传热与传热设备(谭新版)

第五章传热与传热设备5.1概述其它设备60%传热设备40%在设计时进行合理的优化设计使其在满足工艺要求的条件下投资费用最小；在操作中进行强化传热操作过程，进行最优化操作，对节省传热设备投资，节省能源有着重要的意义。5.1概述5.1.1传热过程的分类5.1.1.1根据冷热两种流体的接触方式（1）直接接触式传热（混合式传热）热水空气填料凉水塔示意图（2）间壁式（间接接触式）传热t2冷流体t1T1热流体T2套管换热器中的换热冷流体t热流体T间壁Q对流给热对流给热导热5.1.1.1根据冷热两种流体的接触方式冷流体t热流体T间壁Q对流给热对流给热导热①热量由热流体靠对流传热传给金属壁的一侧（对流给热）；②热量自管壁一侧以热传导的形式传至另一侧（导热）；③热量以对流传热的方式从壁面的另一侧传给冷流体（对流给热）。（3）蓄热式传热冷流体热流体热流体冷流体固体填充物蓄热器示意图5.1.1.2根据传热的基本原理（1）热传导热量从物体内温度较高的部分传递到温度较低的部分或传递到与之接触的温度较低的另一物体的过程称为热传导，简称导热。（2）对流传热流体各部分质点发生相对位移而引起的热量传递过程，只能发生在流体中。流体被冷却时）（wtTAQ流体被加热时）（ttAQw（3）热辐射因热的原因而发出辐射能的过程称为热辐射。以上三种传热方式往往是相互伴随着同时出现。5.1.2传热基本概念（1）传热速率单位时间内通过传热面传递的热量Q（W）；（2）热通量单位时间、单位传热面积上传递的热量q（W/m2）；（3）非定态、定态传热过程t=f（x，y，z，θ）温度不仅与空间位置还与时间有关，为非定态传热；t=f（x，y，z）温度只与空间位置有关与时间无关，为定态传热。5.2热传导（导热Conduction）5.2.1傅立叶定律（Flourier’slaw）（1）温度场（Temperaturefield）物体（或空间）各点温度在时空中的分布称为温度场。t=f（x，y，z，θ）（5-2）温度相同的点所组成的面称为等温面。温度不同的等温面不可能相交，为什么？nqttttt图5-1温度梯度与热流方向的关系ntntn0lim（2）温度梯度两等温面的温度差Δt与其间的垂直距离Δn之比在Δn趋于零时的极限，即5.2.1傅立叶定律（Flourier’slaw）（3）傅立叶定律傅立叶定律是用以确定在物体各点间存在温度差时，因热传导而产生的热流大小的定律。单位时间内，单位传热面积上传递的热量即热通量与温度梯度成正比，热导率，W/m•℃ntAQ传热速率不仅与温度梯度成正比，还与传热面积成正比，即ntq（5-3）5.2.2热导率ntqntq物理意义：温度梯度为1时，单位时间内通过单位面积的传热量，在数值上等于单位温度梯度下的热通量，λ越大，导热性能越好。（1）固体的热导率纯金属：t↑,λ↓;非金属：ρ↑或t↑,λ↑。λ=λ0（1+αt）式中λ、λ0——固体分别在温度t、273K时的热导率，W/(m•K);α——温度系数，对大多金属材料为负值，大多非金属材料为正值，1/K。5.2.2热导率（2）液体的热导率t↑,λ↓；一般纯液体（水和甘油除外）的热导率比其溶液的热导率大。（3）气体的热导率气体的λ很小，对导热不利，但对保温有利。在相当大的压强范围内，压强对气体的热导率无明显影响。一般情况下气体λ=f(t)，t↑,λ↑。5.2.2热导率固体、液体、气体的热导率的大致范围：λ金属固体λ非金属固体λ液体λ气体金属固体：101~102W/(m•K)；建筑材料：10-1~10W/(m•K)；绝缘材料：10-2~10-1W/(m•K)；液体：10-1W/(m•K)；气体：10-2~10-1W/(m•K)；5.2.3平壁的稳定热传导（1）单层平壁稳定热传导一高度和宽度均很大的平壁，厚度为b，两侧表面温度保持均匀恒定，分别为t1及t2，且t1t2，若t1、t2不随时间而变，壁内的传热属于沿厚度x方向的一维定态热传导过程（见图5-5）。