传热过程的计算思考题

6.6 传热过程的计算

工业上大量存在传热过程（我们指间壁式传热过程），他包括了流体与固体表面间的给热和固体内部的导热。前面我们已经学过了导热和各种情况下的给热所遵循的

T1 规律，本节讨论传热过程的计算问题。

热流体 T+dT 6.6.1 传热过程的数学描述 T t2 t1 t+dt t 在连续化的工业生产中，换热器内进行的大都是定态传热过程。 冷流体 （1）热量衡算微分方程式

如图为一套管式换热器，内管为传热管，传热管外径d1，内径dA T2 A d2，微元传热管外表面积dA1，管外侧?1；内表面积dA2，内侧?2，平均面积dAm，壁面导热系数?。

对微元体做热量衡算得 ?ms1cp1dT?qdA?dQ

?ms2cp2dT?qdA?dQ

以上两式是在以下的假设前提下：

① 热流体流量ms1和比热cp1沿传热面不变；

② 热流体无相变化； ③ 换热器无热损失；

④ 控制体两端面的热传导可以忽略。 （2）微元传热速率方程式

如图所示套管换热器中，热量由热流体传给管壁内侧，再由管壁内侧传至外侧，最后由管壁外侧传给冷流体。

对上述微元，我们可以得到

dQ?dQ1?dQ2?dQ3?q1dA1?q2dAm?q3dA3

T?TwTw?twt?tT?t推动

6.6 传热过程的计算

工业上大量存在传热过程（我们指间壁式传热过程），他包括了流体与固体表面间的给热和固体内部的导热。前面我们已经学过了导热和各种情况下的给热所遵循的

T1 规律，本节讨论传热过程的计算问题。

热流体 T+dT 6.6.1 传热过程的数学描述 T t2 t1 t+dt t 在连续化的工业生产中，换热器内进行的大都是定态传热过程。 冷流体 （1）热量衡算微分方程式

如图为一套管式换热器，内管为传热管，传热管外径d1，内径dA T2 A d2，微元传热管外表面积dA1，管外侧?1；内表面积dA2，内侧?2，平均面积dAm，壁面导热系数?。

对微元体做热量衡算得 ?ms1cp1dT?qdA?dQ

?ms2cp2dT?qdA?dQ

以上两式是在以下的假设前提下：

① 热流体流量ms1和比热cp1沿传热面不变；

② 热流体无相变化； ③ 换热器无热损失；

④ 控制体两端面的热传导可以忽略。 （2）微元传热速率方程式

如图所示套管换热器中，热量由热流体传给管壁内侧，再由管壁内侧传至外侧，最后由管壁外侧传给冷流体。

对上述微元，我们可以得到

dQ?dQ1?dQ2?dQ3?q1dA1?q2dAm?q3dA3

T?TwTw?twt?tT?t推动

第五节 传热过程的计算

化工生产中广泛采用间壁换热方法进行热量的传递。间壁换热过程由固体壁的导热和壁两侧流体的对流传热组合而成，导热和对流传热的规律前面已讨论过，本节在此基础上进一步讨论传热的计算问题。

化工原理中所涉及的传热过程计算主要有两类：一类是设计计算，即根据生产要求的热负荷，确定换热器的传热面积；另一类是校核计算，即计算给定换热器的传热量、流体的流量或温度等。两者都是以换热器的热量衡算和传热速率方程为计算基础。

4-5-1 热量衡算

流体在间壁两侧进行稳定传热时，在不考虑热损失的情况下，单位时间热流体放出的热量应等于冷流体吸收的热量，即：

Q=Qc=Qh （4-59） 式中 Q——换热器的热负荷，即单位时间热流体向冷流体传递的热量，W； Qh——单位时间热流体放出热量，W； Qc——单位时间冷流体吸收热量，W。

若换热器间壁两侧流体无相变化，且流体的比热容不随温度而变或可取平均温度下的比热容时，式（4-59）可表示为

Q?Whcph?T1?T2??Wccpc?t2?t1

知识点4－4 传热过程计算

【学习指导】

1．学习目的

通过本知识点的学习，掌握换热器的能量衡算，总传热速率方程和总传热系数的计算。在传热计算的两种方法中，重点掌握平均温度差法，了解传热单元数法及应用场合。

2．本知识点的重点

换热器的能量衡算，总传热速率方程和总传热系数的计算，用平均温度差法进行传热计算。

3．本知识点的难点

传热单元数法。

4．应完成的习题

4-4 在某管壳式换热器中用冷水冷却热空气。换热管为φ25×2.5 mm的钢管，其导热系数为45 W/(m·℃)。冷却水在管程流动，其对流传热系数为2600 W/(m·℃)，热空气在壳程流动，其对流传热系数为52 W/(m·℃)。试求基于管外表面积的总传热系数 阻的百分数。设污垢热阻可忽略。

