传热过程的分析和计算

演示文稿传热过程的分析和计算现在是1页\一共有79页\编辑于星期一传热过程的分析和计算现在是2页\一共有79页\编辑于星期一作业：7-1，7-4，7-10，7-13现在是3页\一共有79页\编辑于星期一7.1复合传热通常将由两种或两种以上的基本热量传递方式同时起作用的热量传递过程称为复合传热或者综合换热（combinedconvectionandradiationheattransfer）最常见的：固体壁面与气体间的对流传热问题——对流传热和辐射传热往往是同时存在的如室内的供暖管线、暖气片的散热、室外热力管线的散热、人体表面的散热等现在是4页\一共有79页\编辑于星期一在复合传热中，固体壁面同时以对流和辐射的方式失去（或得到）热量两种热量传递方式是并联的关系

现在是5页\一共有79页\编辑于星期一复合传热计算的目的：确定表面净失去（或净得到）的热量Φt对流传热量可由牛顿冷却定律

辐射传热量的计算要相对复杂些。工程中为方便起见，采用与牛顿冷却定律相似的形式表示辐射传热过程现在是6页\一共有79页\编辑于星期一hr称为辐射传热表面传热系数（radiationheattransfercoefficient），习惯上也称为辐射传热系数

ht就称为复合传热表面传热系数引入复合传热表面传热系数的目的是简化复杂换热系统的分析计算现在是7页\一共有79页\编辑于星期一辐射传热表面传热系数的计算式：

表面的辐射传热量Φr可根据固体壁面及所处环境的特点采用相应的方法进行计算现在是8页\一共有79页\编辑于星期一当作为凸表面的固体壁面位于温度为Ts的大封闭空腔内（如房间内的热水管线）时现在是9页\一共有79页\编辑于星期一若环境辐射温度未知，在相差不大的情形下，作为近似可近似取：Ts≈Tf

现在是10页\一共有79页\编辑于星期一是否考虑辐射换热，应根据具体情况而定：——若流体是液体，通常认为液体是辐射不透明体，这时有hr＝0——若气体与壁面间进行受迫对流传热，且换热温差不是很大，可忽略辐射，即ht≈hc——若气体和壁面间进行自然对流换热，或换热温差很大，必须考虑辐射换热现在是11页\一共有79页\编辑于星期一高温流体通过固体壁面把热量传给另一侧低温流体的过程，称为传热过程完成传热过程的热力设备，称为换热器

7.2传热过程分析与计算现在是12页\一共有79页\编辑于星期一传热方程式

K－传热系数★物理意义－冷、热流体的温差为1℃时单位时间、单位传热面积所传递的热量

现在是13页\一共有79页\编辑于星期一传热过程计算的目的－计算传热过程中的传热系数、传热量★衡量传热过程强度的重要参数，过程量★大小取决于冷热流体的物性、流速、固体壁面的形状、布置、材料的导热系数等★综合地反映了两侧的对流传热过程和导热过程对传热的影响

现在是14页\一共有79页\编辑于星期一7.2.1通过平壁的传热过程导热中—只关注平板的导热过程，计算了各类边界条件下的温度分布、通过平板的导热量传热过程中—壁面两侧流体间的热量传递过程现在是15页\一共有79页\编辑于星期一现在是16页\一共有79页\编辑于星期一说明（1）关于h－应理解为复合传热表面传热系数

（2）采用试算法

如果λ为温度的函数，则应按平壁的平均温度计算；若平壁温度未知，需假设进行试算法求解现在是17页\一共有79页\编辑于星期一（3）传热系数的计算传热系数现在是18页\一共有79页\编辑于星期一（4）多层平壁现在是19页\一共有79页\编辑于星期一（5）强化传热的考虑为强化传热，有三条途径：★方法1：提高温差

