9工程传热学课件第八章

W /( m ℃) (8 7)
1 2
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第八章 复合换热与传热
例题8-1：对例题6-2管道在厂房中的换热问题，试按复合换
热计算每米管道的散热量。已知管道外表面的 0 . 8 ，另外 已知： d 108 m m ， t w 80℃ ，t f 10℃ 。
W /m
(c ) 1
气隙两侧面的摄氏温度 右侧面热 力学温度
g
2
根据平壁间辐射换热公式（7-32），有： 左侧面热 力学温度
T1 4 T2 4 100 100 qr 1 1 1
1 2 T1 T2
(d )
W /m
解：此题的复合换热由自然对流换热和辐射换热并联组成，前 面已经解出自然对流换热的散热量 ql c 160W / m 。 辐射换热部分由书式（7-33）计算，得：
ql r
4 4 4 4 T T r A Tw f Tw f dCb C b l l 100 100 100 100
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第八章 复合换热与传热
三、通过气隙的复合换热
热加工工艺中，还有一类复合换热具有实际意义。就是通 过气隙的复合换热。如：铸件在金属铸型内冷却到凝固收缩阶 段时体积要收缩，而金属型则受热膨胀，以至于在铸件与铸型 之间形成一层很薄的气隙。即属于此类复合换热问题，其换热 特点为： ※气隙的热阻很大。它的存在对铸件的冷却过程有重要影响； ※铸型上涂敷的涂料层的热阻很大。涂料层对铸件的冷却过程 也有重要影响，不过通过涂料层的热量传递是单一的导热方式， 不属于复合换热范围，此时通过气隙的复合换热已经变为铸件 与涂料层表面间的复合换热； ※气隙很薄，对流难于展开。通过气隙的复合换热是导热和辐 射换热两种基本换热方式并联的换热现象。虽然冷却过程总体 上是非稳态的，但在短暂瞬间允许做准稳态分析； ※气隙厚度是毫米级。与之间尺寸比很小，这个特点使复杂外 形的气隙允许当做平壁来做分析。
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第八章 复合换热与传热
例题8-2：有一厚度为 的金属平壁，导热系数为 ，左侧为 280℃的高温烟气，与平壁的换热系数为h1 ，右侧为50℃的水， 与平壁的换热系数为h2 ，求烟气对水的单位面积传热量及平壁 两侧的温度。已知： h1 80W /( m K ) 130W/ (m K ) ， 5mm ，
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第八章 复合换热与传热
Φ ti t wi hid i l
t wi t w0
d0 ln 2l d i
Φ
三式相加并整理得：
Φ t w0 t0 h0d 0l
l ti t0 Φ W (8 12) 1 1 d0 1 ln hi d i 2 d i h0 d 0 以外侧面积为基准的传热系数 k 的定义式由下式表示： Φ kA0 ti t0 kd 0l ti t0 W (8 13)
1 k 1 1 h1 h2
W /( m 2 ℃)
(8 10)
这是通过平壁传热的传热系数的计算公式。不难看出，已知壁 厚 、材料导热系数 和两侧的表面传热系数 h1 和 h2，就可算 出传热系数的值。 对于通过多层平壁的传热过程，根据串联环节热阻的叠加 等于总热阻的原则，不难写出通过多层平壁传热的传热系数计 算式： 1 2 k W /( m ℃) (8 11) n i 1 1 h1 i 1 i h2
Φ Φc Φr
总换热量 对流换热量
(8 1)
辐射换热量
c

r
均可按前述公式计算
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第八章 复合换热与传热
一、大空间复合换热及复合换热表面传热系数
下面我们通过一个热工件在厂房中冷却的复合换热问题的 例子进行具体分析，引出复合换热系数的概念并导出复合换热 量计算公式。 根据牛顿冷却公式计算 Φc：表面壁温 空气温度
tf1 tf 2 q
1 1 h1 h2
通过平壁所传递的热流密度从上式得出：
tf1 tf 2 q k t f 1 t f 2 (8 9) 1 1 h1 h2
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第八章 复合换热与传热
式中传热系数 k 即由下式确定：
80 273 4 10 273 4 0.8 0.108 5.67 140W / m 100 100 于是复合换热的总散热量为：
R l q l c q l r 160 140 300W / m
(8 2)
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第八章 复合换热与传热
若将 Φr 改写成表面传热系数的形式，则
Φr hr (t w t f ) A W
(b)
T 4 T f 4 C b w 100 100 hr Tw - T f
Φc hc (tw t f ) A W
换热表面积 表面传热系数：按表面与空气间 自然对流换热的有关公式计算。
(a)
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第八章 复合换热与传热
物体壁面间的换热，符合两个灰体间辐射换热中 A1 / A2 0 情况，即大空腔内包小物体的情况，书式（7-33）适用，即 工件表面的 发射率
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第八章 复合换热与传热
二、两种换热方式在复合换热中所占比例
在既有自然对流换热又有辐射换热的复合换热中，了解两 种换热方式各占有多大比例是非常有益的。下面我们以水平放 置的热圆柱体在空气中的散热为例讨论这个问题。 假设： ※因为辐射换热明显与物体表面的发射率有关，所以取黑体做 估算；估算结论是： 1、直径 d 10 m m 的柱体，温压小时，对流份额大于辐射； 温压达170℃时，两种方式份额各占一半。 2、直径大、温压不大时两种方式的份额各占一半。 3、直径极细的金属丝，温压比金属丝烧红的温度（约800℃） 还要高时，两种份额各占一半。
