传热过程计算例题

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

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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

2 0 1 3年第 l 2期 (总第 3 7 5期 )

节

能

EN ERGY CON S ERV ATI ON

熔融盐在蓄热混凝土中传热过程的数值模拟周卫兵，蔡凡凡，朱教群，孙正，荆汝林

( 1 .武汉理工大学材料科学与工程学院，湖北武汉 4 3 0 0 7 0; 2 .中广核太阳能开发有限公司，北京 1 0 0 0 4 8 )摘要：用数值模拟的方法对熔融盐与蓄热混凝土组合式换热模型进行了研究 .该组合模型以混凝土为蓄热介质，熔融盐 ( Hi t e c )为传热介质，分析混凝土的导热系数、流体管道长度、热流体进 1 2温度与进

口流速等因素对蓄热单元储热规律及其特性的影响。计算结果表明：当混凝土的导热系数在 2 . 0~ 3 . 0 W/ ( m K)左右、管长为 0 . 5— 2 m、热流体进口温度为 4 2 0℃、进口流速为 O . 1 5~ 0 . 2 5 m/ s时，蓄热单元可获得较高的储热效率。 关键词：混凝土；熔融盐；复合蓄热；数值模拟； F l u e n t 中图分类号： T K 5 1 3 . 5文献标识码： A文章编号： 1 0 0 4— 7 9 4 8 ( 2 0 1 3 ) 1 2— 0 0 0 7—0 5d o i: 1

一轮复习

第二讲 大气的受热过程 1课时 一、请梳理以下知识要点

1、大气的组成和垂直分层及对人类活动的影响

2、大气的受热过程及其应用

二、典型例题讲解

【例1】读图，完成下列问题。

（1）该图反映的是 纬度地区大气的垂直分层，理由是 。（2）A层大气热量主要来自 ，该层天气现象复杂多变的原因： ① ；② 。

（3）补绘B层气温变化曲线。该层22～27千米高度， 含量达到最大值，形成 层，成为人类生存环境的天然屏障。

（4）图中50～85千米高度范围内，气温随高度变化的特点是 ，依据所学的知识可以推测该高度范围内大气运动以 运动为主。

（5）C层中有 层， 爆发时，会引起该层的扰动，此时传播的 信号会被部分或全部吸收。

（6）人类活动目前主要使 层、 层的大气成分比例发生

《大气的受热过程》教学设计

1．教学内容

人民教育出版社《地理》必修第1册第二章第一节大气的受热过程。主要学习太阳暖大地、大地暖大气、大气还大地这三个过程中大气对太阳辐射的削弱作用及大气对地面的保温作用。 2．学情分析

学生学习本课内容是在掌握了太阳高度对太阳辐射强度的影响，还有生活上对阴天、晴天温度的感受上，通过设计、讨论等活动提高了学生学习热情，学习兴趣很浓，学习障碍是大气逆辐射的理解，以及晴天的晚上温度比阴天晚上低的原理。 3．设计思想

学生是学习活动的主体，教师是教学活动的组织者、引导者和帮助者。在教学过程中采取开放互动的教学方式，让学生运用已有的知识分析实验、讨论交流、争论答辩等形式进行学习，从而培养学生读图分析和解决实际问题能力，提高学生自主学习的能力。 4．教学目标 1）知识与技能

（1）理解大气的受热过程。

（2）了解大气对太阳辐射的削弱作用及在生活中的应用。 （3）了解大气对地面的保温作用及在生活中的应用。 2）过程与方法

（1）通过小组讨论来理解大气的受热过程，提高学生的实际操作能力和口头表达能力。 （2）通过小组讨论来理解大气的削弱作用和保温作用，提高学生的小组合作学习和分析、判断的思维能力。 3）情感态度与

1-2理发吹风器的结构示意图如附图所示，风道的流通面积

A2?60cm2，进入吹风器的空气压力p?100kPa，温度t1?25℃。要求

吹风器出口的空气温度t2?47℃，试确定流过吹风器的空气的质量流量以及吹风器出口的空气平均速度。电加热器的功率为1500W。 解：

1-10 一炉子的炉墙厚13cm，总面积为20m2，平均导热系数为1.04w/m.k，内外壁温分别是520℃及50℃。试计算通过炉墙的热损失。如果所燃用的煤的发热量是2.09×104kJ/kg，问每天因热损失要用掉多少千克煤？ 解：根据傅利叶公式

Q??A?t1.04?20?(520?50)??75.2KW?0.13

每天用煤

24?3600?75.2?310.9Kg/d 2.09?104

1-11 夏天，阳光照耀在一厚度为40mm的用层压板制成的木门外表面上，用热流计测得木门内表面热流密度为15W/m2。外变面温度为40℃，内表面温度为30℃。试估算此木门在厚度方向上的导热系数。 解：

q???t?，

??q?15?0.04??0.06W/(m.K)?t40?30

1-12 在一次测定空气横向流过单根圆管的对流换热实验中，得到下列数据：管壁平均温度tw=69℃，空气温度

绪论：

思考题：（课本）

6．冬夏室内温度相同，穿衣不同

人对冷暖的感觉主要取决于散热量的大小。 （1） 冬季和夏季的最大区别是室外温度的不同。

（2） 因此在室内温度相同的情况下，冬季和夏季墙壁内表面温度

不同，夏季高而冬季低。因此人体在冬季通过与墙壁的辐射换热的散热量比夏季要大得多。

（3） 因此冬季要穿厚一些的绒衣，增大导热热阻，来减少散热。 9．暖水瓶

热水——内层内侧：对流换热

内层内侧——内层外侧：导热 内层外侧——外层内侧：热辐射 外层内侧——外层外侧：导热 外层外侧——空气：对流换热

保温措施：a .夹层抽真空，消除对流换热； b.夹层内两侧镀银，减少辐射换热。 第二章 补充题：

例1：用一平底壶烧开水，壶底与水接触面的温度为111oC，通过壶底的热流密度为42400W/m2，如在壶底结一层水垢厚3mm，

??1W/m??C，此时水垢层与水接触面上的温度和通过的热流密度均

不变，计算：

（1） 水垢层与壶底接触面上的温度； （2） 单位面积上的导热热阻。 解（1）

q?42400w/m,tw2?111?C,??3mm?3?10m,??1w/m??Cq?tw1?tw22?3??????3?101?3

tw1?q??tw2?4240