07 第7章 传热过程的分析和计算.pptx

第1页：传热过程的分析与计算

第7章传热过程的分析与计算

第2页：本章作业与要求

作业

7-1，7-4，7-10，7-13

第3页：7.1 复合传热

7.1 复合传热

最常见的

固体壁面与气体间的对流传热问题

• 通常将由两种或两种以上的基本热量传递方式同时起作用的热量传递过程称为复合传热或者综合换热（combined convection and radiationheat transfer）
• 对流传热和辐射传热往往是同时存在的
• 如室内的供暖管线、暖气片的散热、室外热力管线的散热、人体表面的散热等

第4页：两种热量传递方式是并联的关系

• 在复合传热中，固体壁面同时以对流和辐射的方式失去（或得到）热量
• 两种热量传递方式是并联的关系

第5页：复合传热计算的目

复合传热计算的目的

确定表面净失去（或净得到）的热量Φt对流传热量可由牛顿冷却定律辐射传热量的计算要相对复杂些。工程中为方便起见，采用与牛顿冷却定律相似的形式表示辐射传热过程

第6页：hr称为辐射传热表面传热系数

hr

辐射传热表面传热系数（radiation heattransfer coefficient），习惯上也称为辐射传热系数

ht就

复合传热表面传热系数

• 引入复合传热表面传热系数的目的是简化复杂换热系统的分析计算

第7页：辐射传热表面传热系数的计算式

• 辐射传热表面传热系数的计算式
• 表面的辐射传热量Φr可根据固体壁面及所处环境的特点采用相应的方法进行计算

第8页：凸表面在大空间中的复合传热

• 当作为凸表面的固体壁面位于温度为Ts的大封闭空腔内（如房间内的热水管线）时

第9页：若环境辐射温度未知

• 若环境辐射温度未知，在相差不大的情形下，作为近似可近似取：Ts≈Tf

第10页：是否考虑辐射换热

• 是否考虑辐射换热，应根据具体情况而定
• 若流体是液体，通常认为液体是辐射不透明体，这时有hr＝0
• 若气体与壁面间进行受迫对流传热，且换热温差不是很大，可忽略辐射，即ht≈hc
• 若气体和壁面间进行自然对流换热，或换热温差很大，必须考虑辐射换热

第11页：传热过程分析与计算

7.2 传热过程分析与计算

完成传热过程的热力设备

换热器7.2传热过程分析与计算

• 高温流体通过固体壁面把热量传给另一侧低温流体的过程，称为传热过程

第12页：传热方程式K－传热系数

• 传热方程式K－传热系数
• 物理意义－冷、热流体的温差为1℃时单位时间、单位传热面积所传递的热量

第13页：传热过程计算的目的－计算

• 传热过程计算的目的－计算传热过程中的传热系数、传热量
• 衡量传热过程强度的重要参数，过程量
• 大小取决于冷热流体的物性、流速、固体壁面的形状、布置、材料的导热系数等
• 综合地反映了两侧的对流传热过程和导热过程对传热的影响

第14页：通过平壁的传热过程

7.2.1 通过平壁的传热过程

• 导热中—只关注平板的导热过程，计算了各类边界条件下的温度分布、通过平板的导热量
• 传热过程中—壁面两侧流体间的热量传递过程

第15页：

第16页：采用试算法

• 说明
• 关于h－应理解为复合传热表面传热系数
• 采用试算法
• 如果λ为温度的函数，则应按平壁的平均温度计算；若平壁温度未知，需假设进行试算法求解

第17页：传热系数的计算传热系数

传热系数的计算传热系数

第18页：多层平壁

多层平壁

第19页：强化传热的考虑

方法1

提高温差

方法2

提高传热系数

• 强化传热的考虑
• 为强化传热，有三条途径

第20页：如何提高传热系数

• 如何提高传热系数？数学上可以证明提高较小的表面传热系数值，强化薄弱环节，效果最好

第21页：h1＝

措施2

h1＝103，h2＝20：K’’=19.6 W/(m2.K)

措施1

h1＝2000，h2＝10：K’＝9.95W/(m2.K)

• h1＝103，h2＝10，没有强化前：K=9.90 W/(m2.K)

第22页：通过平壁的传热过程

方法3

提高换热面积－表面肋化为了减小热阻，面积应该加在哪一侧呢？

第23页：大热阻对应表面传热系数较小的情形

• 大热阻对应表面传热系数较小的情形所以应增加表面传热系数较小一侧的面积，可使总热阻降低，特别是在两侧的表面传热系数相差很大的情形总热阻是由两个热阻中较大的那一个决定的降低热阻应从较大热阻入手

