传热

第四章传热主讲教师童汉清§1 概述一、传热操作的目的1、加热或冷却2、热量回收3、保温，减少热量或冷量的损失二、传热过程中冷热流体的接触方式1、直接接触式传热2、间壁式传热3、蓄热式传热三、传热的基本方式1、热传导静止物质内的一种传热方式，没有物质的宏观位移。

2、对流传热流体中质点发生相对位移而引起的热量交换。

3、辐射传热热能以电磁波的形式在空间传递。

特点：1）绝对零度以上的任何物质均能发生热辐射。

2）热辐射不仅是能量的转移，而且发生了能量形式的变化，不需任何物质做传热媒介。

本章的学习任务：热量由热流体通过壁面传给冷流体的一系列计算。

§2、热传导热传导的必要条件：温度差；传热媒介。

温度差是传热过程的推动力。

一、温度场和温度梯度 1、温度场三维温度场：()θ,,,z y x f t = 一维温度场：()θ,x f t = 一维稳定温度场：()x f t = 2、等温面温度场内，温度相同的点组成的面为等温面。

不同的等温面不会相交。

3、温度梯度两等温面间的温度差与其间的垂直距离之比的极限。

n tn t n ∂∂=∆∆→∆lim 0温度梯度的方向以温度增加的方向为正，与传热方向相反。

二、傅立叶定律通过等温面的导热速率与温度梯度及传热面积成正比。

ntdA dQ ∂∂⋅⋅-=λ 温度梯度的方向：低温面向高温面传热的方向：高温面向低温面对于一维稳定的热传导过程，则有：阻力推动力=⋅∆=∆⋅⋅=Ab t b t A Q λλ 三、导热系数λ物理意义：温度梯度为1o C/m ；导热面积为1m 2的情况下，单位时间内传递的热量。

标志着物质的导热能力。

单位：W/m ·o C 导热系数λ的影响因素： 1、物质的种类导热材料（大多数金属）；隔热材料（C m W o⋅〈/22.0λ）2、物质的状态固体λ较大；气体λ较小。

3、物质的湿度湿材料λ较大；干材料λ较小。

4、物质的温度 四、平面壁的稳定热传导 1、单层平壁的稳定热传导假设： 1）平壁材料均匀。

2）导热系数不随温度而变。

3）平壁内温度只沿垂直于壁面的 方向发生变化。

4）平壁面积与侧面积相比为无穷 大。

（侧面散热为零）阻力推动力=∆=⋅-=R t Ab t t Q λ21 2、多层平壁的稳定热传导总阻力总推动力=⋅+⋅+⋅-=Ab A b A b t t Q 33221141λλλ3、推动力和阻力的加和性321321332211321R R R t t t R t R t R t Q Q Q Q ++∆+∆+∆=∆=∆=∆====总 321321::::R R R t t t =∆∆∆例：穿过三层等厚的平壁的稳定导热过程，如图，已知t 1 = 200o C ，t 2 = 150o C ，t 3 = 120o C ，t 4 = 100o C ，由图判断导热系数最大的一层为（ ）。

A ：第一层B ：第二层C ：第三层D ：不能判断五、圆筒壁的稳定热传导 特点：1、温度沿圆筒的径向而变化，等温面为一系列同心的圆筒壁面。

2、导热面积因直径不同而不同。

3、总传热速率不变，传热通量沿径向变化。

则传热速率的计算式为：drdtrl dr dt A Q ⋅⋅-=⋅⋅-=πλλ2dt Qlr dr ⋅⋅-=πλ2 dt Qlr dr t t r r ⋅⋅-=⎰⎰πλ22121()21122ln ln t t Qlr r -⋅⋅=-πλλπλπλπ⋅-=⋅⋅--=⋅⋅-=l r b tt l r r r t t r r l t t Q m 22ln ln 2121121212211221 λλππππλπ⋅-=⋅---=⋅⋅-=m A b tt lr l r l r l r r r t t r r l t t Q 2112121221122122ln22ln 21对数平均半径 1212lnr r r r r m -=；对数平均面积 1212ln A A A A A m -= 同理，多层圆筒壁的稳定热传导的计算式为：33322211141λλλ⋅+⋅+⋅-=m m m A b A b A b t t QP ．212 6内内内内λπ⋅=l r b R m 2 ；=⋅=外外外外λπl r b R m 2外内外λπ⋅l r b m 4 若 外内λλ〉，则+⋅=内内内总λπl r b R m 2外内外λπ⋅l r b m 4+⋅=小内内λπ22l r b m 小外外λπ⋅l r b m 4小外λπ⋅=l r b m 42若 外内λλ〈，则+⋅=内内内总λπl r b R m 2外内外λπ⋅l r b m 4 +⋅=小内内λπl r b m 2小外外λπ24⋅l r b m小外λπ⋅=l r bm 85§ 3 对流给热 一、概述1、对流传热与对流给热对流传热：流体中质点发生相对位移而引起的热交换。

