传热机理与设备图例

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1、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n热量传递推动力：温度差。n工业传热应用：n物料加热和冷却；n热量和冷量的回收利用；n设备和管道的保温。传热的三种基本方式1n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。n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 。n自然对流；n强制对流；传热的三种基本方式2n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。n热辐射:发生在相距一定距离的物体之间

2、,以电 磁波形式而传热。n复合传热:以两种或两种以上基本方式而传热 。几个概念n稳态传热与非稳态传热。 n反映传热快慢的：传热速率Q和热通量（ 或热流密度）q。q=Q/Sn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n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。n典型结构:套管式、列管式。(见下图)套管换热器n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。n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1n

3、结构:管束.外壳.封头.管板.折流挡板. 工艺接管n管程.、管程流体.、多管程n壳程.、壳程流体.、多壳程n问题:为什么要设置多管程?列管式换热器的几个概念和问 题2n管束中所有管子的表面积总和构成换热 面积。即n式中：n为管子根数。直径可取管子内径 、管子外径 、管子平均直径 ，则 传热面积可分别为内表面积 、外表面 积 、平均面积 。傅立叶定律n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。导热系数（热导率） 1n反映物质导热能力大小的物理量。n定义式：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： 。各类物质导热系数(热导

4、率）数 值范围n气体 0.0060.6n液体 0.07 0.7n非导固体 0.23.0n固体 15420n绝热材料 0.25n以上单位均用W/(m.) 。导热系数（热导率） 2n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。n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。n导热系数一般随温度呈线性变化。单层平壁热传导1n假定：。n平壁两侧温度分别为 ，且 ，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。n平壁材料导热系数为 ；n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。单层平壁热传导2n则任意温差为 、厚度为

5、的平壁 层内，有：n积分上式，可得： 单层平壁热传导3n或者：n两式中， 都称为热阻。前者单位 是： ；后者单位是： 。热阻n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。n应用意义:。n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；n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n 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1n某平壁厚度为0.37m，内表面

6、温度为1650 ，外表面温度为300，平壁材料导热 系数=0.815+0.00076t （式中t的单位 为， 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。单层平壁热传导例题2n现有一厚度为240mm的砖壁，内壁温度为 600，外壁温度为150。试求:通过每平方米砖壁壁面的热流密度q（ 热通量）。距内壁面为40mm处的壁层温度。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 ）n 设各层温度分别为 ， 且 不变，即稳态传热；各层热 导率分别为 ；传热面为一

7、 系列与轴线相平行的平面，面积相等， 且均为S。n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）多层平壁热传导2n 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1n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 1=0.9+0.0007t，绝缘砖的导热系数为2=0.3+0.0003t 。两式中t可分别取为各层材料

8、的平均温 度，单位为, 单位为 W/(m.) 。多层平壁热传导例题2n 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。上例附表多层平壁热传导例题3n 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：单位面积的热损失；保温层与建

9、筑砖之间界面的温度；建筑砖外侧温度。附表材料 厚度（mm）导热系数w/(m. ) 耐火砖1501.06保温砖3100.15建筑砖2400.69单层圆筒热传导1单层圆筒热传导2n假设圆筒内壁面温度值 与外壁面温度 值 关系为： ，即热量由筒内向筒 外传递。n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。单层圆筒热传导3n 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2r，温度梯度为dt/dr。当 稳态传热时，有：或单层圆筒热传导4n积分得：单层圆筒热传导5n其中单层圆筒热传导例题1n 在外径为140m

10、m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。保温材料的与t的关系为 =0.1+0.0002t （t的单位为,的单位为W/(m.) ）若 要求每米管长的热损失QL不大450 W m，试求保温层的厚度以及保温层中温度 分布。单层圆筒热传导例题2n 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 =0.5+0.0009t式中t的单位为， 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。多层圆筒热传导（三层）1n多层圆筒

11、相互套装，各接触面接触良好 。若由内向外，各层半径分别为 ，其表面温度分别为 ，且 各温度值： 。则：多层圆筒热传导（三层）2n上式中，多层圆筒壁热传导例题1n 在一603.5mm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=0.07 w/(m. )，外层为 20mm的石棉层，平均热导率为=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。对流传热速率计算式1n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。n热对流过程是一个受到过多物理因

12、素影 响的过程。n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2n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 ，且管外传热。n推导：。n传热推动力为温度差（ ）；n传热速率必然和传热面积 成正比；n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。对流传热速率计算式3n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。n综上，热对流传热速率可为：对流传热速率计算式4n上述公式称为牛顿冷却定律。n对管内冷流体一侧热对流：冷流体温度 为

13、t，该侧壁面温度为 。应有：对流传热速率计算式5n实用对流传热速率计算，是对上述两式 求积分得到。即：n或对流传热系数n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。保温层临界直径1n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。n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 的热传导、保温层外的热对流。保温层临界直径2n保温层内的热阻为 。n层外热对流热阻为 。n总传热速率保温层临界直径3n上式中，当

14、 增大时， 将变大， 将变小，总热阻可能变大、变小或不变 。n该式对 求导，导数为0时有极值，该 极值下，令 ，可求得：保温层临界直径求算例n 在管径为15mm的管道外加设保温层 。若保温材料的导热系数为 0.14W/(m.) ，外表面对环境空气的对 流传热系数为10 W/(m2.) ，试求算保 温层的临界直径。间壁式换热器的热负荷计算1n在没有热损失情况下，热流体释放的热 量即为冷流体所得到的全部热量。n传热两流体都只有温度变化，无相态变化时 ；其中下标T、t热流体温度、冷流体温度 ；“h”、“c”分别指热流体、冷流体 ；“1”、“2”分别指进口、出口；。间壁式换热器的热负荷计算2n当两流体

15、之一只有温度变化，另一者只 有相态变化，如热流体为蒸汽冷凝，则 ：n当流体之一既有温度变化，又有相态变 化，则：间壁式换热器传热速率1n推导：n传热推动力为温度差（T-t）；n传热速率必然和传热面积 S 成正比；n传热过程中，顺着流体的流动方向，热流体 温度逐渐降低，冷流体温度温度逐渐升高， 所以每一局部区域的传热速率必不相同。需 用微分式表达。n其余对传热有影响的因素归结为一个物理量 总传热系数K。间壁式换热器传热速率2n表达式： 。n传热面积有不同的取法： ，总传 热系数对应也有： 。n所以，表达式有：间壁式换热器传热3n各总传热系数之间关系，有：总传热系数K计算1n间壁式换热器的传热步骤有：热流体一 侧的热对流、间壁内的热传导、冷流体 一侧的热对流。nK的倒数显然跟对流传热系数的倒数一样 ，是整个间壁传热的总热阻。故应是三 个串联传热过程热阻的总和。总传热系数K计算2n考虑壁面处污垢热阻后。总传热系数K计算3n对于平壁面或薄壁管 ：传热速率计算式例1n 某换热