1、,热传导 热对流 传热过程计算 热辐射 换热设备,传 热,热量传递的三种基本方式,分析室内热量传给室外的热传递过程 (1)室内内墙:对流换热,热辐射 (2)内墙外墙:导热 (3)外墙大气:对流换热,热辐射 三种热量传递方式:导热,对流和热辐射,1. 导热(热传导)conduction heat transfer,(1)定义: 物体各部分之间不发生相对位移时,依靠分子,原子及自由电子等微观粒子的热运动而产生的热量传递. (2)特征: a. 物体间无相对位移; b.物体间必须相互接触; b.没有能量形式的转化.,2. 热对流(convection heat transfer),(1)热对流: 流体
2、的各部分之间由于相对宏观位移而引起的热量传递. (2)对流换热: 流体流过与之温度不同的固体壁面时引起的热量传递. (3) 特征: 有相对位移; 一定伴随着流体的导热; 没有能量形式之间的转换; 流体和固体壁面相互接触. (4)牛顿冷却公式,3. 热辐射(radiation heat transfer),(1)定义:由于温度的原因而导致的能量辐射. (2)特征: 有能量形式间的转化:热能-辐射能-热能 不需直接接触 T0就有能量辐射 与绝对温度呈4次方关系,载体的选择,1）必须选择适当温位的载热体加热时，温度要求愈高，价格愈贵 冷却时，温度要求愈低，价格愈贵 2）温度易于调节 3）饱和气压低，
3、不易分解 4）毒性小，尽量不用易燃、易爆及腐蚀性介质 5）价格便宜，来源方便,热传导,1.热传导和傅立叶定律 傅立叶定律 导热系数 2.平壁热传导 单层/多层平壁 3.圆筒壁热传导 单层/多层圆筒壁,傅立叶定律(1),假设：(1) 平壁面积A远大于壁厚，壁边缘处Q散失=0。 (2) 温度 t只沿着垂直于壁面的x方向变化，等温面是垂直于x轴的平面。 (3)壁面两侧的温度t1 、 t2不随时间而变化。.,傅立叶定律(2),单位时间内通过平板传导的热量dQ与温度梯度dt/dx及垂直于热流方向的导热面积A正比，即： dQ/d=-Sdt/dx,稳定传热时，故上式可写为q=Q/=-S(dt/dx),温度梯
4、度,导热系数,导热系数公式,式中 固体在温度t时的导热系数，w/（m2） o固体在温度0时的导热系数，w/（m2）a 温度系数，1；对于大多数金属材料为负值，而对大多数非金属材料为正值。,热传导-平壁热传导公式推导,得：,由傅立叶定律,例1 有一燃烧炉，炉壁由三种材料组成。最内层是耐火砖，中间为保温砖，最外层为建筑砖。已知 耐火砖 b1=150mm 1=1.06W/m 保温砖 b2=310mm 2=0.15W/m 建筑砖 b3=240mm 3=0.69W/m 今测得炉的内壁温度为1000，耐火砖与保温砖之间界面处的温度为946。试求： (a)单位面积的热损失； (b)保温砖与建筑砖之间界面的温
5、度； (c) 建筑砖外侧温度。,例题,1）画示意图； 2）判断范围； 3）列公式； 4）分析已知-未知关系； 5）求解； 6）验算。,思路,解 用下标1表示耐火砖，2表示保温砖，3表示建筑砖。t3为保温砖与建筑砖的界面温度，t4为建筑砖的外侧温度。 (a) 热损失qq=Q/=1/b1(t1-t2) =1.06/0.15(1000-946) =381.6W/m2,解题过程,(b) 保温砖与建筑砖的界面温度t3 因系稳定热传导，所以 q1=q2=q3=q q=2/b2(t2-t3) 381.6=0.15/0.31(946- t3) 解得 t3=157.3,(c) 建筑砖外侧温度t4 同理 q=3/
6、b3(t3-t4) 381.6=0.69/0.24(157.3- t4) 解得 t4=24.6,热传导 -单/多层圆筒壁热传导,公式推导：,对于的圆筒壁，以算术平均值代替对数平均值导致的 误差4%。作为工程计算，这一误差可以接受，此时。,若在热交换器里的一根钢管，管内径是25毫米，管壁厚度3.25mm，管长5.0m，管内壁温度是373K,管外壁温度是371K。己知钢的导热系数=49W/mK，这根钢管传递热量为多少？ 解 己知 r1=25/2=12.5mm=0.0125m r2=12.5+3.25=15.75mm=0.01575m b=3.25mm=0.00325m L=5.00m =49W/m
7、K t1=373K t2=371K=1.33104 W,热对流 ： 主要内容,1.对流传热分析 2.热对流基本概念 常见类型 速率方程 传热系数 3.对流传热系数关联式,对流传热分析,湍流主体 缓冲层 滞流内层 层流底层）,牛顿冷却定律,平均对流传热系数，w/(m2)S总传热面积，m2；t流体与壁面（或反之）间温度差的平均值，；对流传热热阻。,对流传热系数,定义式：物理意义：对流传热系数是表示在单位温差下，单位传热面积的对流传热速率；其值反映了对流传热的效果。，对流传热越快。,对流传热系数关联式,1）影响因素 2）因次分析 3）具体应用的简化 无相变 强制对流,自然对流 有相变 蒸汽冷凝,液体
