第10章 传热过程和换热器热计算基础

1
n
i
1
h h 1 i1 i
2
Φ
A(tf1 tf 2 )
1 1
Rt
1 kA
h1
h2
单位长度圆筒壁传热系数和热阻
1 1
Rt,l Rh1 R Rh2 kl h1 d1
i
1 ln di1 1
2i di h2 d2
单位管长的热流量
l kl tf1 tf 2
例10-1 例10-2
tf1 tf 2
tf1 tf 2
Rtl
1
n
1 ln di1
1
h1d1
2 i 1
i
di
h2dn1 5
例10-1 已知墙厚200mm；室内的空气温度为20℃，室外空气温 度为-10℃；砖墙导热系数λ = 0.95W/(m·℃)，室内空气对墙面的 对流表面传热系数h1 = 8W/(m2ּK)，室外空气的对流表面传系数 h2 = 22W/(m2ּK)。（1）试求室内外空气通过单位面积砖墙传递 的热量和砖墙内侧的温度；（2）若室内空气相对湿度为45%， 试确定内墙面是否结露。
二、 复合传热
传热过程包含的传热方式： 导热、对流、热辐射
2
辐射换热 对流换热 热传导
稳态时，组成复合换热过 程的各基本过程互不影响， 复合换热的结果是基本换 热过程单独作用的总和。
复合换热过程中，较多的场合是对流换热起主要作用，可用 适当加大表面传热系数的办法来考虑辐射换热的影响。
复合表面传热系数
hc
d3
Nu
2.65 102 W/(m K) 0.248m
33.0
3.52W/(m2
K)
hr ht hc (8 3.52)W/(m2 K) 4.48W/(m2 K)
在外壁温不是很高的条件下，辐射换热损失可以大于对流 换热损失;
工程上常在管道外包裹一层表面发射率较小的镀锌铁皮， 同时也起到保护保温层的作用。
l
(300 20)K
(0.05 9.62 104 8.313 0.504)m K/W
99.2W/m
l h2d3 tw3 tf 2
tw3
tf 2
l h2d3
20
99.2W/m
C
36
0.248m 8W/(m2 K)
C
9
管道外壁与周围环境换热是自然对流和辐射换热复合换热，
先确定自然对流的表面传热系数。问题的特征温度
tm
1 2 (tw3
tf2 )
wenku.baidu.com
1 (36 20) 2
C 28
C
从附录查得空气的参数值
15.8106 m2/s 2.65102 W/(m K) Pr 0.701
空气的体积膨胀系数
V
1
Tm
1 (273 28)K
3.32 103 K1
Gr
11
4.2 传热的增强和削弱
一、 强化传热
强化传热就是应用传热学的基本原理去增强传热效果： 增大传热面积；
第十章
传热过程与换热器
热计算基础
1
10.1 传热过程
一、 传热方程
传热过程——两流体间通过固体壁面进行的换热
面积m2
传热方程 Φ Ak(tf1 tf 2 ) Akt
关键——k及Δt
传热系数[W/(m2ּK)] ——表征传热过程强烈 程度的标尺，单位温差单位时间内通过单位 面积转递的热量，与涉及物体的物性、流体 流速等与过程相关因素有关。
R
圆筒壁
R
1 ln d2
2l d1
过程的热流密度
右侧对流换热热阻
Rh 2
1 h2
q
k (tf1
tf 2 )
(tf1 tf 2 ) Rt
(tf1 tf 2 ) Rh1 R Rh2
传热过程总热阻
4
平壁传热系数
k
1 Rt
1 Rh1 R Rh2
1
1
1
h1 h2
对于多层平壁
q
tf1 tf 2
与此对应饱和温度，即露点为7℃。 td = 280.15K < tw1 ，所以内墙面不发生结露
7
例10-2电厂有一内径d1=100mm，壁厚δ1=4mm，导热系数 λ1=40W/(m·K)的钢质蒸汽直管，管外包厚度δ2=70mm，导 热系数λ2 =0.05W/(m·K) ，的保温层。管内蒸汽温度tf1=300℃， 表面传热系数h1=200W/(m2·K)，保温层外壁复合表面传热系数 h2=8W/(m2·K)，周围空气温度t∞=20℃。试计算单位管长蒸汽管
道散热损失Φl及管道外壁与周围环境辐射换热表面传热系数hr。
解：
d2 d1 21 100mm 2 4mm 108mm
d3 108mm 2 70mm 248mm
l
1
tf1 tf 2
1 ln d2 1 ln d3
1
h1d1 21 d1 22 d2 h2d3
1 h1d1
1 200W/(m2 K) 0.1m
gV td 3 2
9.81m/s2 3.32 103 (36 20)K (0.248m)3 3.18 107
(15.8 106 m2 / s)2
10
GrPr 3.18107 0.701 2.23107
Nu c(GrPr)n 从表9-5查得 c 0.48 n 0.25
Nu 0.48(GrPr)0.25 0.48 (2.23 107 )0.25 33.0
0.05
m K/W
d2
d3
8
1 ln d2
1
108mm ln
9.62 104
m K/W
21 d1 2 40W/(m K) 100mm
1 ln d3
1
248mm
ln
8.313 m K/W
22 d2 2 0.05W/(m K) 108mm
1
1
0.504 m K/W
h2d3 8W/(m2 K) 0.248m
解：（1）通过单位面积砖墙传递的热量为
q
A
tf1 tf 2
1 1
h1 h2
293K 263K
1 8W/(m2
K)
0.20m 0.95W/(m
K)
1 22W/(m2
K)
70.91W/m2
砖墙内表面温度
tw1
tf 1
q h1
293K
70.91W/m2 22W/(m2 K)
284.1K
6
（2）查水蒸气表，温度为 20℃ ps 2.339kPa pv1 ps1 0.45 2.339kPa 1.053kPa
对流换热表面传热系数
W/(m2 K)
ht hc hr
辐射换热 表面传热系数
总换热量
c r (hc hr ) A(Tw Tf )
辐射换热量
hr
r
A(Tw Tf )
壁面和流体温度
3
三、通过平壁和圆筒壁的一维稳态传热过程计算
忽略热辐射换热，则
左侧对流换热热阻
Rh1
1 h1
平壁
固体的导热热阻