第四章 传热过程及换热器

第四章传热

本章学习要求

1.熟练掌握的内容

热传导的基本定律; 平壁和圆筒壁的定常热传导的计算; 传热推动力与热阻的概念;对流给热基本原理、对流给热方程及对流给热系数;传热速率方程、热量衡算方程、总传热系数、平均温差的计算;流体在圆形直管内作强制湍流时的对流给热系数计算;传热设备的设计型计算和壁温计算。

2.理解的内容

传热的三种方式及其特点;间壁式换热器的传热过程;影响管内及列管管外对流给热的因素及各准数的意义;列管式换热器的结构、特点、工艺计算及选型; 强化传热过程的途径; 传热的操作型计算与换热器的调节。 3.了解的内容

各种对流给热系数关联式的使用范围; 相变流体对流给热的特点、计算及影响因素;热辐射的基本概念、定律和简单计算;辐射、对流联合传热时设备热损失的计算;其它类型换热器的结构和特点。

* * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * 第一节概述

传热的基本方式

一、热传导(又称导热

藉分子、原子和自由电子等微观粒子的热运动而引起的热量传递过程;

二、热对流

由流体质点相对位移而引起的热量传递过程;

(1 自然对流:由流体内各点的温度不同引起的;

(2 强制对流:由输送机械对流体作功引起的;

, , (=∂=ϑz y x f t

44(00

(-=∂∂=∂∂=∂∂=z

t y t t x f t ϑ ***对流传热:流动流体与固体壁面之间的传热; 一、热辐射

以电磁波传递热量的过程; 4-1-2 工业换热器

换热器按传热方式分为: 一、直接接触式换热器–多媒体

二、蓄热式换热器 ----多媒体三、间壁式换热器 ----多媒体

列管式换热器 --多媒体套管式换热器 ---多媒体 4-1-3 间壁换热器内的传热过程

冷、热流体通过间壁的传热过程分为三步:

(1 热流体将热量传给热流体侧壁面(对流传热; (2 热量由一侧传至另一侧(热传导; (3 热量由壁面传给冷流体(对流传热; 4-1-4 选择载热体的基本原则

1、载热体的的温度易调节、控制;

2、载热体的饱和蒸汽压低、热稳定性好;

3、载热体的比热较大;

4、载热体的毒性小,不易燃、易爆,不易引起设备腐蚀;

5、价格便宜、来源容易 1、载热体的的温度易调节、控制; 第二节热传导

4-2-1 基本概念和傅立叶定律一、温度场和温度梯度温度场:任一瞬间物体或系统内各点的温度分布总和, 一般温度场的数学表达式为

t=f(x,y,z,θ

式中:x 、 y 、 z —空间坐标; t —温度, ℃;

θ--时间, s (各点温度随时间而变,称为不稳定温度场;

定态温度场:温度场内各点的温度不随时间而变化,其数学表达式为

若系统内温度仅沿一个方向变化,且与时间无关,此温度场为定态的一维温度场,即

n t

n t gradt n ∂∂=∆∆=→∆lim

dx

dt gradt =n

t dS

dQ ∂∂-=λdx

dt S Q q dx dt S

Q λλ-==-=或 (n

t

dS dQ ∂∂-=

λ θ

等温面:温度场内同一时刻下相同温度各点所组成的面;

温度梯度:温度在法方向上的方向导数;其数学定义式为

温度梯度为向量,其正方向为温度增加的方向; 对一维定态温度场,温度梯度可表示为

二、傅立叶(Fourier 定律

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,其表达式为

式中: Q —导热速率,其方向与温度梯度方向相反, W ; S —导热面积,等温面面积, m 2; λ--导热系数, W/(m ℃ ;

对于一维、定态、均匀温度场,傅立叶定律可表示为

4-2-2 导热系数

由傅立叶定律表达式得:

导热系数物理意义: l 在数值上等于单位温度梯度下的热通量; λ的数值与物质的组成、结构、密度、温度及压强等因素有关。一般λ金> λ固> λ液> λ气 ;

dx

dt

S Q λ-='

( (212121R t b t t t b S Q q R t

S b t t t t S b Q ∆=

∆=-==∆=

-=

-=λλλλ

或

3

3

2211334

32232112

13

4332

3221

211/

(

(

(R t R t R t Q S b t t S b t t S b t t Q b t t S b t t S b t t S Q ∆=∆=∆=

-=-=-=

-=

-=

-=或或λλλλλ4-2-3 平壁的稳定热传导

一、单层平壁的热传导

单层平壁内的温度分布如右图所示;

根据傅立叶定律,通过壁内任一 x 处等温面的热量为:

积分上式得:

式中:

b —平壁厚度, m 2;

△ t —温度差,导热推动力℃ R —导热热阻,

R=b/ l S,℃ /W; R’—单位面积的导热热阻, m 2 ℃ /W

二、多层平壁的稳定热传导

三层平壁的温度分布如图所示:

各层表面温度分别为 t 1、 t 2和 t 3 ,且 t 1 > t2 > t3 ; 定态导热 Q=Q1=Q2=Q3 即根据等比定理可得: