第四章 傳熱題

第四章傳熱題第1頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月同理，由傅立葉定律上式的積分限將b換成x，t2換成t，可得溫度分布第2頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月[例4-2]某燃燒爐的爐壁由500mm厚的耐火磚、380mm厚的絕熱磚及250mm厚的普通磚砌成。其λ值依次為1.4W/m.℃，0.10W/m.℃及0.92W/m.℃

。傳熱面積為1m2，現(xiàn)操作時(shí)耐火磚內(nèi)壁溫度為1000℃，普通磚外壁溫度為50℃，要求絕熱溫度不超過940℃，普通磚溫度不超過138℃，求單位面積的熱傳導(dǎo)速率及層與層之間溫度？解：設(shè)耐火磚兩側(cè)溫度為t1和t2，普通磚兩側(cè)溫度為t3和t4，則第3頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月又解得均未超過溫度限。第4頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月[例4-3]有一玻璃管，內(nèi)外直徑分別為5mm和6mm，用來輸送流體，若管內(nèi)壁溫度為75℃，外壁溫度為30℃，玻璃的平均熱傳導(dǎo)系數(shù)λ為1.09W/m.℃。求單位管長的熱傳導(dǎo)速率？若外包扎一層厚為2mm的絕熱材料，絕熱材料外表面溫度為25℃，熱傳導(dǎo)系數(shù)為0.09W/m.℃，這時(shí)單位管長的熱傳導(dǎo)速率又為多少？解：由圓筒壁一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)公式所以第5頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月包有絕熱層時(shí)由多層圓筒壁熱傳導(dǎo)公式第6頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月[例4-4]在一φ60×3.5mm的鋼管外包有兩層絕熱材料，里層為40mm的氧化鎂粉，平均導(dǎo)熱系數(shù)λ=70.0W/(m·K)，外層為20mm的石棉層，其平均導(dǎo)熱系數(shù)λ=0.15W/(m·K)，現(xiàn)用熱電偶測(cè)得管內(nèi)壁溫度為500℃，最外層表面溫度為80℃，管壁導(dǎo)熱系數(shù)λ=45W/(m·K)，試求（1）每米管長的熱損失（2）保溫層界面溫度。解（1）每米管長的熱損失。

第7頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月

（2）界面溫度

或

解得：

第8頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月【例1】套管換熱器外管內(nèi)徑60mm，內(nèi)管規(guī)格φ40×4.0mm，用水將為2500kg/h的某液體有機(jī)物從100℃冷卻至40℃，水走管內(nèi)，有機(jī)物走環(huán)隙，逆流流動(dòng)，操作溫度下，有機(jī)物密度860kg/m3,粘度2.8×10-3Pa.S，比熱2.26kJ/(kg.℃)，導(dǎo)熱系數(shù)0.452W/(m.℃),水的進(jìn)、出口溫度分別為15℃和45℃，熱損失忽略不計(jì)。試求：(1)水對(duì)管內(nèi)壁的給熱系數(shù)；(2)有機(jī)溶液對(duì)管外壁的給熱系數(shù)；(3)若將水流量增加20%，其他條件不變，重求水對(duì)管內(nèi)壁的給熱系數(shù)。第9頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月解：⑴水的定性溫度：查得ρ2=995.7kg/m3,μ2=0.0008N·s/m2,

2=0.618W/(m·K)Cp2=4.174kJ/(kg·℃)根據(jù)熱量衡算式求得水流量

管內(nèi)流速：第10頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月水側(cè)給熱系數(shù)：

⑵套管環(huán)隙當(dāng)量直徑de=d2-d1=0.060-0.04=0.02mm,環(huán)隙流速

第11頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月根據(jù)過渡流給熱系數(shù)的計(jì)算方法，有

故得溶液側(cè)給熱系數(shù)：

⑶水流量增加后的給熱系數(shù)

第12頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月【例2】一列管式換熱器，由38根

25×2.5mm的無縫鋼管組成，苯在管內(nèi)流動(dòng)，由20℃加熱到80℃，苯的流量為8.32kg/s，外殼中通入水蒸氣進(jìn)行加熱，求：（1）管壁對(duì)苯的對(duì)流傳熱系數(shù)；（2）管子換19×2mm，管壁對(duì)苯的對(duì)流傳熱系數(shù)；（3）當(dāng)苯的流量提高一倍，對(duì)流傳熱系數(shù)變化如何？已知：苯的物性第13頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月解:(1)第14頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月(2)第15頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月(3)第16頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月【例3】在200kPa、20℃下，流量為60m3/h的空氣進(jìn)入套管換熱器的內(nèi)管，并被加熱到80℃，內(nèi)管直徑為57×3.5mm，管長3m。試求管壁對(duì)空氣的對(duì)流傳熱系數(shù)。解：定性溫度為(20＋80)/2=50℃查附錄空氣的物性為＝1.96×10-5Pas=2.88×10-2W/(m℃)Pr=0.698空氣的流速u=qV/(di2/4)=4×60/(3600××0.052)=8.49m/s空氣入口處密度為第17頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月所以，雷諾數(shù)Re=duρ/=0.05×8.49×2.379/1.96×10-5=51530且L/di=3/0.05>=60所以代入數(shù)據(jù)得＝66.3(W/m2℃)第18頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月【例4】5℃的冷凍鹽水(25％CaCl2溶液)以0.3m/s的流速流經(jīng)一套管換熱器內(nèi)管，已知內(nèi)管的內(nèi)徑為21mm、長度為3.0m。假設(shè)管壁的平均溫度為65℃，試求鹽水的出口溫度。解：假設(shè)定性溫度為5℃，查附錄25％CaCl2的物性為：1230kg/m3,cp2.85kJ/(kg℃),＝4×10-3Pas,

w＝0.65×10-3Pas,0.57W/(m℃)判斷流型：

Re=du/=1940Pr=cp/=20RePr(d/L)=272>100符合圓管內(nèi)強(qiáng)制層流情況第19頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月代入各數(shù)據(jù)得

