传热机理与设备图例

对流传热速率计算式3

其余对对流传热有影响的因素归结为一 个物理量——对流传热系数α 。
综上，热对流传热速率可为：

T Tw dQ o (T Tw )dSo 1 o dSo
对流传热速率计算式4

上述公式称为牛顿冷却定律。 对管内冷流体一侧热对流：冷流体温度 为t，该侧壁面温度为 t w。应有：
t dQ dS n
1 导热系数（热导率）


反映物质导热能力大小的物理量。 定义式： dQ t dS n 物理意义：单位温度梯度下、单位传热 面积上所传递的热量。单位： w 。
( m. C )
各类物质导热系数(热导率）数 值范围

气体 0.006~0.6 液体 0.07 ~0.7 非导固体 0.2~3.0 固体 15~420 绝热材料 ﹤0.25
附表
材料
耐火砖 保温砖 建筑砖
厚度 （mm） 150
310 240
导热系数 w/(m. ℃) 1.06
0.15 0.69
单层圆筒热传导1
单层圆筒热传导2

假设圆筒内壁面温度值 t1 与外壁面温度 值 t 2 关系为：t1 t 2 ，即热量由筒内向筒 外传递。
与单层平壁面热传导最大的不同是:圆筒 热传导时，筒内传热面积不是常数，随 半径而变，温度也随半径而变。
对流传热速率计算式1

本课程讨论的热对流为流动流体和它所 流经壁面两者之间的热量传递。
热对流过程是一个受到过多物理因素影 响的过程。 热对流传热速率计算尚无理论公式，现 在所用的公式都由半理论、半经验而来。


对流传热速率计算式2


以热流体和壁面之间的传热为例，其中热流体 温度为T，该侧壁面温度为Tw ，且管外传热。 推导：。 传热推动力为温度差（ T Tw ）； S 传热速率必然和传热面积 o 成正比； 传热过程中，顺着流体的流动方向，热流体 温度逐渐降低，壁面温度也随位置而改变， 所以每一局部区域的传热速率必不相同。需 用微分式表达。
W
W
热阻


定义：在传热过程中，由除推动力温度 差以外的所有其他物理量综合构成的、 对传热有阻碍效应的一个物理量。 应用意义:。


稳态传热时，温度差与热阻成正比。据此， 可获得传热范围内任意两距离之间的温度差 或某位置上的温度值； 与电路欧姆定律相同，故可用并联、串联计 算电阻的方式计算热阻。
例题

单层圆筒热传导3

在筒内半径为r处取定一个厚度为dr 的圆环，设此圆环内温度变化为dt，则 传热面积为2∏r，温度梯度为dt/dr。当 稳态传热时，有： dt Q ( 2rL) dr 或 r2 t2 dr
Q
r1
r
2L
t1
dt
单层圆筒热传导4

积分得：
Q
2L(t1 t 2 )
传热的三种基本方式2

与普通物理意义热对流不同,工业意义的热对 流指流动流体和它所流经的固体壁面之间热量 传递,其中将包括普通物理意义热对流和壁面 附近滞流层内的热传导。实质为复合传热。
热辐射:发生在相距一定距离的物体之间,以电 磁波形式而传热。 复合传热:以两种或两种以上基本方式而传热。


几个概念
单层平壁热传导例题2
现有一厚度为240mm的砖壁，内壁温度为 600℃，外壁温度为150℃。试求: ①通过每平方米砖壁壁面的热流密度q （热通量）。 ②距内壁面为40mm处的壁层温度。 ③壁面总热阻。 已知该温度范围内砖壁的平均热导率（导 热系数）为0.6W/(m. ℃)。

多层平壁热传导1(以三层为例）
传热机理与设备图例
传热基本方式、传热计算和设备结 构
传热概述

热量传递推动力：温度差。
工业传热应用： 物料加热和冷却； 热量和冷量的回收利用； 设备和管道的保温。

传热的三种基本方式1


热传导:发生在两直接接触的相对静止物 体之间的热量传递。以分子或原子的热 运动而传热。 物理意义热对流:发生在流动流体内部的 传热,以自然对流,或强制对流方式进行。 自然对流； 强制对流；

