传热过程小结及习题

2023/3/311传热过程小结summary2023/3/312本章基本要求了解热传导的基本原理，掌握傅立叶定律及平壁、圆筒壁的热传导计算；了解对流传热基本原理、牛顿冷却定律及影响对流传热的因素，掌握求解对流给热膜系数经验关联式的用法、使用条件；了解辐射传热的基本概念和两固体间辐射传热量的计算；熟练掌握传热过程计算，了解强化传热过程的途径；了解工业生产中常用的换热器类型、结构、特点。2023/3/313（一）基本概念

1.三种热量传递方式：

——热传导、热对流、热辐射2.定常态热传导3.傅立叶定律单位时间内传热量为定值的传热。一维定常态热传导过程，单位时间单位面积上的热流量与法向温度梯度成正比。2023/3/3145.对流传热机理4.传热速率＝传热推动力÷传热阻力层流层：热传导，温差较大；过渡层：热传导与对流传热共存，温差变化逐渐减小；湍流层：以对流传热为主，温差极小。6.牛顿冷却定律2023/3/315（1）流体种类7.影响传热膜系数的主要因素（2）流体性质（3）流体流型（5）传热壁面的形状、位置等（4）对流种类8.表示对流给热关系的准数对流传热膜系数流动类型自然对流影响特征物性影响2023/3/3169.有关热辐射概念

吸收率A、反射率R、透过率D

黑体：A=1A+R+D=1

透热体：D=1

镜体或白体：R=1

灰体：能部分吸收所有波长范围辐射能

10.斯蒂芬-玻尔兹曼定律表示单位时间单位黑体表面向外界辐射的总能量。2023/3/31711.热交换热能从热流体经过间壁传向冷流体的过程。变温：传热过程中一侧或两侧流体温度沿传热壁面随时间，位置不同而不同。12.恒温传热与变温传热恒温：冷热流体在换热过程中温度始终不变13.逆流、并流、错流、折流14.强化传热途径为什么工业生产中尽量采用逆流操作?2023/3/318（二）基本公式1.单层平面壁的定态热传导2.多层平面壁的定态热传导2023/3/3193.单层圆筒壁的定态热传导4.多层圆筒壁的稳态热传导2023/3/31105.流体无相变时强制对流传热膜系数关联式6.实际物体辐射能的计算适用条件：Re>10000Pr=0.7-160

流体被加热时n=0.4，流体冷却时n=0.3确定物性数据的定性温度取流体进出口温度的算术平均值2023/3/31118.热流量方程

对于平面壁：

对于圆筒壁：7.换热器的热量衡算方程（1）传热面积A若管壁厚度可忽略，则圆筒壁可按平壁处理。2023/3/3112换热器间壁两端处冷热流体温度差的对数平均值。

平面壁：

圆筒壁：（2）传热系数K（3）平均传热温差2023/3/3113（三）常用变量编号符号表达含义标准量纲1热流密度2导热系数3壁厚4热流速率5传热膜系数6黑体的辐射系数7辐射能8总传热系数2023/3/3114

【习题1】在并流的热交换器中用水冷却油。水的进出口温度分别为15℃和40℃，油的进出口温度分别为150℃和100℃。现要求油的出口温度降为80℃，设油、水的流量，进口温度及物性均不变，若原换热器的管长为1米，试求将此换热器的管长增加至若干米后才能满足要求？（换热器的热损失可忽略）2023/3/3115【解】并流换热，L＝1m时：并流换热，L’延长后，需求出水的出口温度to’：根据热衡：2023/3/3116所以此换热器的管长增加至1.85米才能满足要求。【习题2】温度为20℃比热为2.1kJ/(kg·℃)的溶剂以50000kg/h的流率流过套管换热器内管，被加热至64℃，环隙内为170℃饱和水蒸气冷凝。换热器内管直径φ108×10mm，总长12m，材料为钢，计算传热系数。如果将内管改为φ152×10mm的钢管，其他条件不变，求所需管长。假设两种情况下蒸汽冷凝膜系数均为1000W/(m2·K),液体在管内均为湍流，不考虑污垢热阻及热损失。钢的导热系数λm=45W/(m·℃)。（以外表面计）（2）内管改为的钢管原工况：现工况：【解】(1)

由原工况可得：解得：则现工况：（以外表面计）【习题3】有一套管热交换器，用热水加热空气，内管为φ34×2mm的铜管，管内走空气，其流量为w1kg/h,比热为Cp1，需要从20℃加热到50℃，热水走管外，流量为w2kg/h，比热为Cp2，逆流操作，测得温度由100℃降到70℃。假设流体在管内和管外均为湍流流动。问：（1）在下列方程式中，四个温差△t1、△t2、△t3

和△t4是否相等,为什么？

（2）如果流动方向改为并流时，其平均温度差各为多少？两种流动换热欲达到同样温度，哪一种流动方式需要的管子长？（3）在传热过程中，水对壁的对流传热系数为α1，壁对空气的对流传热系数为α2，传热系数为K。问：①α1、α2

、K的值是否相等，为什么？②若管内空气改为冷水，此时是否相等？（4）当空气流量增加到2w1时，要达到同样加热温度，提出以下三种方案，你认为哪种可行？哪种较好？①管长增大一倍；?②管子直径减小一倍；?③管子改为非圆形管。?【解】（1）

因要保持一定的加热温度，所以热负荷不变即并流时的管