第二章传热学.pptx

1 一、传热的基本方式一、传热的基本方式234二、热流量和热流强度二、热流量和热流强度v热流量热流量（传热速率）（传热速率）Q-单位时间内通过传热面单位时间内通过传热面的热量；的热量；Wv热流强度热流强度（热通量）（热通量）q-单位时间内通过单位传热单位时间内通过单位传热面积传递的热量；面积传递的热量；W/m25第一节第一节 稳态导热稳态导热一、导热的基本概念一、导热的基本概念1.1.导热特点导热特点1)1)物体间不发生宏观位移物体间不发生宏观位移2)2)依靠微观粒子的无规则热运动依靠微观粒子的无规则热运动3)3)物质的固有本质物质的固有本质2.2.温度场温度场 导热体在各个时刻内部各点的温度分布。导热体在各个时刻内部各点的温度分布。t t t t（x x，y y，z z，）63.温度场分类温度场分类v稳态温度场与非稳态温度场；稳态温度场与非稳态温度场；v一维或多维温度场；一维或多维温度场；4.4.等温线等温线(面）面）-同一时刻物体中温度相同的点连接的轨迹。同一时刻物体中温度相同的点连接的轨迹。特点特点（1）不相交不相交 （2）沿等温线（面）无热量传递沿等温线（面）无热量传递 （3）等温线的疏密反映热流密度的大小等温线的疏密反映热流密度的大小（4）等温线（面）等温线（面）垂直于热流线垂直于热流线785、温度梯度、温度梯度v方向：指向温度升高，并且变化最剧烈的方向 v表达式：在直角坐标系中：不同的等温面之间，有温差，才有热量传递不同的等温面之间，有温差，才有热量传递温度梯度温度梯度：沿等温面法线方向上的温度增量与法向沿等温面法线方向上的温度增量与法向距离比值的极限，距离比值的极限，gradt（向量）9二、导热的基本定律导热的基本定律傅里叶定律-热流向量和温度梯度的关系 式中：式中：Q Q 导热速率，导热速率，W W gradt gradt温度梯度温度梯度(温度的最大变化率温度的最大变化率)，/m/m A A导热面积，导热面积，m m2 2 材料的导热系数材料的导热系数 W/W/（m m）傅里叶定律：单位时间导热量与垂直于热流的截面傅里叶定律：单位时间导热量与垂直于热流的截面积成正比，与温度梯度成正比，负号表示导热方向积成正比，与温度梯度成正比，负号表示导热方向与温度梯度方向相反与温度梯度方向相反。10*-物性。物性。*与物质组成、结构、密度、温与物质组成、结构、密度、温度和压力有关度和压力有关*排序：排序：金属最大，金属最大，非金属固体次之，非金属固体次之，液体较小，液体较小，气体最小。气体最小。三、导热系数常用物质的值:混凝土混凝土:1.28 W/(m.K):1.28 W/(m.K)保温材料：保温材料：0.12 W/(m.K)0.12 W/(m.K)1112外墙结构图外墙保温图13四、四、导热微分方程导热微分方程（2 2）14导热微分方程一般形式：导热微分方程一般形式：导热微分方程一般形式：导热微分方程一般形式：15定解条件定解条件-单值性条件单值性条件有四项：有四项：一）几何条件一）几何条件 二）物理条件二）物理条件 三）时间条件三）时间条件 四）边界条件四）边界条件16五、平壁的稳定热传导五、平壁的稳定热传导（一）单层平壁的热传导（一）单层平壁的热传导17182 2单位面积的热阻单位面积的热阻单位面积的热阻单位面积的热阻 r=r=？19则：温度分布非线性则：温度分布非线性则：温度分布非线性则：温度分布非线性如何求解？如何求解？如何求解？如何求解？