此时傅立叶定律可写成txxdxt1t2图5-5单层平壁的稳定热传导bQxtqdd积分上式21dd0ttbtxqbttbttq21215.2.3平壁的稳定热传导传热速率（单位时间通过面积A上的传热量）为：AbttQ21（5-4）阻力推动力RtAbttQ21b↑或A↓或λ↓，R↑。上式λ为常数，所以平壁内的温度分布为一直线；若导热系数与温度有关，则温度分布又是怎样的？txxdxt1t2t1t2α0α05.2.3平壁的稳定热传导（2）多层平壁稳定热传导t2txt1123t3t41b2b3b图5-7多层平壁的热传导AttAttAttQ33432232112131313141iiiiiiiRtAbttQ总阻力总推动力应用合比定律，得推广到n层平壁niiniiniiinRtAbttQ11111总阻力总推动力（5-6）5.2.3平壁的稳定热传导从上式可以看出，通过多层壁的定态热传导，传热推动力和热阻是可以加和的；总推动力等于各层推动力之和，总热阻等于各层热阻之和。321332211433221::::::RRRAbAbAbtttttt此式说明，在多层壁导热过程中，哪层热阻大，哪层温差就大；反之，哪层温差大，哪层热阻一定大。niiniiniiinRtAbttQ11111总阻力总推动力（5-6）5.2.3平壁的稳定热传导将上式写成热通量的形式为niiinbttq111niiniiniiinRtAbttQ11111总阻力总推动力（5-6）5.2.3圆筒壁的稳定热传导（1）单层圆筒壁稳定热传导有内、外半径分别为r1、r2的圆筒，内、外表面分别维持恒定的温度t1、t2，且管长l足够大，圆筒壁内的导热属于沿径向的一维定态热传导，傅立叶定律可写成trdrt1r1r2t1t2图5-8圆筒壁的热传导rtqddrtrlrtAQdd2dd积分2121d2drrttrrlQt5.2.3圆筒壁的稳定热传导2121d2drrttrrlQt1221ln2rrttlQ阻力推动力RttlrrttQ2112212lnm21m2121m1221121222ln2AbttlrbttbttlrrrttrrlrrQ5.2.3圆筒壁的稳定热传导m21AbttQ1212mlnrrrrr式中b=r2-r1，为圆筒壁的厚度。平均面积Am=2πlrm，而称为对数平均半径。当r2/r12时，可以改用算术平均值，即取rm=（r2+r1）/2。热阻为：m122lnAblrrR5.2.3圆筒壁的稳定热传导（2）多层圆筒壁稳定热传导t2t1123t3t41b2b3b图5-9多层圆筒壁的热传导r1r2r3r41m11211AbttQ2m22322AbttQ3m33433AbttQ3m332m221m1141AbAbAbttQniiiinninlrrttAbttQ111111m11112)ln(推广到n层圆筒壁5.2热传导（导热Conduction）例4-1如图所示用定态平壁导热以测定材料的导热系数。将待测材料制成厚度b、直径120mm的圆形平板，置于冷、热两表面之间。热侧表面用电热器维持表面温度t1=200℃。冷侧表面用水夹套冷却，使表面温度维持在t2＝80℃。电加热器的功率为40.0W。由于安装不当，待测材料的两边各有一层0.1mm的静止气层，气体导热系数λg=0.030W/(m·℃),使测得的材料导热系数λ’与真实值λ不同。