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第二章 传热 ——复习与习题 传 热–––基本概念和基本理论 传热是由于 引起的能量转移，又称热传递。由热力学第二定律可知，凡是有温度差存在时，就必然发生热从高温处传递到低温处。 根据传热机理的不同，热传递有三种基本方式： 、 和 。热传导是物体各部分之间不发生相对位移，仅借分子、原子和自由电子等微观粒子的热运动而引起的热量传递；热对流是流体各部分之间发生相对位移所引起的热传递过程（包括由流体中各处的温度不同引起的自然对流和由外力所致的质点的强制运动引起的强制对流），流体流过固体表面时发生的对流和热传导联合作用的传热过程称为对流传热；热辐射是因热的原因而产生的电磁波在空间的传递。任何物体只要在绝对零度以上，都能发射辐射能，只是在高温时，热辐射才能成为主要的传热方式。传热可依靠其中的一种方式或几种方式同时进行。 传热速率Q是指单位时间通过传热面的热量（W）；热流密度q是指每单位面积的传热速率（W/m2）。 热传导 导热基本方程––––傅立叶定律 λ––––导热系数，表征物质导热能力的大小，是物质的物理性质之一，单位为W/（m·K）。纯金属的导热系数一般随温度升高而降低，气体的导热系数随温度升高而增大。 式中负号表示热流方向总是和温度梯度的方向相反。 2．平壁的稳定热传导 单层平壁： 多层（n层）平壁： 公式表明导热速率与导热推动力（温度差）成正比，与导热热阻（R）成反比。 由多层等厚平壁构成的导热壁面中所用材料的导热系数愈大，则该壁面的热阻愈小，其两侧的温差愈小，但导热速率相同。 注意食品物料中水分的多少对导热系数的影响 å å = + = = + - = - = n 1 i i 1 1 1 1 1 R q n n i i i i n T T b T T l 圆筒壁的稳定热传导 单层圆筒壁： 1 2 2 1 ln 2 r r T T L Q - = l p å = = + + - = n i i i i i n r r T T L Q 1 1 1 1 ln 1 ) ( 2 l p n层圆筒壁 一包有石棉泥保温层的蒸汽管道，当石棉泥受潮后，其保温效果会降低，主要原因是因水的导热系数大于保温材料的导热系数，受潮后，使保温层材料导热系数增大，保温效果降低。 二、对流传热 α––––对流传热系数，单位为：W/（m2·K） -------- 牛顿冷却定律。 定性温度 1. 圆形直管内强制湍流时的对流传热系数 (1) 低粘度流体 （小于水粘度的2倍，<2.0*10-3Pa.s) Nu=0.023Re0.8Prn Nu=0.027Re0.8Pr1/3（μ/μw）0.14 (2) 高粘度流体 应用范围 特性尺寸 2.流体在圆形直管内作强制滞流 Nu=1.86Re1/3Pr1/3（di/L）1/3（μ/μw）0.14 不凝性气体的影响 在蒸汽冷凝时不凝性气体在液膜表面形成一层气膜，使传热阻力加大，冷凝对流传热系数降低。 蒸汽流速和流向的影响 冷凝传热过程的强化 流体物性及液膜两侧的温差 影响冷凝传热的因素： 蒸汽过热的影响 α 温度差Δt A B C D 液体沸腾传热过程的推动力是加热面温度和液体饱和温度之差。在大空间内沸腾时，随着此温度差的不同，过程中的对流传热系数α和热流密度q都发生变化。 3.9.2 液体的沸腾过程 自然对流 泡核沸腾 膜状沸腾 注意：由于泡核沸腾的传热系数比膜状沸腾的大，故一般都设法控制蒸发器在泡核状态下工作。 能全部吸收辐射能，即吸收率A=1的物体，称为黑体或绝对黑体； 能全部反射辐射能，即反射率R=1的物体，称为镜体或绝对白体； 能透过全部辐射能，即透过率D=1的物体，称为透热体。一般单原子气体和对称的双原子气体均可视为透热体。 一般来说，固体和液体都是不透热体，即D=0，A+R=1。气体则不同，其反射率R=0。A+D=1。 辐射传热 对流过程是流体和壁面之间的传热过程，定性温度是指确定准数中各物性参数的温度。 沸腾传热可分为三个区域，它们是自然对流区、核状沸腾区和膜状沸腾区，生产中的沸腾传热过程应维持在核状沸腾区操作。 无相变的对流传热过程中，热阻主要集中在传热边界层或滞流层内，减少热阻的最有效的措施是提高流体湍动程度。 在两流体的间壁换热过程中，计算式Q=KSΔt，式中Δt表示为两流体温度差的平均值；。 