【正文】 蓄熱器示意圖 根據(jù)傳熱的基本原理 （ 1）熱傳導(dǎo) 熱量從物體內(nèi)溫度較高的部分傳遞到溫度較低的部分或傳遞到與之接觸的溫度較低的另一物體的過程稱為 熱傳導(dǎo) ，簡(jiǎn)稱 導(dǎo)熱 。第五章 傳熱與傳熱設(shè)備 概述 其它設(shè)備 60% 傳熱設(shè)備 40% 在設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行合理的優(yōu)化設(shè)計(jì)使其在滿足工藝要求的條件下投資費(fèi)用最小；在操作中進(jìn)行強(qiáng)化傳熱操作過程，進(jìn)行最優(yōu)化操作，對(duì)節(jié)省傳熱設(shè)備投資，節(jié)省能源有著重要的意義。 概述 傳熱過程的分類 根據(jù)冷熱兩種流體的接觸方式 （ 1）直接接觸式傳熱（混合式傳熱） 熱水 空氣 填料 涼水塔示意圖 （ 2）間壁式（間接接觸式）傳熱 t2 冷流體 t1 T1 熱流體 T2 套管換熱器中的換熱 冷流體 t 熱流體 T 間壁 Q 對(duì)流給熱 對(duì)流給熱 導(dǎo)熱 根據(jù)冷熱兩種流體的接觸方式 冷流體 t 熱流體 T 間壁 Q 對(duì)流給熱 對(duì)流給熱 導(dǎo)熱 ① 熱量由熱流體靠對(duì)流傳熱傳給金屬壁的一側(cè)（對(duì)流給熱）； ②熱量自管壁一側(cè)以熱傳導(dǎo)的形式傳至另一側(cè)（導(dǎo)熱）； ③ 熱量以對(duì)流傳熱的方式從壁面的另一側(cè)傳給冷流體（對(duì)流給熱）。 （ 2）對(duì)流傳熱 流體各部分質(zhì)點(diǎn)發(fā)生相對(duì)位移而引起的熱量傳遞過程，只能發(fā)生在流體中。 以上三種傳熱方式往往是相互伴隨著同時(shí)出現(xiàn)。 5. 2 熱傳導(dǎo)（導(dǎo)熱 Conduction） 傅立葉定律（ Flourier’ s law） （ 1）溫度場(chǎng)（ Temperature field） 物體（或空間）各點(diǎn)溫度在時(shí)空中的分布稱為 溫度場(chǎng) 。溫度不同的等溫面不可能相交，為什么？ n q tt ?? tt ??t圖 51 溫度梯度與熱流 方向的關(guān)系 ntntn ??????? 0li m（ 2）溫度梯度 兩等溫面的溫度差Δt與其間的垂直距離 Δn之比在 Δn趨于零時(shí)的極限，即 傅立葉定律（ Flourier’ s law） （ 3）傅立葉定律 傅立葉定律是用以確定在物體各點(diǎn)間存在溫度差時(shí)，因熱傳導(dǎo)而產(chǎn)生的熱流大小的定律。 （ 1）固體的熱導(dǎo)率 純金屬： t↑, λ↓ 。 λ=λ0（ 1+αt） 式中 λ、 λ0——固體分別在溫度 t、 273K時(shí)的熱導(dǎo)率， W/(m? K)。 熱導(dǎo)率 （ 2）液體的熱導(dǎo)率 t↑, λ↓ ； 一般純液體 （水和甘油除外） 的熱導(dǎo)率比其溶液的熱導(dǎo)率大。 在相當(dāng)大的壓強(qiáng)范圍內(nèi)，壓強(qiáng)對(duì)氣體的 熱導(dǎo)率 無明顯影響。 熱導(dǎo)率 固體、液體、 氣體的 熱導(dǎo)率的大致范圍： λ金屬固體 λ非金屬固體 λ液體 λ氣體 金屬固體： 101~ 102 W/(m? K)； 建筑材料： 101~ 10 W/(m? K)； 絕緣材料： 102~ 101 W/(m? K)； 液體： 101 W/(m? K)； 氣體： 102~ 101 W/(m? K)； 平壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo) （ 1）單層平壁穩(wěn)定熱傳導(dǎo) 一高度和寬度均很大的平壁，厚度為 b ，兩側(cè)表面溫度保持均勻恒定，分別為 t1 及 t2 ，且 t1 t2，若 t t2不隨時(shí)間而變，壁內(nèi)的傳熱屬于沿厚度 x 方向的一維定態(tài)熱傳導(dǎo)過程（見圖 55）。 上式 λ為常數(shù) ， 所以平壁內(nèi)的溫度分布為一直線；若導(dǎo)熱系數(shù)與溫度有關(guān) ， 則溫度分布又是怎樣的？ t x x dx t1 t2 t1 t2 α 0 α0 平壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo) （ 2）多層平壁穩(wěn)定熱傳導(dǎo) t2 t x t1 1?2 3?t3 t4 1b23b圖 57 多層平壁的熱傳導(dǎo) AttAttAttQ334322321121?????????????????????31313141iiiii ii RtAbtt總阻力總推動(dòng)力?應(yīng)用合比定律，得 推廣到 n層平壁 ??????????? niiniini iinRtAbtt11111總阻力總推動(dòng)力?（ 56） 平壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo) 從上式可以看出，通過多層壁的定態(tài)熱傳導(dǎo)，傳熱推動(dòng)力和熱阻是可以加和的； 總推動(dòng)力等于各層推動(dòng)力之和，總熱阻等于各層熱阻之和 。 ??????????? niiniini iinRtAbttQ11111總阻力總推動(dòng)力?（ 56） 平壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo) 將上式寫成熱通量的形式為 ?????ni iinbttq111???????????? niiniini iinRtAbttQ11111總阻力總推動(dòng)力?（ 56） 圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo) （ 1） 單層圓筒壁穩(wěn)定熱傳導(dǎo) 有內(nèi) 、 外半徑分別為 r r2的圓筒 ，內(nèi) 、 外表面分別維持恒定的溫度 t t2，且管長(zhǎng) l足夠大 ， 圓筒壁內(nèi)的導(dǎo)熱屬于沿徑向的一維定態(tài)熱傳導(dǎo) ， 傅立葉定律可寫成 t r dr t1 r1 ?r2 t1 t2 圖 58 圓筒壁的熱傳導(dǎo) rtqdd???rtrlrtAQdd2dd ??? ????積分 ?? ?? 2121 d2d rrtt r rlQt ?? 圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo) ?? ?? 2121 d2d rrtt r rlQt ??? ?1221ln2rrttlQ????阻力推動(dòng)力?????RttlrrttQ 2112212ln ??? ? ? ? ? ?? ? ? ?m21m2121m1221121222ln2AbttlrbttbttlrrrttrrlrrQ????????????????? 圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo) ? ?m21AbttQ???1212mlnrrrrr ??式中 b = r2 r1，為圓筒壁的厚度。 當(dāng) r2/ r1 2時(shí) ， 可以改用算術(shù)平均值 ，即取 rm= （ r2+ r1） /2。將待測(cè)材料制成厚度 b、 直徑 120mm的圓形平板 ， 置于冷 、熱兩表面之間 。冷側(cè)表面用水夾套冷卻 ， 使表面溫度維持在 t2＝ 80℃ 。 由于安裝不當(dāng) ， 待測(cè)材料的兩邊各有一層 氣層 ， 氣體導(dǎo)熱系數(shù) λg=(m 不計(jì)熱損失 ， 求測(cè)量的相對(duì)誤差 ， 即（ λ’ λ） / λ t2=80℃ bt1=200℃ 5. 2 熱傳導(dǎo)（導(dǎo)熱 Conduction） 例 42有一蒸汽管外徑為 25mm， 管外包以兩層保溫材料 ， 每層厚均為 25mm。 今將內(nèi) 、 外兩層材料互換位置 ， 且設(shè)管外壁與外層保溫層外表面的溫度均不變， 其熱損失為 Q’ 。 5. 2 熱傳導(dǎo)（導(dǎo)熱 Conduction） 思考 ： 分析保溫瓶的保溫措施有哪些 ？ 討論 ： ① 對(duì)平壁一維穩(wěn)定熱傳導(dǎo)在傳熱方向上處處傳熱速率 Q與熱通量 q相等； ② 對(duì)圓筒壁一維穩(wěn)定熱傳導(dǎo)在傳熱方向上其傳熱速率 Q處處相等 ， 但由于各處傳熱面積不同 ， 故其熱通量不等； ③ 對(duì)平壁求單位面積的傳熱量或熱損失即求熱通量 q；對(duì)圓筒壁求單位長(zhǎng)度的傳熱量或熱損失 ， 即求 Q/l； ④ 熱導(dǎo)率 λ小 ， 不利于導(dǎo)熱 ， 但有利于保溫； ⑤ 多層材料間應(yīng)緊密接觸 ， 若有空隙則其總的導(dǎo)熱能力下降 ， 因?yàn)槠溟g隙充滿氣體 ， 氣體的熱導(dǎo)率小于固體； ⑥ 采用多層保溫措施時(shí) ， 熱導(dǎo)率小的材料置于內(nèi)層有利于保溫； 5. 