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第四章 传热-4

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化工原理-第四章-传热

化工原理-第四章-传热

d12
d1
4 d2 d1
入口效应修正 在管进口段，流动尚未充分发展，传热边界层较
薄，给热系数较大，对于l d1 60 的换热管，应考虑进口段对给 热系数的增加效应。故将所得α乘以修正系数：
l
1 d l
0.7
弯管修正 流体流过弯曲管道或螺旋管时，会引起二次环流而强
化传热，给热系数应乘以一个大于1的修正系数：
水和甘油：T ↗ ↗ 一般液体： T ↗ ↘ 纯液体＞溶液
气体的导热系数：
T ↗ ↗ P ↗ 变化小 极高P ↗ ↗
气体导热系数小，保温材料之所以保温一般是材料中空 隙充有气体。
18
三、平壁的稳态热传导
1.单层平壁的热传导
t1 t2
b
t Q t1
t2
0 bx
b：平均壁厚，m； t：温度差，oC；
4
❖ 一、传热过程的应用
物料的加热与冷却 热量与冷量的回收利用 设备与管路的保温
❖ 二、热传递的三种基本方式
热传导 热对流 热辐射
5
1. 热传导（又称导热）
热量从高温物体传向低温物体或从物体内部高温部 分向低温部分传递。
特点：物体各部分不发生相对位移，仅借分子、原 子和自由电子等微观粒子的热运动而引起的热量 传递。
8
3. 热辐射
因热的原因而产生的电磁波在空间的传递， 称为热辐射。
热辐射的特点：
①不需要任何介质，可以在真空中传播；
②不仅有能量的传递，而且还有能量形式 的转移；
③任何物体只要在热力学温度零度以上， 都能发射辐射能，但是只有在物体温度较高时， 热辐射才能成为主要的传热方式。
9
二、间壁传热与速率方程
41

传热学第4章对流换热(Convective Heat Transfer)

传热学第4章对流换热(Convective Heat Transfer)
第四章 对流换热(Convective Heat Transfer)
第一节：概述 工程应用背景
第四章 对流换热(Convective Heat Transfer)
第一节：概述
热对流 对流换热：
计算关系式
Φ hAtw tf
Φ hAtf tw
本章的主要任务：确定 h 的具体表达式
——请千万小心，步步都是富贵险中求。殊不知多少江湖英豪；名门侠女都 曾栽在这块看似山青湖静，实则风阴涛涌的领域！
第二节：对流换热问题的数学描写—对流换热微分方程组
二维、常物性、不可压、稳态
u v 0 x y
u
u x
v
u y
Fx
1
p x
2u x 2
2u y 2
u
v x
v
v y
Fy
1
p y
2v x 2
2v y 2
u
t x
v
t y
a
2t x 2
2t y 2
t
h tw t y w
第四章 对流换热(Convective Heat Transfer)
第一节：概述 求h主要有以下基本途径：
Φ h At w t f
h
第四章 对流换热(Convective Heat Transfer)
第一节：概述
影响对流换热的基本因素： 流动因素、几何因素和物性参数 流动因素 a 流动起因 自然对流(Natural Convection)—— 强迫对流(Forced Convection)—— b 流动状态 层流(Laminar Flow)—— 紊流(Turbulent Flow)—— c 流体有无相变(Phase Change) 凝结换热(Condensation Heat Transfer) 沸腾换热(Boiling Heat Transfer)

化工原理答案 第四章 传热

化工原理答案 第四章 传热

第四章 传 热热传导【4-1】有一加热器，为了减少热损失，在加热器的平壁外表面，包一层热导率为(m·℃)、厚度为300mm 的绝热材料。

已测得绝热层外表面温度为30℃，另测得距加热器平壁外表面250mm 处的温度为75℃，如习题4-1附图所示。

试求加热器平壁外表面温度。

解 2375℃, 30℃t t ==计算加热器平壁外表面温度1t ，./()W m λ=⋅016℃ (1757530025005016016)t --= ..145025********t =⨯+=℃【4-2】有一冷藏室，其保冷壁是由30mm 厚的软木做成的。

