传热过程的分析和计算.ppt
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1、第第7章章 传热过程传热过程的分析与计算的分析与计算v作业:作业:7-1,7-4,7-10,7-137.1 复合传热复合传热v通常将由两种或两种以上的基本热量传递方式通常将由两种或两种以上的基本热量传递方式同时起作用的热量传递过程同时起作用的热量传递过程称为复合传热或者称为复合传热或者综合换热(综合换热(combined convection and radiation heat transfer)v最常见的:最常见的:固体壁面与气体间的对流传热问题固体壁面与气体间的对流传热问题v对流传热和辐射传热往往是同时存在的对流传热和辐射传热往往是同时存在的v如室内的供暖管线、暖气片的散热、室外热力如室
2、内的供暖管线、暖气片的散热、室外热力管线的散热、人体表面的散热等管线的散热、人体表面的散热等v在复合传热中,固体壁面在复合传热中,固体壁面同时以对流和辐射的同时以对流和辐射的方式失去(或得到)热量方式失去(或得到)热量v两种热量传递方式是两种热量传递方式是并联的关系并联的关系 v复合传热计算的目的:复合传热计算的目的:确定表面净失去(或净确定表面净失去(或净得到)的热量得到)的热量t对流传热量可由牛顿冷却定律对流传热量可由牛顿冷却定律 辐射传热量的计算要相对复杂些。工程中为方辐射传热量的计算要相对复杂些。工程中为方便起见,采用与便起见,采用与牛顿冷却定律牛顿冷却定律相似的形式表示相似的形式表示
3、辐射传热过程辐射传热过程 vhr称为称为辐射传热表面传热系数辐射传热表面传热系数(radiation heat transfer coefficient),习惯上也称为),习惯上也称为辐射传热辐射传热系数系数 vht就称为就称为复合传热表面传热系数复合传热表面传热系数v引入复合传热表面传热系数的目的是简化复杂换引入复合传热表面传热系数的目的是简化复杂换热系统的分析计算热系统的分析计算v辐射传热表面传热系数的计算式:辐射传热表面传热系数的计算式:v表面的辐射传热量表面的辐射传热量r可根据固体壁面及所处环可根据固体壁面及所处环境的特点境的特点采用相应的方法进行计算采用相应的方法进行计算 v当作为凸
4、表面的固体壁面位于温度为当作为凸表面的固体壁面位于温度为Ts的大封闭的大封闭空腔内(如房间内的热水管线)时空腔内(如房间内的热水管线)时 v若环境辐射温度未知,在相差不大的情形下,若环境辐射温度未知,在相差不大的情形下,作为近似可近似取:作为近似可近似取:TsTf v是否考虑辐射换热,应根据具体情况而定:是否考虑辐射换热,应根据具体情况而定:v若流体是液体,通常认为液体是辐射不透若流体是液体,通常认为液体是辐射不透明体,这时有明体,这时有hr0v若气体与壁面间进行受迫对流传热,且换若气体与壁面间进行受迫对流传热,且换热温差不是很大,可忽略辐射,即热温差不是很大,可忽略辐射,即hthcv若气体和
5、壁面间进行自然对流换热,或换若气体和壁面间进行自然对流换热,或换热温差很大,必须考虑辐射换热热温差很大,必须考虑辐射换热v高温流体通过固体壁面把热量传给另一侧低温高温流体通过固体壁面把热量传给另一侧低温流体的过程,称为流体的过程,称为传热过程传热过程v完成传热过程的热力设备,称为完成传热过程的热力设备,称为换热器换热器 7.2 传热过程分析与计算传热过程分析与计算v传热方程式传热方程式 K传热系数传热系数物理意义冷、热流体的温差为物理意义冷、热流体的温差为1时单位时时单位时间、单位传热面积所传递的热量间、单位传热面积所传递的热量 传热过程计算的目的传热过程计算的目的计算传热过程中的传热系计算传
6、热过程中的传热系数、传热量数、传热量衡量传热过程强度的重要参数,过程量衡量传热过程强度的重要参数,过程量大小取决于冷热流体的物性、流速、固体壁面大小取决于冷热流体的物性、流速、固体壁面的形状、布置、材料的导热系数等的形状、布置、材料的导热系数等综合地反映了两侧的对流传热过程和导热过程综合地反映了两侧的对流传热过程和导热过程对传热的影响对传热的影响 7.2.1 7.2.1 通过平壁的传热过程通过平壁的传热过程v导热中导热中只关注平板的导热过程,计算了各类边只关注平板的导热过程,计算了各类边界条件下的温度分布、通过平板的导热量界条件下的温度分布、通过平板的导热量v传热过程中传热过程中壁面两侧流体间
