三种传热形式.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,传 热 学,Heat Transfer,课程特点,实践性很强的科学,常称工程传热学,是一门专业基础课，联系基础课与专业课的纽带与桥梁,先修课程：高等数学、大学物理、计算方法、,工程热力学,、,流体力学,等,主要内容,1,传热学概述,2,热量传递的基本方式,3,传热过程,4,换热器,一、什么是传热学,研究,热量传递规律,的科学。,热量传递的,机理、规律、计算方法,热量传递过程的推动力：,温差，,有温差就会有传热。,热力学第二定律：热量可以,自发地由高温热源传给低温热源,。,传热学概述,二、传热学的重要性和广泛性,自然界与生产过程到处存在温差,传热很普遍,范围广泛，无处不在，无时不有,日常生活中的例子,若房间里气体的温度在夏天和冬天都保持,25,度，那么在冬天与夏天、人在房间里所穿的衣服能否一样？,冬天耳朵大的人为什么容易生冻疮？,泰坦尼克号,男女主人公的的结局为何不同？,冬天树叶为什么向上的一面容易结霜？,在工程技术领域大量存在传热问题,动力、化工、制冷、建筑、环境、机械制造、新能源、,微电子,、,核能,、,航空航天,、微机电系统（,MEMS,）、新材料、,军事科学与技术、生命科学与生物技术,三、传热学与工程热力学的关系,1.,相同点：传热学以热力学第一定律和第二定律为基础（,The First and Second Law of Thermodynamics,）,即：热量,Q,传递始终是从高温物体向低温物体传递；在热量传递过程中若无能量形式的转换，则热量始终保持守恒。,2.,不同点,a,）定义：,工程热力学,：热能的性质、热能与机械能及其他形式能量之间相互转换的规律。,传热学,：,热量,Q,传递过程的规律。,b,）时间,工程热力学,：不考虑热量传递过程的时间。,传热学,：时间是重要参数。,热量传递的基本方式,热量传递基本方式：,热传导、,conduction,热对流、,convection,热辐射,radiation,在不同场合下，三种方式可能单独存在，也可能产生不同的组合方式,太空飞船的传热,/,暖气片传热,一、热传导（导热）,heat conduction,1.,定义和特征,定义：指温度不同的物体各部分或温度不同的两物体间直接接触时，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而进行的热量传递现象。,物质的属性：可以在固体、液体、气体中发生,导热的特点,必须有温差,物体直接接触,依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而传递热量,不发生宏观的相对位移,2.,导热机理,气体：,气体分子不规则热运动时相互碰撞的结果。,导电固体：,自由电子运动。,非导电固体：,晶格结构的振动。,液体：,很复杂。,14,温度场、等温线、等温面,(1),温度场：,某时刻空间所有各点温度分布情况,温度场是时间和空间的函数，即：,三维非稳态温度场：,三维,稳态温度场：,一维稳态温度场：,二,维,稳态温度场：,稳态温度场,非稳态温度场,15,等温面,：,同一时刻、温度场中所有温度相同的点所构成的面,(3),等温线,：,用一个平面与各等温面相交，在这个平面上得到等温线簇，又称温度等值线。,图,5-2,(4),温度梯度,：温度改变的强烈程度，,沿等温面法线方向上的温度增量与法向距离比值的极限。,是向量；正向朝着温度增加的方向,3,傅里叶公式,:,1822,年，法国数学家,Fourier,：,：,热流量,，单位时间传递的热量,W,q,：,热流密度,，单位时间通过单位面积传递的热量,A,：垂直于导热方向的截面积,m,2,：平壁两侧壁温之差,热导率（导热系数）,Thermal conductivity,平壁的厚度,m,17,Fourier,定律：通用形式,热流量，,单位时间传递的热量,W,热流密度，,单位时间通过单位面积传递的热量,热流密度与温度梯度成正比，传递方向与温度梯度方向相反。,18,导热热阻,Fourier,定律,导热热阻,热路图,热导率（导热系数）,(Thermal conductivity),具有单位温度差（,1K,）的单位厚度的物体,(1m),，在它的单位面积上,(1m,2,),、每单位时间,(1s),的导热量,(J),热导率表示材料导热能力大小；物性参数；实验确定,冬天在新建的房屋感到暖和还是在旧房感到暖和？