＝421W/(m2℃)作熱量衡算：

Q=Wcp(t2-t1)=St其中：S=diLt=tw-(t1+t2)/2W=ri2u將上述數(shù)據(jù)代入熱量衡算式得：t2=9.37℃第20頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月【例5】有一列管換熱器,由60根25×2.5mm的鋼管組成。通過該換熱器，用飽和蒸汽加熱苯。苯在管內(nèi)流動(dòng)，由20℃加熱到80℃，苯流量為13kg/s。試求苯在管內(nèi)的對(duì)流傳熱系數(shù)。若苯的流量提高80%，假設(shè)仍維持原來的出口溫度，問此時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)又為多少？解：定性溫度為(20＋80)/2=50℃查附錄苯的物性為＝860kg/m3,cp=1.8kJ/(kg·K),＝0.45×10-3Pa·s=0.14W/(m·℃)管內(nèi)苯的流速u=qm/n(di2/4)=13/[860×60(3600××0.052)]=8.49m/s第21頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月流動(dòng)雷諾數(shù)普蘭特準(zhǔn)數(shù)一般列管式換熱器L/di>=60所以可用代入數(shù)據(jù)得＝1260(W/m2℃)流量增加時(shí)：所以第22頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月【例6】壓力為0.1MPa的空氣在內(nèi)徑為50mm，長0.5m的水平管內(nèi)流過。入口溫度為15℃，出口溫度為39℃，其平均流速為0.6m/s。管壁溫度維持在120℃。試求空氣在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)解：定性溫度為(15＋39)/2=27℃,查附錄空氣的物性為＝1.18kg/m3,cp=1.013kJ/(kg·K),＝1.84×10-5Pa·s=0.0265W/(m·℃)，w＝2.29×10-5Pa·s判斷流型：

Re=du/=1924，Pr=cp/=0.703RePr(d/L)=272>135，Gr=(di3

2avgt)/2=1.56×106第23頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月符合園管內(nèi)強(qiáng)制滯流情況，但需校正代入各數(shù)據(jù)得

＝4.9W/(m2℃)而f=0.8(1+0.015Gr1/3)=2.19則第24頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月例：有一列管換熱器，由φ25×2.5mm的鋼管組成。CO2在管內(nèi)流動(dòng)，冷卻水在管外流動(dòng)。已知管外的αo=2500W/m2·K，管內(nèi)的αi=50W/m2·K。（1）試求傳熱系數(shù)K；（2）若αo增大一倍，其它條件與前相同，求傳熱系數(shù)增大的百分率；（3）若αi增大一倍，其它條件與（1）相同，求傳熱系數(shù)增大的百分率。第25頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月取鋼管的導(dǎo)熱系數(shù)λ=45W/m·K，冷卻水測(cè)的污垢熱阻Rso=0.58×10-3

m2·K/WCO2側(cè)污垢熱阻Rsi=0.5×10-3

m2·K/W解：（1）求以外表面積為基準(zhǔn)時(shí)的傳熱系數(shù)則：第26頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月(2)αo增大一倍，即αo=5000W/m2·K時(shí)的傳熱系數(shù)K’第27頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月K值增加的百分率（3）αi增大一倍，即αi=100W/m2·K時(shí)的傳熱系數(shù)K值增加的百分率第28頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月四、傳熱的平均溫度差

恒溫差傳熱：變溫差傳熱：

傳熱溫度差不隨位置而變的傳熱

傳熱溫度差隨位置而改變的傳熱

傳熱流動(dòng)形式

并流：逆流：錯(cuò)流：折流：兩流體平行而同向的流動(dòng)兩流體平行而反向的流動(dòng)兩流體垂直交叉的流動(dòng)一流體只沿一個(gè)方向流動(dòng)，而另一流體反復(fù)折流第29頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月例：在一單殼單管程無折流擋板的列管式換熱器中，用冷卻水將熱流體由100℃冷卻至40℃，冷卻水進(jìn)口溫度15℃，出口溫度30℃，試求在這種溫度條件下，逆流和并流的平均溫度差。第30頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月解：

逆流時(shí)：

熱流體：冷流體：7025并流時(shí)：

熱流體：冷流體：8510第31頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月【例1】在套管換熱器中用20℃的冷卻水將某溶液從100℃冷卻至60℃，溶液流量為1500kg/h，溶液比熱為3.5kJ/(kg·℃)，已測(cè)得水出口溫度為40℃，試分別計(jì)算并流與逆流操作時(shí)的對(duì)數(shù)平均溫差。若已知并流和逆流時(shí)總傳熱系數(shù)K=1000W/(m2·℃)，求并流操作和逆流操作所需的傳熱面積。第32頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月解：逆流和并流的平均溫差分別是：傳熱負(fù)荷為：逆流操作和并流操作時(shí)換熱器的面積分別是：第33頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月【例2】在內(nèi)管為的套管換熱器中，流量為的鹽水從加熱到，采用常壓蒸汽在管外加熱，蒸汽溫度,內(nèi)管的導(dǎo)熱系數(shù)，鹽水給熱系數(shù)為，蒸汽在管外給熱系數(shù)，求加熱套