h2 800W /( m K ) 解：根据式（8-9）得： tf1 tf 2 280 - 50 q 16680W / m 2 1 1 1 0.005 1 h1 h2 80 130 800
根据
q h1 (T f 1 T w 1 ) h 2 (T w 2 T f 2 )
第八章 复合换热与传热
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二、通过圆筒壁的传热
由于圆筒壁内外侧表面积不相等，对传热过程的热阻分析 不能用单位面积热阻而必须改用总面积热阻（ t / Φ ）。并且， 在构成圆筒壁传热的三个环节中总热量总是不变的。 下面我们用长度为 l 的一段圆筒壁来作分析,如图。设筒壁 内、外半径分别为 ri、 r0（其内、外直径分别为 d i、 d 0 ），筒壁 材料的导热系数为 ，筒壁内、外侧的复 合换热系数分别为 hi 和 h0 ，内、外侧壁温 分别为 t wi、 t w 0 ，筒壁内、外的流体温度 分布为 ti、t0 。 在稳态条件下，传热过程三环节的温 压可表示如下：
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第八章 复合换热与传热
平壁气体层复合换热的热流密度可用下式表示： 复合换热热流密度
q qd qr
W /m2
(8 5 )
导热热流密度
辐射换热热流密度
根据通过平壁的导热公式（3-1），并参看图示，可得： 气体导热系数 d 2
qd
气隙厚度
g
(t1 t2 )
一、通过平壁的传热
如图所示为冷、热流体通过厚度为 的一块大平壁的传热 过程。设平壁的导热系数为 ，两侧的表面传热系数分别为 h1 和 h2。构成传热过程三个串联环节的热阻（单位面积热阻）分 别为（ t / q ）： t f 1 t w1 1 tw2 t f 2 1 t w1 t w 2 q q h1 q h2 三个串联热阻叠加就等于传热过程的总热阻：
W /( m 2 ℃) (8 3)
辐射换热表面传热系数：是按对流换热 表达形式折合而来的。
将式（a）、（b）代入式（8-1）得：
Φ (hc hr )(t w t f ) F h(t w t f ) A W
(8 4)
称为复合换热表面传热系数：它等于对流换热表 面传热系数与辐射换热表面传热系数之和。
则平壁两侧的温度为： q 16680 Tw1 T f 1 280 273 344 .5 K ( 71 .5℃) h1 80
Tw 2 q 16680 T f 2 50 273 343 .85 K ( 70 .85℃) h2 800
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2
g
1 2
气隙两侧面的发射率
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第八章 复合换热与传热
为了对分析包括气隙复合换热的系统计算提供方便，引入 气隙当量导热系数 e，则 q 可表示为：
e q (t1 t 2 ) g
W / m2
(8 6 )
将上式与式（8-5）、（c）、（d）对比可得：
T1 4 T2 4 Cb g 100 100 e g 1 1 T1 T2 1
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第八章 复合换热与传热
第八章 复合换热与传热
教学目的：
通过本章的学习，要求学生从定量上应熟练掌握 复合换热的分析与计算；对数平均温差的计算。从定 性角度，应掌握传热过程的热阻分析方法以及综合传 热问题的分析方法。
本章重点：
综合传热问题的分析方法；换热器传热的平均温
差。
本章难点：
A k (t f 1 t f 2 ) A k t
(8 8 )
传热系数：单位温压（1℃）、单位面积（1
2 ）时的热流量。 m
传热系数是表征传热过程强弱的标尺。传热过程越强，传热系数越大，反之则越弱。 确定传热系数是传热过程计算的关键。
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第八章 复合换热与传热
复合传热计算。并以此为基础确定强化传热或削 弱传热的方法。
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第八章 复合换热与传热
8-1 复合换热
两种或三种基本热量传递方式同时起作用的换热称为复合 换热。如：热工件在厂房中的冷却散热；锅炉及窑炉余热回收 换热器中高温烟气与管束管壁之间的换热等。 以上两例的共同特点是对流换热与辐射换热两种基本热量 传递方式同时在起作用。下面我们就先来讨论这一类复合换热 的计算。 复合换热计算的目的是确定两种并联的热量传递方式的总 效果。如图所示，原则上复合换热的总散热量等于构成并联系 统的两种基本换热方式散热量的叠加总和。即
工件表面的 热力学温度
Φr辐射换热量在这个例子里是工件表面与厂房内壁或其它
T 4 T f 4 W r ACb w 100 100
环境物体的热力学温度（注意有些场合此温度 不是空气温度，这里姑且认为无区别）
可见不容忽视
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第八章 复合换热与传热
8-2 传热过程及其计算
工程上冷热流体常有壁面（常称为间壁）隔开。 传热过程：热量从间壁一侧的流体穿过间壁传到另一侧流体中 去的过程称为传热过程。如：回收余热的废气通过管壁将热量 传给水或空气的过程；冲天炉内热量穿过炉衬传给保护炉衬的 冷却水的过程都是实例。 传热过程的三个串联环节： ※从热流体到高温侧壁面的热量传递； ※穿过固体壁面（单层或多层）的导热； ※从低温侧壁面到冷流体的热量传递。 传热过程的基本计算公式为下列传热方程式： 传热面积 冷热流体间的温压 传热量