第4章传热复习资料

第4章传热传热是由于温度差而引起的能量转移，又称热量传递。热量总是自动地由高温区传递到低温区。1传热的基本概念1.1传热的基本方式根据传热机理的不同,传热有以下3种基本方式：热传导,热对流,热辐射2热传导2．1傅立叶导热定律与热导率傅立叶（导热）定律：nTq式中：q-热流密度，W/m2；λ-导热系数（热导率），W/(m·K)。导热系数λ是物质的物性之一,表征物质导热能力的大小，它反映了导热的快慢，λ越大表示导热越快。一般，λ金属λ非金属固体λ液体λ气体(2)液体和气体的热导率一般T↑，λL↓，λg↑。（水和甘油除外）2.2通过单层壁的稳定热传导2.2.1单层平壁的稳定热传导温度仅沿x方向变化，导热为一维热传导。由傅立叶定律可写出：RTbTTq21或bTTSQ21式中，R=b/λ，导热热阻，m2•℃/W2．3通过多层壁的稳定热传导2．3．1多层平壁的稳定热传导稳定导热时，通过各层的热流密度相等，即：334322321121bTTbTTbTTq将数学上的加比定律应用于上式，可得33221141bbbTTq对于n层平壁，有niiinbTTq111多层平壁热传导的总推动力（总温度差）为各层温度差之和，总热阻为各层热阻之和。3对流传热3．1牛顿冷却定律与对流传热系数Q=αS·ΔT结论：对流传热的热阻主要集中在滞流内层，因此，减薄滞流内层的厚度是强化对流传热的主要途径。3．2对流传热系数关联式的建立方法应用准数关联式应注意的事项：(1)公式的应用条件要在应用条件范围内使用这些经验公式。(2)定性温度与特征尺寸定性温度：是指用于决定准数中各物性的温度，也就是准数关联式中指定的用来查取物性的温度。通常，定性温度取：流体进、出口温度的算术平均值特征尺寸：是指在准数关联式中指定的某个固体边界的尺寸。对于气体或低粘度流体在圆形直管内作强制湍流（2倍常温水的粘度）液体，采用如下关联式：Nu=0.023Re0.8Prn或nPiiCudd)())((023.08.0当流体被加热时，n=0.4；当流体被冷却时，n=0.3。应用条件：Re104，0.7Pr120，管长与管内径之比L/di≥60。当L/di60时，用由上式计算出的α乘以7.0)(1Ldi进行校正。定性温度：流体进、出口温度的算术平均值；定性尺寸：管内径di。关于低粘度流体α的讨论：由nPiiCudd)())((023.08.0得：8.02.0)5.04.0(4.03.08.07.06.0023.0udCip1）物性的影响：。,;,,,pC2）α∝u0.8/di0.2①若同一流体在同一换热器中换热，仅流量发生变化，则有α∝u0.8；②若同一流体在一套管换热器中换热，流量不变，但换热管径发生变化，则有α∝1/di1.8［例2-3］水以1m/s的流速从Φ25mm×2.5mm的管内流过，由20℃加热到40℃，管长3m。求水与管壁之间的对流传热系数。解：管内流动。定性温度：3024020T℃定性尺寸：管内径mdi02.030℃下水的物性如下：)./(6171.0),./(174.4.1012.80,/7.99553KmWKkgkJcsPamkgp42.56171.01012.8010174.4Pr1011049.21012.807.995102.0Re6015002.0353445piicuddL4101Re为湍流，水被加热，4.0n)./(4588)42.5()1049.2(02.06171.0023.0PrRe023.024.08.044.08.0KmWdi3.8蒸汽冷凝传热蒸汽冷凝有膜状冷凝和滴状冷凝两种方式。一般，滴状冷凝时的α比膜状冷凝时的要大。结论：蒸汽冷凝传热热阻主要集中在冷凝液膜中,减薄液膜的厚度是提高冷凝传热的主要途径。3．8．