20（二）多层平壁的热传导（二）多层平壁的热传导串联现象串联现象 得得:b b1 1b b2 2b b3 3Q Qt tt t1 1t t2 2t t3 3t t4 4x x21由热阻分析法：由热阻分析法：问：现在已经知道了问：现在已经知道了q q，如何计算其中第，如何计算其中第 i i 层的右侧壁温？层的右侧壁温？第一层：第一层：第二层：第二层：第第 i 层：层：22复合壁的导热复合壁的导热1）简简化化：当当各各种种材材料料的的导导热热系系数数相相差差不不很很大大时时，可可当作当作一维一维问题处理。问题处理。232）计算公式：）计算公式：24例题【例1】假设某窑炉耐火砖壁厚 0.5 米，内壁面温度为 1000，外壁面温度 0，耐火砖导热系数为=1.16（1+0.001t）w/m.，求通过炉壁的热流。【解】先求炉壁的平均温度t 平均=（t1+t2）/2=（1000+0）/2=500 炉壁平均导热系数平均=1.16（1+0.001500）=1.74（W/m.）热流 qq=平均t/=1.74(1000-0)/0.5=3500（W/m2）25【例2】设有一窑墙，用粘土砖和红砖砌筑，厚度均为设有一窑墙，用粘土砖和红砖砌筑，厚度均为230230毫米，窑墙内表面温度毫米，窑墙内表面温度12001200，外表面温度，外表面温度100100，已，已知交界面的温度为知交界面的温度为826 826，求每平方米窑墙散热损失。，求每平方米窑墙散热损失。（粘土砖粘土砖=0.70+0.5510=0.70+0.5510-3-3t t，红砖红砖=0.46+0.4410=0.46+0.4410-3-3t t）解：解：26五、五、通过圆筒壁的导热通过圆筒壁的导热272829drr2Qt2t1rr130单位管长圆筒壁的导热量单位管长圆筒壁的导热量2 多层圆筒壁的热传导多层圆筒壁的热传导31练习练习练习练习32练练习习:在在一一 603.5mm603.5mm的的钢钢管管外外层层包包有有两两层层绝绝热热材材料料，里里层层为为40mm40mm的的氧氧化化镁镁粉粉，平平均均导导热热系系数数=0.07W/m=0.07W/m，外外层层为为20mm20mm的的石石棉棉层层，其其平平均均导导热系数热系数=0.15W/m=0.15W/m。现用热电偶测得管内壁。现用热电偶测得管内壁r1 r2 r3 r4 t1 t2 t3 t4 温度为温度为500500，最外层表面，最外层表面温度为温度为8080，管壁的导热，管壁的导热系数系数=45W/m=45W/m。试求。试求每米管长的热损失及两层每米管长的热损失及两层保温层界面的温度。保温层界面的温度。33解：每米管长的热损失解：每米管长的热损失式中式中:r1=0.053/2=0.0265m r2=0.03m r3=0.03+0.04=0.07m r4=0.07+0.02=0.09m34保温层界面温度保温层界面温度t3 解得解得 t3=131.2 35第二节第二节 对流换热对流换热一、一、概述概述概述概述11热对流与对流换热热对流与对流换热热对流与对流换热热对流与对流换热热对流：热对流：热对流：热对流：由于流体的宏观运动使不同温度的流体相对由于流体的宏观运动使不同温度的流体相对位移而产生的热能传递现象位移而产生的热能传递现象。特点：特点：特点：特点：热对流只发生在流体之中热对流只发生在流体之中热对流只发生在流体之中热对流只发生在流体之中 伴随有微观粒子热运动伴随有微观粒子热运动伴随有微观粒子热运动伴随有微观粒子热运动对流热量的计算？对流热量的计算？对流热量的计算？对流热量的计算？36特点：特点：*存在温差；存在温差；*流体与固体表面直接接触；流体与固体表面直接接触；*导热和对流联合作用的结果。导热和对流联合作用的结果。