2

2

以及各分热阻占总热

4-5 在一传热面积为40m的平板式换热器中，用水冷却某种溶液，两流体呈逆流流动。冷却水的流量为30000kg/h，其温度由22℃升高到36℃。溶液温度由115℃降至55℃。若换热器清洗后，在冷、热流体量和进口温度不变的情况下，冷却水的出口温度升至40℃，试估算换热器在清洗前壁面两侧的总污垢热阻。假设：

2

（1）两种情况下，冷、热流体的物性可视为不变，水的平均比热容为4.1

第 29卷 增刊 1999年 11月

东 南 大 学 学 报 JOURNA L OF S OUTHE AST UNI VERSITY Vol 129Sup. Nov. 1999

激光焊接传热过程的数值计算 3

徐九华 罗玉梅 (, 摘 要 , 建立了运动 , 提出采用位置预置 、 液相交界面位置进行准确捕捉 , 并对这一小孔焊接 , 揭示了材料热物理性能 、 小孔直径 、 焊接速度等 因素对焊接热过程的影响 .

关键词 传热 ; 温度场 ; 数值模拟 ; 激光焊接 分类号 O551. 3;O241. 8

Ξ国家自然科学基金资助项目 (59575069 .

收稿日期 :1999-06-14. 第一作者 :男 ,1964年生 , 博士 , 副教授 .

当功率密度超过 109W/m 2的激光束流照射到金属材料表面时 , 材料将瞬时汽化并在束流 压力和蒸汽压力的共同作用下形成一个细长的柱形小孔 , 小孔中的汽化金属被电离并将射入 的能量完全吸收 , 然后将热量传递给周围材料使其熔化 , 在小孔周围形成熔池 . 这种现象常出 现在激光束焊过程中 . 这类焊接能获得极小的熔化区和热影响区

1、简述超低温绝热设计原理。

2、简述吸液芯式热管工作原理、性能特点，并举例其应用。

3、简述提高家用燃气灶-炊具热效率的技术途径。 4、简述保温技术内涵及新型保温材料热设计原则。 5、简述相似三定理及在传热实验中的应用

6、用相似转换方法导出对流换热通用准数方程。单管空气自由对流放热准数方程表达式为Nu?C(GrgPr)n，请您设计确定方程中常数C、n 的实验方法，并阐述其实验原理和实验过程，分析实验误差产生的原因。

7、建立如下图所示平板型太阳能集热器吸热量计算模型，并对提高太阳能集热器吸热效率的技术途径进行分析。

8、针对相变换热、无相变换热、单相传热及换热器综合传热，请分析其强化传热途径。

9、某熔制金属液的火焰炉传热、温度计算模型及关系曲线如下。（1）分析其强化传热途径；（2）分析壁温影响因素；（3）分析计算模型对窑炉设计和窑炉操作的指导作用；

传热计算模型： Qnet,fm??Tf?4?Tm?4??Cfm?????100??Fm??c(tf?tm)Fm100????????4壁温计算模型： Tw?Tm?其中：Cfm??f?mC04?f[1??(1??f)(1??m)]?f??(1?

1、 烧开水时，为什么一旦水烧干了，铝壶就很容易烧坏？

答案：水侧沸腾的表面传热系数远大于火焰侧的表面传热系数，没烧干时，壶底更接近于水的温度，所以不会达到铝的熔点。

2、 同样是25°C的房子，为什么夏天可以穿衬衫，而冬天却要穿毛衣？ 答案：墙壁内侧温度夏天比冬天高。所以，人体向外辐射的能量冬天比夏天多，而自然对流和辐射换热处于同一数量级。

3、 电影《泰坦尼克号》里，为什么Jack冻死了，而Rose没有？

答案：一般来说，在相同温度和压力状态下，水的换热能力比空气强，所以Jack身体散热比Rose快。（物性的影响）

4、 中央电视台1999年9月5日的《科技博览》指出：72°C的铁和600°C

的木头摸上去的感觉是一样的，您知道为什么吗？ 答案：人手感觉到的冷暖实际上是热量传递的快慢，而铁的导（吸）热系数远大于木头的。

5、 摩托车手的膝盖需要特别的保温,你知道为什么吗?

