第六章传热 6.1教学基本要求：(12学时) 传热过程加热和冷却方法：传热速率。 热传导傅利叶定律：常用工程材料的导热系数：一维导热的计算。 对流给热牛顿冷却定律：自然对流：管内强制对流（湍流）给热系数经验式：沸腾给热 和沸腾曲线：蒸汽冷凝给热 间壁换热过程热量衡算和传热速率式：传热平均温度差，热阻和传热系数：垢层热阻 传热计算传热设计型问题的参数选择和计算方法：传热操作型问题的讨论和计算。 换热器列管式换热器的设计与选型：常用换热器的结构。 6.2基本概念： 传热目的传热操作目的主要有①加热、冷却物料：②回收热量或冷量：③保温，减少 热量或冷量损失。 传热过程的三种基本方式直接接触式、间壁式、蓄热式。 载热体为将冷 工艺物料加热或热工艺物料冷却，必须用另一种流体供给或取走热量 此流体称为载热体。用于加热的称为加热剂：用于冷却的称为冷却剂。 三种传热机理的物理本质传导的物理本质是分子热运动、分子碰撞及自由电子迁移： 对流的物理本质是流动流体载热：热辐射的物理本质是电磁波。 间壁换热传热过程的三个步骤热量从热流体对流至壁面，经壁内热传导至另一侧，由 壁面对流至冷流体 导热系数物质的导热系数与物质的种类、物态、温度、压力有关。 热阻将传热速率表达成温差推动力除以阻力的形式，该阻力即为热阻 推动力高温物体向低温传热，两者的温度差就是推动力。 流动对传热的贡献流动流体载热 强制对流传热在人为造成强制流动条件下的对流传热。 自然对流传热因温差引起密度差，造成宏观流动条件下的对流传热。自然对流传热时 加热、冷却面的位置应该是加热面在下，制冷面在上，这样有利于形成充分的对流流动。 务塞尔数、普朗特数的物理意义 努塞尔数的物理意义是对流传热速率与导热传热速号 之比。普朗特数的物理意义是动量扩散系数与热量扩散系数之比，在α关联式中表示了物性 对传热的贡献。 ā关联式的宗性尺寸、定性温度用干确定关联式中的雷诺数第准数的长府变量、物州 数据的温度。比如，圆管内的强制对流传热，定性尺寸为管径、定性温度为进出口平均温 度。 大容积自然对流的自动模化区自然对流ā与高度1无关的区域。 液体沸避的两个必要条件热度W一ts、汽化核心 核状沸 汽泡依次产生和脱离加热面 对液休刷烈授动 4随 △t急刷上升 膜状沸腾 由于汽泡在脱离加热面之前就连接成汽膜，把加热面与液体隔开，使传热条 件变差。 临界点从核状沸腾变为膜状沸腾的转折点。 沸腾给热的强化改善加热表面，提供更多的汽化核心：沸腾液体加添加剂，降低表面 张力
46 第六章 传热 6.1 教学基本要求：(12 学时) 传热过程 加热和冷却方法；传热速率。 热传导 傅利叶定律；常用工程材料的导热系数；一维导热的计算。 对流给热 牛顿冷却定律；自然对流；管内强制对流(湍流)给热系数经验式；沸腾给热 和沸腾曲线；蒸汽冷凝给热。 间壁换热过程 热量衡算和传热速率式；传热平均温度差，热阻和传热系数；垢层热阻。 传热计算 传热设计型问题的参数选择和计算方法；传热操作型问题的讨论和计算。 换热器 列管式换热器的设计与选型；常用换热器的结构。 6.2 基本概念： 传热目的 传热操作目的主要有①加热、冷却物料；②回收热量或冷量；③保温，减少 热量或冷量损失。 传热过程的三种基本方式 直接接触式、间壁式、蓄热式。 载热体 为将冷工艺物料加热或热工艺物料冷却，必须用另一种流体供给或取走热量， 此流体称为载热体。用于加热的称为加热剂；用于冷却的称为冷却剂。 三种传热机理的物理本质 传导的物理本质是分子热运动、分子碰撞及自由电子迁移； 对流的物理本质是流动流体载热；热辐射的物理本质是电磁波。 间壁换热传热过程的三个步骤 热量从热流体对流至壁面，经壁内热传导至另一侧，由 壁面对流至冷流体。 