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1、第4章 传 热传热是由于温度差而引起的能量转移，又称热量传递。热量总是自动地由高温区传递到低温区。1 传热的基本概念1.1 传热的基本方式根据传热机理的不同,传热有以下3种基本方式：热传导,热对流,热辐射 2 热传导21 傅立叶导热定律与热导率傅立叶（导热）定律： 式中：q-热流密度，W/m2；-导热系数（热导率），W/(mK)。导热系数是物质的物性之一,表征物质导热能力的大小，它反映了导热的快慢，越大表示导热越快。一般，金属非金属固体液体气体 (2)液体和气体的热导率 一般T，L，g。（水和甘油除外）2.2 通过单层壁的稳定热传导 2.2.1 单层平壁的稳定热传导温度仅沿x方向变化，导热为一
2、维热传导。由傅立叶定律可写出： 或 式中，R=b/，导热热阻，m2/W23 通过多层壁的稳定热传导231 多层平壁的稳定热传导 稳定导热时，通过各层的热流密度相等，即：将数学上的加比定律应用于上式，可得对于n层平壁，有 多层平壁热传导的总推动力（总温度差）为各层温度差之和，总热阻为各层热阻之和。3 对流传热31 牛顿冷却定律与对流传热系数 Q=ST 结论：对流传热的热阻主要集中在滞流内层，因此，减薄滞流内层的厚度是强化对流传热的主要途径。32 对流传热系数关联式的建立方法应用准数关联式应注意的事项：(1)公式的应用条件 要在应用条件范围内使用这些经验公式。(2)定性温度与特征尺寸 定性温度：是
3、指用于决定准数中各物性的温度，也就是准数关联式中指定的用来查取物性的温度。通常，定性温度取：流体进、出口温度的算术平均值特征尺寸：是指在准数关联式中指定的某个固体边界的尺寸。对于气体或低粘度流体在圆形直管内作强制湍流（104，0.7Pr120，管长与管内径之比L/di60。当L/di60时，用由上式计算出的乘以进行校正。定性温度：流体进、出口温度的算术平均值；定性尺寸：管内径di。关于低粘度流体的讨论：由 得： 1）物性的影响：2）u0.8/di0.2若同一流体在同一换热器中换热，仅流量发生变化，则有 u0.8；若同一流体在一套管换热器中换热，流量不变，但换热管径发生变化，则有 1/di1.8
4、例2-3水以1 m/s的流速从25 mm2.5 mm的管内流过，由20 加热到40 ，管长3 m。求水与管壁之间的对流传热系数。解：管内流动。定性温度：定性尺寸：管内径 30下水的物性如下： 为湍流，水被加热，3.8 蒸汽冷凝传热蒸汽冷凝有膜状冷凝和滴状冷凝两种方式。一般，滴状冷凝时的比膜状冷凝时的要大。结论：蒸汽冷凝传热热阻主要集中在冷凝液膜中,减薄液膜的厚度是提高冷凝传热的主要途径。382 膜状冷凝传热系数的关联式(1) 蒸汽在垂直壁面上的冷凝 式中：L-垂直壁面的高度，m；-冷凝液的粘度，Pas；-冷凝液的密度，kg/m3；-冷凝液的热导率，W/（mK）；r-蒸汽的冷凝潜热，J/kg；T
5、=Ts-TW为蒸汽的饱和温度与冷壁面温度之差，K（或）。(2)蒸汽在水平管外冷凝 3.8.3 影响冷凝传热的因素及强化 液膜厚度及流动状况是影响冷凝传热的关键。凡是影响液膜状况的因素都会影响冷凝传热。3.9 沸腾传热3.9.1 液体沸腾的分类3.9.2 液体沸腾曲线沸腾分三个阶段： 自然对流阶段(T5 )；泡核沸腾阶段（T=525 ）；膜状沸腾阶段（T25 ）。 4 辐射传热4.1 基本概念(1) 热辐射 物体由于热的原因以电磁波的形式向外发射能量的过程。(2)辐射能的吸收、反射和透过 根据能量守恒定律，可得 QA+QR+QD=Q或 QA/Q+QR/Q+QD/Q=1或 A+R+D=1式中A，R
6、，D分别称为该物体对投射辐射的吸收率、反射率和透过率。若A=1，黑体；若R=1，镜体(绝对白体)；若D=1，透热体。A、R、D=f(表面性质、T和投射)一般，固体和液体的D=0；气体的R=0。灰体：能以相同的吸收率且部分地吸收所有波长范围的辐射能的物体。灰体有以下特点：吸收率与投射辐射的波长无关；是不透热体，即A+R=1。4.2 物体的辐射能力(1)斯蒂芬-波尔兹曼定律 Eb=0T4式中：0-黑体的辐射常数，0=5.6710-8 W/(m2K4)；T-黑体表面的绝对温度，K。该定律也称四次方定律。实际物体在一定温度下的辐射能力恒小于同温度下黑体的辐射能力。黑度（发射率）：实际物体与同温度黑体的