8、沸腾,对流传热系数关联式 因次分析,确定相关因素 写成幂指数的形式 写出各项的基本量纲式子左右量纲指数相等4）式子左右量纲指数相等（公斤,s,t ,m ）5）按指数相同合并得：, =f(u, L,de, ,Cp, g t),=kua Lb defCph (g t)i,=W/m2/K=Nm/s/ m2/K=kg/s3/K,几种常用的准数准数名称,使用经验关联式时应注意的问题,a) 应用范围：关联式中Re、Pr、Gr的数值范围。 b)?特征尺寸：Nu、Re、Gr等准数中如何选取。 c) 定性温度：各准数中流体的物性应按什么温度确定。,有一列管式换热器，由38根25mm2.5mm的无缝钢管组成。苯在
9、管内流动，由20被加热至80，苯的流量为8.32kg/s。外壳中通入水蒸气进行加热。试求管壁对苯的传热系数。当苯的流量提高一倍，传热系数有何变化。,解：苯在平均温度下的物性可由附录查得： 密度=860kg/m3；比热容cp=1.80kJ/（公斤）；粘度=0.45mPas；导热系数=0.14W/（m）。 加热管内苯的流速为m/s,=1272W/（m2） 若忽略定性温度的变化，当苯的流量增加一倍时，给热系数为 W/（m2）,辐射传热 -基本概念,1）热辐射(定义)： 2）吸收(率)、反射(率)和透过(率) Q=QA+QR+QD 1 = + R + D 3）假想物体 黑体： 白体/镜体： 透热体：
10、灰体：,物体以电磁波形式传递能量的过程。,能全部吸收辐射能的物体。,能以相同的吸收率且部分地吸收0所有波长范围的辐射能的物体。,能透过全部辐射能的物体。,能全部反射辐射能的物体。,黑度：灰体的辐射能力与同温度的黑体的辐射能力之比。,几种假想物体,辐射传热定律,1)普朗克定律 辐射能力 E ,W/m2 单色辐射能力： 黑体辐射能力： 不同温度下E关系 P199 图4-29,辐射传热定律,2）斯蒂芬-波尔兹曼定律 黑体的辐射能力E0 E0=C0 (T/100)4，其中C0=5.67 W/(m2K4) 例 1000K黑体的辐射能力E0=？,辐射传热定律,3）克希霍夫定律 推导E1 +（1 - ）E0
11、 = E0又： E1 = E0 表达式A = = E / E0,两固体间的辐射传热,Q1-2=C1-2 S (T1/100)4 - (T2/100)4 角系数与总辐射系数C1-2的确定,举例,已知：A=4.5m2 求：1）QR=？2）炉前0.04m 处放一铝板，QR=?,分析：Q1-2=C1-2 ? (T1/100)4 - (T2/100)4 1）直接代入 求解，得:Q1-2=44kW 2）利用Q1-2=Q1-3= Q3-2,求得: Q1-2=4.34 kW,减少90.2%.,联合给热系数的表达,辐射联合传热系数 对流-辐射联合传热系数 设备热损失的估算 估算公式,传热计算换热器的传热速率方程
12、,1）总传热速率方程Q=K S (T t)2）总传热系数,换热器的传热速率方程-总传热系数,推导：,不同基准的总传热系数,例4-9：K0的求算,平均温度差的推导,并流传热的tmdQ= WcCp,c dtdQ =Wh Cp,h dTdt/dQ=1/WcCp,cdT/dQ=1/ Wh Cp,hd(t)/dQ=d(T-t)/dQ,平均温度差,恒温传热：tm=(T t) 变温传热 逆流 并流 折流 错流,有一碳钢制造的套管换热器，内管直径为89mm3.5mm，流量为2000kg/h的苯在内管中从80冷却到50。冷却水在环隙从15升到35。苯的对流传热系数h=230W/（m2K），水的对流传热系数c=2
13、90W/（m2K）。忽略污垢热阻。试求：冷却水消耗量；并流操作时所需传热面积；假设总传热系数随温度的变化忽略不计。,例 题,解 苯的平均温度，比热容cph=1.86103J/（公斤K） 苯的流量Wh=2000kg/h，水的平均温度，比热容cpc=4.178103J/（公斤K）。热量衡算式为 （忽略热损失） 热负荷 W 冷却水消耗量 公斤/h,解题过程,以内表面积Si为基准的总传热系数为Ki，碳钢的导热系数=45W/（mK） =4.35103+7.46105+3.18103 =7.54103m2K/W Ki=133W/（m2K），本题管壁热阻与其它传热阻力相比很小，可忽略不计。,并流操作 传热面
14、积 m2,换热器的分类,换热器的分类 一、根据换热器的用途可分为： 加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器、分凝器和再沸器等。 二、根据换热器的传热原理可分为： 混合式换热器、蓄热式换热器、间壁式换热器。 三、根据换热器所用材料可分为： 金属材料换热器、非金属材料换热器。,换热器传热过程的强化,一、尽可能增大传热平均温度差tm 1两侧流体变温传热时，尽量采用逆流操作tm； 2提高加热剂T的温度（如用蒸汽加热，可提高蒸汽的压力）；降低冷却剂的进口温度，tm。 二、尽可能增大单位体积的总传热面积 1.直接接触传热可使传热面积S，提高传热速率。 2.改进换热器的结构，采用高效新型换热器。各种高效新型换热器，结构紧凑，单位体积换热器的传热面积较大。 可采取提高流体的流速，增加流体的扰动，在流体中加固体颗粒，改用短管换热器，定期清洗等具体措施。,1尽可能利用有相变的热载体（相变无相变）增加值；可使K值增加。 2用较大的热载体，可使增加。 3在强度允许范围内，减小管壁厚度b，使管壁导热热阻减小。 4换热器定期清洗，减小管壁两侧的污垢热阻。 5当两流体的值相差较大时，设法提高较小一侧流体的值。,三、尽可能增大传热系数K,