★方法2：提高传热系数

现在是20页\一共有79页\编辑于星期一★如何提高传热系数？

数学上可以证明

提高较小的表面传热系数值，强化薄弱环节，效果最好

现在是21页\一共有79页\编辑于星期一h1＝103，h2＝10，没有强化前：K=9.90W/(m2.K)措施2：h1＝103，h2＝20：K’’=19.6W/(m2.K)措施1：

h1＝2000，h2＝10：K’＝9.95W/(m2.K)现在是22页\一共有79页\编辑于星期一★方法3：提高换热面积－表面肋化

为了减小热阻，面积应该加在哪一侧呢？现在是23页\一共有79页\编辑于星期一大热阻对应表面传热系数较小的情形所以应增加表面传热系数较小一侧的面积，可使总热阻降低，特别是在两侧的表面传热系数相差很大的情形总热阻是由两个热阻中较大的那一个决定的降低热阻应从较大热阻入手现在是24页\一共有79页\编辑于星期一传热过程中，若各子过程的热阻相差较大，则热阻大的子过程决定了整个传热过程中的传热量，该热阻称为控制热阻控制热阻通常对应着表面传热系数较小、或换热面积较小的情形。只有有效地减小控制热阻，才能减小整个过程的热阻强化传热应该对热阻较大的一侧采取强化措施，效果最好。采取的措施应使两侧热阻接近，才能收到预期的效果

举例：暖气强化传热，水侧or空气侧？现在是25页\一共有79页\编辑于星期一7.2.2通过圆管壁的传热

现在是26页\一共有79页\编辑于星期一现在是27页\一共有79页\编辑于星期一工程上，一般都以圆管外壁面面积为基准计算传热系数

现在是28页\一共有79页\编辑于星期一对多层圆筒壁现在是29页\一共有79页\编辑于星期一7.2.3临界热绝缘直径

在工程上,为了减少热流体输送管道的散热损失,通常用保温材料在管道外面加一层或多层保温层同时为了劳动保护的需要，一般使管道外表面的温度低于50℃如何选择保温材料和保温层的厚度是需要解决的主要问题

现在是30页\一共有79页\编辑于星期一通过二层圆管的稳态传热过程－热流体和周围环境温度不变、管壁材料的热导率为λ1，保温材料的热导率为λx

现在是31页\一共有79页\编辑于星期一随着保温层厚度的增加，即随着dx的增大：——管内对流传热热阻与管壁导热热阻之和Rh1+Rλ1保持不变——保温层导热热阻Rλx随之加大——保温层外侧的对流传热热阻Rh1却随之减小

现在是32页\一共有79页\编辑于星期一计算表明：d2较小时，总热阻Rk先随着dx的增大而减小,然后再随着dx的增大而增大,中间出现极小值，相应热流量出现极大值总热阻Rk取得极小值时的保温层外径dx称为临界绝缘直径,用dc表示

现在是33页\一共有79页\编辑于星期一临界绝缘直径与保温材料有关、与所处环境有关现在是34页\一共有79页\编辑于星期一（1）当dx<dc时，随保温层厚度的增加，总热阻减小，传热量增大，此时对管道敷设保温层反而会增加热损失。即冬天棉袄穿得越厚，反而越冷（2）当dx=dc时，总热阻Rk最小，这时换热量最大!（3）当dx>dc时，随保温层的增加，总热阻逐渐增大，传热量减小，保温层起保暖作用，这和我们的感觉是一致的现在是35页\一共有79页\编辑于星期一担心：以后冬天穿棉袄，会不会越穿越冷？那么是否有必要考虑这一问题呢？

假设棉袄的导热系数为0.1W/(m.K)，环境的表面传热系数为10W/(m2.K)，此时dc=0.02m(腰围为6.28cm)，再怎么瘦的人近似半径也大于此值，所以对人而言，棉袄越厚越暖和，大家可以尽管放心地穿工程上一般管道（如输油管道、暖气管线）外径也都大于此值，为了减少散热损失，都毫无例外地敷设保温层现在是36页\一共有79页\编辑于星期一在小管径且环境又是自然对流的条件下（实验室内），对管道加保温材料时一定要特别谨慎当管径小于临界绝缘半径时，情况正好相反，增加保温层能起到强化换热的作用电工中在电线外加上绝缘层一方面利用这一点强化电线的散热，使其温度不至于升得很高。另一方面可以起到绝缘保护作用

现在是37页\一共有79页\编辑于星期一§7-4换热器的分类与平均传热温差7.4.1换热器的应用和分类1按工作原理分类

（1）混合式原理——冷、热流体直接接触、互相混合而实现热量的交换应用——冷、热流体都是同一物质，或不是同一种物质但易于分离实例——如电厂中的冷却塔，空调系统中的冷却塔等现在是38页\一共有79页\编辑于星期一现在是39页\一共有79页\编辑于星期一（2）蓄热式—回热式、再生式冷、热流体交替地流过同一换热面（蓄热体），并尽量避免相互混合特点：1流道周期性地对热流体吸热、对冷流体放热

