1、第四章第四章 传热传热1学习目的：学习目的：通过本章学习，掌握传热的基本原理、传热的规律，并通过本章学习，掌握传热的基本原理、传热的规律，并运用这些原理和规律去分析和计算传热过程的有关问题运用这些原理和规律去分析和计算传热过程的有关问题。2本章知识点的重点本章知识点的重点：（1）热传导速率方程及其应用。）热传导速率方程及其应用。（2）对流传热系数及其影响因素。）对流传热系数及其影响因素。（3）总传热速率方程及其应用）总传热速率方程及其应用(换热器的能量衡算，总传热系数，平均温度差换热器的能量衡算，总传热系数，平均温度差)（1）传热的基本方式。）传热的基本方式。（2）导热及导热过程的计算。）导热
2、及导热过程的计算。（3）对流传热及对流传热系数计算。）对流传热及对流传热系数计算。（4）传热过程的计算（）传热过程的计算（Q、K、S、tm)。（5）换热器的结构型式（列管和套管换热器）和）换热器的结构型式（列管和套管换热器）和强化途径。强化途径。3、本章应掌握的内容：、本章应掌握的内容：辐辐射射传传热热：对对流流传传热热：导导热热）热热传传导导：(无物质的宏观位移热运动自由电子等微观粒子的原子传热靠分子之间和物质内部，发生在相互接触的物质,.电热炉烧水体体有有宏宏观观位位移移发发生生在在流流体体内内部部，且且流流强强制制对对流流自自然然对对流流 靠靠电电磁磁波波传传热热l传热的三种基本方式传热
3、的三种基本方式质点发生相对位移质点发生相对位移静止物质静止物质 导热导热概念概念：导热系数：导热系数 公式公式：1、傅立叶定律、傅立叶定律 2、一维稳态导热、一维稳态导热 圆圆筒筒壁壁平平壁壁dxdtqp2应用应用:3.平壁、圆筒壁的计算平壁、圆筒壁的计算链接链接单层平壁的定态热传导单层平壁的定态热传导热阻推动力RtSbttqSQ21热阻推动21力力bttSQq t t2 t3 t4 t1 0 x b332211334322321121RtRtRtSbttSbttSbttQ多层平壁的稳定热传导的计算：多层平壁的稳定热传导的计算：Q总热阻总推动力SbttQiii3141321321:RRRttt
4、SbttQ21p2通过单层圆筒壁的定态热传导通过单层圆筒壁的定态热传导LrrttQ2ln1221mmSbttrLbttQ21212 热传导热传导1212lnrrrrrmmmLrSrrb212p2SbttQ 21:平壁平壁 t t1 t2 t3 t4 r1 r2 t20 r b1 b2 b3总热阻总热阻总推动力总推动力miiiimmmSbttSbttSbttSbttQ3141333432223211121 Q=常数，但常数，但 q 常数常数多层圆筒壁定态热传导多层圆筒壁定态热传导mSbttQ21qSQ 223112312ln2ln:rrrrttLQ或或p2 对流传热对流传热概念：概念：对流传热对
5、流传热?公式：公式：牛顿冷却定律牛顿冷却定律:ttSQw关键是求关键是求对流传热对流传热:是指流体质点发生相对位移而引起的热量是指流体质点发生相对位移而引起的热量传递过程，其特点是伴随着流体的运动而进行。传递过程，其特点是伴随着流体的运动而进行。对流传热通常是指流体与固体壁面之间的传热过程对流传热通常是指流体与固体壁面之间的传热过程。对流传热系数关联式对流传热系数关联式(经验式经验式)有有相相变变无无相相变变 沸腾传热沸腾传热冷凝传热冷凝传热强制强制对流对流自然自然对流对流管管内内管管外外层流层流水平圆管外水平圆管外管束外管束外湍流湍流Re)(Pr,fNu ttSQwpcPrlNu ulRe在
6、使用由实验得到的各种在使用由实验得到的各种的经验公式时，须的经验公式时，须注意以下几点注意以下几点:应用范围应用范围 经验式中经验式中Re、Pr等的数值范围；等的数值范围；特性尺寸特性尺寸 传热面特性尺寸传热面特性尺寸l应如何确定；应如何确定；定性温度定性温度 各准数中流体的物性应按什么温各准数中流体的物性应按什么温 度确定。度确定。npcdud)()(023.08.0 特征尺寸（定性尺寸）特征尺寸（定性尺寸）l：定性温度定性温度t：对流动或传热过程产生直接影响的尺寸。对流动或传热过程产生直接影响的尺寸。如管径、当量直径、管板高度等。如管径、当量直径、管板高度等。确定物理性质参数的温度。确定物