对流给热：流体流过固体传热面时，与该面发生的热传导、流体质点间的热传导以及对流传热共同的传热作用。

2、自然对流与强制对流自然对流：传热过程中因冷热流体密度不同而产生环流引起的热交换。

强制对流：流体在外力作用下产生宏观运动而引起的热交换。

二、对流给热过程的计算 1、牛顿冷却定律流体被加热：()t T A Q W -⋅⋅=α流体被冷却：()w T T A Q -⋅⋅=α式中：α为对流给热系数，单位：W / m 2 · o C 2、对流给热系数α的计算1）无相变低粘度流体在圆形直管内作强制湍流时的αbCp u d d ⎪⎭⎫⎝⎛⋅⋅⎪⎪⎭⎫⎝⎛⋅⋅⋅⋅=λμμρλα8.0023.0 流体被加热：b = 0.4；流体被冷却：b = 0.3 应用范围： 1）Re >10000 2）1607.0〈⋅〈λμCp3）50〉dl4）水μμ2〈例：某列管换热器由38根mm 5.225⨯Φ的无缝钢管组成，苯在管内流动，由20 o C 被加热到80 o C 。

苯的流量为8.32kg/s ，外壳通入水蒸气进行加热。

试求管壁对苯的对流给热系数。

若苯的流量提高一倍，给热系数有何变化？§4传热过程的计算 一、热量衡算方程式对于无相变的传热过程：热流体的放热量 = W 1 Cp 1·（T 1－T 2 ） 冷流体的吸热量 = W 2 Cp 2·（t 2－ t 1）若不计热损失，则有：热流体的放热量 = 冷流体的吸热量Q 总 = W 1 Cp 1·（T 1－T 2 ）= W 2 Cp 2·（t 2－ t 1）二、传热速率方程式111A T T Q W⋅-=α热 mwW A bt T Q ⋅-=λ壁 221A t t Q W ⋅-=α热=热Q =壁Q 总热Q Q = 111A T T Q W⋅-=α总m w W A b t T ⋅-=λ221A t t W ⋅-=α 221111A A b A tT Q m ⋅+⋅+⋅-=αλα总 对于平面壁：传热面积 A A A A m ===21设 21111αλα++=bK则有 ()t A K t T A K Q ∆⋅⋅=-⋅⋅=平面壁传热速率方程式对于圆筒壁：传热面积以圆管外表面为基准进行计算。

设 外外内内外A A b A A K m ⋅+⋅+⋅=⋅αλα111则有 ()t A K t T A K Q ∆⋅⋅=-⋅⋅=外外圆筒壁传热速率方程式三、总传热系数K1、总传热系数K 的物理意义：温度差为1o C 时，单位时间内通过单位面积的传热量。

单位：W/m 2·oC2、总传热系数K 的来源 1）选用实际生产的经验数据。

2）实验测定。

3）K 值的计算。

3、提高K 值的途径减小热阻；增大流体对流给热系数。

例：1000;1021==αα 则1010001101111121≈+=+=ααK将2α提高10倍，则10100001101111121≈+=+=ααK 将1α提高10倍，则100100011001111121≈+=+=ααK当1α和2α相差较大时，K 值取决于较小的对流给热系数，所以，要提高总传热系数值，关键在于从热阻较大的一侧入手，设法增加较小的对流给热系数α。

四、平均温度差的计算 1、恒温差传热壁面两侧进行热交换的冷热流体，其温度不随时间及位置而变化。

2、变温差传热采用对数平均值计算平均温度差（传热平均推动力）。

1）并流冷热流体流动方向相同。

并流平均温度差()()221122112121ln ln t T t T t T t T t t t t t m -----=∆∆∆-∆=∆并 2）逆流冷热流体流动方向相反。

逆流平均温度差()()122112212121ln ln t T t T t T t T t t t t t m -----=∆∆∆-∆=∆逆3）错流冷热流体流动方向垂直。

4）折流并流和逆流共存的传热流程。

5）错流和折流的平均温度差安德华（Underwood ）—鲍曼（Bowman ）图算法： 先按逆流操作算出对数平均温度差，再由曲线图差出校正系数。

/m t m t t ∆⋅=∆∆ϕ曲线图横坐标 1112t T t t P --==冷热流体的最初温差冷流体的温升曲线图纵坐标 1221t t T T R --==冷流体的温升热流体的温降3、对数平均值与算术平均值2ln 212121t t t t t t ∆+∆〈∆∆∆-∆ 例：95.668ln 68=- 7268=+ 57.28680ln 680=- 432680=+ 4、逆流推动力与并流推动力逆流： 245o C175o C 160o C 120o C()()Ct o m 9.685585ln 5585120175160245ln120175160245=-=-----=∆逆并流： 245o C 175o C 120o C 160o C ()()Ct o m 9.5110125ln 10125160175120245ln160175120245=-=-----=∆并例1：在一传热外表面积为300 m 2的单程列管换热器中，300 o C 的某气体通过壳方被加热到430 o C ，另一种560 o C 的气体作为加热介质。

两气体逆流流动，流量均为10000 kg / h ，平均比热均为 1.05 kj / kg·oC 。

若换热器的热损失为壳方气体传热量的10 %，试求总传热系数K 。

例2：每小时500㎏的常压苯蒸汽用直立列管换热器加以冷凝，并冷却到30 o C 。

冷却介质为20 o C 的冷水，冷水的出口温度不超过45 o C ，冷热流体呈逆流流动。

已知苯蒸汽的冷凝温度为80oC ，汽化潜热为390 kj / kg ，平均比热为1.86 kj / kg·o C ，并估算出冷凝段的传热系数为500w/m 2·o C ，冷却段的传热系数为100 w/m 2·o C 。