7、的热量传递过程壁面两侧流体间的热量传递过程v说明说明 v(1)关于)关于h应理解为复合传热表面传热系数应理解为复合传热表面传热系数 v(2)采用试算法)采用试算法 v 如果如果为温度的函数,则应按平壁的平均温度计为温度的函数,则应按平壁的平均温度计算;若平壁温度未知,需假设进行试算法求解算;若平壁温度未知,需假设进行试算法求解 v(3 3)传热系数的计算)传热系数的计算传热系数传热系数 v(4 4)多层平壁)多层平壁v(5 5)强化传热的考虑)强化传热的考虑v为强化传热,有三条途径:为强化传热,有三条途径:方法方法1:提高温差提高温差 方法方法2:提高传热系数提高传热系数 如何提高传热系数?如
8、何提高传热系数?数学上可以证明数学上可以证明 提高较小的表面传热系数值,强化薄弱环节,提高较小的表面传热系数值,强化薄弱环节,效果最好效果最好 vh1103,h210,没有强化前:,没有强化前:K=9.90 W/(m2.K)v措施措施2:h1103,h220:K=19.6 W/(m2.K)v措施措施1:h12000,h210:K9.95 W/(m2.K)方法方法3:提高换热面积表面肋化提高换热面积表面肋化 为了减小热阻,面积应该加在哪一侧呢?为了减小热阻,面积应该加在哪一侧呢?大热阻对应表面传热系数较小的情形大热阻对应表面传热系数较小的情形所以所以应增加表面传热系数较小一侧的面积应增加表面传热
9、系数较小一侧的面积,可使,可使总热阻降低,特别是在两侧的表面传热系数相差总热阻降低,特别是在两侧的表面传热系数相差很大的情形很大的情形 总热阻是由两个热阻中较大的那一个决定的总热阻是由两个热阻中较大的那一个决定的降低热阻应从较大热阻入手降低热阻应从较大热阻入手v传热过程中,若各子过程的热阻相差较大,则热传热过程中,若各子过程的热阻相差较大,则热阻大的子过程决定了整个传热过程中的传热量,阻大的子过程决定了整个传热过程中的传热量,该该热阻称为控制热阻热阻称为控制热阻v控制热阻通常对应着控制热阻通常对应着表面传热系数较小、或换热表面传热系数较小、或换热面积较小面积较小的情形。只有有效地减小控制热阻,
10、才的情形。只有有效地减小控制热阻,才能减小整个过程的热阻能减小整个过程的热阻v强化传热应该对热阻较大的一侧采取强化措施,强化传热应该对热阻较大的一侧采取强化措施,效果最好。采取的措施应使两侧热阻接近,才能效果最好。采取的措施应使两侧热阻接近,才能收到预期的效果收到预期的效果 v举例:暖气强化传热,水侧举例:暖气强化传热,水侧or空气侧?空气侧?7.2.2 7.2.2 通过圆管壁的传热通过圆管壁的传热 工程上,一般都以圆管外壁面面积为基准计算工程上,一般都以圆管外壁面面积为基准计算传热系数传热系数 对多层圆筒壁对多层圆筒壁7.2.3 临界热绝缘直径临界热绝缘直径 v在工程上在工程上,为了减少热流
11、体输送管道的散热损失为了减少热流体输送管道的散热损失,通常用保温材料在管道外面加一层或多层保温通常用保温材料在管道外面加一层或多层保温层层v同时为了劳动保护的需要,一般使管道外表面同时为了劳动保护的需要,一般使管道外表面的温度低于的温度低于50v如何选择保温材料和保温层的厚度是需要解决如何选择保温材料和保温层的厚度是需要解决的主要问题的主要问题 v通过二层圆管的稳态传热过程通过二层圆管的稳态传热过程热流体和周围热流体和周围环境温度不变、管壁材料的热导率为环境温度不变、管壁材料的热导率为1,保温材,保温材料的热导率为料的热导率为x v随着保温层厚度的增加,即随随着保温层厚度的增加,即随着着dx的
12、增大:的增大:v管内对流传热热阻与管壁管内对流传热热阻与管壁导热热阻之和导热热阻之和Rh1+R1保持不变保持不变v保温层导热热阻保温层导热热阻Rx随随之加之加大大v保温层外侧的对流传热热保温层外侧的对流传热热阻阻Rh1却随之减小却随之减小 v计算表明:计算表明:d2较小时,总热阻较小时,总热阻Rk先随着先随着dx的增大的增大而减小而减小,然后再随着然后再随着dx的增大而增大的增大而增大,中间出现极中间出现极小值,相应热流量出现极大值小值,相应热流量出现极大值v总热阻总热阻Rk取得极小值时的保温层外径取得极小值时的保温层外径dx称为称为临界临界绝缘直径绝缘直径,用用dc表示表示 临界绝缘直径临界
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