7、理性质参数的温度。如：流体进出口平均温度；如：流体进出口平均温度；壁面平均温度；壁面平均温度；平均膜温（流体温度与壁面温度平均）。平均膜温（流体温度与壁面温度平均）。无相变管内强制湍流时无相变管内强制湍流时npcdud)()(023.08.02080.du 思考：思考：与与u u、d d有何比例关系？有何比例关系？数量级数量级 KmWKmW22/10020/255强强制制对对流流：自自然然对对流流：KmWKmWKmWKmW2222/250002500/150005000/150001000/1000200水沸腾：水沸腾：蒸汽冷凝：蒸汽冷凝：强制对流：强制对流：自然对流：自然对流：空气中空气中水
8、中水中无无相相变变有有相相变变 自自然然强强制制 gl 总之：总之：p2被冷却被加热3.04.0PrRe023.08.0nnNundNu cPrpnpcdud)()(023.08.0注意注意:使用条件、定性温度、定性尺寸的确定使用条件、定性温度、定性尺寸的确定)(wttSQ对流传热速率：对流传热速率：(牛顿冷却定律牛顿冷却定律)对流传热系数的经验公式对流传热系数的经验公式(管内强制湍流管内强制湍流)：udRe 对流传热小结：对流传热小结：冷、热流体通过间壁式换热器进行热量传递冷、热流体通过间壁式换热器进行热量传递,传热过程可分为传热过程可分为三步三步：热流体将热量传给固体壁面热流体将热量传给固
9、体壁面热量从壁的热侧传到冷侧热量从壁的热侧传到冷侧热量从壁的冷侧面传给冷流体热量从壁的冷侧面传给冷流体 T Tw tw t Q Q(对流传热对流传热)(对流传热对流传热)(热传导热传导)总传热速率方程总传热速率方程传热过程的计算传热过程的计算 T Tw tw t T1T2t1t2总传热速率方程总传热速率方程三个串联传热环节：三个串联传热环节：热流体侧的对流传热热流体侧的对流传热 间壁的导热间壁的导热 冷流体侧的对流传热冷流体侧的对流传热Qoowwoo1S1TT)T(TSQm mw ww ww ww wm m2 2S Sb bt tT Tb b)t t(T TS SQ Qiiwwii3S1ttt
10、)(tSQmtKSQ平平均均温温度度差差)(传传热热总总推推-传传热热动动力力mtK-总传热系数，单位总传热系数，单位w/m2总传热速率方程总传热速率方程总总热热阻阻平平均均温温度度差差总总推推动动力力)(1KStQmS-传热面积，单位传热面积，单位m21221ttcWTTcWQpccphh工艺要求工艺要求:考虑到实际传热时间壁两侧还有考虑到实际传热时间壁两侧还有污垢热阻污垢热阻，则上式变为：则上式变为：总总热热阻阻对流对流热阻热阻污垢污垢热阻热阻导热导热热阻热阻污垢污垢热阻热阻对流对流热阻热阻iiiimooooSSRSbSRSKS111iimooSSbSKS111KSttKSQmm1iioo
11、RbRK111平壁或薄园筒壁平壁或薄园筒壁：S=SS=So o=S=Sm m=S=Si iioK111污垢热阻可忽略时污垢热阻可忽略时oKiKiooi结论：结论：K的值总是接近热阻大的一侧的的值总是接近热阻大的一侧的值值 (即即 值小的一方）值小的一方）。金属壁的热阻可略金属壁的热阻可略iiiimooooSSRSbSRSKS111mtKSQ园筒壁园筒壁：S So oS Sm mS Si i 一般取一般取S=SS=So oioiioimoooddddRdbdRK111dlS污垢和污垢和 壁热阻可壁热阻可忽略时忽略时 ioioddK111iiiimooooSSRSbSRSKS111传热基本方程可分
12、别表示为：传热基本方程可分别表示为：mmmmmiitSKtSKtSKQ00式中：式中：Ki、Ko、Km分别为管内表面积、外表面积和内外侧分别为管内表面积、外表面积和内外侧的平均表面积的传热系数，的平均表面积的传热系数，w/m2K Si、So、Sm换热器管内表面积、外表面积和内外侧换热器管内表面积、外表面积和内外侧的平均面积，的平均面积，m2。注：工程上大多以外表面积为计算基准注：工程上大多以外表面积为计算基准，Ko不再加下标不再加下标“o”mtKSQ返回返回1212lntttttm （逆、并流）（逆、并流）逆,mtmtt（其他流动情况）（其他流动情况）T1 t1 t2 逆流 T2 t t2 t
