化工第四章：传热

2013-3-4 第四章 传热过程 7
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第二节 传导传热
一、热传导基本方程式----傅立叶定律
1、傅立叶定律 ：
Q A
对于微元：
t


dt dQ A d d
dt d d
引入比例系数： dQ A
实际生产中的传热，并非单独以某种方式进行， 往往是多种方式同时进行。
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三、传热中的一些基本物理量和单位
1、热量Q：
单位：kg· 2·-2，Nm，J，cal，kcal m s
1cal=4.186 J
l
r2 r r1
dr
Φ t1.
Φ
dt
△t t2
r2 2 l ln t1 t2 r1 2 l t 2 l t1 t2 2 l t 1 d2 1 r2 r2 ln ln ln d1 r1 r1
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Co地均匀的固体:
λ = λ0(1+at)
λ0为00C时固体的导热系数,a为温度系数.
液体混和物:
λ =k(λ1w1+ λ2w2+…… )
w 1, w2,----各组分的质量分数 λ1 ,λ2,----各组分的导热系数 K--常数,对一般混和物或溶液为1.0,对有机物的水溶液为0.9
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19）设有A、B两平行固体平面，温度分别为TA和TB（TA>TB）。为减
少辐射散热，在这两平面间设置n片很薄的平行遮热板，设A所有平面的 表面积相同，黑度相等，平板间距很小，试证明设置遮热板后A平面的 散热速率为不装遮热板时的
倍。 20）用热电偶测量管内空气温度，测得热电偶温度为420℃，热电偶
黑度为0.6，空气对热电偶的给热系数为35 W/(m·℃)，管内壁温度为 300℃，试求空气温度。
11）苯流过一套管换热器的环隙，自20℃升至80℃，该换热器的内 管规格为φ19×2.5mm，外管规格为φ38×3mm。苯的流量为1800kg/h。 试求苯对内管壁的给热系数。
12）冷冻盐水（25%的氯化钙溶液）从φ25×2.5mm、长度为3m的管 内流过，流速为0.3m/s，温度自-5℃升至15℃。假设管壁平均温度为 20℃，试计算管壁与流体之间的平均对流给热系数。已知定性温度下冷 冻盐水的物性数据如下：密度为1230kg/m3，粘度为4×10-3Pa·s，导热 系数为0.57 W/(m·℃)，比热为2.85kJ/(kg·℃)。壁温下的粘度为 2.5×10-3Pa·s。 解：d = 0.025－0.0025×2 = 0.02 m
’ 36）在一单管程列管式换热器中，将2000kg/h的空气从20℃加热到 80℃，空气在钢质列管内作湍流流动，管外用饱和水蒸汽加热。列管总 数为200根，长度为6m，管子规格为φ38×3mm。现因生产要求需要设计 一台新换热器，其空气处理量保持不变，但管数改为400根，管子规格 改为φ19×1.5mm，操作条件不变，试求此新换热器的管子长度为多少 米？ 37）在单程列管换热器内，用120℃的饱和水蒸汽将列管内的水从 30℃加热到60℃，水流经换热器允许的压降为3.5Pa。列管直径为 φ25×2.5mm，长为6m，换热器的热负荷为2500kW。试计算：①列管换 热器的列管数；②基于管子外表面积的传热系数K。 假设：列管为光滑管，摩擦系数可按柏拉修斯方程计算，

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0.16W/(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℃231212t t t t b b λλ--= (1757530)025*********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=0.043 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()()../.q t t W m bλ=-=-=-2120043328358 003【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℃，习题4-1附图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 =⨯=．。

沸腾过程中的暴沸现象：沸腾过程不平稳
容易在光滑表面形成。原因是需要较大的过热度，暴沸之 后过热度丧失，蒸发过程不平稳，暴沸对传热过程不利
（4）大容积饱和沸腾 曲线 ①自然对流阶段 ②泡状沸腾阶段
nucleate boiling
③膜状沸腾阶段film boiling
问： 1、沸腾曲线分为几个阶段？各有什么特点? 2、工业生产中沸腾操作一般总是设法控制在什么阶段？为什么？
五、有相变的对流传热 特点：对流传热系数较无相变时大，为什么？
1、蒸汽冷凝
（1）蒸汽冷凝的特点 气相主体不存在温度差，没有热阻，蒸汽冷凝给热的热阻 几乎全部集中在冷凝液膜中
工业上使用饱和蒸汽作为加热介质的原因：
一是饱和蒸汽有恒定的温度
二是有较大的对流传热系数
（2）冷凝液在壁面上的流动方式
•膜状冷凝
•滴状冷凝
滴状冷凝系数比膜状冷凝系数可以高达几倍甚至十几 倍，为什么？ 但工业上冷凝器的设计却又总是按膜状冷凝来处理， 为什么？
因为即使采用了促进滴状冷凝的措施也不能持久
（3）影响冷凝传热的因素
不凝气体导致的附加热阻，蒸汽中有1%的不凝气体时，冷 凝给热系数将降低60% 蒸汽过热的影响，即壁温的影响，壁温与蒸汽的饱和温度比较 蒸汽的流速和流向对膜层厚度的影响
难点
流体无相变时管内强制湍流对对流传 热系数的影响因素及其影响机理
§4-5 对流传热系数关联式
一、获得α的方法
1、解析法
对所考察的流场建立动量传递、热量传递的衡算方程和速率方 程，在少数简单的情况下可以联立求解流场的温度分布和壁面 热流密度，然后将所得结果改写成牛顿冷却定律得形式，获得 给热系数的理论计算式，如：管内强制层流时的对流传热系数 求解