软木的热导率λ= W/(m·℃)。

若外表面温度为28℃，内表面温度为3℃，试计算单位表面积的冷量损失。

解 已知.(),.123℃,　28℃,　=0043／℃　003t t W m b m λ==⋅=， 则单位表面积的冷量损失为【4-3】用平板法测定材料的热导率，平板状材料的一侧用电热器加热，另一侧用冷水冷却，同时在板的两侧均用热电偶测量其表面温度。

若所测固体的表面积为0.02m 2，材料的厚度为0.02m 。

现测得电流表的读数为2.8A ，伏特计的读数为140V ，两侧温度分别为280℃和100℃，试计算该材料的热导率。

解 根据已知做图热传导的热量 .28140392Q I V W =⋅=⨯=.().()12392002002280100Qb A t t λ⨯==-- 【4-4】燃烧炉的平壁由下列三层材料构成：耐火砖层，热导率λ=(m·℃)，厚度230b mm =；绝热砖层，热导率λ=(m·℃)；普通砖层，热导率λ=(m·℃)。

耐火砖层内侧壁面温度为1000℃，绝热砖的耐热温度为940℃，普通砖的耐热温度为130℃。

(1) 根据砖的耐热温度确定砖与砖接触面的温度，然后计算绝热砖层厚度。

若每块绝热砖厚度为230mm ，试确定绝热砖层的厚度。

化工原理王志魁第五版习题解答：第四章 传热

化工原理王志魁第五版习题解答：第四章 传热

第四章传热【热传导】【4-3】用平板法测定材料的热导率，平板状材料的一侧用电热器加热，另一侧用冷水冷却，同时在板的两侧均用热电偶测量其表面温度。

若所测固体的表面积为0.02m 2，材料的厚度为0.02m 。

现测得电流表的读数为2.8A ，伏特计的读数为140V ，两侧温度分别为280℃和100℃，试计算该材料的热导率。

解根据已知做图热传导的热量.28140392Q I V W =⋅=⨯=()12AQ t t bλ=-.().()12392002002280100Qb A t t λ⨯==--()./218W m =⋅℃【4-4】燃烧炉的平壁由下列三层材料构成：耐火砖层，热导率λ=1.05W/(m·℃)，厚度230b mm =；绝热砖层，热导率λ=0.151W/(m·℃)；普通砖层，热导率λ=0.93W/(m·℃)。

耐火砖层内侧壁面温度为1000℃，绝热砖的耐热温度为940℃，普通砖的耐热温度为130℃。

(1)根据砖的耐热温度确定砖与砖接触面的温度，然后计算绝热砖层厚度。

若每块绝热砖厚度为230mm ，试确定绝热砖层的厚度。

(2)若普通砖层厚度为240mm ，试计算普通砖层外表面温度。

解(1)确定绝热层的厚度2b 温度分布如习题4-4附图所示。

通过耐火砖层的热传导计算热流密度q 。

()1121q t t b λ=-.()/.W m =-=21051000940274 023绝热砖层厚度2b 的计算()2232q t t b λ=-.().b m =-=201519401300446 274每块绝热砖的厚度为023m ．，取两块绝热砖的厚度为.20232046b m =⨯=．。

(2)计算普通砖层的外侧壁温4t 先核算绝热砖层与普通砖层接触面处的温度3t (2)32227404694010530151qb t t λ⨯=-=-=℃习题4-3附图习题4-4附图3t 小于130℃，符合要求。

化工原理第四章传热

化工原理第四章传热
化工原理
4-2.2

平面壁的稳态热传导
t Q R
dt Q A d
单层平面壁的稳态热传导
t1
△t
1、过程分析 假设Ⅰ：一维稳态热传导，即t=f(x) 假设Ⅱ：无限大平壁 A 2、模型 Q (t t )

