传热过程与传热系数简析

工程上经常遇到热量由高温流体，经固体壁面传给低温流体，这种过程称为传热过程。如冬季室内热空气经墙壁散热给室外冷空气；表面冷却器的传热；制冷装置中蒸发器的吸热和冷凝器的放热；以及蒸汽管道的热量损失等都是传热过程。本节主要介绍通过平壁、圆管壁及肋壁的传热过程。

1.通过平壁的传热

如图2-5所示的锅炉炉墙，面积为A，壁厚为δ，热导率为λ，墙内侧烟气温度和墙外侧空气温度分别为t_f1和t_f2。高温烟气通过辐射和对流方式，把热量传给炉墙内表面。内表面总传热系数为α₁，炉墙外表面总换热系数为α₂，则传热量为

式中 、——对流热阻和导热热阻；

——总热阻系数。

令，则上式可改写为

或 q=K（t_f1-t_f2） （2-32）

式中 K——传热系数[W/（m²·K）]。

式（2-31）和式（2-32）称为传热方程。

图2-5 通过平壁的传热

2.通过圆管壁的传热

图2-6 通过圆管壁的传热

如图2-6所示的内、外直径分别为d₁和d₂（半径为r₁和r₂），长度为l的圆管壁，管壁材料的热导率为λ，管壁两侧的表面传热系数分别为α_s1和α_s2，介质温度为t_f1和t_f2。根据串联热阻叠加原理，每单位管长的传热热阻R_l和传热系数K_l分别为

每单位管长的热流量为

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以管外表面面积为计算面积，则圆管壁传热量Q（W）为

以圆管外表面面积计算的传热系数K[W/（m²·K）]为

3.通过肋壁的传热

图2-7示出了一厚度为δ的平壁加肋后的情况。肋壁材料的热导率为λ，设光面的表面积为A₁，有肋一侧的表面积为A₂（包括肋片和肋间面积），内侧热流体温度为t_f1、表面传热系数为α_s1，肋侧冷流体温度为t_f2、表面传热系数为α_s2（α_s1＞＞α_s2），光表面温度为t_w1，肋基温度为t_w2，肋面平均温度为。由于肋片实际散热量，比假设整个肋表面处于肋基温度下理想散热量α_s2A₂（t_w2-t_f2）要小，故定义两者之比为肋壁效率，即

图2-7 通过肋壁的传热

肋壁效率η与肋片材料的热导率、肋片表面传热系数及肋片几何尺寸等因素有关，一般希望η值在0.9以上为好。

根据串联热阻叠加原理，按光面面积计算的肋壁传热总热阻R_K[m·K/W]为

则肋壁传热量Q（W）为

肋面面积与光面面积之比A₂/A₁=β称为肋化系数，则以光面面积为计算基准的肋壁传热量为

以光面面积计算的传热系数为