导热系数 物质的导热系数与物质的种类、物态、温度、压力有关。 热阻 将传热速率表达成温差推动力除以阻力的形式，该阻力即为热阻。 推动力 高温物体向低温传热，两者的温度差就是推动力。 流动对传热的贡献 流动流体载热。 强制对流传热 在人为造成强制流动条件下的对流传热。 自然对流传热 因温差引起密度差，造成宏观流动条件下的对流传热。自然对流传热时， 加热、冷却面的位置应该是加热面在下，制冷面在上，这样有利于形成充分的对流流动。 努塞尔数、普朗特数的物理意义 努塞尔数的物理意义是对流传热速率与导热传热速率 之比。普朗特数的物理意义是动量扩散系数与热量扩散系数之比，在α关联式中表示了物性 对传热的贡献。 α关联式的定性尺寸、定性温度 用于确定关联式中的雷诺数等准数的长度变量、物性 数据的温度。比如，圆管内的强制对流传热，定性尺寸为管径 d、定性温度为进出口平均温 度。 大容积自然对流的自动模化区 自然对流α与高度 l 无关的区域。 液体沸腾的两个必要条件 过热度 tw-ts、汽化核心。 核状沸腾 汽泡依次产生和脱离加热面，对液体剧烈搅动，使α随Δt 急剧上升。 膜状沸腾 由于汽泡在脱离加热面之前就连接成汽膜，把加热面与液体隔开，使传热条 件变差。 临界点 从核状沸腾变为膜状沸腾的转折点。 沸腾给热的强化 改善加热表面，提供更多的汽化核心；沸腾液体加添加剂，降低表面 张力
蒸汽冷凝的两种形式滴状冷凝，膜状冷凝。工业传热按膜状冷凝计算，因为滴状冷凝 不能持久。 排放不凝性气体不凝性气体的存在，会降低蒸汽的压力，形成额外热阻。排放不凝性 气体的目的是避免其积累，提高ā。 黑体吸收率等于1的物体为黑体。 黑度实际物体辐射能力与同温度黑体的辐射能力之比。 对各种波长辐射能具有同样吸收率的理想物体 克希霍夫定律同一灰体的吸收率与其黑度在数值上相等，￡=。 角系数仅与可见面积大小、角度、距离有关。 传热过程的控制步臻该步骤阻力远大于其他各步骤的阻力之和，传热速率由该步骤所 决定 传热操作线换热器同一横截面上热流体温度T与冷流体温度t的关系，它是换热器段 的热量衡算结果。 逆流、并流换热器中冷热流体相向而流称为逆流，同向而流称为并流。 6.3基本内容： 本章考察热传导、对流给热的传热速率，重点分析换热器的原理和设计、操作。 一、热传导 1.傅立叶定律 当物体存在温度差时就会发生热传导，热传导速率可以用傅立叶定律描述 9-1 6-1 式中入：Wm·℃，为导热系数。傅立叶定律表明，热流密度与温度梯度成正比。入的数量 级为：金属10-102Wm·℃： 绝热材料10210Wm·℃： 液体10Wm· 气体10W/m·C。 导热系数与物质的种类、物态、温度压力有关。其特点是： 1)入金属>入液体>入气体： 2)温度升高时，入下降，但水明显例外：入4上升：入属下降：大多入上升。 2.平壁导热 单层平壁在定态一维（横向导热不计）导热，且导热系数视作常数的条件下，对其进行解 析解分析：①取控制体②作热量衡算③结合特征方程解析解，可以导得： 热流量Q=,4-1=.-业 6-2 此式表明，温度在平壁中是线性分布的。上式也可表示为 6-3 式6-3的含义为 过程速率。推动力 阻力 6-4 对于多层平壁导热，由于每层壁过程速率相等，采用数学上的等比定律可得