13、1 0 A传热平均温度差传热平均温度差:mtKSQt t1 1、t t2 2 为换热器两端的传热温度差。为换热器两端的传热温度差。p2mtKSQioiioimoooddddRdbdRK111ioioddK1111212lntttttmdlnS传热过程的计算小结：传热过程的计算小结：1221ttcWTTcWQpccphhrWQhioiK T1 t1 t2 逆流 T2 t t2 t1 0 dA A污垢和管壁污垢和管壁 热阻可忽略时热阻可忽略时p2 换热器换热器*列管式换热器的结构列管式换热器的结构;热补偿方法热补偿方法;流程选择原则；流程选择原则；设计内容和步骤；设计内容和步骤；强化传热措施。强化
14、传热措施。p2u 导热系数导热系数、对流传热系数、对流传热系数、总传热系数、总传热系数K的区别的区别对流传热系数对流传热系数与导热系数与导热系数不同，它不是流体的物理性质，不同，它不是流体的物理性质，而是受诸多因素影响的一个系数，反映对流传热热阻的大小。而是受诸多因素影响的一个系数，反映对流传热热阻的大小。总传热系数总传热系数K（简称传热系数）是评价换热器性能的一个重要（简称传热系数）是评价换热器性能的一个重要参数，也是对换热器进行传热计算的依据。参数，也是对换热器进行传热计算的依据。K的数值取决于流的数值取决于流体的物性、传热过程的操作条件及换热器的类型等，因而体的物性、传热过程的操作条件及
15、换热器的类型等，因而K值值变化范围很大。变化范围很大。导热系数导热系数物性参数，表示物质导热性能好坏的物性参数，表示物质导热性能好坏的/反映导热反映导热热阻的大小。热阻的大小。ioiioimoooddddRdbdRK111p2例例4-1.4-1.如图所示如图所示,有一稳定导热的平壁炉墙有一稳定导热的平壁炉墙,墙厚墙厚240mm,240mm,导热系数导热系数=0.2W/m=0.2W/m,若炉墙外壁温度若炉墙外壁温度t t3 3=45,=45,为测为测得炉墙内壁温度得炉墙内壁温度t t1 1,在墙深在墙深 100mm100mm处插入温度计处插入温度计,测得测得该处温度该处温度t t2 2=100,
16、=100,试求炉墙内壁温度试求炉墙内壁温度t t1 1。bttSQq21 240mm 240mm t t3 3t t1 1t t2 2Q解解:232121bttbttq1.04510014.01001tt1771例例4-2 一燃烧炉的平壁由耐火砖、保温砖和普通砖构成。已测得一燃烧炉的平壁由耐火砖、保温砖和普通砖构成。已测得内、外表面的温度分别为内、外表面的温度分别为950和和40。其它数据如下：。其它数据如下：耐火砖耐火砖 b1=200mm，1=1.4Wm-1-1；保温砖保温砖 b2=180mm，2=0.15Wm-1-1；普通砖普通砖 b3=220mm，3=0.8Wm-1-1。求：单位面积的热
17、损失、各层接触面的温度和各层热阻之比。求：单位面积的热损失、各层接触面的温度和各层热阻之比。解：解：求单位面积的热损失求单位面积的热损失求各层接触面温度求各层接触面温度25.562mWq25.562275.02.1143.09108.0220.015.0180.04.1200.040950mWb bt tS SQ Qq q4.804.12.05.56211211bqttt t2=t1-t1=950-80.4=869.6(耐火砖与保温砖接触面温度耐火砖与保温砖接触面温度)67515.018.05.56222322bqttt t3=t2-t2=869.6-675=194.6(保温砖与普通砖接触面温
18、度保温砖与普通砖接触面温度)t3=t3-t4=194.6-40=154.6 此外，从计算结果可得此外，从计算结果可得:各层的温度差各层的温度差(t)耐火砖：保温砖：普通砖耐火砖：保温砖：普通砖=80.4：675：154.6各层的热阻各层的热阻(R)耐火砖：保温砖：普通砖耐火砖：保温砖：普通砖=0.143：1.2：0.275说明哪层热阻大，哪层的温差就大。说明哪层热阻大，哪层的温差就大。bttSQq21例例4-3 为了安全工作和减少热损失，在一内径为为了安全工作和减少热损失，在一内径为162mm、外径为、外径为180mm的蒸气管道外包一层厚为的蒸气管道外包一层厚为48mm的石棉保温层。蒸气管壁的
19、导热系数为的石棉保温层。蒸气管壁的导热系数为16.3 W/（mK),石棉层的导热系数为石棉层的导热系数为0.24W/（mK）。蒸气）。蒸气管内壁温度为管内壁温度为180，保温层外表面温度为，保温层外表面温度为50。试求。试求每米管长的热损失每米管长的热损失;蒸气管与石棉保温层接触面上的温度（设接触良好）。蒸气管与石棉保温层接触面上的温度（设接触良好）。解：解：求每米管长的热损失求每米管长的热损失 t1=180,t3=50,r1=81mm,r2=90mm,r3=138mmLrrttQ2ln1221t1t2t3mWrrrrttLQ/7.45624.014.3290138ln3.1614.32819