1 2
A
Q
t2
可改写为：
t t Q A R
Am,3 2 rm,3l
Ф
t4
数学模型
★
1 1 Am,1
t1
t4
其中，
t1
Am,1 2 rm,1l Am,2 2 rm,2l
rm ,1
t4 Ф
r r r2 r1 r r rm ,2 3 2 rm ,3 4 3 r r r4 ln 2 ln 3 ln r1 r2 r3
非稳态传热——传热面各点温度t、传热速率Q 、热通量q等 物理量不仅为位置的函数，同时也随时间而改变。 Q, q, t……=f (x,y,z, τ)
化工原理

等温面 在温度场中，温度相同的各点组成的面。
等温面

温度梯度 等温面法线方向上的温度变化率。
t1>t2
对于一维稳定温度场， t=f(x),温度梯度表示为：
★ Q
t t t R 2 lrm Am
其中，
r2 r1 rm r ln 2 r1
Am 2 rml
rm——半径的对数平均值；当r2/r1<2时，rm≈ (r1+r2)/2
化工原理

多层圆筒壁的热传导
Q t1 t4 t t 3 2 R Am 2 Am,2 3 Am,3
dt grad (t ) d

化工原理第四章 传热及传热设备..

化工原理第四章 传热及传热设备..

4.2 热传导
4.2.5 圆筒壁的稳定热传导 二、多层圆筒壁
第一层
第二层
盐城工学院
第三层
Q

2L(t1 tn1 ) in 1 ln ri1
i1 i
ri
-----通式
可写成与多层平壁计算公式相仿的形式：
Q
t1 t4
b1
b2
b3
1 Am1
2 Am 2
3 Am3
Am1、 Am2 、Am3分别为各层 圆筒壁的对数平均面积。
主要特点：冷热两种流体被一固体间壁所隔开，在 换热过程中，两种流体互不接触，热量由热流体通 过间壁传给冷流体。以达到换热的目的。
优点：传热速度较快，适用范围广，热量的综合利 用和回收便利。
缺点：造价高，流动阻力大，动力消耗大。
典型设备：列管式换热器、套管式换热器。
适用范围：不许直接混合的两种流体间的热交换。
解：(1)每米管长的热损失
r1=0.053/2=0.0265m r2=0.0265+0.0035=0.03m r3=0.03+0.04=0.07 m r4 =0.07+0.02=0.09 m
=191. 4 W/m
第四章 传热及传热设备
(2)保温层界面温度t3
盐城工学院
解得：t3=131.2℃
第四章 传热及传热设备
热导率
纯金属 金属合金 液态金属 非金属固体 非金属液体 绝热材料 气体
100~1400 50~500 30~300 0.05 ~50 0.5~5 0.05~1 0.005~0.5
可见，在数值上： 金属 非金属 液体 气体
第四章 传热及传热设备
盐城工学院
4.2 热传导

4-4-传热过程计算

知识点4－4 传热过程计算【学习指导】1．学习目的通过本知识点的学习，掌握换热器的能量衡算，总传热速率方程和总传热系数的计算。

在传热计算的两种方法中，重点掌握平均温度差法，了解传热单元数法及应用场合。

2．本知识点的重点换热器的能量衡算，总传热速率方程和总传热系数的计算，用平均温度差法进行传热计算。

3．本知识点的难点传热单元数法。

4．应完成的习题4-4 在某管壳式换热器中用冷水冷却热空气。

换热管为φ25×2.5 mm的钢管，其导热系数为45 W/(m·℃)。

冷却水在管程流动，其对流传热系数为2600 W/(m2·℃)，热空气在壳程流动，其对流传热系数为52 W/(m2·℃)。

试求基于管外表面积的总传热系数以及各分热阻占总热阻的百分数。

设污垢热阻可忽略。

4-5 在一传热面积为40m2的平板式换热器中，用水冷却某种溶液，两流体呈逆流流动。

冷却水的流量为30000kg/h，其温度由22℃升高到36℃。

溶液温度由115℃降至55℃。

若换热器清洗后，在冷、热流体量和进口温度不变的情况下，冷却水的出口温度升至40℃，试估算换热器在清洗前壁面两侧的总污垢热阻。

假设：（1）两种情况下，冷、热流体的物性可视为不变，水的平均比热容为4.174 kJ/(kg·℃)；（2）两种情况下，αi、αo分别相同；（3）忽略壁面热阻和热损失。