2膜状冷凝传热系数的关联式(1)蒸汽在垂直壁面上的冷凝4/13213.1TLgr式中：L-垂直壁面的高度，m；μ-冷凝液的粘度，Pa·s；ρ-冷凝液的密度，kg/m3；λ-冷凝液的热导率，W/（m·K）；r-蒸汽的冷凝潜热，J/kg；ΔT=Ts-TW为蒸汽的饱和温度与冷壁面温度之差，K（或℃）。(2)蒸汽在水平管外冷凝4/1032725.0Tdgr3.8.3影响冷凝传热的因素及强化液膜厚度及流动状况是影响冷凝传热的关键。凡是影响液膜状况的因素都会影响冷凝传热。3.9沸腾传热3.9.1液体沸腾的分类3.9.2液体沸腾曲线沸腾分三个阶段：①自然对流阶段(ΔT≤5℃)；②泡核沸腾阶段（ΔT=5～25℃）；③膜状沸腾阶段（ΔT＞25℃）。4辐射传热4.1基本概念(1)热辐射物体由于热的原因以电磁波的形式向外发射能量的过程。(2)辐射能的吸收、反射和透过根据能量守恒定律，可得QA+QR+QD=Q或QA/Q+QR/Q+QD/Q=1或A+R+D=1式中A，R，D分别称为该物体对投射辐射的吸收率、反射率和透过率。若A=1，黑体；若R=1，镜体(绝对白体)；若D=1，透热体。A、R、D=f(表面性质、T和λ投射)一般，固体和液体的D=0；气体的R=0。灰体：能以相同的吸收率且部分地吸收所有波长范围的辐射能的物体。灰体有以下特点：①吸收率与投射辐射的波长无关；②是不透热体，即A+R=1。4.2物体的辐射能力(1)斯蒂芬-波尔兹曼定律Eb=σ0T4式中：σ0-黑体的辐射常数，σ0=5.67×10-8W/(m2·K4)；T-黑体表面的绝对温度，K。该定律也称四次方定律。实际物体在一定温度下的辐射能力恒小于同温度下黑体的辐射能力。黑度（发射率）ε：实际物体与同温度黑体的辐射能力的比值，即ε=E/Eb(2)克希霍夫定律E/A=Eb该式与黑度的定义式比较可得：A=ε上式表明灰体的吸收率在数值上等于同温度下的黑度。因此，物体的吸收率越大，其辐射能力也越大。也就是说，善于吸收的物体必善于辐射。4.3两固体表面间的辐射传热5稳定传热过程计算5.1热量衡算Q=Wh（Hh1-Hh2）=Wc（Hc2-Hc1）式中Q-换热器的热负荷，W；QL-换热器的热损失，W。若换热器中两流体均无相变化，则可表示为：Q=WhCph（Th1-Th2）=WcCpc（tc2-tc1）式中：Cp-流体的平均定压比热容，J/（kg·K）；Wh-热流体的质量流量，kg/s；Wc-冷流体的质量流量，kg/s；Th、tc-分别为热流体和冷流体的温度，℃。若换热器中热流体有相变，当冷凝液在饱和温度下排出时，Th2=Ts。此时，有Q=Whr=WcCpc（tc2-tc1）5.2总传热速率方程对间壁式换热器,总传热速率方程可写成Q=KSΔtm式中：K-换热器的总传热系数，W/（m2·K）；Δtm-换热器间壁两侧流体的平均温差，℃；S-换热器的总传热面积，m2。若以外(内)表面积为基准，则传热面积以S0(Si)表示，总传热系数以K0(Ki)表示。5.3.1总传热系数的计算0011sioiosiiiooRdbdddRddK上式表明，传热过程的总热阻为串联传热过程各步的热阻之和。［例2-11］某一蒸发器，管内通90℃热流体加热，对流传热系数αi为1160W/(m2·K)。管外有某种流体沸腾,沸点为50℃，对流传热系数α0为5800W/(m2·K)。求以下两种情况下的壁温：①管壁清洁无垢；②外侧有污垢产生，污垢热阻为0.005m2.K/W。解：在传热过程中，金属壁的热阻很小，通常可以忽略不计。根据串联传热过程温度差与热阻成正比的关系，可知金属壁两侧的温度差很小。也就是说两侧的温度基本相等。设壁温为Tw，则有0011scwsiiwhRTTRTTq或0011ssiicwwhRRTTTT（a）若1/αi+Rsi1/α0+Rs0，则可得：Tw≈Th若1/αi+Rsi1/α0+Rs0，则可得：Tw≈Tc显然，壁温Tw更接近热阻较小一侧的流体温度。