一、热传导的基本定律
1、
Q  A
dt
dn
傅立叶定律
其中：λ称为热导率，w/(m．℃);
2、热导率

Q
dt
A
dn
w/(m．℃);
是表示物质导热能力大小的指标，是物质的物性。
（1）固体的导热系数
λ金属固体>λ非金属固体
金属：T升高，导热系数下降；
非金属： T升高，导热系数增加；
（2）液体的导热系数
λ固>λ液
T升高，液体的导热系数略有减小；
（3）气体的导热系数
λ液> λ气
T升高，气体的导热系数增加。
二、通过平壁的定常热传导
1、单层平壁
Q

其中：R 
A

t 传热推动力
At1  t 2  


R
阻力
热阻（与导热系数成反比）
热通量：
q
Q t1  t 2


A

例题：见P129。
w/m2;
2、多层平壁
(1)公式推导
Q
t1  t 2
1
1 A

t 2  t3
化简后:
Q
t1  t 4
2
2 A
3
1
2


1 A 2 A 3 A

t3  t 4

3
3 A
t i
3
R
i 1
总推动力

总阻力
i
(2)温差与热阻成正比,热阻大,则温差也大。
例题：P130页。
三、圆筒壁的定常热传导
1、单层
（1）特点：传热面积随半径而变化。
（2）公式推导：
dt
dt
Q  A
   2rl
dr
dr
分变量积分并整理： Q  2l t1  t 2
r2
ln
r1
变形： Q 
其中：
t1  t 2

Am
  r2  r1
Am  2rm l
rm
r2  r1

r
ln 2
r1
说明：Q不随半径而变，但热通量q随r的增大而减
小。
2、多层
以三层圆筒壁为例：
同样的方法可推导出：
Q
1
1 Am1
t1  t 4

2
2 Am 2

3
3 Am3
t1  t 4

r
r
r
ln 4
ln 2
ln 3
r3
r1
r2


2l1 2l2 2l3
同样，各层热阻越大，温差就越大。
例题：P132页。
第三节
对流传热
一、对流传热基本方程和对流传热系数
1、对流传热分析：
（1）在流动截面上
存在温度分布；
（2）温度差主要集中
在层流底层中。
2、对流传热基本方程
Q  At 
t 对流传热的推动力

1
对流传热热阻
牛顿冷却定律
A
对热流体： t  T  TW
对冷流体：
其中：
t  tW  t

 
t
反映对流传热程度的大小。
δt：代表层流内层的厚度，mm；
二、影响对流传热系数的因素
1、流体的物性：如导热系数λ、密度ρ、
粘度μ和比热容cp；
2、流体的相态变化；
3、流动型态；
4、自然对流的影响；
5、传热面的形状特征与相对位置；
三、量纲分析法在对流传热中的应用
1、无相变化时，对流传热系数的特征关联式
  f u, l, , , , c p , gt 
2、通过量纲分析的无量纲数为：
 lu 
l

 A

  
努塞尔准数
a
 cp 


  
雷诺数
f
 l  gt 


2



3
2
h
普兰特准数 格拉斯霍夫准数
四、流体无相变化时的对流传热系数
1、圆形直管内强制对流
  du 

  0.023 
d  
0.8
 cp 


  
n
其中：当流体被加热时，n=0.4;
当流体被冷却时，n=0.3;
注：经验公式在使用时注意应用范围、应用条件
等问题。
2、管外强制对流
  0.36
  d e u0  


de   
0.55
 cp 


  
1
3
  


 w 
0.14
五、流体有相变化时的对流传热系数
膜状冷凝
1、蒸汽冷凝
滴状冷凝
2、液体沸腾
自然沸腾
核状沸腾
膜状沸腾
第四节
传热计算
一、热量衡算
1、焓差法
热流体： Q  Wh H1  H 2 
冷流体： Q  Wc h2  h1 
2、显热法：
热流体： Q  Q热  Wh c ph T1  T2 
冷流体： Q  Q  W c t  t 
c pc 2
1
冷
Q  Wh rh
3、潜热法
二、传热速率方程
t m 传热总推动力
Q  KAt m 

1
传热总阻力
KA
其中：K ：传热系数，w/(m2.℃)
A：传热面积， m2 ； A=nπdl
传热面积可以是Ai、Am、A0。
例题：P148页。
三、传热平均温度差
流体的流动方向：
并流
错流
逆流
1
2
折流
1
2
1
2
2
1
2
恒温传热：冷热流体在换热过程温度不变。
变温传热：冷热流体只要有一种流体的温度发生
变化。
1、恒温传热
T
t
T
t
t m  T  t
2、变温传热：
（1）一类：
T
t1
Δt1=T-t1
T
t2
Δt2=T-t2
（2）二类：考虑流动方向
并流： T
1
t1
T2
t2
Δt1=T1-t1 Δt2=T2-t2
t 1  t 2
t m 
t1
ln
t 2
逆流
T2
t1
T1
t2
t 1  t 2
t m 
t1
ln
t 2
Δt1=T2-t1 Δt2=T1-t2
错流、折流： t m  t m逆
校正系数可根据R、P值查图：
T1  T2 热流体的温降
R

t 2  t1 冷流体的温升
t 2  t1
冷流体的温升
P

T1  t1 两流体的初始温差
思考题：对于同样的进出口温度，选择什么
样的流型更好？
结论：逆流好。
原因：
1、传质推动力大；
2、所需传热介质少；
四、传热系数的计算
1、基本公式
（1）热流体的对流传热： Q   0 A0 T  TW  
（2）管壁的热传导：
Q  Am TW  t w  
T  TW
1
 0 A0
TW  t w