20、0ln501802ln2ln22311231 求蒸气管与石棉保温层接触面上的温度求蒸气管与石棉保温层接触面上的温度t2对石棉保温层的导热速率：对石棉保温层的导热速率：7.45624.014.3290138ln502ln222332trrttLQ t2=179.5 从本例结果可见，温度降集中在保温层内，这是因为保温层从本例结果可见，温度降集中在保温层内，这是因为保温层的热阻远远大于蒸气管壁的热阻。的热阻远远大于蒸气管壁的热阻。5.1295.021ttLrrttQ2ln1221例例 4-4.有 一 套 管 换 热 器，内 管 尺 寸 为有 一 套 管 换 热 器，内 管 尺 寸 为252.5mm，
21、管长为，管长为2m，蒸汽走管间，蒸汽走管间，冷却水冷却水走管内，走管内，水的流速为水的流速为1m/s1m/s。进、出口温度分别为进、出口温度分别为20和和60。求管内水的对流传热系数。求管内水的对流传热系数。npcdud)()(023.08.0已知：在已知：在定性温度定性温度下水的物性数据为：下水的物性数据为：=992.2Kg/m3,=0.6338w/m,=6.5610-4Pa.s，Pr=4.31。4.08.0)31.4()30250(02.06338.0023.0=5023.7w/m=5023.7w/m2 2 npcdud)()(023.08.0流体被加热流体被加热 n=0.4n=0.4 3
22、02501056.602.012.992Re4ud解：解：31.4Prpc10000（0.6 120）例例4-5.4-5.常压下空气以常压下空气以120m3/h的流量流过长的流量流过长6m，管径，管径763.5mm的钢管，温度从的钢管，温度从200冷却到冷却到80。试求。试求空气的对流传热系数。若空气的流量增加一倍，而进出口空气的对流传热系数。若空气的流量增加一倍，而进出口温度保持不变，则对流传热系数又为多少？温度保持不变，则对流传热系数又为多少？解：定性温度解：定性温度t=(200+80)/2=140t=(200+80)/2=140查得空气的物性为：查得空气的物性为：=0.854kg/m=0
23、.854kg/m3 3，=2.37=2.371010-5-5PaPas s，c cp p=1.013kj/kg=1.013kj/kg，=0.0349W/m=0.0349W/m，smAVu/92.8)007.0076.0(414.33600/1202)(10218.21037.2854.092.8069.0Re45湍流duudRe 链接链接69.00349.01037.210013.1Pr53pc3.08.0PrRe023.0d空气被冷却空气被冷却 n=0.3n=0.33.08.04)69.0()10218.2(069.00349.0023.0cmW2/2.31当空气的流量增加一倍时，其流态肯定
24、为湍流，当空气的流量增加一倍时，其流态肯定为湍流，则则uu0.80.8 /=(u=(u/u)/u)0.80.8=2=20.80.8=1.741=1.741 =1.741=1.74131.2=54.3W/m31.2=54.3W/m npcdud)()(023.08.0例例4-6 已知冷、热流体进出口温度分别为已知冷、热流体进出口温度分别为20和和60、90和和70。求逆流和并流时的平均温度差。求逆流和并流时的平均温度差。90702060t1t21t2t709060201212lntttttm逆2.393050ln30501212lntttttm并8.301070ln1070在相同进、出口温度情况
25、下，逆流的传热温度差在相同进、出口温度情况下，逆流的传热温度差大于并流的传热温度差。大于并流的传热温度差。1)逆流时：逆流时：2)并流时：并流时：4-7.有一列管换热器有一列管换热器,用用-15的液氨蒸发来冷却空气。的液氨蒸发来冷却空气。空气在换热器的簿壁列管内作湍流流动空气在换热器的簿壁列管内作湍流流动,由由40冷却到冷却到-5,液氨侧的对流传热系数为液氨侧的对流传热系数为1880W/m2.K,空气侧空气侧的对流传热系数为的对流传热系数为46.5W/m2.K。忽略管壁和污垢热。忽略管壁和污垢热阻。求阻。求1)平均温度差平均温度差;2)总传热系数总传热系数;3)若空气流量增加若空气流量增加20
