四 傳熱及傳熱設(shè)備

熱傳導(dǎo)熱對(duì)流傳熱過(guò)程計(jì)算熱輻射換熱設(shè)備第四章傳熱熱量傳遞的三種基本方式分析室內(nèi)熱量傳給室外的熱傳遞過(guò)程

(1)室內(nèi)→內(nèi)墻:對(duì)流換熱,熱輻射

(2)內(nèi)墻→外墻:導(dǎo)熱

(3)外墻→大氣:對(duì)流換熱,熱輻射

三種熱量傳遞方式:導(dǎo)熱,對(duì)流和熱輻射

1.導(dǎo)熱(熱傳導(dǎo))conductionheattransfer

(1)定義:

物體各部分之間不發(fā)生相對(duì)位移時(shí),依靠分子,原子及自由電子等微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的熱量傳遞.

(2)特征:

a.物體間無(wú)相對(duì)位移;

b.物體間必須相互接觸;

b.沒(méi)有能量形式的轉(zhuǎn)化.

2.熱對(duì)流(convectionheattransfer)

(1)熱對(duì)流:

流體的各部分之間由于相對(duì)宏觀位移而引起的熱量傳遞.

(2)對(duì)流換熱:

流體流過(guò)與之溫度不同的固體壁面時(shí)引起的熱量傳遞.

(3)特征:

有相對(duì)位移;

一定伴隨著流體的導(dǎo)熱;

沒(méi)有能量形式之間的轉(zhuǎn)換;

流體和固體壁面相互接觸.

(4)牛頓冷卻公式

3.熱輻射(radiationheattransfer)

(1)定義:由于溫度的原因而導(dǎo)致的能量輻射.

(2)特征:

有能量形式間的轉(zhuǎn)化:熱能-輻射能-熱能

不需直接接觸

T>0就有能量輻射

與絕對(duì)溫度呈4次方關(guān)系

1）必須選擇適當(dāng)溫位的載熱體加熱時(shí)，溫度要求愈高，價(jià)格愈貴冷卻時(shí)，溫度要求愈低，價(jià)格愈貴2）溫度易于調(diào)節(jié)3）飽和氣壓低，不易分解4）毒性小，盡量不用易燃、易爆及腐蝕性介質(zhì)5）價(jià)格便宜，來(lái)源方便載體的選擇熱傳導(dǎo)1.熱傳導(dǎo)和傅立葉定律傅立葉定律導(dǎo)熱系數(shù)λ2.平壁熱傳導(dǎo)單層/多層平壁3.圓筒壁熱傳導(dǎo)單層/多層圓筒壁傅立葉定律(1)假設(shè)：(1)平壁面積A遠(yuǎn)大于壁厚，壁邊緣處Q散失=0。(2)溫度t只沿著垂直于壁面的x方向變化，等溫面是垂直于x軸的平面。(3)壁面兩側(cè)的溫度t1、t2不隨時(shí)間而變化。.傅立葉定律(2)單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)平板傳導(dǎo)的熱量dQ與溫度梯度dt/dx及垂直于熱流方向的導(dǎo)熱面積A正比，即：dQ/dτ=-λSdt/dx穩(wěn)定傳熱時(shí)，故上式可寫(xiě)為q=Q/τ=-λS(dt/dx)溫度梯度

導(dǎo)熱系數(shù)物質(zhì)名稱導(dǎo)熱系數(shù)[W/m.K]金屬5-420建筑材料0.5-2絕熱材料0.01-04水0.6其他液體0.09-0.7氣體0.007-0.17導(dǎo)熱系數(shù)公式

式中λ—固體在溫度t℃時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)，w/（m2℃）λo—固體在溫度0℃時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)，w/（m2?℃）

a—溫度系數(shù)，1／℃；對(duì)于大多數(shù)金屬材料為負(fù)值，而對(duì)大多數(shù)非金屬材料為正值。

熱傳導(dǎo)-平壁熱傳導(dǎo)公式推導(dǎo)得：由傅立葉定律例1有一燃燒爐，爐壁由三種材料組成。最內(nèi)層是耐火磚，中間為保溫磚，最外層為建筑磚。已知