2 熱傳導(dǎo)（導(dǎo)熱 Conduction） ⑦ 熱損失與保溫層厚度有圖所示的關(guān)系 ， 為什么會(huì)有兩種不同的情況 ？ ⑧ 當(dāng)保溫層厚度大于臨界厚度的情況下 ， 是否厚度增加就有利 ？ 0 . 0 0 . 1 0 . 2 0 . 3 0 . 4 0 . 50501001502002503004321Q/L(w/m)b ( m )5. 3 間壁兩側(cè)流體的熱量傳遞 間壁兩側(cè)流體熱交換 T2 T1 t1 t2 T t dl 圖 511 套管換熱器示意 用于加熱或冷卻物料的流體稱為 載熱體 ， 其中起加熱作用的叫 加熱劑 ， 起冷卻作用的叫 冷卻劑 。 間壁兩側(cè)流體熱交換 傳熱過程在流動(dòng)的流體中也存在傳熱邊界層，同樣包括湍流主體、過渡區(qū)、層流底層；在湍流主體中熱量傳遞主要靠對(duì)流傳熱，導(dǎo)熱的作用很小可以忽略不計(jì)；在層流體底層中由于流體層間沒有質(zhì)點(diǎn)的交換，主要靠熱傳導(dǎo)傳遞熱量，傳熱阻力大、溫度變化大；在過渡區(qū)不僅有熱傳導(dǎo)也有對(duì)流傳熱，兩者的作用相當(dāng)，均不能忽略。間壁的導(dǎo)熱過程可以用導(dǎo)熱速率方程描述，那么給出對(duì)流給熱速率方程是弄清楚間壁兩側(cè)流體傳熱的關(guān)鍵 。 T39。 ? ?WW TTAATTQtt????????? ?WttW TTAATTQ ???????? 對(duì)流給熱 令 ??? ?t對(duì)流給熱系數(shù)， W?m2?℃ 1 ? ?W2 TTAQ ?? ?熱流體側(cè)： ? ?ttA ?W1冷流體側(cè)： 牛頓冷卻定律 但以上方程無法直接應(yīng)用于換熱器，為什么？ 因?yàn)閾Q熱器中流體在管長(zhǎng)的不同位置溫度不同 ， 兩側(cè)流體的溫度差也不相同；所以必須在流體流動(dòng)方向上取微元段dl進(jìn)行分析；在微元段 dl中 ， 傳熱間壁的內(nèi)側(cè)傳熱面積為 dA1 ， 外側(cè)面?zhèn)鳠崦娣e為 dA2；如圖 ， 管內(nèi)為冷流體 ， 管外為熱流體 ， 微元管段上熱流體的對(duì)流給熱溫差為 TTW， 冷流體的對(duì)流給熱溫差為 tW t， 在間壁上導(dǎo)熱的溫差為 TW tW 。 傳熱量 Q的計(jì)算（不考慮熱損失及化學(xué)變化） （ 1）熱量衡算式 熱流體：無相變時(shí) ， Q = ms1cp1( T1T2 ) 有相變時(shí)， Q = ms1[r1+cp1( T1T2 )] 冷流體：無相變時(shí) ， Q = ms2cp2( t2t1 ) 有相變時(shí)， Q = ms2[r2+cp2(t2t1 )] 根據(jù)不同的情況計(jì)算傳熱量，如 冷、熱兩流體均無相變時(shí)： Q = ms1cp1( T1T2 ) = ms2cp2( t2t1 ) 熱流體飽和蒸汽冷凝： Q = ms1r1 = ms2cp2( t2t1 ) 冷流體飽和液體沸騰： Q = ms2r2 = ms1cp1( T1T2 ) 以上三中傳熱量計(jì)算式的條件： ① Q損 = 0； ② ms1 、 ms2為常數(shù)； ③ cp cp2為常數(shù)。 總傳熱系數(shù) （ 3） K的大致范圍 在進(jìn)行換熱器的計(jì)算時(shí)，要估計(jì)冷、熱流體間的總傳熱系數(shù)。 K變化范圍很大，應(yīng)對(duì)不同類型流體間傳熱時(shí)的 K值，有一數(shù)量級(jí)的概念。但因各項(xiàng)所占比重不同，要設(shè)法減小對(duì) K值影響較大的項(xiàng)。 ② 當(dāng)污垢熱組和管壁熱組很小可以忽略不計(jì)時(shí) 2121111????ddK提高 α就成為應(yīng)主要考慮的方面。 b、若 α2α1， K≈ α1， K幾乎完全取決于 α1 。 212121 ?????? dd 總傳熱系數(shù) 注：