对流换热对流换热 ：流体与壁面间的热量传递过程。流体与壁面间的热量传递过程。372 2 对流换热计算对流换热计算对流换热热阻对流换热热阻对流换热热阻对流换热热阻？383 3、影响对流换热的因素分析、影响对流换热的因素分析(a)a)流动起因流动起因：受迫对流、自然对流：受迫对流、自然对流：受迫对流、自然对流：受迫对流、自然对流 层流：整个流场呈一簇互相平行的流线层流：整个流场呈一簇互相平行的流线紊流：流体质点做复杂无规则的运动紊流：流体质点做复杂无规则的运动 (b)(b)流动状态流动状态：层流、紊流：层流、紊流：层流、紊流：层流、紊流受迫受迫受迫受迫对流：由外力（如：泵、风机、水压对流：由外力（如：泵、风机、水压头）作用所产生的流动头）作用所产生的流动自然对流：流体因各部分温度不同而引自然对流：流体因各部分温度不同而引起的密度差异所产生的流动起的密度差异所产生的流动39(c)(c)流体有无相变：流体有无相变：相变换热：相变换热：凝结、沸腾、升华、凝结、沸腾、升华、凝固、融化等凝固、融化等(d)(d)换热表面的几何因素：换热表面的几何因素：内部流动对流换热：内部流动对流换热：管内或槽内管内或槽内外部流动对流换热：外部流动对流换热：外掠平板、圆管、管束外掠平板、圆管、管束40(e)(e)流体的热物理性：流体的热物理性：热导系数热导系数密度密度比热容比热容动力粘度动力粘度运动粘度运动粘度体胀系数体胀系数41h h 紊流换热紊流换热紊流换热紊流换热 h h 层流换热层流换热层流换热层流换热h h 受迫对流换热受迫对流换热受迫对流换热受迫对流换热 h h 自然对流换热自然对流换热自然对流换热自然对流换热 表表明明：h h 的的大大小小反反映映对对流流换换热热的的强强弱弱，与与众众多因素有关。多因素有关。h h 相变换热相变换热相变换热相变换热 h h 单相换热单相换热单相换热单相换热424 4、对流换热的分类：、对流换热的分类：43一些对流传热表面传热系数的数值范围一些对流传热表面传热系数的数值范围一些对流传热表面传热系数的数值范围一些对流传热表面传热系数的数值范围 对流传热类型对流传热类型对流传热类型对流传热类型h W/(m2K)空气自然对流传热空气自然对流传热空气自然对流传热空气自然对流传热110 水自然对流传热水自然对流传热水自然对流传热水自然对流传热2001000 气体强制对流传热气体强制对流传热气体强制对流传热气体强制对流传热20100 液体强制对流传热液体强制对流传热液体强制对流传热液体强制对流传热100015000 水沸腾传热水沸腾传热水沸腾传热水沸腾传热250035000 蒸汽凝结传热蒸汽凝结传热蒸汽凝结传热蒸汽凝结传热500035000445、表面传热系数与温度场的关系、表面传热系数与温度场的关系近壁面处，由近壁面处，由于粘性作用，流体于粘性作用，流体静止静止。qx表面传热系数表面传热系数导出依据导出依据:通过壁面的通过壁面的导热量导热量=壁面与流体的壁面与流体的对流换热量对流换热量对流换热传热特征对流换热传热特征对流换热传热特征对流换热传热特征 ：45-称对流换热微分方程式称对流换热微分方程式对流换热热阻：对流换热热阻：对流换热热阻：对流换热热阻：hx-局部局部局部局部表面传热系数表面传热系数 平均平均平均平均表面传热系数表面传热系数 h与与与与 hx 的关系？的关系？的关系？的关系？46已知某对流换热过程的温度场可表达为已知某对流换热过程的温度场可表达为t=a-t=a-by+cyby+cy2 2，壁温为，壁温为t tw w，主流温度为，主流温度为t tf f，流体导热系数，流体导热系数，则平均表面传热系数，则平均表面传热系数h h为为 。