單元9穩(wěn)定傳熱

第二部分單元9穩(wěn)定傳熱熱工學基礎(chǔ)1

9.1復(fù)合換熱┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄（5）單元9穩(wěn)定傳熱

9.1.1復(fù)合換熱的概念┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄（5）單元9穩(wěn)定傳熱┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄（3）

9.1.2復(fù)合換熱的計算思路和方法┄┄┄┄┄┄（6）

9.2通過平壁、圓筒壁的傳熱計算┄┄┄┄┄┄┄┄（9）

9.2.1通過平壁的傳熱計算┄┄┄┄┄┄┄┄┄（9）

9.2.2通過圓筒壁的傳熱計算┄┄┄┄┄┄┄┄（18）

9.3傳熱的增強┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄（26）

9.3.1提高傳熱系數(shù)K的理論途徑┄┄┄┄┄┄（27）

9.3.2增強傳熱在工程中的應(yīng)用┄┄┄┄┄┄┄（29）

9.4傳熱的削弱（熱絕緣）┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄（37）

9.4.1熱絕緣的目的和技術(shù)措施┄┄┄┄┄┄┄（37）

9.4.2熱絕緣層的經(jīng)濟厚度┄┄┄┄┄┄┄┄┄（38）

9.4.3臨界熱絕緣直徑┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄（40）2【知識點】平壁及圓筒壁的傳熱，傳熱的增強和削弱?！灸芰δ繕恕空莆眨簜鳠嵯禂?shù)、傳熱熱阻、復(fù)合換熱等基本概念。理解：三種基本傳熱方式的復(fù)合及其特征。熟悉：實際工程中常遇到的傳熱的增強和削弱的方法。應(yīng)用：能應(yīng)用相關(guān)概念和公式進行平壁及圓筒壁的熱量傳遞分析和計算。單元9穩(wěn)定傳熱3前面各章已分別研究了導(dǎo)熱、對流換熱和輻射換熱，了解了它們的換熱規(guī)律和計算方法。在實際工程中會遇到許多復(fù)雜的傳熱過程，往往是由導(dǎo)熱、對流和輻射三種基本傳熱方式復(fù)合而成的。例如：采暖系統(tǒng)中散熱器的散熱過程、保溫管道的熱損失等。復(fù)合換熱問題應(yīng)抓住主要矛盾，對具體問題具體分析，找出解決問題的辦法。本章將討論平壁及圓筒壁的傳熱、肋壁傳熱，以及傳熱的增強和削弱的方法。單元9穩(wěn)定傳熱4如前所述，人們把一般的熱量傳遞過程劃分為導(dǎo)熱、對流和輻射三種基本方式，僅僅是為了研究上的方便。而在實際工程中存在的換熱問題，則是由幾種方式組成的復(fù)雜的熱交換過程。如采暖系統(tǒng)中散熱器的散熱過程，室內(nèi)熱量通過建筑物外維護結(jié)構(gòu)向外散熱的過程等都同時存在兩種基本熱交換方式。這種導(dǎo)熱、對流和輻射熱交換形式同時存在的換熱過程稱為復(fù)合換熱過程。9.1.1復(fù)合換熱的概念9.1復(fù)合換熱9.1復(fù)合換熱5在實際應(yīng)用中，為了簡化計算，常把幾種基本換熱方式共同作用的結(jié)果看做是由其中某一種主要方式所造成，而其他方式則只是影響主要方式特性的大小而已。例如在研究爐膛中壁面和煙氣流之間的換熱問題時，常把輻射當作主要換熱方式來討論；而對建筑物的外墻與空氣之間的換熱問題，又把對流看做是主要換熱方式。在計算復(fù)合換熱的過程中，用換熱系數(shù)α=αj+αf來表示換熱過程的強弱。其中αj是考慮對流和導(dǎo)熱共同作用時的換熱系數(shù)，稱為接觸換熱系數(shù)；αf是考慮輻射作用的換熱系數(shù)，稱為輻射換熱系數(shù)。如果用tl代表氣體的溫度，用tb代表壁面溫度，則壁面單位表面積的接觸傳熱量為：9.1.2復(fù)合換熱的計算思路和方法9.1復(fù)合換熱69.1復(fù)合換熱79.1復(fù)合換熱8熱流體通過固體壁面將熱量傳給冷流體的過程是一種復(fù)合換熱過程，簡稱為傳熱。根據(jù)固體壁面的形狀，這種傳熱可分為通過平壁、通過圓筒壁和通過肋壁等的傳熱。