耐火磚b1=150mmλ1=1.06W/m·℃

保溫磚b2=310mmλ2=0.15W/m·℃

建筑磚b3=240mmλ3=0.69W/m·℃

今測(cè)得爐的內(nèi)壁溫度為1000℃，耐火磚與保溫磚之間界面處的溫度為946℃。試求：

(a)單位面積的熱損失；

(b)保溫磚與建筑磚之間界面的溫度；

(c)建筑磚外側(cè)溫度。例題o

bbbtt1

t2t3t4圖3-3多層平壁穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)1）畫(huà)示意圖；2）判斷范圍；3）列公式；4）分析已知-未知關(guān)系；5）求解；6）驗(yàn)算。思路解用下標(biāo)1表示耐火磚，2表示保溫磚，3表示建筑磚。t3為保溫磚與建筑磚的界面溫度，t4為建筑磚的外側(cè)溫度。(a)熱損失qq=Q/=λ1/b1(t1-t2)=1.06/0.15(1000-946)=381.6W/m2解題過(guò)程(b)保溫磚與建筑磚的界面溫度t3因系穩(wěn)定熱傳導(dǎo)，所以q1=q2=q3=qq=λ2/b2(t2-t3)381.6=0.15/0.31(946-t3)解得t3=157.3℃(c)建筑磚外側(cè)溫度t4同理q=λ3/b3(t3-t4)381.6=0.69/0.24(157.3-t4)解得t4=24.6℃熱傳導(dǎo)-單/多層圓筒壁熱傳導(dǎo)公式推導(dǎo)：?jiǎn)螌訄A筒壁熱傳導(dǎo)用另外類似平壁一種方式表示設(shè)rm=(r2-r1)/ln(r2/r1)=b/ln(r2/r1)ln(r2/r1)=b/rm若在熱交換器里的一根鋼管，管內(nèi)徑是25[毫米]，管壁厚度3.25mm，管長(zhǎng)5.0m，管內(nèi)壁溫度是373K,管外壁溫度是371K。己知鋼的導(dǎo)熱系數(shù)λ=49W/mK，這根鋼管傳遞熱量為多少？例題2解己知r1=25/2=12.5mm=0.0125mr2=12.5+3.25=15.75mm=0.01575mb=3.25mm=0.00325mL=5.00mλ=49W/mKt1=373Kt2=371K(1)按園壁傳導(dǎo)的基本公式計(jì)算=

=1.33×104W(2)按平壁熱傳導(dǎo)公式計(jì)算q=2πLλ[r1+r2/2](t1-t2)/b=2×3.14×5.0×49×0.0141×(373-371)/0.00325=1.34×104W從上述計(jì)算結(jié)果可以出，r2/r1<1.3,用平壁熱傳導(dǎo)公式計(jì)算，誤差率為1%左右。熱對(duì)流：主要內(nèi)容1.對(duì)流傳熱分析2.熱對(duì)流基本概念常見(jiàn)類型速率方程傳熱系數(shù)α3.對(duì)流傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式對(duì)流傳熱分析湍流主體緩沖層滯流內(nèi)層層流底層）牛頓冷卻定律α——平均對(duì)流傳熱系數(shù)，w/(m2℃)S——總傳熱面積，m2；△t——流體與壁面（或反之）間溫度差的平均值，℃；

——對(duì)流傳熱熱阻。對(duì)流傳熱系數(shù)定義式：物理意義：對(duì)流傳熱系數(shù)是表示在單位溫差下，單位傳熱面積的對(duì)流傳熱速率；其值反映了對(duì)流傳熱的效果。α↑，對(duì)流傳熱越快。對(duì)流傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式1）影響因素2）因次分析3）具體應(yīng)用的簡(jiǎn)化無(wú)相變強(qiáng)制對(duì)流,自然對(duì)流有相變蒸汽冷凝,液體沸騰對(duì)流傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式因次分析確定相關(guān)因素寫(xiě)成冪指數(shù)的形式寫(xiě)出各項(xiàng)的基本量綱式子左右量綱指數(shù)相等4）式子左右量綱指數(shù)相等（公斤,s,t,m）5）按指數(shù)相同合并得：α=f(u,L,de,β,λ,μ,ρ,Cp,g△t)α=kuaLb

defCph(βg△t)i[α]=[W/m2/K]=[Nm/s/m2/K]=[kg/s3/K]幾種常用的準(zhǔn)數(shù)準(zhǔn)數(shù)名稱準(zhǔn)數(shù)名稱符號(hào)準(zhǔn)數(shù)式意義努塞爾特準(zhǔn)數(shù)（給熱準(zhǔn)數(shù)）Nu表示對(duì)流傳熱系數(shù)的準(zhǔn)數(shù)雷諾準(zhǔn)數(shù)（流型準(zhǔn)數(shù)）Re確定流動(dòng)狀態(tài)的準(zhǔn)數(shù)普蘭特準(zhǔn)數(shù)（物性準(zhǔn)數(shù)）Pr表示物性影響的準(zhǔn)數(shù)格拉斯霍夫準(zhǔn)數(shù)（升力準(zhǔn)數(shù)）Gr表示自然對(duì)流影響的準(zhǔn)數(shù)使用α經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題

a)應(yīng)用范圍：關(guān)聯(lián)式中Re、Pr、Gr的數(shù)值范圍。b)?特征尺寸：Nu、Re、Gr等準(zhǔn)數(shù)中如何選取。c)