多层平壁热传导2
t1 t 2 t 3 t Q b3 b1 b2 R 1 S 2 S 3 S

多层平壁热传导实际就是多层传热平 壁串联传热，所以总热阻为各层热阻总 和，总传热温度差为各层温度差总和。
多层平壁热传导例题1

燃烧炉的内层为460mm厚的耐火砖，外层 为230mm厚的绝缘砖。若炉的内表面温度 t1为1400 ℃ ，外表面温度t3为100 ℃ 。 试求导热的热通量及两砖接触良好，已 知耐火砖的导热系数为λ1=0.9+0.0007t， 绝缘砖的导热系数为λ2=0.3+0.0003t。 两式中t可分别取为各层材料的平均温度， 单位为℃, λ单位为 W/(m.℃) 。
多层平壁热传导例题2

平壁炉的炉壁由三种材料组成,其厚 度和导热系数列于本题附表中。若耐火 砖层内表面的温度t1为1150 ℃ ，钢板 外表面温度t4为30 ℃ ，今测得通过炉 壁的热损失为300 W/m2 ，试计算导热的 热通量（热流密度）q。若计算结果与实 测的热损失不符，试分析原因和计算附 加热阻。

稳态传热与非稳态传热。
反映传热快慢的：传热速率Q和热通量 （或热流密度）q。 q=Q/S 温度场、三维稳态温度场、一维稳态温 度场、温度梯度。


间壁式换热器及其典型结构

间壁式换热器是两种流体间换热时最常 用的换热器。在该换热器中，两流体由 金属固体壁面隔开而流动换热。
典型结构:套管式、列管式。(见下图)
单层平壁热传导2

则任意温差为 dt 、厚度为 层内，有： dt
dx
的平壁
Q S
dx

积分上式，可得：
Q
St
b

t
b
S
t R
单层平壁热传导3

或者：
Q t t t q ' b S b R
'

两式中， R、R 都称为热阻。前者单位 是： C.m2 ；后者单位是： C 。

列管式换热器的几个概念和问 题2

管束中所有管子的表面积总和构成换热 面积。即
S ndL

式中：n为管子根数。直径可取管子内 径 di 、管子外径 d o 、管子平均直 径 d m ，则传热面积可分别为内表面 积 S 、外表面积 S o 、平均面积 S m 。 i
傅立叶定律

反映热传导传热基本规律：传热速率与 传热温度梯度，两物体接触面积成正比。 比例系数为导热系数。
多层圆筒热传导（三层）2

上式中，
S m1
r2 r1 2L r2 ln r1
S m2 r4 r3 2L r4 ln r3
S m2
r3 r2 2L r3 ln r2
多层圆筒壁热传导例题1

在一ф60×3.5mm的钢管外包有两层 绝热材料，里层为40mm的氧化镁粉，平 均导热系数λ=0.07 w/(m. ℃)，外层为 20mm的石棉层，平均热导率为λ=0.15 w/(m. ℃)。现用热电偶测得内壁温度为 500℃，最外层表面温度为80℃，管壁的 导热系数为45 w/(m.℃)。试求每米管长 的热损失及两层保温层界面的温度。
ln
r2 r1
t1 t 2 r2 1 ln 2L r1
单层圆筒热传导5 t Q b S m

其中
r2 r1 S m 2Lrm 2L r2 ln r1
单层圆筒热传导例题1
在外径为140mm的蒸汽管道外包扎保 温材料，以减少热损失。蒸汽管外壁温 度为390℃，保温层外表面温度不大于 40℃。保温材料的λ与t的关系为 λ=0.1+0.0002t （t的单位为℃,λ的单位为W/(m.℃) ）若 要求每米管长的热损失Q／L不大450 W／ m，试求保温层的厚度以及保温层中温度 分布。

以上单位均用W/(m.℃) 。
导热系数（热导率） 2


金属材料导热系数大、传热性能好，所 以，换热器都用金属材料制造。 气体导热系数小、不利于传热，但利于 绝热，所以，在保温材料内一般充注空 气。
导热系数一般随温度呈线性变化。