答案：因为膝盖处的热边界层很薄（相当于外掠物体的前驻点），换热能力较强，该处与空气的换热量较大。

6、 冬天，隔着玻璃晒太阳感觉更暖和，为什么？

答案：普通玻璃对太阳辐射的光几乎完全穿透，而对常温下室内物体的红外辐射能量被阻挡在房间内，这一现象类似于“温室效应”。

7、

1、 烧开水时，为什么一旦水烧干了，铝壶就很容易烧坏？

答案：水侧沸腾的表面传热系数远大于火焰侧的表面传热系数，没烧干时，壶底更接近于水的温度，所以不会达到铝的熔点。

2、 同样是25°C的房子，为什么夏天可以穿衬衫，而冬天却要穿毛衣？ 答案：墙壁内侧温度夏天比冬天高。所以，人体向外辐射的能量冬天比夏天多，而自然对流和辐射换热处于同一数量级。

3、 电影《泰坦尼克号》里，为什么Jack冻死了，而Rose没有？

答案：一般来说，在相同温度和压力状态下，水的换热能力比空气强，所以Jack身体散热比Rose快。（物性的影响）

4、 中央电视台1999年9月5日的《科技博览》指出：72°C的铁和600°C

的木头摸上去的感觉是一样的，您知道为什么吗？ 答案：人手感觉到的冷暖实际上是热量传递的快慢，而铁的导（吸）热系数远大于木头的。

5、 摩托车手的膝盖需要特别的保温,你知道为什么吗?

答案：因为膝盖处的热边界层很薄（相当于外掠物体的前驻点），换热能力较强，该处与空气的换热量较大。

6、 冬天，隔着玻璃晒太阳感觉更暖和，为什么？

答案：普通玻璃对太阳辐射的光几乎完全穿透，而对常温下室内物体的红外辐射能量被阻挡在房间内，这一现象类似于“温室效应”。

7、

教材上的思考题

第8章 思考题

1．试说明热传导（导热）、热对流和热辐射三种热量传递基本方式之间的联系与区别。 区别：它们的传热机理不同。导热是由于分子、原子和电子等微观粒子的热运动而产生的热量传递现象，其本质是介质的微观粒子行为。热对流是由于流体的宏观运动，致使不同温度的流体相对位移而产生的热量传递现象，其本质是微观粒子或微团的行为。辐射是由于物体内部微观粒子的热运动而使物体向外发射辐射能的现象，其本质是电磁波，不需要直接接触并涉及能量形式的转换。 联系：经常同时发生。 2．试说明热对流与对流换热之间的联系与区别。 热对流是由于流体的宏观运动，致使不同温度的流体相对位移而产生的热量传递现象。对流换热是流体与固体表面之间由热对流和导热两种传热方式共同作用导致的传热结果。 3. 从传热的角度出发，采暖散热器和冷风机应放在什么高度最合适？ 答：采暖器和冷风机主要通过对流传热的方式使周围空气变热和变冷，使人生活在合适的温度范围中，空气对流实在密度差的推动下流动，如采暖器放得太高，房间里上部空气被加热，但无法产生自然对流使下部空气也变热，这样人仍然生活在冷空气中。为使房间下部空气变热，使人感到舒适，应将采暖器放在下面，同样的道理，冷风机

第二章

思考题

1 试写出导热傅里叶定律的一般形式，并说明其中各个符号的意义。

?t??q＝－?gradt???n?x，其中：gradt为空间某点答：傅立叶定律的一般形式为：

??q的温度梯度；n是通过该点的等温线上的法向单位矢量，指向温度升高的方向；为该处的

热流密度矢量。

2 已知导热物体中某点在x,y,z三个方向上的热流密度分别为qx,qy及qz，如何获得该

点的 热密度矢量？

???????q?q?i?q?j?q?kxyz答：，其中i,j,k分别为三个方向的单位矢量量。

3 试说明得出导热微分方程所依据的基本定律。

答：导热微分方程式所依据的基本定律有：傅立叶定律和能量守恒定律。 4 试分别用数学语言将传热学术语说明导热问题三种类型的边界条件。 答：① 第一类边界条件：??0时，tw?f1(?) ② 第二类边界条件：

??0时??(??(?t)w?f2(?)?x

③ 第三类边界条件：

5 试说明串联热阻叠加原则的内容及其使用条件。

答：在一个串联的热量传递过程中，如果通过每个环节的热流量都相同，则各串联环节的总热阻等于各串联环节热阻的和。使用条件是对于各个传热环节的传热面积必须相等。

7.通过圆筒壁的导热量仅与内、外半径之比有关而与半径的绝对值无