Am
（3）冷流体的对流传热：Q   i Ai t w  t  
tw  t
1
 i Ai
化简、整理后得：
Q
T t
1

1


 0 A0 Am  i Ai

传热总推动力
传热总阻力
又因为：
t
传热总推动力
Q  KAt m  m 
1
传热总阻力
KA
所以：
1
1

1



KA  0 A0 Am  i Ai
其中：A可以取A0、Am、Ai。
常取：基于外表面积下的传热系数K0。
A
d
1
1 A0
1 d 0


 0 

 0
K 0  0 Am  i Ai  0 d m  i d i
考虑污垢热阻：
A0
A0
d 0
d0
1
1
1

 RS 0 
 RSi 

 RS 0 
 Rsi 
K0 0
Am
 i Ai  0
d m
 i di
管外壁污垢热阻
管内壁污垢热阻
2、几点说明
（1）当传热面为平壁时： A0  Am  Ai
1
1

1

 RS 0   RSi 
K 0

i
1
1
1

（2）当忽略管壁热阻和污垢热阻时： 
K 0 i
（3）提高K的方法：设法减小起决定性作用的热阻。
（4）K值也可以选取经验数据或进行实验测定。
五、传热计算举例
（P157）
1、设计型计算：根据已定的生产要求，确定所需
换热面积。
2、操作型计算：判断已有换热器的面积能否完成
指定的生产任务。
3、壁温的估算
1
t0  t w  0

1
t w  ti
i
 Rs 0
 Rsi
壁温接近于热阻较小的一侧流体的温度。
六、工业热源与冷源
1、热源：电热、饱和水蒸汽、热水、烟道气等。
2、冷源：冷水、空气、冷却剂（低温盐水、液氨、
液氮）
第五节
热辐射
一、热辐射的基本概念
1、热辐射:以电磁场波的形式传递能量的方式。
波长范围：0.76~20μm。
2、辐射能：Q；
吸收能：QA；吸收率： A  Q A
Q
反射能：QR；反射率：
Q
透过能：QD；透过率： D  D
Q
R
QR
Q
A+R+D=1 注：不同的物体A、R、D的值不同。
固体和液体：D≈0；
单原子和由双原子气体：D ≈1；
3、黑体的辐射能力—斯蒂芬-波尔兹曼定律
(1)黑体：A=1；
(2)黑体的辐射能力：E0；
E0   0 T 4
W/m2;
σ0-辐射常数， σ0=5.67×10-8
W/(m2.K4)。
T 

也可写成： E0  C0 

 100
4
C0：黑体辐射系数，为5.67 W/(m2.K4)。
3、实际物体的辐射能力
E
(1)黑度：ε

E0
(2)实际物体的辐射能力：E  E  C  T 
0
0
 100
常用工业材料的黑度值见P164。
4
4、灰体的辐射能力和吸收能力---克希荷夫定律
(1)灰体：对各种波长具有相同吸收率的理想化物体。
A=ε
E
(2)辐射能：  E 0
A
二、两固体间的热辐射
Q12
 T1  4  T2  4 
 C12A
 
 
 100  100 
总辐射系数，W/(m2.K4)
角系数 （见P165表4-11）
三、辐射对流联合传热
1、对流传热： QC  aC AW TW  T 
 TW  4  T  4 
辐射传热： QR  C12A
 
 
100
100
 
 

统一形式： QR  aR AW TW  T 
壁面散失的总热量为：
Q  QC  QR  aC  aR TW  T   aT AW TW  T 
2、辐射对流联合传热系数
（1）空气自然对流，TW<423K，
在平壁保温层外：aT  9.8  0.07TW  T 
在管道及圆筒壁外：a  9.4  0.052T  T 
T
W
（2）空气沿粗糙表面强制对流
空气速度≤5m/s时： aT  6.2  4.2u
空气速度> 5m/s时：
aT  7.8u 0.78
第六节
换热器
直接接触式
换热器
间壁式
蓄热式
一、间壁式换热器的类型
1、夹套式
2、沉浸式蛇管式
3、喷淋式蛇管式
4、套管式换热器
5、列管式换热器
（1）结构：筒体、管板、列管、封头、折流挡板。
（2）概念：
管程和壳程
折流挡板
（3）种类：固定管板式、浮头式和U形管式。
6、其他高效换热器
（1）螺旋板式
（2）平板式
（3）板翅式
（4）翅片管式
（5）热管
07514
二、列管式换热器的设计（略）
三、传热过程的强化
1、增大传热面积
2、增大传热系数
3、增大传热温度差