工程热力学与传热学(第二十四讲)17-1、2.docVIP

第十七章 传热过程 工业生产中经常需要在温度不同的两种流体之间实现热交换，而流体又不能混合在一起，因此热交换过程是在热交换器或换热器中来实现的。 换热器中，一般冷、热流体分别处在固体壁面的两侧，热量由热流体经固体壁面传递给冷流体的过程中，往往同时存在着导热、对流换热和辐射换热三种基本方式。 本章讨论这三种基本传热方式联合作用时的传热过程，分析传热量计算以及增强与削减传热的方法。 第一节 传热过程及计算 一、基本概念 传热过程：指热量由热流体经固体壁面传递给另一侧冷流体的过程。 例如，柴油机汽缸中高温燃气向缸壁外侧冷却水的传热； 制冷设备中蒸发器的管外空气与管内制冷工质的传热； 各种换热器中热流体通过管壁向冷流体的传热都属于传热过程。 传热过程的特点： （1）传热过程至少包含了三个串联的环节，其中两个环节有流体参与换热； （2）传热过程至少包含了两种以上的换热方式： 固体本身的导热、流体与固体壁面的对流换热。 其中，对流换热有以下四种可能： ① 强制对流—如油冷却器水侧； ② 自然对流—如暖气散热器空气侧； ③ 相变对流换热—如蒸发器和冷凝器的制冷剂侧； ④ 对流与辐射的复合换热。 对于复合换热，一般认为稳定状态下各种换热过程互不干涉，总换热系数是各种基本换热过程单独作用的总和。即 α=α对流+α辐射 二、平壁传热过程计算 由图17-1可以看出通过平壁传热过程中的温度分布曲线。 冷、热流体被一无限大平壁隔开。平壁侧面积为F，厚度为δ，导热系数为λ； 热流体测流体温度、避免温度和总换热系数分别为tf1、tW1和α1； 冷流体测流体温度、避免温度和总换热系数分别为tf2、tW2和α2. 热流体传给壁面的总换热量为： Q1=α1(tf1- tW1)F （17-1） 平壁导热量为： 壁面传给冷流体的总换热量为： Q2=α2(tf2- tW2)F （17-3） 当系统达到稳定状态时，由热流体向壁面传递的热量等于经过平壁所传递的热量，也等于壁面传给冷流体的热量。即 Q2=Qλ=Q2=Q 将式（17-1）、（17-2）和（17-3）移项整理后可得传热热流量的计算公式 单位面积上的热流量（即热流密度）为 式中，K为传热系数，单位为W/(m2?0C)。 K的意义：表示冷热介质温差为10C时，单位传热面积在单位时间内所传递的热量。 传热系数综合了各个环节的特点，反映传热过程的整体传热能力。 K值的大小取决于传热系数α1、α2、导热系数λ和壁厚δ数值的大小。 要增强传热，就应该设法提高K值；要削弱传热，则应设法减小K值。 传热系数的倒数称为传热过程的总热阻（R）： R的意义：传热是串联着的三个传热环节的组合，传热过程的总热阻为各个环节的热阻的叠加。（与电流依次通过串联的三个电阻的情况类似）。 对于多层平壁的传热，传热热流量计算公式为 课堂练习：自学P152-例17-1 三、圆筒壁传热过程计算 如图17-2所示，设有一长为L、内径为d1、外径为d2的圆管，管壁的导热系数为λ，内、外壁面温度分别为tw1和tw2。设管内热流体、管外冷流体的温度和换热系数分别为tf1、α1和tf2、α2。 在稳定传热过程中，热流体传给管内壁的热量、管壁的导热量和管外壁传给冷流体的热量均相等，则对每米管长有： 由以上三式可推导出，单位管长的传热热流量 每米管长的传热系数k1为 每米管长的热阻R为 同平壁传热一样，根据总热阻等于各环节热阻之和，多层圆筒壁的单位管长传热量为 第二节 强化传热与削弱传热 一、强化传热 利用换热器实现流体间的热交换时，都希望能够加强换热。 强化传热的目的： （1）增强换热强度，提高传热过程中单位时间内传递的热量； （2）减少传热面积，降低换热设备材料消耗，缩小体积、节省空间； （3）有效地降低电子元件、发动机等高温设备的温度。 强化传热技术对于节省能源、废热利用、降低换热器成本、保证高温设备的安全运行具有重要意义，因此也是传热研究的热门问题。 根据传热过程热流量计算的一般公式（Q=KFΔt）可知，要想提高热流量，就必须增大K、F和Δt三个参数。 1．提高传热系数K 由于传热系数是几个环节热阻之和的倒数，减少每一个环节的热阻都可以使传热系数增大。 但是，不同环节热阻的降低对提高传热系数的作用往往是不相同的，甚至差别很大。 要强化传热，必须找到哪个环节的热阻最大，只要减少这个环节的热阻，就会使传热系数明显提高。 几种常见情况的热阻比较： ① 金属壁面厚度不大时，导热系数较高，热阻很小； ② 固体壁面两则的对流换热中，自然对流的热阻大于强制对流的热阻； ③ 工质为气体的热阻大于液体的热阻； ④ 单相对流换热热阻高于有相变的对流换热。 根据上述原则，不难判断出热阻最大的环节。如有空气参与换热，空气侧的换热通常热阻最大，是最需要强化的环节