4-6 在套管换热器中用水冷却油，油和水呈并流流动。

已知油的进、出口温度分别为140℃和90℃，冷却水的进、出口温度分别为20℃和32℃。

现因工艺条件变动，要求油的出口温度降至70℃，而油和水的流量、进口的温度均不变。

若原换热器的管长为1m，试求将此换热器管长增至若干米后才能满足要求。

设换热器的热损失可忽略，在本题所涉及的温度范围内油和水的比热容为常数。

4-7 冷、热流体在一管壳式换热器中呈并流流动，其初温分别为32℃和130℃，终温分别为48℃和65℃。

化工原理上第4章传热4


总发射系数 C12
C0 11
1
1

1 1

1
1 2
C1 C2 C0
一般形式：
12

C12A(1T010
)4

( T2 100
)
4

φ ：角系数 (总能量被壁面拦截分率)。 φ =f (两壁面形状，大小，相对位置，距离等） 几种简单情况的角系数(见P285表4.5.2，图4.5.5)

0.64
L d0

液体沸腾传热及其影响因素 沸腾: 沸腾时，液体内部有气泡产生，
气泡产生和运动情况，对h影响极大。
沸腾分类： ① 按设备尺寸和形状不同
池式沸腾（大容积饱和沸腾）
强制对流沸腾（有复杂的两相流） ② 按液体主体温度不同
过冷沸腾：液体主体温度t < ts， 气泡进入液体主体后冷凝。
本节解决的问题：
（1）何谓热辐射 （2）辐射传热的基本概念、特点 （3）辐射传热的基本规律 （4）辐射传热的传热量计算
吸收辐射能
发射辐射能
4.5.1 辐射传热基本概念 (1) 热辐射
绝对温度大于0的物体，都不停地以电磁波的形式向外辐射能量。 同时不断吸收来自外界的辐射能。 物体以电磁波的形式向外发射能量的过程,称为热辐射。 一定波长内(0.4-40μm，主要是可见光和红外光) ，具有热效应。
4.5.5 复合传热与设备热损失的计算
(1) 复合传热
指：同时存在两种以上传热方式的综合传热现象。
例：设备表面的热损失，对流 + 热辐射
间壁换热过程中，对流 + 导热
(2) 设备热损失计算 热损失： c (对流) R (辐射)

传热4-4热辐射


T 4 Tw 4 ( ) ( ) 100 100
tw t
热损失: (hc hR ) Aw (tw t ) hT (tw t ) Aw
对流辐射联合表面传热 系数：hT hc hR
经验关联式：
空气自然对流时，
平壁保温层外 ： hT 9.8 0.07(tw t )
平行壁间辐射传热的角系数
4.5.4 气体的热辐射
气体：对称双原子气体（H2、O2、空气） —— 近似透热体，无吸收、发射能力 多原子气体(CO2、H2O蒸汽) —— 高温时具有很强发射和吸收能力。 气体热辐射特点：
* 选择性 — 只发射和吸收某一波长范围的辐射能；
* 容积辐射特性 — 吸收和发射在整个体积内进行。
两固体壁面间的有效辐射
T 代入： E1 1C0 ( 1 ) 4 100
T2 4 E 2 2 C0 ( ) 100
A1 1
A2 2
因此：q12
T2 4 T1 4 C12 ( ) ( ) 100 100
总发射系数C1 2
C0 1 1 1 1 1 1 1 1 2 C1 C2 C0
化工生产中常遇到的固体壁面可按灰体处理；
辐射在固体表面进行。
两无限大平壁间辐射
有效辐射：
T1
E2
(1 A1 ) E2
T2
E1 (1 A1 ) E2 E1
E2 (1 A2 ) E1 E2
A1 E2
E1
E1
q12
E1 A2 E2 A1 A1 A2 A1 A2
黑体发射系数： C0 5.67W / m2 K 4

