传热学课件

T2 T t dl t2
T1
图5-11 套管换热器示意
5.3.1 间壁两侧流体热交换
δt δt 传热过程在流动的流体中也存在 T' 传热边界层，同样包括湍流主体、过 Tb 冷 T 渡区、层流底层；在湍流主体中热量 流 TW 热 传递主要靠对流传热，导热的作用很 体 tW 流 小可以忽略不计；在层流体底层中由 t 体 于流体层间没有质点的交换，主要靠 t' tb 金属壁 热传导传递热量，传热阻力大、温度 变化大；在过渡区不仅有热传导也有 图5-12 热、冷流体通过间壁 对流传热，两者的作用相当，均不能 传热过程示意 忽略。
填料 热水
（2）间壁式（间接接触式）传热
t2
T1 热流体 T2
空气
凉水塔示意图
对流给热
冷流体 t1
Q
热流体 T 间壁 冷流体 t
对流给热
导热
套管换热器中的换热
5.1.1.1 根据冷热两种流体的接触方式
① 热量由热流体靠对流传热传给金 属壁的一侧（对流给热）； ②热量自管壁一侧以热传导的形式 传至另一侧（导热）； ③ 热量以对流传热的方式从壁面的 另一侧传给冷流体（对流给热）。
n
t t
（2）温度梯度 两等温面的温度差 Δt与其间的垂直距离Δn之比在Δn趋 于零时的极限，即
n 0
t
t t
lim
t n

t n
q 图 5-1 温度梯度与热流 方向的关系
5.2.1 傅立叶定律（Flourier’s law）
（3）傅立叶定律
傅立叶定律是用以确定在物体各点间存在温度差时，因 热传导而产生的热流大小的定律。单位时间内，单位传热面 积上传递的热量即热通量与温度梯度成正比，
n
i
（5-6）

i 1
n
bi
i A
R
i 1
5.2.3 平壁的稳定热传导
Q t1 t n 1 总推动力 总阻力
t
i 1 n i
n
i
（5-6）

i 1
n
bi
i A
R
i 1
从上式可以看出，通过多层壁的定态热传导，传热推 动力和热阻是可以加和的；总推动力等于各层推动力之和， 总热阻等于各层热阻之和。
5. 2 热传导（导热Conduction）
⑥ 采用多层保温措施时，热导率小的材料臵于内层 有利于保温； ⑦ 热损失与保温层厚 度有图所示的关系，为什 么会有两种不同的情况？ ⑧ 当保温层厚度大于 临界厚度的情况下，是否 厚度增加就有利？
300 250 200 150 100 2 50 4 0 0 .0 0 .1 0 .2 0 .3 0 .4 0 .5 3 1
t
i 1 n i
n
i
（5-6）

i 1
n
bi
i A
R
i 1
将上式写成热通量的形式为
q t1 t n 1

i 1
n
bi
i
5.2.3 圆筒壁的稳定热传导
（1）单层圆筒壁稳定热传导 有内、外半径分别为r1、r2的圆筒， 内、外表面分别维持恒定的温度t1 、t2 ， 且管长l足够大，圆筒壁内的导热属于沿 径向的一维定态热传导，傅立叶定律可 写成 dt
第五章
传热
5.1 概述
在设计时进行合理的优 化设计使其在满足工艺要求
的条件下投资费用最小；在
其它设备 60% 传热设备 40% 操作中进行强化传热操作过 程，进行最优化操作，对节 省传热设备投资，节省能源 有着重要的意义。
5.1 概述
5.1.1 传热过程的分类
5.1.1.1 根据冷热两种流体的接触方式 （1）直接接触式传热（混合式传热）
t1 α<0
A
α> 0 t2 x t2
b↑或A ↓或λ↓，R ↑。 上式λ为常数，所以平壁内的 温度分布为一直线；若导热系数与 温度有关，则温度分布又是怎样的 ？
x t1 dx
5.2.3 平壁的稳定热传导
（2）多层平壁稳定热传导
Q t1 t 2 t 2 t3 t3 t 4
1