练习：练习：已知某平板对流换热过程的已知某平板对流换热过程的局部局部局部局部表面传热系数表面传热系数hx=4 x 1/41/4，若不计板宽的影响，则，若不计板宽的影响，则1 1米板长平均表米板长平均表面传热系数面传热系数h h为为 ，h h/hx 之比为之比为 。476 6 对流换热的主要研究方法对流换热的主要研究方法:分析法分析法数值法数值法试验法试验法比拟法比拟法48练习练习练习练习4950二、对流换热准则方程二、对流换热准则方程二、对流换热准则方程二、对流换热准则方程 511 1 相似准则相似准则1 1 1 1）雷诺准则：雷诺准则：雷诺准则：雷诺准则：物理意义：表征受迫流动时惯性力与物理意义：表征受迫流动时惯性力与物理意义：表征受迫流动时惯性力与物理意义：表征受迫流动时惯性力与粘滞力的相对比值粘滞力的相对比值粘滞力的相对比值粘滞力的相对比值.物理意义：反映动量传递与热量传递物理意义：反映动量传递与热量传递物理意义：反映动量传递与热量传递物理意义：反映动量传递与热量传递能力的相对大小。能力的相对大小。能力的相对大小。能力的相对大小。2 2 2 2）普朗特准则普朗特准则普朗特准则普朗特准则物理意义：物理意义：物理意义：物理意义：反映对流换热的强弱。反映对流换热的强弱。反映对流换热的强弱。反映对流换热的强弱。4 4 4 4）格拉晓夫准则格拉晓夫准则格拉晓夫准则格拉晓夫准则物物物物理理理理意意意意义义义义：反反反反映映映映自自自自然然然然对对对对流流流流惯惯惯惯性性性性力力力力与与与与粘滞力的相对比值。粘滞力的相对比值。粘滞力的相对比值。粘滞力的相对比值。3 3 3 3）努谢尔特准则努谢尔特准则努谢尔特准则努谢尔特准则522 2、相似准则间的关系相似准则间的关系-准则方程准则方程1 1 1 1）无相变受迫对流换热，自然对流不可忽略时：）无相变受迫对流换热，自然对流不可忽略时：）无相变受迫对流换热，自然对流不可忽略时：）无相变受迫对流换热，自然对流不可忽略时：2 2 2 2）无相变受迫对流换热，自然对流可忽略时：）无相变受迫对流换热，自然对流可忽略时：）无相变受迫对流换热，自然对流可忽略时：）无相变受迫对流换热，自然对流可忽略时：3 3 3 3）对于空气，）对于空气，）对于空气，）对于空气，Pr Pr Pr Pr 可以作为常数，无相变受迫对流可以作为常数，无相变受迫对流可以作为常数，无相变受迫对流可以作为常数，无相变受迫对流换热：换热：换热：换热：3 3、对流传热系数的经验关联式对流传热系数的经验关联式53一、流体无相变时的对流换热一、流体无相变时的对流换热1 1、流体在管内强制对流、流体在管内强制对流541 1）圆形直管内强制湍流圆形直管内强制湍流一）低粘度一）低粘度 Nu=0.023ReNu=0.023Re0.80.8PrPrn n应用范围：应用范围：Re10000 0.7 Pr60 10000 0.7 Pr60；特征尺寸：特征尺寸：取管内径取管内径 d d定性温度：流体进出口主体温度的算术平均值。定性温度：流体进出口主体温度的算术平均值。n n：加热，：加热，n=0.4 n=0.4；冷却；冷却 n=0.3.n=0.3.二）高粘度二）高粘度Nu=0.027ReNu=0.027Re0.80.8PrPr0.330.33(w w)0.140.14:液体在主体平均温度下的粘度液体在主体平均温度下的粘度w w ：液体在壁温下的粘度：液体在壁温下的粘度其中（其中（/w w ）0.140.14 校正项校正项552 2）弯管弯管离心力的作用，扰动加剧，换热较直管大。