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《化工单元操作》
项目二 传热
任务三 获取传热知识（2）
四、传热系数
（一） 热传导
1. 物体的导热规律
傅立叶定律
式中 Q——导热速率，J/s或W；
——比例系数，称为热导率或导热系数，W/(m·K)；
S——导热面积，m2；
dt/dx——温度梯度。
热导率是表征物质导热性能的一个物性参数， 越大，导热性能越好。导热性能的大小与物质的组成、结构、温度及压强等有关。
物质的热导率通常由实验测定。各种物质的热导率数值差别极大，一般而言，金属的热导率最大，非金属的次之，液体的较小，而气体的最小。各种物质的热导率的大致范围如下：金属2.3～420W/(m·K)；建筑材料0.25～3W/(m·K)；绝热材料0.025～0.25W/(m·K)；液体0.09～0.6W/(m·K)；气体0.006～0.4W/(m·K)。
与液体和固体相比，气体的热导率最小，对导热不利，但却有利于保温、绝热。工业上所使用的保温材料，如玻璃棉等，就是因为其空隙中有大量空气，所以其导热系数很小，适用于保温隔热。
2. 导热速率的计算
(1) 平壁导热速率的计算
式中 σ——平壁厚度，m；
Δ t＝t1－t2——温度差，导热推动力，K；
R——导热热阻，K/W；
【例2-6】 普通砖平壁厚度为500mm，一侧为300℃，另一侧温度为30℃，已知平壁的平均导热系数为0.9W/(m ℃)，试求：
①通过平壁的导热通量，W/m2；
②平壁内距离高温侧300mm处的温度。
解：
多层平壁导热
由于是平壁，各层壁面面积可视为相同，设均为S；各层壁面厚度分别为b1、b2和b3；导热系数分别为λ1、λ 2和λ 3；假设层与层之间接触良好，即互相接触的两表面温度相同，各表面温度分别为t1、t2、t3和t4，则在稳态导热时，通过各层的导热速率必定相等，即：Q1=Q2=Q3=Q
串联传热 Q1=Q2=Q3=Q
导热速率等于任一分热阻的分推动力与对应的分热阻之比，也等于总推动力与总热阻之比;总推动力等于各分推动力之和，总热阻等于各分热阻之和。
对n层平壁，其导热速率方程式为：
U=U1+U2+U3
R=R1+R2+R3
I = I1 = I2 = I3
【例2-7】 某平壁燃烧炉是由一层耐火砖与一层普通砖砌成，两层的厚度均为100 mm，其热导率分别为0.9 W/(m·K)及0.7 W/(m·K)。待操作稳定后，测得炉壁的内表面温度为700℃，外表面温度为130℃。为减少燃烧炉的热损失，在普通砖的外表面增加一层厚度为40 mm，热导率为0.06 W/(m·K)的保温材料。操作稳定后，又测得炉内表面温度为740℃，外表面温度为90℃。设两层材料的热导率不变。计算加保温层后炉壁的热损失比原来减少百分之几？
解：
热损失减少的百分数 （2240 - 707）/2240 = 68.4%
(2) 圆筒壁导热速率的计算
圆筒壁的内、外表面积的平均值Sm可分别采用对数平均值（S2/S1≥2时）或算术平均值(S2/S1≤2时)加以计算。
三层圆筒壁
n层圆筒壁
【例2-8】 某工厂用Φ170×5mm的无缝钢管输送水蒸汽，管长50m,钢管的热导率为45 W/(m·K)。为减少沿途的热损失，在管外包两层绝热材料，第一层为厚30mm的矿渣棉，其热导率为0.065 W/(m·K)；第二层为厚30mm的石棉灰，其热导率为0.21 W/(m·K)。管内壁温度为300℃，保温层外表面温度为40℃。试求该管路的散热量？
解：
作业
计算题：P110页8
(二)对流传热
对流传热分析:
在对流传热（或称给热）时，热阻主要集中在滞流内层，因此，减薄滞流内层的厚度是强化对流传热的重要途径。
1.对流传热基本方程——牛顿冷却定律
Q——对流传热（或给热）速率，W；
S——对流传热面积，m2；
Δt——流体与壁面（或反之）间温度差的平均值，K；