化工原理课程课件PPT之第四章传热


第四章 传热
23
思考题：
气温下降，应添加衣服，应把保暖性好的衣服穿在 里面好，还是穿在外面好？
Q
Q
bb
1 2
1 2
bb
2 1
天津商业大学
本科生课程 化工原理
第四章 传热
24
Q ti to b b
1S1 2S2
Q' ti to bb
2S1 1S2
1 2
S1 S2
Q' Q (ti
to
天津商业大学
本科生课程 化工原理
第四章 传热
8
dQ dS t
n
——傅里叶定律
λ——比例系数，
称为导热系数，W/(m •℃)。
负号表示热流方向与
温度梯度方向相反。
du
dy
天津商业大学
本科生课程 化工原理
第四章 传热
9
§4.2.2 导热系数
1、导热系数的定义
dQ q
dS t
t
n
n
在数值上等于单位温度梯度下的热通量，λ越大导热性能
第四章 传热
§4.1 概述
化工生产中传热过程： 强化传热 削弱传热
一、传热的基本方式：
动 量 传 递 热 量 传 递
质 量 传 递
热 传 导 ：发生在相互接触的物质之间或物质（静止或层流
(导 热 ）
流动）内部，靠分子、原子、电子运（振）动。 无物质的宏观位移。
对 流 传 热 ：
自然对流 强制对流
Q t1 t2 t3 t1 tn1
R1 R2 R3
n bi
i1 i Smi
t1 t4
t1 t4
b1 b2 b3
1Sm1 2Sm2 3Sm3
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若两个相差 不多，需同时提高两侧的值。
例4-4
某列管换热器由Ø252.5mm钢管组成，热空气流经管程，冷却
水在管间与空气呈逆流流动。已知管内侧空气的i为50W/（m2•ºC), 管外侧水的0为1000W/ (m2•ºC)，钢的为45W/（m2•ºC)。试求基 于管外表面积的总传热系数KO及按平壁计的总传热系数K 。
0.02 45 0.0225
1000
0.0269m2 C / W
所以 K0=37.2W/（ m2•ºC) 若按平壁计算，由式4-44知
1 K
1 i
R si
b
Rs0
1 0
1 0.5103 0.0025 0.2103 1
50
45
1000
0.0218m2 C / W
K 46W /(m2 C)
2 逆流可以节省载热体消耗量（T2可以小于T2’）。
(三)、错流和折流时的平均温度差
Underwood – Bowman法
tm tm逆 式中： 温差校正系数；
f (P, R);
P t2 t1 T1 t1
R T1 T2 t2 t1
四、总传热系数
(一)总传热系数的数值范围见表4-7。
二、 传热平均温度差
恒温传热、 变温传热：逆流、并流、折流、错流
Q KA t1 t2 ln t1 t2
Q KAtm
tm
t1 t2 ln t1
t2
1、简单逆流与并流
t m
t1 t 2 ; ln(t1 / t 2 )
如果 t1 / t 2 2, 则
1 t m 2 (t1 t 2 )
例4-6
T 90 → 70 t 20 → 60 △t 70 10
t1 / t2 1.67 2,算术平均值：
t m
1 (50 30) 40 2
C
t m
t1 t 2 ln(t1 / t 2 )
70 10 30.8 C ln(70 /10)
注：1 在冷、热流体的初、终温度各自相同的条件下，逆流的 平均温差大于并流，逆流换热所需的传热面积小于并流。
➢ 若换热器中的热流体为饱和蒸汽冷凝时，热量衡算式为
Q= qm1 r= qm2 Cp2(t2-t1) 式中： qm1 ---饱和蒸汽（即热流体）的冷凝速率，Kg/h；
r---饱和蒸汽的冷凝潜热，KJ/Kg。 ➢ 若蒸汽冷凝液的排出温度低于饱和温度，在热量衡算时应再 加上一项显热。 Q= qm1[r+cp1(Ts-T2)]= qm2 Cp2(t2-t1)
1 d0 1 0.025 1 0.0135m2 C / W KO idi 0 100 0.02 1000 K0 74W /(m2ºC)
