化工原理第四章 传热及传热设备..

4.2 热传导
4.2.5 圆筒壁的稳定热传导 二、多层圆筒壁
第一层
第二层
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第三层
Q

2L(t1 tn1 ) in 1 ln ri1
i1 i
ri
-----通式
可写成与多层平壁计算公式相仿的形式：
Q
t1 t4
b1
b2
b3
1 Am1
2 Am 2
3 Am3
Am1、 Am2 、Am3分别为各层 圆筒壁的对数平均面积。
主要特点：冷热两种流体被一固体间壁所隔开，在 换热过程中，两种流体互不接触，热量由热流体通 过间壁传给冷流体。以达到换热的目的。
优点：传热速度较快，适用范围广，热量的综合利 用和回收便利。
缺点：造价高，流动阻力大，动力消耗大。
典型设备：列管式换热器、套管式换热器。
适用范围：不许直接混合的两种流体间的热交换。
解：(1)每米管长的热损失
r1=0.053/2=0.0265m r2=0.0265+0.0035=0.03m r3=0.03+0.04=0.07 m r4 =0.07+0.02=0.09 m
=191. 4 W/m
第四章 传热及传热设备
(2)保温层界面温度t3
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解得：t3=131.2℃
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热导率
纯金属 金属合金 液态金属 非金属固体 非金属液体 绝热材料 气体
100~1400 50~500 30~300 0.05 ~50 0.5~5 0.05~1 0.005~0.5
可见，在数值上： 金属 非金属 液体 气体
第四章 传热及传热设备
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4.2 热传导
4.2.4 平壁的稳定热传导
优点：结构简单，可耐高温。
缺点：设备体积庞大，传热效率低且两 流体有部分混合。
适用范围：常用于高温气体热量的回收 高温流体 或冷却。
蓄热体
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4、中间载热体式换热器 又称热媒式换热器。 换热原理：将两个间壁式换 热器由在其中循环的载热体 （称为热媒）连接起来，载 热体在高温流体换热器中从 热流体吸收热量后，带至低 温流体换热器传给冷流体。 典型设备：空调的制冷循环、 太阳能供热设备、热管式换 热器等。 适用范围：核能工业、冷冻 技术及工厂余热利用中。
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例：在一φ60×3.5mm的钢管外层包有两层绝热材料，里 层为40mm的氧化镁粉，平均导热系数λ=0.07W/m·℃，外 层为20mm的石棉层，其平均导热系数λ=0.157W/m·℃。 现用热电偶测得管内壁温度为500℃，最外层表面温度为 80℃，管壁的导热系数λ=45W/m·℃。试求每米管长的热 损失及两层保温层界面的温度。
t
一、单层平壁
A
t1
Q
假定壁的材质均匀，导热系数λ不随温
t2
度变化，视为常数。一维稳定导热，即： O x x dx
b
图4-7 单层平壁热传导
Δt = t1-t2为导热的推动力，R=b/λA则为导热的热阻。
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4.2 热传导
4.2.4 平壁的稳定热传导
二、多层平壁
第一层
第二层
第三层
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气体的导热系数
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与液体和固体相比，气体的导热系数最小，对 导热不利，但却有利于保温和绝热。
气体的导热系数随着温度的升高而增大。而在 相当大的压强范围内，气体的导热系数随压强的 变化很小，可以忽略不计，只有当压强很高（大 于200MPa）或很低（小于2.7kPa）时，才应考虑
压强的影响，此时导热系数随压强的升高而增大。
第四章 传热及传热设备
液体的导热系数
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液体可分为金属液体（液态金属）和非金属液体。
液态金属的导热系数比一般液体的高，大多数金 属液体的导热系数随温度的升高而降低。
在非金属液体中，水的导热系数最大。除水和甘 油外，大多数非金属液体的导热系数亦随温度的升 高而降低。通常纯液体的导热系数较其溶液的要大。 液体的导热系数基本上与压强无关。
例：如图所示，各层的热阻R
之间的关系为_________。
例：穿过两层平壁的稳态热传导过程，已知
各层温差为△t1=25℃，△t2=51℃，则第一、
二层的热阻R1、R2的关系为___________。
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4.2 热传导
4.2.5 圆筒壁的稳定热传导
t
一、单层圆筒壁
圆筒壁与平壁不同点是其面随半径而变化。在半径r 处取一厚度为dr的薄层，若圆筒的长度为L，则半径 为r处的传热面积为A=2πrL。即：
5.传热表面的形状、位置及大小：如管、板、管束、管径、 管长、管子排列方式、垂直放置或水平放置等。
流体无相变时：α =f(u，l，μ,λ，ρ，Cp，βgΔt)
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8个变量通过因次分析得到如下等关系式：
l