47 蒸汽冷凝的两种形式 滴状冷凝，膜状冷凝。工业传热按膜状冷凝计算，因为滴状冷凝 不能持久。 排放不凝性气体 不凝性气体的存在，会降低蒸汽的压力，形成额外热阻。排放不凝性 气体的目的是避免其积累，提高α。 黑体 吸收率等于１的物体为黑体。 黑度 实际物体辐射能力与同温度黑体的辐射能力之比。 灰体 对各种波长辐射能具有同样吸收率的理想物体。 克希霍夫定律 同一灰体的吸收率与其黑度在数值上相等，ε=a。 角系数 仅与可见面积大小、角度、距离有关。 传热过程的控制步骤 该步骤阻力远大于其他各步骤的阻力之和，传热速率由该步骤所 决定。 传热操作线 换热器同一横截面上热流体温度 T 与冷流体温度 t 的关系,它是换热器段 的热量衡算结果。 逆流、并流 换热器中冷热流体相向而流称为逆流，同向而流称为并流。 6.3 基本内容： 本章考察热传导、对流给热的传热速率，重点分析换热器的原理和设计、操作。 一、热传导 1．傅立叶定律 当物体存在温度差时就会发生热传导，热传导速率可以用傅立叶定律描述 n t q ∂ ∂ = −λ 6-1 式中λ：W/m·℃，为导热系数。傅立叶定律表明，热流密度与温度梯度成正比。λ的数量 级为：金属 10~102 W/m·℃； 绝热材料 10-2~10-1W/m·℃； 液体 10-1W/m·℃； 气体 10-2W/m·℃。 导热系数与物质的种类、物态、温度压力有关。其特点是： 1）λ金属>λ液体>λ气体； 2）温度升高时，λ液下降，但水明显例外；λ气上升；λ金属下降；大多λ非金属上升。 2．平壁导热 单层平壁在定态一维(横向导热不计)导热，且导热系数视作常数的条件下，对其进行解 析解分析：①取控制体②作热量衡算③结合特征方程解析解，可以导得： 热流量 δ − = λ − = λ 1 1 2 t t A x t t Q A 6-2 此式表明，温度在平壁中是线性分布的。上式也可表示为 R t A t t Q ∆ = δ λ − = / 1 2 6-3 式 6-3 的含义为 阻力 推动力 过程速率 = 6-4 对于多层平壁导热，由于每层壁过程速率相等，采用数学上的等比定律可得
Q=-当-出+， R 6-5 R+R2 即串联过程推动力相加，阻力相加等式仍然成立，这是工程处理方法之一。式6-5还给出了 一个重要结果：温差按热阻大小分配，热阻大的温差也大。 例1己知：两层平壁入=1.4W/m·℃，6=100加m:入=0.14W/m·℃，6=200mm,两边的温度 为t,=650C,t,=50℃。平壁1在高温侧，平壁2在低温侧。 求：两壁接触处的温度： 解：先定性分析，哪个斜率大 热流密度9=--4 -650-50 0102=400m1m 1.40.14 由g=-得 0.2 2=50+400×014=621℃ 3.圆筒壁导热 圆筒壁导热经推导可得 6-6 In(/n) 2号 1-12△1_推动力 或写成通式：Q=2AR阻力 其中7圆简内的度分布不得是线的， 例2在蒸汽管道外包两层同样厚度的保温材料入，《入2，应将哪层包在里面？ 解：将式6-6用于多层圆筒壁可得 入，包在里面 2π△ 1 入，包在里面 2πlM 2片入15 两种情况传热量不同，比较Q与Q,取小的。现比较分母，由于入〈入，所以
48 1 2 1 2 2 2 1 1 R R t t R t R t Q + ∆ + ∆ = ∆ = ∆ = 6-5 即串联过程推动力相加，阻力相加等式仍然成立，这是工程处理方法之一。式 6-5 还给出了 一个重要结果：温差按热阻大小分配，热阻大的温差也大。 例 1 已知：两层平壁λ1=1.4W/m·℃,δ1=100mm；λ2=0.14W/m·℃,δ2=200mm，两边的温度 为 t1=650℃,t3=50℃。平壁 1 在高温侧，平壁 2 在低温侧。 求：两壁接触处的温度 t2。 解：先定性分析，哪个斜率大 热流密度 2 2 1 1 1 3 λ δ + λ δ − = = t t A Q q 2 400 / 0.14 0.2 1.4 0.1 650 50 = W m + − = 由 2 2 2 3 λ δ − = t t q 得 0.14 0.2 50 400 2 2 2 3 = + × λ δ t = t + q = 621℃ 3．