,例题,1-1,有三块分别由纯铜（热导率,1,=398,W/(mK),）、碳钢（热导率,2=40,W/(mK),）和石棉（热导率,3,=0.15,W/(mK),）制成的大平板，厚度都为,10mm,，两侧表面的温差都维持为,t,w1,t,w2,=50,不变，试求通过每块平板的导热热流密度。,解,：,这是通过大平壁的一维稳态导热问题，对于纯铜板，,对于黄铜板,对于石棉板,23,平壁和圆筒壁的一维稳态导热,一、通过平壁的一维稳态导热,边界条件：,x,=0,时，,t=t,1,；,x=,时，,t=t,2,；,温压或温差,平壁导热的面积热阻,(m,2,K/W),单位时间内，通过截面积,A,的热流量：,24,二、通过,n,层平壁的一维稳态导热,n,层平壁的总温压（或,K,）,第,i,层平壁的厚度（,m,）,第,i,层平壁材料的导热系数，,W/(m,K),第,i,层平壁的导热面积热阻，,(m,2,K)/W,25,各层接触面上的温度,第一层：,第二层：,第,j,层：,26,二、通过圆筒壁的一维稳态导热,1.,微元圆筒壁的热流量,2.,单位管长的热流量,3.,每米长度单层圆筒壁的热阻,热流密度 与半径,r,成反比！,27,4.,圆筒壁内温度分布：,28,5.,n,层圆筒壁,导热热流量可按总温差和总热阻计算,通过单位长度圆筒壁的热流量,各层接触面上的温度,29,例,锅炉炉墙由三层材料组成：内层为耐火砖，厚度,230mm,，,导热系数为,1.1W/(m,K),；中间层为石棉隔热层，厚度为,60mm,，,导热系数为,0.1W/(m,K),；外层为红砖，厚度为,240mm,，导热系数,0.58W/(m,K),；已知炉墙内、外表面的温度分别为,500,和,50,，,试求通过炉墙的热流密度和各层接触面处的温度。,解：,30,=50 0,-,368.9 W/m,2,0.21=422.5 ,=500,-,368.9W/m,2,(0.21+0.60)=201.2,讨论：,斜率的大小与热导率的关系？,31,例,蒸汽管道的内径为,160mm,，外径为,170mm,。管外覆有两,层保温材料，第一层的厚度,1,=30mm,，第二层厚度,2,=50mm,。,设钢管和两层保温材料的导热系数分别为,1,=50W/(m,K),、,2,=,0.15W/(m,K),和,3,=0.08W/(m,K),。若已知蒸汽管内表面温度,t,1,=,300,，第二层保温材料的外表面温度,t,4,=50,，试求每米长蒸汽,管的散热损失和各层接触面上的温度。,解：由,d,1,=0.16m,、,d,2,=0.17m,d,3,=,d,2,+2,1,=0.23m,，,d,4,=,d,3,+2,2,=0.33m,每米长管道的热流量,32,各层接触面上的温度,结果表明，由于钢管壁的导热热阻极小。因此两侧表面,温度差很小，相对于绝热层，薄金属壁的热阻常可忽略不计。,33,导热的增强与削弱,在导热温差一定的情况下，增加或者减小导热热阻是增强和削弱导热的根本途径。,强化导热：,换热器,冷凝器采用金属质管,削弱导热：,保温材料，压力容器的保温，蒸汽管道的保温管道,34,不稳定导热,实际过程都是不稳定过程,锻工：将铸铁放入火焰中加热的过程,热对流,(convection),与对流换热,1.,热对流,定义与特征,定义：流体中（气体或液体）温度不同的各部分之间，由于发生相对的宏观运动而把热量由一处传递到另一处的现象。,流体中有温差,热对流必然同时伴随着热传导，,自然界不存在单一的热对流,对流换热,：,流动的,流体与温度不同的固体壁间接触时的热量交换过程,Convection heat transfer,对流换热的特点,对流换热与热对流,不同，既有热对流，也有导热；是导热与热对流同时存在的复杂热传递过程,必须有直接接触（流体与壁面）和宏观运动；,也必须有温差,38,对流换热分类,39,流动边界层和热边界层,流动边界层概念：,当粘性流体流过物体表面时，会形成速度梯度很大的,流动边界层,；,由于粘性作用，流体流速在靠近壁面处随离壁面的距离的缩短而逐渐降低；在贴壁处被滞止。,层流边界层：壁面与流体间的热流传递主要靠流体的导热。,紊流边界层：,层流底层,内,热流传递主要靠导热，在紊流区，靠热对流，热阻主要集中在层流底层。