第24页：传热过程中

举例

暖气强化传热，水侧or空气侧？

• 传热过程中，若各子过程的热阻相差较大，则热阻大的子过程决定了整个传热过程中的传热量，该热阻称为控制热阻
• 控制热阻通常对应着表面传热系数较小、或换热面积较小的情形。只有有效地减小控制热阻，才能减小整个过程的热阻
• 强化传热应该对热阻较大的一侧采取强化措施，效果最好。采取的措施应使两侧热阻接近，才能收到预期的效果

第25页：通过圆管壁的传热

7.2.2 通过圆管壁的传热

第26页：

第27页：工程上

• 工程上，一般都以圆管外壁面面积为基准计算传热系数

第28页：对多层圆筒壁

对多层圆筒壁

第29页：临界热绝缘直径

7.2.3 临界热绝缘直径

• 在工程上,为了减少热流体输送管道的散热损失,通常用保温材料在管道外面加一层或多层保温层
• 同时为了劳动保护的需要，一般使管道外表面的温度低于50℃
• 如何选择保温材料和保温层的厚度是需要解决的主要问题

第30页：二层圆管的稳态传热过程

• 通过二层圆管的稳态传热过程－热流体和周围环境温度不变、管壁材料的热导率为λ1，保温材料的热导率为λx

第31页：随着保温层厚度的增加

• 随着保温层厚度的增加，即随着dx的增大
• 管内对流传热热阻与管壁导热热阻之和Rh1+Rλ1保持不变
• 保温层导热热阻Rλx随之加大
• 保温层外侧的对流传热热阻Rh1却随之减小

第32页：计算表明

计算表明

d2较小时，总热阻Rk先随着dx的增大而减小,然后再随着dx的增大而增大,中间出现极小值，相应热流量出现极大值

• 总热阻Rk取得极小值时的保温层外径dx称为临界绝缘直径,用dc表示

第33页：临界绝缘直径与保温材料有关

• 临界绝缘直径与保温材料有关、与所处环境有关

第34页：当dx

• 当dx<dc时，随保温层厚度的增加，总热阻减小，传热量增大，此时对管道敷设保温层反而会增加热损失。即冬天棉袄穿得越厚，反而越冷
• 当dx=dc时，总热阻Rk最小，这时换热量最大!
• 当dx>dc时，随保温层的增加，总热阻逐渐增大，传热量减小，保温层起保暖作用，这和我们的感觉是一致的

第35页：临界热绝缘直径

担心

以后冬天穿棉袄，会不会越穿越冷？那么是否有必要考虑这一问题呢？

• 假设棉袄的导热系数为0.1W/(m.K)，环境的表面传热系数为10 W/(m2.K)，此时dc=0.02m(腰围为6.28cm)，再怎么瘦的人近似半径也大于此值，所以对人而言，棉袄越厚越暖和，大家可以尽管放心地穿
• 工程上一般管道（如输油管道、暖气管线）外径也都大于此值，为了减少散热损失，都毫无例外地敷设保温层

第36页：电工中在电线外加上绝缘层一方面

• 在小管径且环境又是自然对流的条件下（实验室内），对管道加保温材料时一定要特别谨慎
• 当管径小于临界绝缘半径时，情况正好相反，增加保温层能起到强化换热的作用
• 电工中在电线外加上绝缘层一方面利用这一点强化电线的散热，使其温度不至于升得很高。另一方面可以起到绝缘保护作用

第37页：换热器的分类与平均传热温差

§7-4 换热器的分类与平均传热温差

4.1换热器的应用和分类

• 1按工作原理分类
• 混合式
• 原理——冷、热流体直接接触、互相混合而实现热量的交换
• 应用——冷、热流体都是同一物质，或不是同一种物质但易于分离
• 实例——如电厂中的冷却塔，空调系统中的冷却塔等

