传热学-第十章

Φ
l (t fi t fo )
do 1 1 1 ln( ) hi d i 2 di ho d o
Ai (t fi t f 0 ) 1 1 hi hoo
圆管外敷保温层后：
Φ
l (t fi t fo )
d o1 do2 1 1 1 1 ln( ) ln( ) hi d i 21 di 2 2 d o1 ho d o 2
Φ
hi ri r0
t w0
tf0
l (t fi t fo )
do 1 1 1 ln( ) hi d i 2 di ho d o
t fi
t wi Rhi R
t w0
Rh 0
tf0
kod o l (t fi t fo )
Rhi
1 lhi d i
其中：
ko
1 do do do 1 ln( ) hi d i 2 di ho
引风机
换向阀 鼓风机
3. 间壁式换热器的主要型式
(1) 套管式换热器：最简单的一种间壁式换热器，流体有顺流和 逆流两种，适用于传热量不大或流体流量 不大的情形
Cold fluid Hot fluid Cold fluid Hot fluid
t
t
th(Hot)
t1 tc(cold) t2
t1
层。环境温度为 40℃，铝线表面温度限制在 70℃以下。绝缘层与环境间的
复合表面传热系数为10w/m2K，求绝缘层厚度不同时每米导线的散热量。 解：铝电线外紧包绝缘层，可认为绝缘层内表面的温度等于铝电线表面温度， 则该问题为一导热和对流复合的传热过程。 绝缘层导热：Φ
l (t wi t wo ) d 1 ln( o ) 2 d i
厚度，mm 散热量，w/m 厚度，mm
9.94 10.06 10.13
散热量，w/m
10.18 10.19 10.19 10.18 10.15 10.12 10.08 10.03 9.98
11
单位长度散热量，w/m
9.93
10 9 8 7 6 5 4
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 绝缘层厚度，mm
hoo Ao (t wo t fo )
A0=A1+A2
ho A1 (t wo t fo ) ho f A2 (t wo t fo )
o
( A1 f A2 ) Ao
肋面总效率
Ai (t fi t f 0 ) 1 1 Ai 1 hi Ai Ai hoo Ao hi hoo Ao
9.81 0.0033 40 20 43
Gr
g v tl 3
2
16 10
6 2
1.61865 1011
查表6-10，得C=0.11，n=1/3
Nu m C Gr P r 0.11 1.61865 10 0.701
n m 11


1 3 m
水侧的对流热阻。其换热网络图为
t s 100℃
t wi
1 hi
t w0

1 ho
t f 1100℃
若纸质容器在火焰侧的温度小于纸的耐火温度，则纸质容器耐火。据上图
火焰到水的热流为
q1
1 1 hi ho
t f ts
火焰到纸外壁的对流换热热流为
根据q1=q2，可得
t f t w0 q2 1 ho
R
d 1 ln( 0 ) 2l di
Rho
1 holdo
3. 通过肋壁的传热过程
肋壁面积： Ao A1 A2 稳态下换热情况：
Ai twi tfi hi