,减薄边界层，减小对流换热热阻，增强换热,流体外掠平板时的流动边界层,边界层厚度,定义：,u/u,=0.99,处离壁的距离,为边界层厚度,1.,小：空气外掠平板，,u,=10m/s,：,2.,边界层内：,平均速度梯度很大；,y=0,处的速度梯度最大,特征,:,3.,流场可以划分为两个区：,边界层区与主流区,热,边界层,当壁面与流体间有温差时，会产生温度梯度很大的温度边界层（热边界层）,T,w,厚度,t,范围,热边界层,与,t,不一定相等,流动边界层与热边界层的状况决定了热量传递过程和边界层内的温度分布,42,对流换热的基本计算公式,牛顿冷却公式,h,表面传热系数,热流量,W,，单位时间传递的热量,q,热流密度,A,与流体接触的壁面面积,固体壁表面温度,流体温度,对流换热量的大小与壁面面积、,流体与壁面间的温差成正比。,43,当流体与壁面温度相差,1,度时、每单位壁面面积上、单位时间内所传递的热量,影响,h,因素：,流速、流体物性、壁面形状大小等,对流换热系数,(,表面传热系数,),对流换热热阻：,一些对流换热的表面传热系数数值范围,对流换热类型,表面传热系数,h,W/(m,2,K),空气自然对流换热,1,10,水自然对流换热,200,1000,空气强迫对流换热,10,100,水强迫对流换热,100,15000,水沸腾,2500,35000,水蒸气凝结,5000,25000,45,(2),流动状态,/,边界层,(3),流体有无相变,层流：整个流场呈一簇互相平行的流线,湍流：流体质点做复杂无规则的运动，层流底层,单相换热：,相变换热：凝结、沸腾、升华、凝固、融化等,(1),流动起因,自然对流：,流体因各部分温度不同而引起的密度差异所产 生的流动,影响对流换热系数的因素,强制对流：,由外力（如：泵、风机、水压头）作用所产生的流动,46,(4),换热表面的几何因素：,内部流动对流换热：管内或槽内,外部流动对流换热：外掠平板、圆管、管束,47,(5),流体的热物理性质：,热导率,密度,比热容,动力粘度,运动粘度,体胀系数,流体内部和流体与壁面导热热阻减小,单位体积能携带更多能量,粘性阻碍流动,增强自然对流,48,流体无相变时的对流换热,1,自然对流换热,热阻,:,层流边界层、,层流底层,紊流流动状态,层流流动状态,边界层速度分布曲线,边界层温度分布曲线,t,w,t,x,0,y,x,0,y,49,2,强制对流换热,a),管内流体纵向流动强制对流换热,b),管外流体横行流动强制对流换热,a),管内流体纵向流动强制对流换热,1),主要影响因素：流体的流动状态、流体物性、管道尺寸。,2),其它影响因素：入口效应、弯管影响、热流方向的影响,50,热流方向及流体热物性变化对换热的影响,对于液体：,主要是粘性随温度而变化,流体平均温度相同的条件下，液体被加热时的表面传热系数高于液体被冷却加热时的值,对于气体：,除了粘性，还有密度,和热导率等,51,弯管效应,二次环流,离心力,换热增强,52,管壁粗糙度的影响,粗糙管：铸造管、冷拔管等,湍流,：粗糙度,层流底层厚度,时,:,换热增强,层流,：影响不大,粗糙度,层流底层厚度,时,:,影响不大,有时利用粗糙表面强化换热,强化表面,53,b),管外流体横向流动强制对流换热,主要影响因素：流体的流动状态、流体物性、几何因素。,1,）横掠单管：脱体绕流,流体在管外的流动方向与管子轴向方向垂直,54,b,）横掠管束换热,影响横掠管束对流换热的因素：,1),排列方式：叉排和顺排,2),管子排数,;3),管间距,(s,1,和,s,2,),。,55,流体有相变时的对流换热,1,液体沸腾换热,a),大容器沸腾换热,b),管内沸腾换热,2,蒸汽凝结换热,a),膜状凝结换热,b),珠状凝结换热,加热表面,Heated Surface,Liquidflow,Bubble flow,Slug flow,Annular flow,Mist flow,56,主要特点：,大容器沸腾换热,a,沸腾：,工质内部形成大量气泡并由液态转换到气态的一种剧烈的汽化过程,b,沸腾换热：,指工质通过气泡运动带走热量，并使其冷却的一种传热方式,汽泡的产生和运动是沸腾换热的主要特点,大容器沸腾,加热面上产生的汽泡能自由上升，并在上升过程中不受液体流动的影响，液体的运动只是由自燃对流和汽泡的扰动引起。,加热表面,57,大容器饱和沸腾曲线,：,4,个不同阶段：,自然对流,、,核态沸腾,、,过渡沸腾、,稳定膜态沸腾,CHF,Critical Heat Flux,：,工程意义。,Departure from Nucleate Boiling,58,说明,：,（,1,）热流密度的,峰值,q,max,称为,临界热流密度,或,临界热通量,（,CHF,）,，亦称,烧毁点,。