第38页：

第39页：蓄热式—回热式、再生式

特点

1流道周期性地对热流体吸热、对冷流体放热

实例

蓄热式空气预热器

• 蓄热式—回热式、再生式
• 冷、热流体交替地流过同一换热面（蓄热体），并尽量避免相互混合
• 2非稳态过程

第40页：间壁式换热器

• 间壁式换热器
• 表面式，冷、热流体由壁面隔开
• 工程上最常见

第41页：2按结构分类（间壁式）

• 2按结构分类（间壁式）
• 管壳式换热器
• 由管子（管束）和外壳（管壳）构成

第42页：

第43页：

第44页：管内流动的流动路程－管程

管壳式换热器的型式

壳程－管程，1－2型、2－4型

• 管内流动的流动路程－管程
• 在管束间流动－壳程

第45页：套管式换热器

• 套管式换热器——两根同心圆管构成简单，但传热系数小，只作为高压流体的换热器

第46页：肋管式换热器

• 肋管式换热器
• 换热器管外加肋片管外翅片减小了热阻，传热得以强化

第47页：肋管式换热器

肋管式换热器

第48页：板式换热器

• 板式换热器
• 间隔壁面为平板
• 平板上加翅片——板翅式
• 平板上采取其他措施－板式

第49页：板翅式换热器

板翅式换热器

第50页：板翅式换热器

板翅式换热器

第51页：翅片形状

翅片形状

第52页：板式是由许多波纹形的传热板片

• 板式是由许多波纹形的传热板片，按一定的间隔，通过橡胶垫片压紧组成的可拆卸的换热设备。
• 板片组装时，两组交替排列，板与板之间用粘结剂把橡胶密封板条固定好，其作用是防止流体泄漏并使两板之间形成狭窄的网形流道板式换热器

第53页：换热板片压成各种波纹形

• 换热板片压成各种波纹形，以增加换热板片面积和刚性，并能使流体在低流速成下形成湍流，以达到强化传热的效果。
• 板上的四个角孔，形成了流体的分配管和泄集管，两种换热介质分别流入各自流道，形成逆流或顺流通过每个板片进行热量的交换。板式换热器

第54页：板式换热器

板式换热器

第55页：板式换热器

板式换热器

第56页：3按流动形式分

• 3按流动形式分
• 顺流—两流体平行流动其方向相同
• 逆流—两流体平行流动其方向相反
• 复杂流（交叉流）—除二者以外的方式

第57页：

第58页：换热器热计算的基本方程

7.4.2 换热器热计算的基本方程

• 约定
• 下标1——热流体
• 下标2——冷流体
• 上标’——进口参数
• 上标’’——出口参数
• 以热流体进口作为计算起点

第59页：1换热器中流体的温度分布

• 1换热器中流体的温度分布
• 因变量—冷、热流体的温度
• 自变量—？换热面积—热流体入口，Ax＝0—热流体出口，Ax＝At—在换热器内的不同位置，Ax不同，流体温度不同

第60页：温度变化幅度与qmcp有关

• 温度变化幅度与qmcp有关——qmcp大，曲线变化平缓（2）端部温差大，温度沿程变化快（3）顺流：据此判断换热器的流动方式

第61页：流体有相变时的温度分布

流体有相变时的温度分布

第62页：2热平衡方程

• 2热平衡方程
• 热流体放出的热量冷流体吸收的热量热平衡方程（换热器无热损失）

第63页：3换热器的传热方程式

• 3换热器的传热方程式
• 传热方程式为传热方程的微分形式对换热面A积分

第64页：温差传热方程式

温差传热方程式

第65页：4对数平均温差假定

4对数平均温差假定

（1）换热器无散热损失，（2）忽略沿轴向导热；（3）常物性；（4）k为常数。顺流为例

第66页：

第67页：对微元换热面积dAx

• 对微元换热面积dAx，冷、热流体间的温差为对其微分对热流体对冷流体

第68页：积分之(1)

积分之(1)

第69页：代入传热方程式

代入传热方程式

分离变量积分(2)

第70页：比较(1)、(2)二式

比较(1)、(2)二式

——此即对数平均温差

第71页：平均传热温差的适用说明

说明

1－同样适用于逆流换热器2－换热器两端面流体温度差顺流逆流为便于书写和记忆，改写为

第72页：3为简化计算

• 3为简化计算，当时，尽可能采用逆流布置5－逆流时，若则4在冷、热流体进、出口温度相同时，逆流的温差最大，顺流的温差最小

第73页：6－其他复杂布置时的平均温差

• 6－其他复杂布置时的平均温差——冷、热流体进、出口温度相同情况下逆流时的对数平均温差ψ为小于1的修正系数,流动型式和下面两个无量纲参数有关对于常见的流动型式，已绘制成线算图，可在传热学或换热器设计手册中可以查到

第74页：ψ值线算图

ψ值线算图

第75页：5换热器热计算的内容

• 5换热器热计算的内容
• 设计计算——设计一台新的换热器，通常给定流体的质量流量和4个进、出口温度中的3个，需要确定换热器的型式、结构，计算传热系数k及换热面积A
• 校核计算——对已有或设计好的换热器进行校核，一般已知换热器的换热面积A、两侧流体的质量流量、进口温度等参数。通常采用试算法

第76页：

第77页：

第78页：污垢热阻的计算

污垢热阻的计算

第79页：

第80页：考试安排

题型

简答分析题：40％；计算题：60％

带好

学生证、计算器等

答疑地点

工科楼D-222

• 考试安排
• 2013年月日，听通知
• 地点：听通知
• 答疑安排
• 听通知