离心力的作用，扰动加剧，换热较直管大。表面传热系数：表面传热系数：h hh h0 0(1+1.77d/R)(1+1.77d/R)h h0 0：直管：直管 R R：曲率半径：曲率半径3)3)非圆形直管非圆形直管56练习：练习：hh1/h2h1/h2572 2、流体在管外强制对流换热、流体在管外强制对流换热外部强制对流换热：外部强制对流换热：纵掠平板纵掠平板横掠单管和管束横掠单管和管束58外掠（横掠）圆管换热外掠（横掠）圆管换热59外掠（横掠）管束换热外掠（横掠）管束换热603 3 自然对流换热自然对流换热自自然然对对流流分分层层流流和湍流：和湍流：v层层流流时时，换换热热热热阻阻主主要要取取决决于于薄薄层的厚度。层的厚度。v旺旺盛盛湍湍流流时时，局局部部表表面面传传热热系系数数几乎是常量。几乎是常量。611 1 凝结过程凝结过程 膜状凝结膜状凝结 冷凝液能够润湿壁面形成一层液膜，冷凝液能够润湿壁面形成一层液膜，在重力作用下流动在重力作用下流动珠状凝结珠状凝结-冷凝液不能润湿壁面，在壁面上形成液滴，冷凝液不能润湿壁面，在壁面上形成液滴，并沿壁面落下并沿壁面落下哪个换热速率远大哪个换热速率远大?为什么？为什么？g gg g二、液体有相变时的对流传热二、液体有相变时的对流传热工业上大多是膜状冷凝工业上大多是膜状冷凝622 2、液体的沸腾、液体的沸腾分大容器沸腾与管内沸腾两类。分大容器沸腾与管内沸腾两类。v大容器沸腾大容器沸腾曲线：曲线：v临界点临界点 c c：由核状沸腾向膜状沸腾的转折点：由核状沸腾向膜状沸腾的转折点h h泡状沸腾泡状沸腾hh膜状沸腾膜状沸腾 ,因此应控制在核状区域内。因此应控制在核状区域内。25C5C沸腾温差t C热通量热通量q传热系数传热系数h63沸腾沸腾曲线曲线64第三节第三节 辐射换热辐射换热二、二、热辐射范围热辐射范围（一）热辐射的基本概念（一）热辐射的基本概念65当热辐射投射到物体表面上时，当热辐射投射到物体表面上时，会发生吸收、反射和会发生吸收、反射和透透射射三、三、物体对热辐射的吸收、反射和物体对热辐射的吸收、反射和透透射射 66多数的固体和液体：多数的固体和液体：不含颗粒的气体：不含颗粒的气体：黑体：黑体：镜体或白体：镜体或白体：透明体：透明体：反射又分镜反射和漫反射两种反射又分镜反射和漫反射两种镜反射镜反射漫反射漫反射黑体模型黑体模型67二、辐射基本定律一）斯蒂芬波尔兹曼定律1、辐射力 E-单位时间内，物体的单位面积向半球空间所发射全波长的总能量；W/m22、斯蒂芬波尔兹曼定律-黑体辐射常数黑体辐射常数 685.5.5.5.灰体灰体灰体灰体3.3.3.3.发射率发射率发射率发射率 4.4.4.4.实际物体辐射力实际物体辐射力实际物体辐射力实际物体辐射力69基尔霍夫定律基尔霍夫定律基尔霍夫定律基尔霍夫定律：在热平衡条件下，发射率等于吸收率在热平衡条件下，发射率等于吸收率。一般表面一般表面一般表面一般表面:漫射表面漫射表面漫射表面漫射表面:灰表面灰表面灰表面灰表面:漫漫漫漫-灰表面灰表面灰表面灰表面:二二二二)基尔霍夫定律基尔霍夫定律基尔霍夫定律基尔霍夫定律-实际物体发射率与吸收率的关系实际物体发射率与吸收率的关系实际物体发射率与吸收率的关系实际物体发射率与吸收率的关系 几几种种表表述述方方式式70（三）物体间的辐射换热（三）物体间的辐射换热一一)角系数角系数1 1 角角系系数数：一一物物体体表表面面发发射射出出的的辐辐射射直直接接落落到到另另一一表面上的百分数。表面上的百分数。