不计热损失，求测量的相对误差，即（λ’-λ）/λt2=80℃bt1=200℃mm1.0mm1.05.2热传导（导热Conduction）例4-2有一蒸汽管外径为25mm，管外包以两层保温材料，每层厚均为25mm。外层与内层保温材料的导热系数之比为λ2/λ1=5，此时的热损失为Q。今将内、外两层材料互换位置，且设管外壁与外层保温层外表面的温度均不变，其热损失为Q’。求Q’/Q，说明何种材料放在里层为好。5.2热传导（导热Conduction）思考：分析保温瓶的保温措施有哪些？讨论：①对平壁一维稳定热传导在传热方向上处处传热速率Q与热通量q相等；②对圆筒壁一维稳定热传导在传热方向上其传热速率Q处处相等，但由于各处传热面积不同，故其热通量不等；③对平壁求单位面积的传热量或热损失即求热通量q；对圆筒壁求单位长度的传热量或热损失，即求Q/l；④热导率λ小，不利于导热，但有利于保温；⑤多层材料间应紧密接触，若有空隙则其总的导热能力下降，因为其间隙充满气体，气体的热导率小于固体；⑥采用多层保温措施时，热导率小的材料置于内层有利于保温；5.2热传导（导热Conduction）⑦热损失与保温层厚度有图所示的关系，为什么会有两种不同的情况？⑧当保温层厚度大于临界厚度的情况下，是否厚度增加就有利？0.00.10.20.30.40.50501001502002503004321Q/L(w/m)b(m)5.3间壁两侧流体的热量传递5.3.1间壁两侧流体热交换T2T1t1t2Ttdl图5-11套管换热器示意用于加热或冷却物料的流体称为载热体，其中起加热作用的叫加热剂，起冷却作用的叫冷却剂。规定：冷流体温度用t表示，热流体温度用T表示，下标1，2分别代表进口与出口参数，ms1，ms2分别表示热流体、冷流体的质量流量。5.3.1间壁两侧流体热交换传热过程在流动的流体中也存在传热边界层，同样包括湍流主体、过渡区、层流底层；在湍流主体中热量传递主要靠对流传热，导热的作用很小可以忽略不计；在层流体底层中由于流体层间没有质点的交换，主要靠热传导传递热量，传热阻力大、温度变化大；在过渡区不仅有热传导也有对流传热，两者的作用相当，均不能忽略。流动的流体传热的阻力主要集中在层流底层，所以要强化传热，主要的措施是破坏层流底层，降低层流底层的厚度。间壁的导热过程可以用导热速率方程描述，那么给出对流给热速率方程是弄清楚间壁两侧流体传热的关键。TTWtWt热流体冷流体δt金属壁δt图5-12热、冷流体通过间壁传热过程示意t'T'tbTb5.3.2对流给热（1）对流给热分类无相变：强制对流给热自然对流给热有相变：蒸汽冷凝给热液体沸腾给热（2）对流给热速率方程（牛顿冷却定律）假设：在热流体中将流体中全部的传热阻力（包括湍流主体中的对流传热阻力、过渡区中的导热和对流传热阻力、层流底层中的导热阻力）集中在一定厚度δt的流体层中，并且该层只有导热没有对流，这样流体中复杂的对流传热过程就转化为一定厚度的流体中的导热问题，就可以用导热速率方程来描述流体中的对流给热过程。WWTTAATTQttWttWTTAATTQ5.3.2对流给热令t对流给热系数，W•m-2•℃-1W2TTAQ热流体侧：ttAQW1冷流体侧：牛顿冷却定律但以上方程无法直接应用于换热器，为什么？因为换热器中流体在管长的不同位置温度不同，两侧流体的温度差也不相同；所以必须在流体流动方向上取微元段dl进行分析；在微元段dl中，传热间壁的内侧传热面积为dA1，外侧面传热面积为dA2；如图，管内为冷流体，管外为热流体，微元管段上热流体的对流给热温差为T-TW，冷流体的对流给热温差为tW-t，在间壁上导热的温差为TW-tW。5.3.2对流给热T2T1t1t2Ttdl图5-11套管换热器示意热流体传给管壁的热流量：3322223d1ddRtATTTTAQWW间壁热传导的导热量：22m