圆筒壁导热 圆筒壁导热经推导可得 ( ) ( ) 1 2 1 2 2 1 1 2 ln 2 ln / 1 2 r r L t t r r L t t Q π λ − = π λ − = 6-6 或写成通式： 阻力 推动力 = ∆ ∆ = δ λ − = R t A t t Q m / 1 2 其中： ( ) 2 1 2 1 ln A / A A A Am − = 。圆筒壁内的温度分布不再是线性的。 例 2 在蒸汽管道外包两层同样厚度的保温材料λ1<λ2，应将哪层包在里面？ 解：将式 6-6 用于多层圆筒壁可得 λ1包在里面 2 3 1 2 2 1 1 ln 1 ln 1 2 r r r r l t Q λ + λ π ∆ = λ2包在里面 2 3 1 1 2 2 2 ln 1 ln 1 2 r r r r l t Q λ + λ π ∆ = 两种情况传热量不同，比较 Q1与 Q2，取小的。现比较分母，由于λ1<λ2,所以
(a) 由于>-82=(52+82-8)=r5 所以n ->0 由式(a)、b)可得 所以Q<Q,入小的材料应包在里面。 二、对流给热 流体在流过固体表面时与该表面所发生的热量交换过程称为对流给热。 对流给热的分类，可按有无相变化分为：无相变对流、有相变对流。无相变对流给热又 可分为：强制对流给热：自然对流给热。有相变对流给热又可分为：液体沸腾给热：蒸汽冷 凝给热。 1.对流给热a 对流传热与纯热传导相比，两者的区别在于有无流动流体载热。因此，对流的物理本质 就是流动流体的载热。 由于流动流体的载热，使闲壁面处的热流密度。=入心变大，即流动>滑止 dy 1)两种对流形式 因温差引起密度差，造成宏观流动条件下的对流传热称为自然对流：在人为造成强制流 动条件下的对流传热称为强制对流。 2)牛顿冷却定律 流体与固体壁面之间的对流给热，可用牛顿冷却定律表达 q=a(T.-T) 6-7 其中：Tw:壁温：T:流体主体温度：a:给热系数W/m℃ 采用牛顺冷却定律来表达对流给热，便于分解组合传热系数 K。工业过程常采用间壁式换热器，热量从热流体对流至壁面，经 壁内热传导至另一侧，由壁面对流至冷流体。如图6.1所示。 由牛顿冷却定律和壁面导热，可得 入入2 q=a,(T-7n)=2红=a,n-0 图6.1传热步骤 或 g话---0 6-8 49
49 1 2 1 1 λ > λ (a) 由于 ( )( ) 2 2 2 2 2 2 2r > r − δ = r + δ r − δ 1 3 = rr 所以 ln 0 1 3 2 2 > rr r (b) 由式(a)、(b)可得 (ln ln ) 1 (ln ln ) 1 2 3 1 2 2 2 3 1 2 1 r r r r r r r r − λ − > λ 即 2 3 1 1 2 2 2 3 1 2 2 1 ln 1 ln 1 ln 1 ln 1 r r r r r r r r λ + λ > λ + λ 所以 Q1<Q2,λ小的材料应包在里面。 二、对流给热 流体在流过固体表面时与该表面所发生的热量交换过程称为对流给热。 对流给热的分类，可按有无相变化分为：无相变对流、有相变对流。无相变对流给热又 可分为：强制对流给热；自然对流给热。有相变对流给热又可分为：液体沸腾给热；蒸汽冷 凝给热。 1．对流给热α 对流传热与纯热传导相比，两者的区别在于有无流动流体载热。因此，对流的物理本质 就是流动流体的载热。 由于流动流体的载热，使得壁面处的热流密度 W = λ y=0 dy dt q 变大，即流动 qW >静止 qW 。 