单层平壁热传导1

假定：。 平壁两侧温度分别为 t1、t 2 ，且 ， t1 t 2 且温度不变，即为稳态传热或说传热 速率为定值；平壁厚度为b。 平壁材料导热系数为 ； 传热面为一系列与两侧壁面平行的平 面，传热面积处处相等，都为S。

设各层温度分别为 t1、t 2、t 3、t 4 ， 且 t1 t 2 t3 t 4 不变，即稳态传热；各层热 导率分别为 1、2、3、4；传热面为一 系列与轴线相平行的平面，面积相等， 且均为S。
且各层接触良好，即各表面光滑或彼此完全吻 合。否则，接触面处接触不好，出现空气层， 导致极大的附加热阻（或接触热阻）
tw t dQ i (t w t )dSi 1 i dSi
对流传热速率计算式5

实用对流传热速率计算，是对上述两式 求积分得到。即：
Q dQ i (tw t )dSi i tm Si
0 0
Q
S

或
Q S 0 0
Q dQ o (T Tw )dSo o t m S o

套管换热器


两种规格不同的标准管同心套装，一种 流体在小管内空间流过，另一种流体在 套管环隙中流动，两者通过小管壁面而 进行热量交换。 小管壁面为间壁。传热面积为该管子表 面积。
列管式换热器的几个概念和问 题1


结构:管束.外壳.封头.管板.折流挡板. 工艺接管 管程.、管程流体.、多管程 壳程.、壳程流体.、多壳程 问题:为什么要设置多管程?
多层圆筒热传导（三层）1

多层圆筒相互套装，各接触面接触良好。 若由内向外，各层半径Байду номын сангаас别为 r1、r2、r3 ， 其表面温度分别为 t1、t 2、t3、t 4 ，且各 温度值：t1 t 2 t3 t 4 。则：
Q
b1 1 S m1
t t1 t 4 b3 b2 R1 R2 R3 2 S m 2 3 S m 3
保温层临界直径2

ro 1 ln R1 。 保温层内的热阻为 2L ri
1 层外热对流热阻为 2Lr R2 。 o o


t tf 总传热速率 Q R R 1 ro 1 1 2 ln 2L ri o 2Lro
t tf
保温层临界直径3

单层平壁内侧温度为300℃，外侧温 度为60℃，已知平壁总厚度为40cm，试 确定平壁内距外壁面分别为15、30cm两 壁面上的温度值。
单层平壁热传导例题1

某平壁厚度为0.37m，内表面温度为1650 ℃，外表面温度为300℃，平壁材料导热 系数Λ=0.815+0.00076t （式中t的单位 为℃， Λ的单位为W/(m.℃) 。若将导 热系数分别按常量（取平均导热系数） 和变量计算时，试求平壁温度分布关系 式和导热热通量。

单层圆筒热传导例题2

有外径为426mm的水蒸气管路，管外 覆盖一层厚度为400mm的保温层。保温材 料的热导率随温度的变化关系为 λ=0.5+0.0009t[式中t的单位为℃， λ 的单位为w/(m. ℃)]。水蒸气管路外表 面温度为150℃ ，保温层外表面温度为 40℃ 。试计算该管路每米长的散热量。
对流传热系数

物理意义：既是对流传热过程中除温度 差、传热面积之外的诸多影响因素的集 合，反映对流传热的强度，其倒数又是 对流传热的热阻。
1 R S
R
'
1

保温层临界直径1


临界直径——在设备或管道外设置保温 层，其厚度必须使保温层的直径达到某 一临界值，否则加厚保温层将使热损失 更大，此临界值对应的保温层直径。 设保温层内表面温度为t、大气温度为 ， 热量由此层传导大气中，经保温层内的 tf 热传导、保温层外的热对流。
上例附表
多层平壁热传导例题3

有一平壁燃烧炉，炉壁由三种材料组成， 最内层为耐火砖，中间为保温砖，最外层为建 筑砖。各层厚度和导热系数如下附表。 今测得炉的内壁温度为1000℃，耐火砖与保温 砖之间界面处的温度为946℃。试求： ①单位面积的热损失； ②保温层与建筑砖之间界面的温度； ③建筑砖外侧温度。