2 2 A
1
2
3
t2 t3 t4
t 1
b1
t4 b2 b3
1 Am 1

2 Am 2
3 Am 3
b1
b2
b3
推广到n层圆筒壁
Q t1 t n 1
n
图5-9 多层圆筒壁的热传导
t1 t n 1

b1
i 1
1 Am 1

n
ln( ri 1 ri ) 2 l i
R
r ln 2 r 1 2 l


b
Am
5.2.3 圆筒壁的稳定热传导
（2）多层圆筒壁稳定热传导
Q1
t 1
t2 b1
Q2
t 2
t3 b2
Q3
t 3
t4 b3
1 Am 1
Q
2 Am 2
3 Am 3
t1 r1 r2 r3 r4
t1=200℃
t2=80℃
0.1mm
b
0.1mm
5. 2 热传导（导热Conduction）
例13-2有一蒸汽管外径为25mm，管外包以两层保温材 料，每层厚均为25mm。外层与内层保温材料的导热系数 之比为λ2/λ1=5，此时的热损失为Q。今将内、外两层材料 互换位臵，且设管外壁与外层保温层外表面的温度均不变 ，其热损失为Q’。求Q’ / Q ，说明何种材料放在里层为好
Am
5.2.3 圆筒壁的稳定热传导
Q
t 1
t2 b

Am
式中 b = r2- r1，为圆筒壁的厚度。平均面积 Am= 2πlrm，而
rm r 2 r1 ln r2 r1
称为对数平均半径。当r2/ r1 < 2时，可以改用算术平均值， 即取rm= （r2+ r1）/2。
热阻为：
。
5. 2 热传导（导热Conduction）
思考： 分析保温瓶的保温措施有哪些？ 讨论： ① 对平壁一维稳定热传导在传热方向上处处传热速率Q 与热通量q相等； ② 对圆筒壁一维稳定热传导在传热方向上其传热速率Q 处处相等，但由于各处传热面积不同，故其热通量不等； ③ 对平壁求单位面积的传热量或热损失即求热通量q； 对圆筒壁求单位长度的传热量或热损失，即求Q/l； ④ 热导率λ小，不利于导热，但有利于保温； ⑤ 多层材料间应紧密接触，若有空隙则其总的导热能力 下降，因为其间隙充满气体，气体的热导率小于固体；
dn
t1
Q
t2
积分上式

b
qdx
t1 t 2 b
0

t2
dt
t1 t 2 b
x
b
dx
x
t1
q

图5-5 单层平壁的稳定热传导
5.2.3 平壁的稳定热传导
传热速率（单位时间通过面积A上的传热量）为：
Q t1 t 2 b
（5-4）
t
A
Q t1 t 2 b t R 推动力 阻力
流体被加热时
Q A （ T t w） Q A （ t w t）
（3）热辐射 射。
因热的原因而发出辐射能的过程称为热辐
以上三种传热方式往往是相互伴随着同时出现。
5.1.1.2 传热基本概念 （1）传热速率
单位时间内通过传热面传递的热量Q（W）； （2）热通量 单位时间、单位传热面积上传递的热量q（W/m2）； （3）非定态、定态传热过程
i 1
5. 2 热传导（导热Conduction）
例13-1如图所示用定态平壁导热以测定材料的导热系数。 将待测材料制成厚度b、直径120mm的圆形平板，臵于冷、 热两表面之间。热侧表面用电热器维持表面温度 t1=200℃。 冷侧表面用水夹套冷却，使表面温度维持在t2 ＝80℃。电加 热器的功率为40.0W。 由于安装不当，待测材料的两边各有一层0.1mm的静止 气层，气体导热系数λg=0.030W/(m· ℃), 使测得的材料导热系 数λ’与真实值λ不同。不计热损失，求测量的相对误差，即 （λ’ - λ）/ λ
固体、液体、气体的热导率的大致范围：
λ金属固体>λ非金属固体>λ液体>λ气体 金属固体：101~ 102 W/(m• K)； 建筑材料： 10-1~ 10 W/(m• K)； 绝缘材料： 10-2~ 10-1 W/(m• K)；
液体： 10-1 W/(m• K)；
气体： 10-2~ 10-1 W/(m• K)；
q dr
rቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
t
t1 r2

t1
r1 t2
Q A
t2
dt dr
2 rl
dt dr
dr
图5-8 圆筒壁的热传导
积分

dt
Q 2 l
t1

r2
dr r
r1
5.2.3 圆筒壁的稳定热传导

t2
dt
Q 2 l
t1

r2
dr r
Q
2 l t1 t 2 ln r2 r1
5.2.2 热导率
（2）液体的热导率
t↑, λ↓ ； 一般纯液体（水和甘油除外）的热导率比其溶液的热导 率大。 （3）气体的热导率
气体的λ很小，对导热不利，但对保温有利。
在相当大的压强范围内，压强对气体的热导率无明显影 响。一般情况下气体λ = f ( t )， t↑, λ↑。