在两流体的间壁换热过程中，计算式Q=SΔt，式中Δt=tw-tm 或 Tm-Tw；S表示为一侧的传热壁面。 滴状冷凝的对流传热系数大于膜状冷凝对流传热系数。 稳定传热过程计算 换热器总传热速率方程 Q=KSΔTm 式中K为总传热系数，单位为：W/（m2·℃）；ΔTm为两流体的平均温度差，对两流体作并流或逆流时的换热器而言， 恒温传热时 变温传热时 错流和折流时 总传热系数 换热器 间壁式换热器有夹套式、蛇管式、套管式、列管式、板式、螺旋板式、板翅式等。提高间壁式换热器传热系数的主要途径是提高流体流速、增强人工扰动；防止结垢，及时清除污垢。消除列管换热器温差应力常用的方法有三种，即在壳体上加膨胀节，采用浮头式结构或采用U型管式结构。翅片式换热器安装翅片的目的是增加传热面积；增强流体的湍动程度以提高α。为提高冷凝器的冷凝效果，操作时要及时排除不凝气和冷凝水。 间壁换热器管壁温度Tw接近α大的一侧的流体温度；总传热系数K的数值接近热阻大的一侧的α值。如在传热实验中用饱和水蒸气加热空气，总传热系数接近于空气侧的对流传热系数，而壁温接近于水蒸气侧的温度。 对于间壁换热器WhCph(Th1-Th2)=W2Cp2(Tc1-Tc2)=KSΔTm等式成立的条件是稳定传热、无热损失、无相变化。 列管换热器，在壳程设置折流挡板的目的是增大壳程流体的湍动程度，强化对流传热，提高α值，支撑管子。 在确定列管换热器冷热流体的流径时，一般来说，蒸汽走管外；易结垢的流体走管内；高压流体走管内；有腐蚀性的流体走管内；粘度大或流量小的流体走管外。 1. 蒸汽冷凝液的型态有滴状冷凝和膜状冷凝两种，工程设计采用____________冷凝。 2. 大容积的饱和沸腾传热可分为___________、_________和_______三个阶段，而在工业生产中常在________阶段操作。 3. 在对流传热中，按其产生的原因，可分为_____________对流与_____________对流。 5. 定性温度指___________。 填空题 1. 间壁传热时，各层的温度降与各相应层的热阻( ) A. 成正比 B. 成反比 C. 没关系 2. 翅片管换热器的翅片应安装在( )。 A. α小的一侧 B. α大的一侧 C. 管内 D. 管外 3. 套管冷凝器的内管走空气，管间走饱和水蒸汽，如果蒸汽压力一定，空气进口温度一定，当空气流量增加时: （1）传热系数K应 A 增大 B 减小 C 基本不变 ( ) （2）空气出口温度 A 增大 B 减小 C 基本不变 ( ) （答案 A、B） 选择题 4. 工业采用翅片状的暖气管代替圆钢管，其目的是（ ）。 A. 增加热阻，减少热量损失; B. 节约钢材、增强美观 C. 增加传热面积，提高传热效果。 5. 蒸汽冷凝时，膜状冷凝的α( )滴状冷凝的α。 A. 等于 B. 大于 C. 小于 6. 导热是（ ）热量传递的主要方式。 A. 固体中 B. 液体中 C. 气体中 7. 热量传递的基本方式是（ ）。 A. 恒温传热和稳态变温传热 B. 导热给热和热交换 C. 气化、冷凝与冷却 D. 传导传热、对流传热与辐射传热 8. 湍流流体与器壁间的对流传热（即给热过程）其热阻主要存在于（ ）。 A. 流体内; B. 器壁内; C. 湍流体滞流内层中; D. 流体湍流区域内。 9. 对一台正在工作的列管式换热器，已知α1＝116，α2＝11600， 要提高传热系数（K），最简单有效的途径是（ ）。 设法增大α1 B. 设法增大α2C. 同时增大α1和α2 11. 对于沸腾传热，工业生产一般应设法控制在（ ）沸腾下操作。 A.核状 B. 稳定的膜状 C. 不稳定的膜状 12. 蒸汽中不凝性气体的存在，会使它的对流传热系数α值（ ）。 A. 降低 B. 升高 C. 不变 13. 为了减少室外设备的热损失，在保温层外包一层金属皮，一般而言，应该选择__________材料。 A. 表面粗糙，颜色较深 B.表面粗糙，颜色较浅 C. 表面光滑，颜色较深 D.表面光滑，颜色较浅 1 在定态的多层平壁导热中，若某层的热阻大，则这层的导热温差就小。（ ） 2 保温材料应该选用导热系数小的绝热材料。（ ） 3 自然对流主要受温度引起的流体密度变化的影响。 （ ） 4 辐射传热与传导传热和对流传热的主要差别在于辐射传热可以在真空中传播。 （ ） 6 辐射能力强的物体其吸收能力也强。 （ ） 7 物质的黑度在数值上等于该物体对辐射能的吸收率。 （ ） 判断题 1). 在内管为φ189×10mm的套管换热器中，将流量为 3500kg/h的某液态烃从 100℃冷却到60℃，其平均比热 CP烃=2.38kJ/kg.℃， 环隙走冷却水，其进出口温度分别为40℃和50℃，平均比热Ｃp水＝4.17kJ/kg.℃，基于传热外面积的总传热系数K0=2000W/m2·℃, 设其值恒定, 忽略热损失。试求： A)冷却水用量；B)分别计算两流体为逆流和并流情况下的平均温差及所需管长。 解：冷却水用量 Ｗh ＣP h (Ｔ1 -Ｔ2 )＝Ｗc ＣP c (ｔ2 -ｔ1 ) 3500×2.38×(100-60)＝Ｗc× 4.17×(50-40) Ｗc ＝7990Kg/h Δｔ逆＝(50-20)／ｌｎ(50/20)＝32.75℃ Δｔ并＝(60-10)／ｌｎ(60/10)＝27.93℃ Ｑ＝ＫＡΔｔm Ｑ＝7990×4.17×(50-40)=3.332×１０5KJ/h ∴ Ａ逆＝3.332×１０5/[(2000/1000)×32.75×3600]＝1.41 (m2) πｄ0 L＝1.41 3.14×0.18×L＝1.41 ∴ L逆＝2.5 (m ) Ａ并＝3.332×１０5/[(2000/1000)×27.93×3600]＝1.66 (m2) 3.14×0.18×L并＝1.66 ∴ L并＝2.93 (m ) 4）Φ38×2.5mm的钢管用作蒸汽管。为了减少热损失，在管外保温。 第一层是50 mm厚的氧化锌粉，其平均导热系数为0.07 W/(m·℃)；第二层是10mm厚的石棉层，其平均导热系数为0.15 W/(m·℃)。若管内壁温度为180℃，石棉层外表面温度为35℃，试求每米管长的热损失及两保温层界面处的温度？ 解：①r0 = 16.5mm = 0.0165m ，r1 =19mm = 0.019 m r2 = r1＋1 = 0.019＋0.05 = 0.069 m r3 = r2＋2 = 0.069＋0.01 = 0.079 m 0 = 45 W/(m·℃) W/m 即 ∴ t2 = 41.8 ℃ 7) 9) 10) 120℃饱和水蒸汽将空气从20℃加热至80℃，空气流量1.20×104kg/h。现有单程列管换热器，25×2.5mm钢管300根，管长3m，0 = 104W/(m2℃)，污垢及管壁热阻不计。问此换热器能否满足要求。 解： 50℃空气， = 1.093kg/m3，Cp = 1.005kJ/(kg℃)， = 0.02824W/(m℃)  = 1.96×10-5 Pas ，Pr = 0.698 m/s ＞10000 ℃ ∴ W/(m2℃) ∵0＞＞i ∴Ki = i = 124.5 W/(m2℃) Q = WcCpct = ×1.005×60 = 201 kJ/s tm = Q = KiAitm 即 201×103 = 124.5Ai×65.5 ∴Ai = 24.6 m2 又，Ai = ndiL 即 24.6 = 300×0.020L ∴ L = 1.31 m＜3 m ∴ 满足要求 ℃ 11）一套管换热器，用热柴油加热原油，热柴油与原油进口温度分别为155℃和20℃。已知逆流操作时，柴油出口温度50℃，原油出口60℃，若采用并流操作，两种油的流量、物性数据、初温和传热系数皆与逆流时相同，试问并流时柴油可冷却到多少温度？ 12）一套管换热器，冷、热流体的进口温度分别为55℃和115℃。并流操作时，冷、热流体的出口温度分别为75℃和95℃。试问逆流操作时，冷、热流体的出口温度分别为多少？假定流体物性数据与传热系数均为常量。 13）一列管换热器，管外用2.0×105Pa的饱和水蒸汽加热空气，使空气温度从20℃加热到80℃，流量为20000kg/h，现因生产任务变化，如空气流量增加50%，进、出口温度仍维持不变，问在原换热器中采用什么方法可完成新的生产任务？ ’ 14）在一单管程列管式换热器中，将2000kg/h的空气从20℃加热到80℃，空气在钢质列管内作湍流流动，管外用饱和水蒸汽加热。列管总数为200根，长度为6m，管子规格为φ38×3mm。现因生产要求需要设计一台新换热器，其空气处理量保持不变，但管数改为400根，管子规格改为φ19×1.5mm，操作条件不变，试求此新换热器的管子长度为多少米？