文档介绍：传热学:第八章传热过程与换热器
第八章传热过程与换热器
在这一章里我们将介绍几种典型的传热过程,如通过平壁、圆筒壁和肋壁的传热过程,
通过分析其热量传输的各个环节而从能量平衡的关系中得出它们各自的计算公式。由于换
热器是工程上常用的热量交换设备,其中的热量交换过程都是可以归纳为一些典型的传热
过程。因此,在这里我们对一些简单的换热器进行热平衡分析,介绍它们的热计算方法,
以此作为应用传热学知识的一个较为完整的实例。
8-1 传热过程分析
在实际的工业过程和日常生活中存在着的大量的热量传递过程常常不是以单一的传
递方式出现,而是以复合的或综合的方式出现。在这些同时存在多种传热方式的热量传递
过程中,常常把串联式的传热过程和并联式的复合换热过程作为研究和讨论的重点。
对于前者,即传热过程,是定义为热流体通过固体壁面把热量传给冷流体的综合热传
递过程,在第一章中我们对通过大平壁的传热过程进行了简单的分析,并给出了计算传热
量的公式
Q = kA∆t , 8-1
式中,Q为冷热流体之间的传热热流量,单位为W;A为传热面积,单位为m2;∆t 为热流
体与冷流体间的某个平均温差,单位为ºC;k为传热系数,单位为W/( m2 ⋅ºC)。在数值
上,传热系数等于冷、热流体间温差∆t =1 ºC、传热面积A=1 m2时的热流量值,是一个表
征传热过程强烈程度的物理量。在这一章中我们除对通过平壁的传热过程进行分析讨论之
外,还要较详细地讨论通过圆筒壁的传热过程和通过肋壁的传热过程,以及在此基础上对
一些简单的包含传热过程的换热器进行相应的热分析和热计算。
对于后者,即复合换热过程,是定义为在同一个换热
表面上同时存在着两种以上的热量传递方式热交换过程,
如气体和固体壁面之间进行的热量交换过程,就同时存在
着固体壁面与气体之间的对流换热以及因气体为透明介 ts
质而发生的固体壁面与包围该壁面的物体之间的辐射换
热,如果气体为有辐射能力的气体,那么还存在着固体壁 Qr
面和气体之间的辐射换热。这样,固体壁面和它所处的环 Qc
境之间就存在着一个复合换热过程。下面我们来讨论一个 tf
典型的复合换热过程,即一个热表面在环境中的冷却过 tw
程,如图 8-1 所示。由热表面的热平衡可知,表面的散热
热流应等于其与环境流体之间的对流换热热流加上它与
图 8-1 热表面冷却过程示意图
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传热学:第八章传热过程与换热器
包围壁面之间的辐射换热热流,即,式中 Qc 为对流换热热流;Qr 为辐射换
Q = Q c + Q r
热热流。它们分别为:
和
Q c = A α c (T w − T f )
4 4
Q r = Aεσ 0 (T w − T s ) = Aα r (T w − T f ),
4 4
εσ 0 (Tw − Ts )
式中,α r = 称为辐射换热系数。如果包围物体距离换热表面比较远,可
Tw − T f
以将其温度视为与流体温度相同,于是有:
2 2
α r = εσ 0 (Tw + T f )(Tw + T f ) 。于是总的换热热流可以写为:
Q = Aα(Tw − T f ) , 8-2
式中α= α c +α r 为换热过程的总的换热系数。今后如果我们提及换热系数,其含义就可
能是指对流换热系数和辐射换热系数之和。这一点希望能引起读者的注意。
1 通过平壁的传热
热流体通过一个平壁把热量传给冷流体,这就构成了一个简单的通过平壁的热量传递
过程,如图 8-2 所示。该传热系统由热流体与平壁表
面之间的换热过程、平壁的导热过程和冷流体与平壁
t
表面的换热过程组成。今设热、冷流体的温度分别为 f1
tf1 和 tf2,换热系数分别为α1 和α2,平壁的厚度为δ, α1
而平壁两边的温度分别为 tw1 和 tw2,于是在稳态条件下热流体
tw1 冷流体
通过平壁的热流量可以写成如下的热阻形式:
q tw2
t - t t − t t − t α2
Q = f 1 w1 = w1 w2 = w2 f 2 。
1 δ 1
tf2
Aα 1 Aλ Aα 2
由于平壁两侧的换热和导热面积是相同的,经整理可图 8-2 通过平壁的传热过程
以得出:
t - t
q = f 1 f 2 = k (t − t ) , 8-3
1 δ 1 f 1 f 2
+ +
α 1 λα 2
2
式中, k = ( 1 + δ+ 1 ) −1 为通过平壁传热的传热系数,单位为W/(m ℃)。
α 1 λα