——对流传热系数（或给热系数），W/m2 K；
1/( S)——对流传热热阻，K/W。
表2-1 值的范围
对流传热类型
（无相变） /W/m2 K 对流传热类型
（有相变） /W/m2 K
气体加热或冷却 5～100 有机蒸汽冷凝 500～2000
油加热或冷却 60～1700 水蒸汽冷凝 5000～15000
水加热或冷却 200～15000 水沸腾 2500～25000
结论:
　　气体的 值最小，载热体发生相变时的 值最大，且比气体的 值大得多。
2.影响对流传热系数的因素
①流体的种类及相变情况
　　液体、气体和蒸汽；流体有无相变
②流体的性质
　　导热系数、比热容、黏度和密度
③流体的流动状态
　　滞流 、湍流
④流体流动的原因
　　强制对流 、自然对流
⑤传热面的形状、位置及大小
　　管内、管外、板、翅片 ；水平或垂直放置、管束的排列方式等 ；管径、管长、板高
准数名称 符号 准数 意义
努塞尔特准数 Nu α l / λ 表示对流传热系数的准数
雷诺准数 Re l u ρ/μ 确定流动状态的准数
普兰特准数 Pr Cpμ / λ 表示物性影响的准数
格拉斯霍夫准数 Gr 略 表示自然对流影响的准数
3. 对流传热系数的特征数关联式
4.流体无相变时的对流传热系数关联式
(1)流体在圆形直管内作强制湍流
①低黏度（小于2倍常温水的黏度）流体
　　式中n值随热流方向而异，当流体被加热时，n＝0.4，当流体被冷却时，n＝0.3。
　　应用范围：Re＞10000，0.7＜Pr＜120；管长与管径比L/dI≥60。
　　特征尺寸：Nu、Pr准数中的l取为管内径di。
　　定性温度：取为流体进、出口温度的算术平均值。
　　φW为热流方向校正系数，当液体被加热时，φW＝1.05；当液体被冷却时，φW＝0.95。
[补充例题] 常压空气在内径为50mm、长度为3m的管内由20℃加热到80℃，空气的平均流速为15m/S，试求管壁对空气的对流传热系数。
解：定性温度
在附录中查得50℃下空气的物性如下：
＝1.96×10－5Pa.S 　　λ=2.83×10-2W/(m K)
＝1.093Kg/m3 　　　　Pr=0.698
（2）高黏度液体
Pr、Re及L/dI值均在式1-36应用范围内，故可用该式计算 。又气体被加热，取n＝0.4，则：
5.流体有相变时的对流传热
(1)蒸汽冷凝过程的对流传热
蒸汽冷凝主要有两种方式：膜状冷凝和珠状冷凝（或称滴状冷凝）
　　　在滴状冷凝过程中，壁面的大部分直接暴露在蒸汽中，由于在这些部位没有液膜阻碍热流，故其对流传热系数很大，是膜状冷凝的十倍左右。
图2-33
影响冷凝传热的因素
　　蒸汽冷凝时，在壁面形成液膜，液膜的厚度及其流动状态是影响冷凝传热的关键。凡有利于减薄液膜厚度的因素都可以提高冷凝传热系数。
①蒸汽的流速和流向
u>10m/s;同向
②蒸汽中不凝气体的含量
　 若空气中含有空气或其他不凝性气体，由于气体的导热系数小，气体聚集成薄膜附着在壁面后，将大大降低传热效果。研究表明，当蒸汽中含有1%的不凝性气体时，对流传热系数将下降60％。
③流体的物性
冷凝液密度 大、粘度 低、 大；蒸汽的冷凝潜热r高
④冷凝壁面的形状和位置
(2)液体沸腾过程的对流传热
6. 对流－辐射联合传热系数
式中 T——对流－辐射联合传热系数，W/(m2 K)；
SW——设备或管道的外壁面积，m2；
tW、t——设备或管道的外壁温度和周围环境温度，K。
对流－辐射联合系数 T可用如下经验式估算：
① 室内（tW＜150℃，自然对流）
对圆筒壁（D＜1m） T=9.42+0.052(tW-t)
对平壁（或D≥1m的圆筒壁） T=9.77+0.07(tW-t)
② 室外
作业
计算题：P111页11

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