26、%,其他条件不变其他条件不变,总传热系数将变为多少总传热系数将变为多少?忽略管壁和污垢热忽略管壁和污垢热阻。阻。10)15(52t1t2t40-5-15-152121lntttttm4.261055ln1055解：解：1）5515401t解：解：2）平壁或薄园筒壁：平壁或薄园筒壁：S=SS=So o=S=Sm m=S=Si iioK111污垢热阻可忽略时污垢热阻可忽略时金属壁的热阻可略金属壁的热阻可略iiiimooooSSRSbSRSKS111K45.4W/m2KK接近于接近于 的值的值i5.461188013）空气流量增加）空气流量增加20%111ioKKW/m3.252KKW/ma11.2
27、uu2i8.53)157.1(5.46157.1)()(8.08.0iiaa8.53118801npcdud)()(023.08.08.0)(u管内湍流管内湍流:4-8.4-8.温度为温度为2020比热为比热为2.1KJ/kg2.1KJ/kg的溶剂以的溶剂以5000Kg/h 5000Kg/h 的流率流过套管换热器内管的流率流过套管换热器内管,被加热被加热至至64,64,环隙内为环隙内为170 170 饱和水蒸汽冷凝。饱和水蒸汽冷凝。换热换热器内管直径器内管直径10810810mm,10mm,总长总长12m12m。求：求：1 1）传热）传热量；量；2 2）传热的平均推动力；）传热的平均推动力；3
28、 3）总传热系数和管）总传热系数和管内对流传热系数。内对流传热系数。污垢和壁的热阻可忽略，管外污垢和壁的热阻可忽略，管外饱和蒸汽冷凝给热系数为饱和蒸汽冷凝给热系数为 。mWo24/101212lntttttm7.126106150ln1061501t2t1701702064解解：1）tWcQpw3310128)2064(101.2360050002）tm7.126wQ310128mtKSQmtSQKmW23/3.2487.126)12108.014.3(10128ioioddK111088.0108.011000013.2481imWi2/312mWo24/10污垢和壁的热阻可忽略污垢和壁的热
29、阻可忽略motldQ)(ldSo3）4-9.4-9.有一列管式换热器有一列管式换热器,装有装有25252.5mm 2.5mm 钢管钢管300 300 根根,管长为管长为2m2m。要求将质量流量为。要求将质量流量为8000Kg/h8000Kg/h的常压空的常压空气于管程由气于管程由2020加热到加热到85,85,选用选用108 108 饱和蒸汽于饱和蒸汽于壳 程 冷 凝 加 热 之。若 水 蒸 汽 的 冷 凝 传 热 系 数 为壳 程 冷 凝 加 热 之。若 水 蒸 汽 的 冷 凝 传 热 系 数 为1 110104 4W/mW/m2 2.K,.K,管壁及两侧污垢的热阻均忽略不计管壁及两侧污垢的
30、热阻均忽略不计,而且不计热损失。已知空气在平均温度下的物性常数而且不计热损失。已知空气在平均温度下的物性常数为为Cp=1kJ/kg.K,=2.85Cp=1kJ/kg.K,=2.851010-2-2W/m.K,=1.98W/m.K,=1.981010-5 5Pa.S,Pr=0.7Pa.S,Pr=0.7。试求。试求:1)空气在管内的对流传热系数空气在管内的对流传热系数;2)求换热器的总传热系数求换热器的总传热系数(以管子外表面为基准以管子外表面为基准);3)通过计算说明该换器能否满足需要通过计算说明该换器能否满足需要?01396.020252.9011011114ioioddKmwK2/64.712)解：解：1)Pr=0.7Pr=0.7 238281098.1)30002.0785.036008000(02.0Re52dGdumwd24.08.024.08.0/2.90)7.0()23828)(02.01085.2(023.0PrRe023.0mtKSQ换热器tttttm4.482388ln2388ln212121.472025.014.3300mldnSo3）)(12ttWcQp工艺要求满足要求满足要求 mwK2/64.71w51063.14.481.4764.71w531044.1)2085()101()36008000(