K

lu
a

Cp
f

冷水
换，是依靠热流体和冷流体直接接
触和混合过程实现的。
优点：传热速度快、效率高，设备
简单，是工业换热器的首选类型。
典型设备：如凉水塔、喷洒式冷却
塔、混合式冷凝器
废蒸气
适用范围：无价值的蒸气冷凝，或
其冷凝液不要求是纯粹的物料等，
允许冷热两流体直接接触混合场合。
热水
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2、间壁式换热器




表示自然对流对的影响
Nu f Re，Pr，Gr
Nu K Rea Prk Grh
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4.4 流体无相变的对流传热系数
4.4.1 流体在圆形直管内作强制对流
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4.2 热传导
4.2.1 温度场和温度梯度 温度场：在某一瞬间，空间或物体内所有各点温度分布的总和。 即： t = f (x，y，z，θ) t--温度； x，y，z--空间坐标； θ--时间
温度梯度 ：
4.2.2 傅立叶定律（ Fourier’s Law）
单位时间内传导的热量Q与温度梯度dt/dx及垂直于热量方向
的导热面积A成正比。
Q=-λAdt/dx
λ--导热系数，W/m·K 或W/m·℃ dt/dx—温度梯度，负值(温度降低的方向)
Q—热流量，热流方向与温度梯度的方向相反
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4.2.3 导热系数
Q

A
dt dx




Q A dt

q dt
dx dx
上式即为导热系数的定义式。其表明导热系数在数值上
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4.3.3 对流传热速率的主要影响因素
1.流体的状态：液体、气体、蒸汽及在传热过程中是否有相 变化。有相变化时对流传热系数比无相变化时大的多；
2.流体的λ、粘度μ等； 3.流体的运动状况：层流或湍流；
4.流体对流的状况：自然对流，强制对流；
第四章 传热及传热设备
4.2
热传导
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热传导又称导热，是物质借助分子和原子振动及自
由电子运动进行热量传递的过程。 导热过程的特点是：在传热过程中传热方向上无质
点的宏观迁移。 导热在固体、液体、气体中均可发生。但严格而言，
只有固体中传热才是纯粹的热传导。而流体即使处于静 止状态，也会有因温差而引起的自然对流。所以，在流 体中对流与传导是同时发生的。

l
3

2 gt 2
h
Nu l ：努塞尔准数 表示对流传热系数的准数
Re lu ：雷诺准数 表示流动状态对的影响
Pr Cp ：普兰特准数 表示流体的物性对的影响
Gr

l
3
2 gt 2
：格拉斯霍夫准数
等于单位温度梯度下的热流密度。它是表征物质导热性能的
一个物性参数，越大，导热性能越好。导热性能的大小与物
质的组成、结构、温度及压强等有关。
物质的导热系数通常由实验测定。各种物质的导热系数数 值差别极大，一般而言，金属的导热系数最大，非金属次之， 而气体最小。工程上常见物质的导热系数可从有关手册中查 得，本教材附录亦有部分摘录。
应予指出，在导热过程中导热体内的温度沿传热 方向发生变化，其导热系数也在变化，但在工程计 算中，为简便起见通常使用平均导热系数。
例：温度升高，气体的粘度μ_____________，导热系数 λ____________（变大，变小，不变）。
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物质热导率的大致范围
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物质种类
4.1 概述
4.1.1 传热的基本方式 热传导(导热) 物体内部或两个直接接触的物体之间，分子振动、碰撞
对流 辐射
流体质点的位移和混合 通过电磁波传递能量
4.1.2 冷热流体接触方式及设备 混合式传热（直接接触式）
间壁式传热
蓄热式传热
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工业换热器
1、混合式换热器
主要特点：冷热两种流体间的热交
强制对流:外力（如泵、鼓风机等）作用下而造成的 自然对流:由流体内部的温度差而引起流体的密度差产生的
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4.3.2 对流传热速率
A
A’
T
热阻主要集中在层流底层中；层流底层 与湍流主体之间的过渡区内的热量传递 是传导与对流的共同作用；在湍流主体 中，由于流体的质点剧烈混合，可以认 为无传热阻力，即温度梯度已消失。