文档介绍：第五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得出它们的计算公式。由于换热器是工程上常用的热交换设备，其中的热交换过程都是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。
5－1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热量传递方式出现，而多是以复合的或综合的方式出现。在这些同时存在多种热量传递方式的热传递过程中，我们常常把传热过程和复合换热过程作为研究和讨论的重点。
对于前者，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量传递过程，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
， 5－1
式中，Q为冷热流体之间的传热热流量，W；F为传热面积，m2；为热流体与冷流体间的某个平均温差，oC；k为传热系数，W/( oC)。在数值上，传热系数等于冷、热流体间温差=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较为详细的讨论之外，还要讨论通过圆筒壁的传热过程，通过肋壁的传热过程，以及在此根底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。
ts
tw tf
Q Qr
Qc
图5－1热外表冷却过程
对于后者，复合换热是定义为在同一个换热外表上同时存在着两种以上的热量传递方式，如气体和固体壁面之间的热传递过程，就同时存在着固体壁面和气体之间的对流换热以及因气体为透明介质而发生的固体壁面和包围该固体壁面的物体之间的辐射换热，如果气体为有辐射性能的气体，那么还存在固体壁面和气体之间的辐射换热。这样，固体壁面和它所处的环境之间就存在着一个复合换热过程。下面我们来讨论一个典型的复合换热过程，即一个热外表在环境中的冷却过程，如图5－1所示。由热外表的热平衡可知，外表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为辐射换热热流。它们分别为：
和
式中，
称为辐射换热系数。如果包围物体距离换热外表比拟远，可以将其温度视为与流体温度相同，于是有：
。于是总的换热热流可以写为：
, 5-2
式中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。
通过平壁的传热
热流体
冷流体
tf1
α1
tw1
q
tw2
α2
tf2
图5－2通过平壁的传热过程
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5－2所示。该传热系统由热流体与平壁外表之间的换热过程、平壁的导热过程和冷流体与平壁外表的换热过程组成。今设热、冷流体的温度分别为tf1和tf2，换热系数分别为α1和α2,平壁的厚度为δ，而平壁两边的温度分别为tw1和tw2，于是在稳态条件下通过平壁的热流量可以写为如下的热阻形式：
。
由于平壁两侧的换热和导热面积是相同的，经整理可以得出：
， 5－3
式中，为通过平壁传热的传热系数，单位为W/(m2℃)。
tf2
tf1
α1
α2
d1
d2
冷流体
热流体
Q
2 通过圆筒壁的传热
图5－3通过圆筒壁的传热
热流体通过一个圆筒壁〔也就是管壁〕把热量传给冷流体，就是一个简单的通过平壁的热量传递过程，如图5－3所示。该传热系统由热流体与圆筒壁外表之间的换热过程、圆筒壁的导热过程和冷流体与圆筒壁外表的换热过程组成。今设热、冷流体的温度分别为tf1
和tf2，换热系数分别为α1和α2,圆筒壁的内外直径以及长度分别为d1、d2和l,而圆筒壁内外壁面的温度分别为tw1和tw2，于是在稳态条件下通过圆筒壁的传热热流可以写为如下的热阻形式：
。
经整理可以得出：
。 5－4
这就是通过圆筒壁传热的热流量计算公式。
由于圆筒壁的内外外表与内外直径的大小相关，只有内直径较大和圆筒壁较薄的情况下才可近似认为圆筒壁的内外壁面相等，因而在定义通过圆筒壁传热的传热系数时，就必须首