(1)管壁无污垢时的壁温Tw将有关数据代入式(a)，有0580010116015090wwTT解得Tw=56.8℃(2)管壁外侧有污垢时的壁温Tw将有关数据代入式(a)，有005.0580010116015090wwTT解得Tw=84.4℃5.4传热的平均温度差Δtm1）逆流和顺流时的ΔtmTh1Th2Th1Th2tc2tc1tc1tc2逆流并流1212lntttttm［例2-12］在一单壳程、单管程的列管式换热器中，用冷水将热流体由100℃冷却至40℃，冷水进口温度15℃，出口温度30℃。求在这种温度条件下，逆流和并流时的平均温度差。解：(1)逆流和并流时的Δtm逆流时：热流体Th10040℃冷流体tc3015℃Δt7025℃Δtm=（Δt2-Δt1）/ln（Δt2/Δt1）=(70-25)/ln(70/25)=43.7℃并流时:热流体Th10040℃冷流体tc1530℃Δt8510℃Δtm=（Δt2-Δt1）/ln（Δt2/ΔtT1）=(85-10)/ln(85/10)=35℃(3)不同流动形式的比较1)逆流比顺流好，ΔTm逆ΔTm顺，传热好；2）当tc2有限制时，并流容易控制。5.5传热面积的计算1)由总传热速率方程求取：Q=K0S0Δtm∴S0=Q/（K0Δtm）2）由换热器的结构参数求取：S0=nπd0L式中：n-换热管根数；d0，L-分别为换热管的外径和长度，m。5．6传热过程的强化传热过程的强化就是使Q↑，从分析Q=KSΔTm入手。(1)增大SS↑，Q↑；(2)增大ΔtmΔtm↑，Q↑；(3)增大KK↑，Q↑。由00111ssiiRbRK①防止污垢产生或经常清除污垢，则Rsi=Rs0=0，→K↑②当管壁热阻和污垢热阻均可忽略时，上式可简化为1/K=1/αi+1/α0若αiα0，则1/K≈1/α0即总热阻是由热阻大的那一侧的对流传热所控制。当αi，α0相差很大时，要使K↑，只有提高二者中最小的一个才有效。若污垢热阻为控制因素，则必须设法减慢污垢形成速率或及时清除污垢。注意：提高流速，增加流体扰动可以强化传热，但同时伴随着流动阻力的增加。［例2-13］有一逆流操作的套管换热器，用热空气加热冷水，冷却水走管内，热空气走环隙。两流体均为湍流，热空气的对流传热系数α0=100W/（m2·K），冷却水的对流传热系数αi=2000W/（m2·K）。已测得冷、热流体进、出口温度为tc1=20℃，tc2=85℃，Th1=100℃，Th2=70℃，内管的管壁很薄，且管壁热阻及污垢热阻均可忽略。试求水流量增加一倍时：①总传热系数K＇；②水和空气的出口温度tc2，和Th2，；③热流量Q＇比原热流量Q增加多少？解：(1)原操作情况下热量衡算式Q=WhCph（Th1-Th2）=WcCpc（tc2-tc1）(a)或(tc2-tc1)/(Th1-Th2)=WhCph/WcCpc（b）传热速率方程式12211221)()(chchchchmtTtTLntTtTKSTKSQ12211221)()(chchcChhtTtTLnttTTKS（c）式（a）与式（c）联立得1221122121ln)()()(chchcChhhhphhtTtTttTTKSTTCW（d）将式（b）带入式（d），得)1)((ln1221pccphhphhchchCWCWCWKStTtTe）式中17.2701002085pccphhCWCWKmWKi./2.95100120001111120(2)水流量增加1倍时的情况(Wc’=2Wc)KmWKi./2.9710012000211121128.008.0')1)((ln''1'2'21pccphhphh