平壁傳熱的計算公式設(shè)有一單層平壁，兩側(cè)的表面積分別為F1、F2，且F1=F2；平壁厚度為δ，導(dǎo)熱系數(shù)為λ，平壁兩側(cè)的流體溫度為tl1、tl2，放熱系數(shù)為α1和α2，平壁兩側(cè)的表面溫度為tb1和tb2，見圖9.1。9.2通過平壁、圓筒壁的傳熱計算9.2.1通過平壁的傳熱計算9.2通過平壁、圓筒壁的傳熱計算9在此傳熱過程中，按熱流方向依次有熱流體與壁面1間的對流換熱，通過平壁的導(dǎo)熱，以及壁面2與冷流體間的對流換熱。在穩(wěn)定狀態(tài)下，熱流體與壁面1間傳熱量、通過平壁的導(dǎo)熱量以及壁面2傳遞給冷流體的熱量均相等。即熱流體與壁面1間傳熱量：圖9.1通過單層平壁的傳熱

9.2通過平壁、圓筒壁的傳熱計算109.2通過平壁、圓筒壁的傳熱計算119.2通過平壁、圓筒壁的傳熱計算12

傳熱系數(shù)和熱阻9.2通過平壁、圓筒壁的傳熱計算139.2通過平壁、圓筒壁的傳熱計算14

傳熱公式的應(yīng)用(9.9)9.2通過平壁、圓筒壁的傳熱計算15從傳熱熱阻的計算公式可以看出，總熱阻等于各部分分熱阻之和。工程中遇到的平壁通常是由若干層材料組成的多層平壁，對于多層平壁，總熱阻仍等于各部分熱阻之和，如圖9.2所示。從圖中我們可以看出，沿著熱流的方向可以將多層平壁的傳熱過程簡化為一個串聯(lián)電路。這樣多層平壁的熱流量計算公式為：圖9.2通過多層平壁的傳熱9.2通過平壁、圓筒壁的傳熱計算169.2通過平壁、圓筒壁的傳熱計算17

圓筒壁傳熱的計算公式(圖9.3)9.2.2通過圓筒壁的傳熱計算圖9.3通過單層圓筒壁的傳熱

9.2通過平壁、圓筒壁的傳熱計算189.2通過平壁、圓筒壁的傳熱計算199.2通過平壁、圓筒壁的傳熱計算20

傳熱系數(shù)和熱阻9.2通過平壁、圓筒壁的傳熱計算219.2通過平壁、圓筒壁的傳熱計算22

傳熱公式的應(yīng)用（9.18）9.2通過平壁、圓筒壁的傳熱計算239.2通過平壁、圓筒壁的傳熱計算249.2通過平壁、圓筒壁的傳熱計算25在工程中解決實際的傳熱問題時，有些場合要求增強傳熱，而另外一些場合則要求盡量減弱傳熱。這些問題都可以利用前面講過的傳熱學原理加以解決。例如減小壁厚和選用導(dǎo)熱系數(shù)較大的材料，可以減小傳熱的熱阻，增強傳熱效果；擾動流體和加大流動速度，可以增強接觸換熱；沸騰時，用攪動流體和清掃加熱面的方法可以得到更大的傳熱量；凝結(jié)時，依靠冷卻面的適當安排和清掃冷卻面，提高蒸汽的流速等，可以使換熱增強；在輻射方面，可以設(shè)法增加輻射面的黑度，提高表面溫度來促進輻射換熱。對于幾種基本換熱方式同時存在的傳熱過程來說，增強傳熱就不像上述問題那樣簡單，只有在仔細分析傳熱過程的具體情況后才能得到正確的解決。9.3傳熱的增強9.3傳熱的增強269.3.1提高傳熱系數(shù)K的理論途徑9.3傳熱的增強279.3傳熱的增強28

加肋增強傳熱工程上常采用肋壁來增強傳熱。例如采暖用的翼型散熱器和串片散熱器，通風、空調(diào)用的空氣加熱器和冷卻器，鍋爐用的鑄鐵省煤器等等，都是采用肋壁來增加換熱面積，減小換熱壁面兩側(cè)的換熱熱阻的差值，以達到增強傳熱的目的。9.3.2增強傳熱在工程中的應(yīng)用圖9.4通過肋壁的傳熱