2 2 角系数特性角系数特性1 1）互换性（相对性）互换性（相对性）2 2）完整性）完整性711 1、两黑表面间的辐射换热计算、两黑表面间的辐射换热计算二二)辐射换热计算辐射换热计算-空间热阻或形状热阻空间热阻或形状热阻例：两个平行的黑体大平壁（例：两个平行的黑体大平壁（A A1 1A A2 2A)A)有：有：X X1212 X X2121 1 1722 2 灰体的灰体的有效辐射有效辐射有效辐射有效辐射-单单位位时时间间内内离离开开单单位位面积的总辐射能。面积的总辐射能。有效辐射有效辐射 J J=自身发射自身发射E+E+反射辐射反射辐射 G G (G(G为投射辐射为投射辐射)。733 3 封闭封闭空腔两灰表面的辐射射换热计算式空腔两灰表面的辐射射换热计算式表面热阻：表面热阻：74特例特例a a）两无限大平行灰平壁的辐射换热）两无限大平行灰平壁的辐射换热 A1=A2=A，X12=X21=1辐射换热量为：辐射换热量为：75b b）空腔与内包壁面之间的辐射换热）空腔与内包壁面之间的辐射换热X X1212=1=1 辐射换热为：辐射换热为：由于由于 ，较大较大化简：化简：76c c）遮热板）遮热板在两表面之间插入一块同发射率的遮热板在两表面之间插入一块同发射率的遮热板可见，与没有遮热板时相比，辐射换可见，与没有遮热板时相比，辐射换热量减小了热量减小了一半一半。77第四节第四节 综合传热综合传热传热过程包含：传热过程包含：辐射换热、辐射换热、对流换热、对流换热、热传导热传导78793 3 传热过程中的热量传递传热过程中的热量传递单位面积热阻单位面积热阻4 4、传热系数、传热系数80一、换热器的型式及平均温差一、换热器的型式及平均温差1 1换热器：用来使热量从热流体传递到冷流体，以换热器：用来使热量从热流体传递到冷流体，以 满足规定的工艺要求的装置满足规定的工艺要求的装置2 2 换热器的分类：换热器的分类：三种类型换热器三种类型换热器第五节第五节 换热器换热器81*混合式换热混合式换热特点：冷热流体依靠直接接触和混合特点：冷热流体依靠直接接触和混合进行的热交换进行的热交换废蒸汽废蒸汽冷水冷水热水热水高温流体高温流体低温流体低温流体蓄热体蓄热体*蓄热式换热蓄热式换热特点：冷热流体通过壁面周期性的特点：冷热流体通过壁面周期性的加热和冷却实现换热加热和冷却实现换热823 3 间壁式换热器间壁式换热器特点：冷热两流体间是通过壁面实现换热的特点：冷热两流体间是通过壁面实现换热的83间壁式换热器的又一种主要型式。其主要特点是冷热流体间壁式换热器的又一种主要型式。其主要特点是冷热流体呈交叉状流动。根据换热表面结构的不同又可分为呈交叉状流动。根据换热表面结构的不同又可分为管束式、管束式、管翅式管翅式及管带式、及管带式、板翅式板翅式等。等。管束式管束式交叉流换热器交叉流换热器844、换热器热量衡算*能量守衡：热流体放出的热量热流体放出的热量=冷流体吸收的热量冷流体吸收的热量无相变时显热：Q=w热c热(T1-T2)=w 冷 c 冷(t2-t1)相变时潜热：Q=w 热 r 热=w 冷 r 冷*传热方程：851 1）流体流动）流体流动逆流：两种流体在间壁的两边分别以相反的方向运动。逆流：两种流体在间壁的两边分别以相反的方向运动。顺流：两种流体在间壁的两边以相同的方向流动。顺流：两种流体在间壁的两边以相同的方向流动。错流：两种流体在间壁的两边，呈垂直方向流动称为错流。错流：两种流体在间壁的两边，呈垂直方向流动称为错流。复杂流：两种流体在间壁两边，既有折流又有错流。复杂流：两种流体在间壁两边，既有折流又有错流。逆流逆流顺流顺流86逆流逆流顺流顺流顺流：顺流：逆流：逆流：2 2）平均温差的计算温差的计算