2非稳态过程实例：蓄热式空气预热器现在是40页\一共有79页\编辑于星期一（3）间壁式换热器——表面式，冷、热流体由壁面隔开——工程上最常见现在是41页\一共有79页\编辑于星期一2按结构分类（间壁式）（1）管壳式换热器由管子（管束）和外壳（管壳）构成现在是42页\一共有79页\编辑于星期一现在是43页\一共有79页\编辑于星期一现在是44页\一共有79页\编辑于星期一管内流动的流动路程－管程在管束间流动－壳程管壳式换热器的型式：壳程－管程，1－2型、2－4型现在是45页\一共有79页\编辑于星期一（2）套管式换热器——两根同心圆管构成简单，但传热系数小，只作为高压流体的换热器现在是46页\一共有79页\编辑于星期一（3）肋管式换热器换热器管外加肋片管外翅片减小了热阻，传热得以强化现在是47页\一共有79页\编辑于星期一肋管式换热器现在是48页\一共有79页\编辑于星期一（4）板式换热器

☆间隔壁面为平板☆平板上加翅片——板翅式☆平板上采取其他措施－板式现在是49页\一共有79页\编辑于星期一板翅式换热器现在是50页\一共有79页\编辑于星期一板翅式换热器现在是51页\一共有79页\编辑于星期一翅片形状现在是52页\一共有79页\编辑于星期一板式是由许多波纹形的传热板片，按一定的间隔，通过橡胶垫片压紧组成的可拆卸的换热设备。板片组装时，两组交替排列，板与板之间用粘结剂把橡胶密封板条固定好，其作用是防止流体泄漏并使两板之间形成狭窄的网形流道板式换热器现在是53页\一共有79页\编辑于星期一换热板片压成各种波纹形，以增加换热板片面积和刚性，并能使流体在低流速成下形成湍流，以达到强化传热的效果。板上的四个角孔，形成了流体的分配管和泄集管，两种换热介质分别流入各自流道，形成逆流或顺流通过每个板片进行热量的交换。

板式换热器现在是54页\一共有79页\编辑于星期一板式换热器现在是55页\一共有79页\编辑于星期一板式换热器现在是56页\一共有79页\编辑于星期一3按流动形式分顺流—两流体平行流动其方向相同逆流—两流体平行流动其方向相反复杂流（交叉流）—除二者以外的方式现在是57页\一共有79页\编辑于星期一现在是58页\一共有79页\编辑于星期一7.4.2换热器热计算的基本方程

约定：下标1——热流体下标2——冷流体上标’

——进口参数上标’’

——出口参数以热流体进口作为计算起点现在是59页\一共有79页\编辑于星期一1换热器中流体的温度分布因变量—冷、热流体的温度自变量—？换热面积

—热流体入口，Ax＝0—热流体出口，Ax＝At—在换热器内的不同位置，Ax不同，流体温度不同现在是60页\一共有79页\编辑于星期一（1）温度变化幅度与qmcp有关——qmcp大，曲线变化平缓（2）端部温差大，温度沿程变化快（3）顺流：据此判断换热器的流动方式现在是61页\一共有79页\编辑于星期一流体有相变时的温度分布现在是62页\一共有79页\编辑于星期一2热平衡方程热流体放出的热量

冷流体吸收的热量热平衡方程（换热器无热损失）现在是63页\一共有79页\编辑于星期一3换热器的传热方程式传热方程式为

传热方程的微分形式

对换热面A积分现在是64页\一共有79页\编辑于星期一温差传热方程式现在是65页\一共有79页\编辑于星期一4对数平均温差假定：（1）换热器无散热损失，（2）忽略沿轴向导热；（3）常物性；（4）k为常数。顺流为例现在是66页\一共有79页\编辑于星期一现在是67页\一共有79页\编辑于星期一对微元换热面积dAx，冷、热流体间的温差为对其微分对热流体对冷流体现在是68页\一共有79页\编辑于星期一积分之(1)现在是69页\一共有79页\编辑于星期一代入传热方程式：分离变量积分(2)现在是70页\一共有79页\编辑于星期一比较(1)、(2)二式：——此即对数平均温差现在是71页\一共有79页