A1
tf0
h0
A2
tw0

hi Ai (t fi twi ) Ai (t wi t wo )
辐射散热量所占的比例
r 1705.4 60.02% 2841.4
§10-2 换热器的类型
1. 换热器的定义：用来使热量从热流体传递到冷流体，以 满足规定的工艺要求的装置 2. 换热器的分类： 套管式 壳管式(管壳式) 管束式 间壁式
(recuperators)
交叉流换热器
板式 螺旋板式
th(Hot) tc(cold)
t2
x
x
顺流
逆流
(2) 管壳式换热器：最主要的一种间壁式换热器，传热面由管束
组成，管子两端固定在管板上，管束与管板 再封装在外壳内。两种流体分别流经管程和 壳程。
t A,out
tB,in (shellside)
t B,out
t A,in (tubeside)
增加管程
例：某人说他所在的工厂有一条架空敷设的电缆，使用时发现绝缘层温度超 温，为了降低温度，特剥去一层绝缘材料，结果发现温度更高。他所说的这 一现象是否会存在？为什么？ 答：这种现象是可以出现的。因为当电缆外径小于临界热绝缘直径时，导
热热阻随半径增大的变化率小于对流换热热阻随半径减小的变化率，
使散热能力随半径增加而增加。剥去一层绝缘材料后，半径减小，使 散热能力下降，结果绝缘层的温度会更高。 例 ： 野 外 工 作 者 常 用 纸 质 容 器 烧 水 。 设 厚 为 0.2mm 的 纸 的 导 热 系 数 为 0.9w/mK，水在常压下沸腾，水侧沸腾换热表面传热系数为2400w/m2K 。容 器用1100℃的火焰加热，火焰与纸面的表面传热系数为 95w/mK。若纸的耐 火度为200℃。试证明纸质容器能耐火。 证：水通过纸容器与火焰之间的换热可看成是通过平板壁的换热，则从沸腾 水到火焰的传热经历三个热阻，即火焰侧的对流热阻、纸的导热热阻及
式中：k是传热系数(总传热系数)。对于不同的传热过程， k的计算公式也不同。
1. 通过平壁的传热过程
k 1 1 h1 h2 1
说明：(1) h1和h2的计算 (2) 如果计及辐射时对流换热系数应该采用等效换热 系数(总表面传热系数)
单相对流：
相变对流：
h hc hr
h
43
t w0
1 95 1100 100 157.2℃ tf t f t s 1100 1 1 1 0.00002 1 hi ho 2400 0.9 95
1 h0
例：如图，某火墙采暖房间平面尺寸为 6m×4m ，房间高 4m ，火墙面积为 4m×4m，墙表面为石灰粉刷，发射率 1=0.87，已知表面温度 tw=40℃，室 温 tf=20℃，顶棚、地板及四周壁面的发射率相同 2=0.80 ，温度为20℃。求： (1)火墙的总散热量 ；(2)辐射散热所占的比例为多少？ 解：由于除火墙表面外的5个表面均具有相同的 发射率和表面温度，故可看成是一个辐射面。 假设火墙为 1 表面，其余表面为 2 表面，是 由两个表面构成的一个封闭体系。其辐射换热 网络图为
Bi
d o 2 h2
2
2
可见，确实是有一个极值存在，那么，到底是极大值， 还是极小值呢？从热量的基本传递规律可知，应该是极大值。 也就是说，do2在do1 ~ dcr之间，是增加的，当do2大于dcr时，
降低。
例：铝电线外径为5.1mm，外包导热系数=0.15w/mK的聚氯乙烯作为绝缘
l (t fi t fo ) 1 1 2 2 d o 2 (d o 2 ) 22 d o 2 h2 d o 2
l (t fi t fo ) Φ (d o 2 )
0 d o 2 do2
22 d cr h2
or
第十章 传热过程分析与换热器热计算
本章的学习目的
(1) 分析实际传热问题的能力 (2) 综合应用三种基本传热方式及其相关公式的能力 (3) 了解换热器的基本知识和设计过程
§10-1 传热过程的分析和计算
传热过程？ 基本计算式(传热方程式)？
热量从壁面一侧的 流体传到另一侧流 体的过程
kA(t f 1 t f 2 )
管翅式
板翅式
按操作过程
金属换热器
按制作材质 陶土换热器 紧凑式
混合式
(direct contact heat exchanger)
蓄热式
(regenerators)
按表面紧凑程度
非紧凑式
板式换热器
管式换热器
片状管式换热器
燃料 蓄 热 室 A
开 关
开 关
燃料
蓄 热 室 B
空气 烟气
空气 烟气
532.54
Num 532.54 2.67 102 hc 3.55 w/(m2 K) l 4
火墙表面的对流换热量为
c hc A1tw t f 3.55 16 40 20 1136 W
火墙表面的总散热量
r c 1705.4 1136 2841.4 W
t wi t wo
do ln( ) 2l d i
t wi
hi
Φ

h0
外部对流： hodol (two t f 0 ) 单位长度散热量
t wo t f 0 hod ol
t w0
tf0
(t wi t fo ) (t wi t fo ) Φ d d 2 1 1 1 1 l ln( o ) ln( i ) 2 di ho d o 2 di ho d i 2
t fi t f 0
Ao 定义肋化系数： Ai
则传热系数为
加肋后的总表面 积与内侧未加肋 时的表面积之比
k
1 1 hi ho o
1
所以，只要 o 1 就可以起到强化换热的效果。
4. 带保温层的圆管传热——临界热绝缘直径
A(t fi t f 0 ) 1 1 h1 h2
t B,in (shellside)
t A,in (tubeside)
t A,out
t B,out
进一步增加管程和壳程
tB,in (shellside)
可见，保温层使得导热热阻增加，换热削弱；另一方面， 降低了对流换热热阻，使得换热增强，那么，综合效果到底
是增强还是削弱呢？这要看/do2和2/(do2)2的值
令：
d o1 do2 1 1 1 1 (d o 2 ) ln( ) ln( ) hi d i 21 di 22 d o1 ho d o 2
4

4

1705.4 W
对于大空间自然对流换热，有
定性温度 t m
tw t f 2
Num CGr Pr
n m
书P268
30 ℃
查空气物性参数，=2.67×10-2w/(mK)；=16×10-6m2/s；Pr=0.701 书P559 体膨胀系数
v
1 1 0.0033 K -1 Tm 30 273
ri r0 ri
t wi

R t w 0 Rh 0
tf0
将数值带入式中
Φ l
3.14 (70 40) 1 0.0051 2 1 ln( ) 2 0.15 0.0051 10 0.0051 2
1 6.20 11 2 7.29 12 3 8.12 13 4 8.74 14 5 9.20 15 6 9.53 16 7 9.77 17 8 18 9 19 10 20
h
43 c
h
43 r
hr
(T14 T24 )
t1 t2
2. 通过圆筒壁的传热过程
内部对流： hidil (t fi twi )
t fi

t wi
h0
l ( t t ) wi wo 圆柱面导热：Φ do 1 ln( ) 2 d i 外部对流： h d l (t t ) o o wo f0
Eb1
1 1 A1 1
tBiblioteka Baidu=40℃
4m 6m
J1
r
1 A1 X 1, 2
J2
1 2 A2 2
Eb 2
面1的表面积，A1= 4m×4m =16m2；面2的表面积， A2= 4×6m×4m+ 4m×4m=112m2。
由图可知，X12=1
火墙表面的辐射换热量为
Eb1 Eb 2 5.67 108 t1 273 t 2 273 r 1 1 1 1 2 1 0.87 1 1 0.8 A1 1 A1 X 12 A2 2 16 0.87 16 112 0.8