7、辐射能力的比值，即 =E/Eb (2)克希霍夫定律 E/A=Eb 该式与黑度的定义式比较可得： A=上式表明灰体的吸收率在数值上等于同温度下的黑度。因此，物体的吸收率越大，其辐射能力也越大。也就是说，善于吸收的物体必善于辐射。4.3 两固体表面间的辐射传热5 稳定传热过程计算5.1 热量衡算 Q=Wh（Hh1-Hh2）=Wc（Hc2-Hc1）式中Q-换热器的热负荷，W；QL-换热器的热损失，W。若换热器中两流体均无相变化，则可表示为：Q=WhCph（Th1-Th2）= WcCpc（tc2-tc1）式中：Cp-流体的平均定压比热容，J/（kgK）；Wh-热流体的质量流量，kg/s；Wc-冷流体的
8、质量流量，kg/s；Th、tc-分别为热流体和冷流体的温度，。若换热器中热流体有相变，当冷凝液在饱和温度下排出时，Th2=Ts。此时，有 Q=Wh r=WcCpc（tc2-tc1）5.2 总传热速率方程对间壁式换热器,总传热速率方程可写成 Q=KStm式中：K-换热器的总传热系数，W/（m2K）；tm-换热器间壁两侧流体的平均温差，；S-换热器的总传热面积，m2。若以外(内)表面积为基准，则传热面积以S0(Si)表示，总传热系数以K0(Ki)表示。5.3.1 总传热系数的计算上式表明，传热过程的总热阻为串联传热过程各步的热阻之和。例2-11 某一蒸发器，管内通90 热流体加热，对流传热系数i为
9、1160 W/(m2K)。管外有某种流体沸腾,沸点为50 ，对流传热系数0为5 800 W/(m2K)。求以下两种情况下的壁温：管壁清洁无垢；外侧有污垢产生，污垢热阻为0.005 m2.K/W。解：在传热过程中，金属壁的热阻很小，通常可以忽略不计。根据串联传热过程温度差与热阻成正比的关系，可知金属壁两侧的温度差很小。也就是说两侧的温度基本相等。设壁温为Tw，则有 或 （a）若1/i+Rsi1/0+Rs0，则可得： TwTc显然，壁温Tw更接近热阻较小一侧的流体温度。(1) 管壁无污垢时的壁温Tw 将有关数据代入式(a)，有 解得 Tw=56.8 (2) 管壁外侧有污垢时的壁温Tw 将有关数据代
10、入式(a)，有 解得 Tw=84.4 5.4 传热的平均温度差tm1） 逆流和顺流时的tm Th1 Th2 Th1 Th2tc2 tc1 tc1 tc2逆流 并流例2-12在一单壳程、单管程的列管式换热器中，用冷水将热流体由100 冷却至40 ，冷水进口温度15 ，出口温度30 。求在这种温度条件下，逆流和并流时的平均温度差。解：(1)逆流和并流时的tm逆流时： 热流体Th 100 40 冷流体tc 30 15 t 70 25 tm=（t2-t1）/ln（t2/t1）=(70-25)/ln(70/25)=43.7 并流时: 热流体Th 100 40 冷流体tc 15 30 t 85 10 tm
11、=（t2-t1）/ln（t2/tT1）=(85-10)/ln(85/10)= 35 (3)不同流动形式的比较 1)逆流比顺流好，Tm逆Tm顺，传热好；2）当tc2有限制时，并流容易控制。5.5 传热面积的计算1) 由总传热速率方程求取： Q=K0S0tm S0=Q/（K0tm）2）由换热器的结构参数求取： S0=nd0L 式中：n-换热管根数； d0，L-分别为换热管的外径和长度，m。56 传热过程的强化传热过程的强化就是使Q，从分析Q=KSTm 入手。(1) 增大SS，Q；(2)增大tm tm，Q；(3)增大K K，Q。由 防止污垢产生或经常清除污垢，则 Rsi=Rs0=0，K当管壁热阻和污
12、垢热阻均可忽略时，上式可简化为 1/K=1/i+1/0若i0，则1/K1/0即总热阻是由热阻大的那一侧的对流传热所控制。当i，0相差很大时，要使K，只有提高二者中最小的一个才有效。若污垢热阻为控制因素，则必须设法减慢污垢形成速率或及时清除污垢。注意：提高流速，增加流体扰动可以强化传热，但同时伴随着流动阻力的增加。例2-13 有一逆流操作的套管换热器，用热空气加热冷水，冷却水走管内，热空气走环隙。两流体均为湍流，热空气的对流传热系数0=100 W/（m2K），冷却水的对流传热系数i=2 000 W/（m2K）。已测得冷、热流体进、出口温度为tc1=20 ，tc2=85 ，Th1=100 ，Th2=70 ，内管的管壁很薄，且管壁热阻及污垢热阻均可忽略。试求水流量增加一倍时：总传热系数K；水和空气的出口温度tc2，和Th2，；热流量Q比原热流量Q增加多少？解：(1)原操作情况下热量衡算式 Q=WhCph（Th1-Th2）= WcCpc（tc2-tc1） (a)或 (tc2-tc1)/(Th1-Th2)= WhCph/ WcCpc （b）传热速率方程式 （c）式（a）与式（c）联立得 （d）将式（b）带入式（d），得 e）式中 (2) 水流量增加1倍时的情况(Wc =2Wc)