9.3傳熱的增強29圖9.4

9.3傳熱的增強309.3傳熱的增強319.3傳熱的增強329.3傳熱的增強33

提高換熱系數(shù)α增強傳熱通過分析對流換熱過程知道影響換熱量大小的因素很多，例如流體流動情況，液體的物理性質(zhì)，換熱表面的形狀和大小等對換熱過程都有很大影響。下面僅介紹幾種可行的增強傳熱效果的方法。（1）增強流體的擾動增加流速可增加流體擾動，改變流態(tài)，提高紊流強度，增大換熱系數(shù)。流體在管內(nèi)紊流流動時，換熱系數(shù)與流速的0.8次方成正比；外掠管束時，與流速的0.6～0.84次方有關(guān)。增加流速對增強傳熱效果顯著。此外還可在管內(nèi)加入干擾物，如金屬絲、螺旋環(huán)等，來增強流體的擾動，破壞流動邊界層，達到增強傳熱的目的。9.3傳熱的增強34(2)破壞邊界層用射流噴射傳熱表面，能直接破壞邊界層，因而強化了換熱。此法適用于強化局部的傳熱，是近代強化傳熱的新技術(shù)之一。另外，增加換熱表面的粗糙度，改變換熱表面涂層和換熱表面形狀、大小，改變能量傳遞方式（將對流換熱轉(zhuǎn)換成輻射換熱）等措施都可不同程度地增強傳熱效果。(3)改變流體物性流體中加入添加劑可以改變流體的某些熱物理性質(zhì)，例如導(dǎo)熱系數(shù)、容積比熱，對換熱系數(shù)的影響較大，改變流體的這類物理性能能夠達到強化傳熱的效果。添加劑可以是液體，也可以是固體，固體顆粒具有較高的容積比熱，加入流體后可提高流體的容積比熱和熱容量，從而增強了傳熱。9.3傳熱的增強35加入固體添加劑還可以增強氣流的擾動，撞擊壁面破壞邊界層，攜帶熱能也導(dǎo)致傳熱增強。液體添加劑噴入蒸汽中，可以促進珠狀凝結(jié)，噴入水霧（氣體）中，能促進壁面形成液膜，達到增強換熱的目的。

減小導(dǎo)熱熱阻以增強傳熱通過傳熱系數(shù)計算公式可以看出，傳熱系數(shù)隨導(dǎo)熱熱阻δ/λ的增加而降低。前面在分析提高傳熱系數(shù)的理論途徑時為了簡化分析過程，忽略了導(dǎo)熱熱阻，在工程實踐中由于換熱設(shè)備換熱表面的水垢層和煙渣層的存在，會對傳熱系數(shù)K產(chǎn)生很大的影響，因為水垢層和煙渣層的導(dǎo)熱系數(shù)很小，即使厚度非常薄，也會產(chǎn)生很大的導(dǎo)熱熱阻，因此不能忽略。這樣在日常的管理中必須定期對水垢層和煙渣層進行清理，才能保證設(shè)備的正常工作，提高換熱設(shè)備的傳熱系數(shù)。9.3傳熱的增強36在實際工程中，為了節(jié)約能源，提高設(shè)備的熱效率，或為了減少管道和設(shè)備的熱損失，保持冷、熱流體的溫度，常常需要減小傳熱。由前面講過的傳熱學原理可知，當冷熱流體的溫度保持不變時，可通過增大傳熱熱阻的方法來減小傳熱。大多數(shù)情況下是在壁面上附加一層熱絕緣材料（保溫層），以增加導(dǎo)熱熱阻的方式來實現(xiàn)削弱傳熱的目的。一般工程上所說的熱絕緣（保溫）材料通常指導(dǎo)熱系數(shù)不大于0.2W/(m·℃)的材料。例如目前常用的材料有巖棉、泡沫塑料、微孔硅酸鈣、珍珠巖等，它們的導(dǎo)熱系數(shù)均在0.03～0.05W/(m·℃)范圍內(nèi)。9.4.1熱絕緣的目的和技術(shù)措施9.4傳熱的削弱（熱絕緣）9.4傳熱的削弱（熱絕緣）37熱絕緣層是用來減小熱損失的輔助層，從理論角度分析，熱絕緣材料越厚，導(dǎo)熱熱阻就越大，當熱絕緣材料的厚度趨于無窮大時管道和設(shè)備的熱損失趨于零。但熱絕緣材料越厚從經(jīng)濟的角度考慮就意味著更大的經(jīng)濟投資，這顯然是不現(xiàn)實的。因此就要在投資和熱絕緣的效果之間進行折中考慮，在保證熱絕緣效果的同時減少投資，由此而確定的熱絕緣厚度就是經(jīng)濟厚度。確定方法如下：首先計算不同厚度絕緣層的熱損失，然后根據(jù)熱量損失求出各種不同厚度時的年度經(jīng)濟損失（費用），這樣就可以將絕緣層厚度與年度熱量損失費用的關(guān)系用曲線表示出來。如圖9.5中曲線2。其次，計算不同厚度熱絕緣的初投資費用和年度折舊費用，并將厚度和費用的關(guān)系也用曲線表示。9.4.2熱絕緣層的經(jīng)濟厚度9.4傳熱的削弱（熱絕緣）38如圖9.5中曲線1。由圖中可以看出，年度熱量損失費用，隨絕緣層厚度的增加而減少，而熱絕緣層的初投資費用和折舊費用則隨絕緣厚度的增加而增大。最后求出不同絕緣層厚度時兩種費用的總和，并將這一關(guān)系表示為曲線3，見圖9.5，曲線3最低點的橫坐標所對應(yīng)的絕緣層厚度，即為最經(jīng)濟的絕緣