文档介绍：第四章传热
§1 传热概述
4-1 三种类型换热器
(1) 直接混合式——将热流体与冷流体直接混合的一种传热方式。很多人看过电影“洗
澡”吧,老式澡堂中水池的水,是将水蒸汽直接通人冷水中,使冷水加热,此即直接混合
式。如图 4-1 所示。北方许多工厂的澡堂,仍然采用这种办法。
图4-1 直接混合传热示意图
(2)蓄热式——先将热流体的热量储存在热载体上,然后由热载体将热量传递给冷流体、
此即蓄热式换热器。如图 4-2 所示。炼焦炉中煤气燃烧系统就是采用蓄热式换热。
图4-2 蓄热式示意图
(3)间壁式——热流体通过间壁将热量传递给冷流体,化工中应用极为广泛。有夹套式
热交换器;蛇形式热交换器;套管式热交换器;列管式热交换器;板式热交换器。如图 4-3
所示。
图 4-3 间壁式换热器——列管换热器。
换热器有三种类型,从传热机理来讲,传热又有三种方式,即热传导、热辐射。
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传热将从三种方式来展开论述。
4-2 传热平衡方程
以某换热器为衡算对象,列出稳定传热时的热量衡算方程。如图 4-4 所示。
图4-4 热平衡方程推导图
qCt−0+qCT−0=qCt−0+qCT−0
m,cp,c(1)m,hp,h(1)m,cp,c(2)m,hp,h(2)
∴qCT−T=qCt−t ………………(I)
m,hp,h(12)m,cp,c(21)
式中, q 、q ——分别为热、冷流体的质量流速, kg ⋅ s −1 ;
m,h m,c
−1 −1
C p,h、C p,c ——分别为热、冷流体的定压比容, J ⋅ kg ⋅ K ;
T1、T2 、——分别为热流体的进、出口温度, K;
t1、t2——分别为冷流体的进、出口温度, K;
式(I)即贯穿传热过程始终的热平衡方程。
§2 热传导
4-3 热传导与傅立叶定律
先讨论两个问题;冬天,铁凳与木凳温度一样,但我们坐在铁凳子上要比坐在木凳子
上,感到冷得多,这是为什么?一杯热牛奶,放在水里比摆在桌子上要冷得快,为什么?
人体温度是 37℃左右,冬天坐在凳子上,人体的热量就向凳子传递,由于铁比木头传
热速度快得多,人体表面散热越快,而体内向表面补充热量又跟不上,所以感觉凉。此题,
说明同样是固体,材质不同,传热速率是不同的。
第二个问题,也是传热速率问题。说明水的传热速率比空气的传热速率来得大。
在两个问题中,热量的传递都不是通过流体的运动实现的。实质是热传导问题。
热传导的定义是:依靠物体内自由电子运动或分子原位振动,从而导致热量的传递,
即热传导。
热传导遵循傅里叶定律。它是一个经验性定律。实践证明,单位时间内的传热量 Q 与
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dt
垂直于热流方向的导热截面面积 A 和温度梯度成正比。即
dx
dt
Q∝−A
dx
dt
Q=−λ⋅A ………………(Ⅱ)
dx
式中, Q ——传热速率, W ; A——导热面积, m2 ;
λ——比例系数。称为导热系数, W ⋅ m −1 ⋅ K −1 ;
dt
——温度梯度,它是个矢量,其方向是沿温度梯度增加的正方向。
dx
如图 4-5 所示。
图4-5 温度梯度之方向示意图
式(Ⅱ)即傅里叶定律,式中的负号又是什么意思呢?从图 4-5 中看出,热流方向与温
dt dt
度梯度的方向正好相反。Q 是正值,而是负值,加上负号,使式(II ) 成立。
dx ø dx
改写式(II)得:
Qdt
=−λ………………(Ⅱa)
Adx
Q
式中, ——单位时间、单位面积所传递的热量,称为热量通量。
A
所以傅里叶定律亦可表达为,热量通量与温度梯度成正比。
了解傅里叶定律,我们很容易解释开头的两个例子,主要差别在λ的数值上。铁的导
热系数( 61 W ⋅ m −1 ⋅ K −1 )比木头的导热系数( W ⋅ m −1 ⋅ K −1 )大。水的导热系数(
W ⋅ m −1 ⋅ K −1 )比空气的导热系数( W ⋅ m −1 ⋅ K −1 )大的缘故。
导热系数λ,是物质的属性之一,可用实验方法测定。一般来讲,λ固体> λ液体> λ气体。
(可用分子间距离来解释)。但绝热材料(如石棉等)的λ较小,则属例外。
4-4 平壁稳定热传导计算
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图4-6 平壁导热示意图
如图 4-6 所示,当 x由0→x1时,则t由t1→t2,,这时积分式(Ⅱ)得:
x1 t2
Q dx=