（2）将o提高一倍； o 2 1000 2000 W /(m2 C)
1 d0 1 0.025 1 0.0255m2 C / W KO idi 0 50 0.02 2000 K0 39W /(m2ºC)
已知：T1=90 ℃ 、T2=70 ℃ 、t1=20 ℃ 、t2=60℃；
求：逆流和并流的温度差；
解： (1) 逆流时的平均温度差
T 90 → 70
t m
t1 t 2 ln(t1 / t 2 )
50 30 39.2 C ln(50 / 30)
t 60 ← 20 △t 30 50 (2) 并流时的平均温度差
H 、h—热、冷流体的比焓，KJ/Kg；
下标c、h、1、2—分别表示冷流体、热流体、进口和出口；
➢若两个流体都不发生相变化，则热量衡算关系为： Q= qm1 Cp1 (T1-T2) = qm2 Cp2(t2-t1)
式中：CP1、 Cp2 ---热、冷流体的平均比热容，KJ/（Kg·ºC) t---冷流体的温度， ºC； T---热流体的温度， ºC
由以上计算结果表明，在该题条件下，由于管径较小，若 按平壁计算K，误差稍大，相差： (K-KO）/KO 100% =（46-37.2)/37.2 100%=23.7%
例 4-5
上例中（1）将i提高一倍；（2）将O提高一倍；分别计算Ko 值。(原KO=37.2W/(m2℃)
解： （1）将i提高一倍； i 2 50 100 W /(m2 C)
三部分的dQ相同,移项后相加可得
(T Tw) (Tw tw)Q( 1
idAi
b
dAm
1
odAo
)
T t dQ
(1 b 1 )
idAi dAm odAo
与总传热传热速率方程dQ=K(T-t)dA比较得：
1 1 b 1
KdA idAi dAm odAo
常见流体污垢热阻的经验数据见表4-6。
(四)、换热器传热过程的强化
若传热面为平壁或薄管壁(近似平壁时)：didodm
1 K
1
i
Rsi
b
Rs0
1
0
(4 44)
当管壁热阻和污垢热阻均可忽略时，上式可简化为：
1 1 1 (4 45)
K i 0
若i >> O, 则 1/K≈1/ O ；总热阻主要集中在管外侧，K≈ O ，欲提高K值，关键在于提高管外侧的O ；(提高较小一侧 的值)
计算结果表明，K值总是接近热阻大的流体侧的值；提高 热阻大侧的值对提高K值最有效。
温差校正系数图
第四节 两流体间传热过程的计算
一、 热量衡算
设换热器为绝热的，以单位时间为基准作热量衡算。
Q=Qh=QC 式中： Q—传热速率(设计时称为热负荷) ,W;
Qh—热流体放出的热量，W; Qc– 冷流体吸收的热量，W;
Qh=qm1(H1-H2) Qc= qm2(h2-h1)
Q= qm1(H1-H2) = qm2(h2-h1) 式中：qm—流体的质量流量，Kg/s 或 Kg/h;
(二)总传热系数的计算式
总传热包括三个部分：热流体对流传热, 热传导与冷流体对流传热 管内对流传热速率方程： dQ = idAi (T-TW) =△ti//(1/ idAi )
管外对流传热速率方程： dQ = OdA O(tW-t) = △To /( 1/ OdA O)
通过管壁的导热速率方程：dQ =dAm（TW-tW)/b = △T/(b/ dAm)
1 1 b 1
KA i Ai Am o Ao
(三)、污垢热阻 令 污垢层的导热热阻(b/ )污= RS, 管内污垢热阻为RSi,管外污
垢热阻为RSO,则总传热系数KO的计算式(总热阻公式)应写为:
1 KO
d0
idi
Rsi
d0 di
bd0
dm
Rs 0
1
0
(4 43)
RSi,RSO ,分别为管内和管外的污垢热阻。又称污垢系数 m2 ℃/W
解： 查附录，取空气侧的污垢热阻RSI=0.5 10-3 m2•ºC/W，水 侧的污垢热阻RS0=0.2 10-3 m2•ºC/W
1 KO
d0 idi
Rsi
d0 di
bd0 dm
Rs0
1 0
0.025 0.5103 0.025 0.0025 0.025 0.2103 1
50 0.02