第四章传热

第四章 传热

要求： 1.掌握热传导的基本原理、傅立利定律、平壁与圆筒壁的稳定热传导计算； 2.掌握对流传热的基本原理及牛顿冷却定律； 3.掌握运用传热速率方程式、热量衡算式、平均温度差、总传热系数进行传热计算；

4.理解对流传热系数的影响因素、关联式及应用条件；4.理解对流传热系数的影响因素、关联式及应用条件； 5.了解间壁换热器的结构特点、应用及强化途径。

重点： 对数平均温度差、总传热系数的计算、换热器的计算。

4.1 概述 传热：由于温度差引起的能量转移，又称热传递。稳态传热：传热系统中无能量积累。其特点是：传热速率在任何时刻为常数，且系统中各点的温度仅随位置变化，不随时间而变。非稳态传热：传热系统中各点的温度不仅随位置变化，而且随时间而变。

4.1.1 传热的基本方式 分类：（传热机理） 1.热传导 1)定义：物体各部分之间不发生相对位移，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，又称导热。 2)条件：系统两部分之间存在温度差。

2.热对流 • 1)定义：物体各部分之间发生相对位移所引起的热传递过程，简称对流传热。 • 2)产生原因： • 流体温度中各处温度的不同而引起密度的差别，使流体质点产生位移，称自然对流； • 外力所致流体质点的强制运动，称强制对流。

3) 说明： • 同一种流体中可能同时发生自然对流和强制对流； • 化工过程中，流体流过固体表面时的传热是包含了热传导和热对流的联合过程，称对流传热； • 对流传热与流体流动状况密切相关。

3.热辐射 • 1.定义：由于热原因而产生的电磁波在空间的传递。 • 2.说明： • 任何物体只要在绝对零度以上，都能进行热辐射； • 物体只有在温度较高时，热辐射才能成为主要的传热方式。

4.1.2 传热过程中热、冷流体（接触）热交换的方式（自学）

4.2 热传导 4.2.1 基本概念和傅立叶定律 1.温度场和温度梯度 1) 温度场某一时刻物体或系统内各点的温度分布。

稳态温度场： 稳态一维温度场： 2) 等温面：温度场中同一时刻下相同温度各点所组成的面。等温面不能相交。 3) 温度梯度：两相邻等温面的温度差与两面间的垂直距离之比。

温度梯度： 稳态一维温度梯度：

2.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，即： ：导热系数，w/(m﹒oC)； Q：导热速率，w； S：等温面的面积，m2。

表4-1 物质导热系数的数量级

4.2.2 导热系数 1.固体的导热系数　　金属：t， 　　非金属： t， 　　对大多数固体：

2.液体的导热系数 　　大多数液态金属： t， 　　液体（除水和甘油）： t， 3.气体的导热系数 t，

4.2.3 平壁的温态热传导 1.单层平壁的热传导 b：平均壁厚，m； t：温度差，oC；

稳态的一维平壁热传导： 对上式积分可得：

R：导热热阻，oC/w。 R1：导热热阻，m2﹒oC/w。

2.多层平壁的热传导

以三层平壁为例：

多层平壁：

4.2.4　圆筒壁的热传导 1.单层圆筒壁的热传导（稳态）

上式积分可得：

面积的对数平均值 半径的对数平均值

2.多层圆筒壁的热传导（稳态）

以三层圆筒壁为例：

对多层圆筒壁：

3.保温层临界直径

保温层的临界直径

4.3　对流传热 4.3.1 对流传热的分析

4.3.2 壁面和流体间的对流传热速率 牛顿冷却定律：以热流体和壁面间的对流传热为例 ：局部对流传热系数 ：平均对流传热系数

热流体在管内流动，冷流体在管间流动，则对流传热速率方程可表示为:热流体在管内流动，冷流体在管间流动，则对流传热速率方程可表示为: Si，So：换热器管内侧和外侧表面积，m2； i，o：内侧和外侧流体对流传热系数，w/(m2﹒oC)。

表 4-3 值的范围

4.3.3 热边界层（了解）

4.4传热计算 设计计算：生产要求的热负荷→换热器的传热面积校核计算：换热器→换热器传热量、流体流量或温度

4.4.1 能量衡算 假设换热器绝热良好，热损失可忽略，则单位时间内热流体放出的热量等于冷流体吸收的热量，即： • 若换热器中两流体无相变：

若换热器中热（冷）流体仅发生相变： • 若换热器中热（冷）流体发生相变，且发生冷却（加热）：

4.4.2 总传热速率微分方程和总传热系数 1.总传热速率微分方程 K：总传热系数， w/(m2﹒oC)。工程上大多以外表面积为基准的。

圆管：

2.总传热系数 • 1）总传热系数的计算式 • 两流体通过管壁的传热过程可分解为： • 热流体在流动过程中把热量传给管壁的对流传热； • 通过管壁的热传导； • 管壁与流动中的冷流体之间的对流传热。

比较上面两式可得：

圆管：

2）污垢热阻 Rsi，Rso：管内，外侧表面上的污垢热阻 3）总传热系数的数值范围（见书）

例4-4：

K0=37.2 W/(m2C) 按平壁计算结果：K0=46 W/(m2C)

例4-5： i提高一倍：

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