1）两种对流形式 因温差引起密度差，造成宏观流动条件下的对流传热称为自然对流；在人为造成强制流 动条件下的对流传热称为强制对流。 2）牛顿冷却定律 流体与固体壁面之间的对流给热，可用牛顿冷却定律表达 q (T T) = α w − 6-7 其中：Tw:壁温；T：流体主体温度；α：给热系数 W/m2 ℃。 采用牛顿冷却定律来表达对流给热，便于分解组合传热系数 K。工业过程常采用间壁式换热器，热量从热流体对流至壁面，经 壁内热传导至另一侧，由壁面对流至冷流体。如图6.1所示。 由牛顿冷却定律和壁面导热，可得 δ − = α − = λ W W W T t q (T T ) 1 ( ) 2 t t = α W − 图6.1 传热步骤 或 1 2 1/ / 1/α − = δ λ − = α − = T T T t t t q W W W W = K(T − t) 6-8
1 式中K=T8丁为传热系数。这样在不须知道，，的情况下，就可以计算热流密度 了. 3)a的影响因素 经分析，对流给热系数的影响为 a=fp,u,i1,u,βg,Cp 经无因次化之后，可得 兴=曾婴学 或 Nu=f(Re,Pr,Gr) 强制对流Nu=fRe,P) 自然对流u=f(Gr,Pr) 2.圆直管内强制湍流c 经实验数据关联获得，圆直管内强制湍流时的给热系数 Nu =0.023Re8 Pr 式中，当流体被加热时b=0.4:当流体被冷却时b=0.3。式6-9可写成 =0.023Re0s Pr -10 经验关联式6-10在应用时要注意： ①适用范围：Re>103,0.7<Pr<160,μ<2μ*，/d>3040 ②定性温度：主体平均温度，即红+7)或北+h). ③定性尺寸：管径d。 影响因素分析： 6-11 即ā正比于流量的0.8次方，反比于管径的1.8次方。但是，流体流动阻力 6-12 d 说明减小管径、增大流速或流量都可提高，但是以机械能损失为代价 3.大容积自然对流a Nu=AGr.Pr)° 6-13
50 式中 1 2 1 1 1 α + λ δ + α K = 为传热系数。这样在不须知道TW，tW的情况下，就可以计算热流密度 了。 3）α的影响因素 经分析，对流给热系数的影响为 α = f (ρ,µ,λ,l,u,βg∆t,Cp) 经无因次化之后，可得 ( , , ) 2 3 2 µ β ∆ ρ λ µ µ ρ = λ α lu Cp g tl f l 或 Nu = f (Re,Pr,Gr) 强制对流 Nu = f (Re,Pr) 自然对流 Nu = f (Gr,Pr) 2．圆直管内强制湍流α 经实验数据关联获得，圆直管内强制湍流时的给热系数 b Nu 0.023Re Pr 0.8 = 6-9 式中，当流体被加热时 b=0.4；当流体被冷却时 b=0.3。式 6-9 可写成 b d 0.023 Re Pr λ 0.8 α湍 = 6-10 经验关联式 6-10 在应用时要注意： ①适用范围: 4 Re >10 ，0.7 < Pr <160 ，μ<2μ水，L/d>30~40。 ②定性温度：主体平均温度，即 ( ) 2 1 T1 +T2 或 ( ) 2 1 1 2 t + t 。 ③定性尺寸：管径 d。 影响因素分析： 1.8 0.8 0.2 0.8 d q d u V α ∝ ∝ 6-11 即α正比于流量的 0.8 次方，反比于管径的 1.8 次方。但是，流体流动阻力 5 2 2 d q d u h V f ∝ ∝ 6-12 说明减小管径、增大流速或流量都可提高α，但是以机械能损失为代价。 3．大容积自然对流α b Nu = A(Gr⋅Pr) 6-13