一般用,核态沸腾转折点,DNB,作为监视接近,q,max,的警戒。这一点对热流密度可控和温度可控的两种情况都非常重要。,（,2,）对稳定膜态沸腾，因为热量必须穿过的是热阻较大的汽膜，所以换热系数比凝结小得多。,59,管内沸腾换热,过冷水强制对流换热阶段,过冷沸腾换热,饱和沸腾换热阶段,液膜强制对流换热阶段,湿蒸汽强制对流换热阶段,过热蒸汽的强迫对流换热,60,凝结换热,蒸汽与低于相应压力下饱和温度的冷壁面接触时，就会被冷却而凝结成液体依附在壁面上，同时放出汽化潜热给壁面，这种现象叫凝结换热。,a),膜状凝结换热,b),珠状凝结换热,润湿性液体在冷壁面上会铺展成一层完整的液膜，称为,膜状凝结,。,非润湿性液体的蒸汽凝结时，凝结液体在冷壁面上凝聚成一颗颗小液珠，并逐渐成长。在重力作用下液珠向下滚落，同时将沿途的液珠带走，壁面重复液珠的形成和成长下落的过程，这种凝结形式称为,珠状凝结,。,61,g,膜状凝结,沿整个壁面形成一层薄膜，并且在重力的作用下流动，凝结放出的汽化潜热必须通过液膜，因此，液膜厚度直接影响了热量传递。,珠状凝结,当凝结液体不能很好的浸润壁面时，则在壁面上形成许多小液珠，此时壁面的部分表面与蒸汽直接接触，因此，换热速率远大于膜状凝结（可能大几倍，甚至一个数量级）,g,珠状凝结换热远大于膜状凝结，但珠状凝结很难保持，工程中遇到的凝结换热大多属于膜状凝结。,62,影响膜状凝结的因素,1.,不凝结气体,不凝结气体增加了传递过程的阻力，同时使饱和温度下降，减小了凝结的驱动力,2.,蒸气流速,流速较高时，蒸气流对液膜表面产生粘滞应力：,如果蒸气流动与液膜向下的流动同向时，使液膜拉薄，,h,增大；反之使,h,减小。,3.,管子的排列方式,4.,冷却表面的影响,粗糙度，结垢生锈,无波动层流,有波动层流,湍流,液,膜,气,膜,t,w,t,s,t,v,63,凝结表面的几何形状,强化凝结换热,的原则,尽量减薄粘滞在换热,表面上的液膜的厚度。,可用各种,带有尖峰的表,面,使在其上冷凝的液膜,拉薄，或者使,已凝结的,液体尽快从换热表面上,排泄掉,。,64,对流换热总结,1,液体对流换热强于气体,2,强制对流换热强于自然对流，有相变的换热强于无相变的换热,3,横向冲刷换热比纵向冲刷强烈,，叉排换热比顺排强烈,三、热辐射,（,Thermal radiation,）,1.,定义,辐射：物体通过电磁波来传递热量的方式。,实质：由于热的原因引起物体内部电子的震动，通过由此而产生的热射线向外发射辐射能。,辐射换热：物体间靠热辐射进行的热量传递,Radiation heat transfer,热辐射：热射线的传播过程,电磁波谱,2.,辐射换热的特点,不需要冷热物体的直接接触；即：不需要介质的存在，在真空中就可以传递能量,在辐射换热过程中伴随着能量形式的转换,物体热力学能 电磁波能 物体热力学能,无论温度高低，物体都在不停地相互发射电磁波能、相互辐射能量；高温物体辐射给低温物体的能量大于低温物体辐射给高温物体的能量,;,总的结果是热由高温传到低温,物体能将外界投射来的辐射能全部吸收黑体,3,辐射能,的吸收、反射和投射,能量守恒原理,吸收率,反射率,透射率,物体能将外界投射来的辐射能全部反射,入射角等于反射角镜体；漫反射白体,外界投射到物体上的辐射能全部透过物体透明体,固体、液体：对辐射能的吸收只在物体表面薄层内进行，可认为其透射率：,D=0,3.,辐射能,的吸收、发射和投射,表面辐射,气体：对热辐射几乎不能反射，即：,R=0,对称的双原子气体、纯净空气，可认为其基本不吸收辐射能，即,A0,体积辐射,4.,斯蒂芬,-,玻尔兹曼定律,（,Stefan-Boltzmann law,）,黑体的辐射能力与吸收能力最强,Ludwig Boltzmann,(1844-1906),黑体向外发射的辐射能：,绝对黑体辐射力,黑体表面的绝对温度（热力学温度）,斯蒂芬,-,玻尔兹曼常数，,实际物体辐射能力：低于同温度黑体,实际物体表面的发射率（黑度），,01,；与物体的种类、表面状况和温度,有关,(Emissivity),对于两个相距很近的黑体表面，由于一个表面发射出来的能量几乎完全落到另一个表面上，那么它们之间的辐射换热量为,：,T,1,T,2,Q,A,本章小节,掌握以下内容：,热热量传递的三种基本方式，传热过程，以及热阻概念等,能对工程实际中简单的传热问题和现象进行分析（由那些换热方式和环节组成）,能利用三个定律进行简单的计算,能解释一些与传热有关的现象,