定性溫度：各準(zhǔn)數(shù)中流體的物性應(yīng)按什么溫度確定。

有一列管式換熱器，由38根φ25mm×2.5mm的無(wú)縫鋼管組成。苯在管內(nèi)流動(dòng)，由20℃被加熱至80℃，苯的流量為8.32kg/s。外殼中通入水蒸氣進(jìn)行加熱。試求管壁對(duì)苯的傳熱系數(shù)。當(dāng)苯的流量提高一倍，傳熱系數(shù)有何變化。解：苯在平均溫度℃下的物性可由附錄查得：密度ρ=860kg/m3；比熱容cp=1.80kJ/（公斤·℃）；粘度μ=0.45mPa·s；導(dǎo)熱系數(shù)λ=0.14W/（m·℃）。加熱管內(nèi)苯的流速為

m/s

=1272W/（m2·℃）若忽略定性溫度的變化，當(dāng)苯的流量增加一倍時(shí)，給熱系數(shù)為α′W/（m2·℃）輻射傳熱---基本概念1）熱輻射(定義)：2）吸收(率)、反射(率)和透過(guò)(率)Q=QA+QR+QD1=+R+D 3）假想物體黑體：白體/鏡體：透熱體：灰體：QQDQAQR物體以電磁波形式傳遞能量的過(guò)程。能全部吸收輻射能的物體。能以相同的吸收率且部分地吸收0~∞所有波長(zhǎng)范圍的輻射能的物體。能透過(guò)全部輻射能的物體。能全部反射輻射能的物體。黑度ε：灰體的輻射能力與同溫度的黑體的輻射能力之比。幾種假想物體假想物體定義ARD較接近的實(shí)物黑體能全部吸收輻射能的物體100表面粗糙紅磚白/鏡體能全部反射輻射能的物體010表面磨光的銅透熱體能透過(guò)全部輻射能的物體001單原子/對(duì)稱雙原子氣體灰體能以相同的吸收率且部分地吸收0~∞所有波長(zhǎng)范圍的輻射能的物體?1-?0一般固、液體傳熱計(jì)算換熱器的傳熱速率方程1）總傳熱速率方程

Q=KS(T–t)2）總傳熱系數(shù)換熱器的傳熱速率方程--總傳熱系數(shù)

推導(dǎo)：不同基準(zhǔn)的總傳熱系數(shù)平均溫度差的推導(dǎo)

并流傳熱的△tm

dQ=WcCp,c

dt

dQ=Wh

Cp,h

dT∴dt/dQ=1/WcCp,c

dT/dQ=1/Wh

Cp,h∴d(△t)/dQ=d(T-t)/dQdQtt1t2T1T2平均溫度差恒溫傳熱：△tm=(T–t)變溫傳熱逆流并流折流錯(cuò)流ＴＴ１Ｔ2t2t１LＴＴ１Ｔ2t2t１L有一碳鋼制造的套管換熱器，內(nèi)管直徑為φ89mm×3.5mm，流量為2000kg/h的苯在內(nèi)管中從80℃冷卻到50℃。冷卻水在環(huán)隙從15℃升到35℃。苯的對(duì)流傳熱系數(shù)αh=230W/（m2·K），水的對(duì)流傳熱系數(shù)αc=290W/（m2·K）。忽略污垢熱阻。試求：①冷卻水消耗量；②并流操作時(shí)所需傳熱面積；假設(shè)總傳熱系數(shù)隨溫度的變化忽略不計(jì)。例題解①苯的平均溫度℃，比熱容cph=1.86×103J/（公斤·K）

苯的流量Wh=2000kg/h，水的平均溫度℃，比熱容cpc=4.178×103J/（公斤·K）。熱量衡算式為

（忽略熱損失）

熱負(fù)荷W

冷卻水消耗量

公斤/h

解題過(guò)程②以內(nèi)表面積Si為基準(zhǔn)的總傳熱系數(shù)為Ki，碳鋼的導(dǎo)熱系數(shù)=45W/（m·K）

=4.35×10－3+7.46×10－5+3.18×10－3

=7.54×10－3m2·K/W

Ki=133W/（m2·K），本題管壁熱阻與其它傳熱阻力相比很小，可忽略不計(jì)。

并流操作℃?zhèn)鳠崦娣e

m2換熱器的分類換熱器的分類一、根據(jù)換熱器的用途可分為：加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器、分凝器和再沸器等。二、根據(jù)換熱器的傳熱原理可分為：混合式換熱器、蓄熱式換熱器、間壁式換熱器。三、根據(jù)換熱器所用材料可分為：金屬材料換熱器、非金屬材料換熱器。換熱器傳熱過(guò)程的強(qiáng)化一、盡可能增大傳熱平均溫度差

tm1．兩側(cè)流體變溫傳熱時(shí)，盡量采用逆流操作

tm

；2．提高加熱劑T的溫度（如用蒸汽加熱，可提高蒸汽的壓力）；降低冷卻劑的進(jìn)口溫度，

tm

。二、盡可能增大單位體積的總傳熱面積