第三章热量传递的基本原理.pdf

第三章第三章第三章 第三章 热量传递的基本原理热量传递的基本原理热量传递的基本原理热量传递的基本原理传热学要解决的问题：传热学要解决的问题：传热学要解决的问题：传热学要解决的问题：传热速率传热速率传热速率传热速率 系统中的温度分布系统中的温度分布系统中的温度分布系统中的温度分布 达到稳定或某个温度所需的时间达到稳定或某个温度所需的时间达到稳定或某个温度所需的时间达到稳定或某个温度所需的时间两类传热问题：两类传热问题：两类传热问题：两类传热问题：强化传热强化传热强化传热强化传热减少传热减少传热减少传热减少传热一、一、一、一、热量传递的三种基本形式热量传递的三种基本形式热量传递的三种基本形式热量传递的三种基本形式 1 1、导热、导热、导热、导热物体各部分之间不发生相对位移，依靠物体各部分之间不发生相对位移，依靠物体各部分之间不发生相对位移，依靠 物体各部分之间不发生相对位移，依靠 分子，原子及自由电子等微观粒子的热运分子，原子及自由电子等微观粒子的热运分子，原子及自由电子等微观粒子的热运 分子，原子及自由电子等微观粒子的热运 动而产生的热量传递。动而产生的热量传递。动而产生的热量传递。动而产生的热量传递。导热机理导热机理导热机理导热机理 气体：分子热运动气体：分子热运动气体：分子热运动 气体：分子热运动 t t 固体：自由电子和晶格振动固体：自由电子和晶格振动固体：自由电子和晶格振动固体：自由电子和晶格振动t t 晶格振动晶格振动晶格振动晶格振动 阻碍自由电子运动阻碍自由电子运动阻碍自由电子运动阻碍自由电子运动金属金属金属 金属 非金属非金属非金属非金属 液体机理不清液体机理不清液体机理不清液体机理不清 2 2、对流、对流、对流、对流 对流：是指物体各部分之间发生相对位对流：是指物体各部分之间发生相对位对流：是指物体各部分之间发生相对位 对流：是指物体各部分之间发生相对位 移，移，移，移，冷热流体相互掺混所引起的能量传递冷热流体相互掺混所引起的能量传递冷热流体相互掺混所引起的能量传递 冷热流体相互掺混所引起的能量传递 方式，必有方式，必有方式，必有方式，必有导热导热导热导热。对流换热对流换热对流换热对流换热：流体流过一物体表面时对流与导热联合作流体流过一物体表面时对流与导热联合作流体流过一物体表面时对流与导热联合作 流体流过一物体表面时对流与导热联合作 用的热量传递过程。用的热量传递过程。用的热量传递过程。用的热量传递过程。辐射辐射辐射辐射辐射换热：辐射换热：辐射换热：辐射换热：以辐射形式传递的热量。以辐射形式传递的热量。以辐射形式传递的热量。以辐射形式传递的热量。一切物体都有辐射粒子的能力，辐射粒子具有的一切物体都有辐射粒子的能力，辐射粒子具有的一切物体都有辐射粒子的能力，辐射粒子具有的 一切物体都有辐射粒子的能力，辐射粒子具有的 能量称为能量称为能量称为能量称为辐射能辐射能辐射能辐射能。物体通过电磁波传递能量的方式称为辐射。物体物体通过电磁波传递能量的方式称为辐射。物体物体通过电磁波传递能量的方式称为辐射。物体 物体通过电磁波传递能量的方式称为辐射。物体 会因各种原因发出辐射能，其中由于物体热的原因会因各种原因发出辐射能，其中由于物体热的原因会因各种原因发出辐射能，其中由于物体热的原因 会因各种原因发出辐射能，其中由于物体热的原因 而发出的辐射能的现象就是而发出的辐射能的现象就是而发出的辐射能的现象就是而发出的辐射能的现象就是热辐射热辐射热辐射热辐射。1 1 温度场温度场温度场温度场系统中某一时刻的温度分布系统中某一时刻的温度分布系统中某一时刻的温度分布系统中某一时刻的温度分布分分分 分 类：类：类：类：按时间按时间按时间按时间稳态温度场稳态温度场稳态温度场稳态温度场非稳态温度场非稳态温度场非稳态温度场非稳态温度场按空间按空间按空间按空间一维温度场一维温度场一维温度场一维温度场二维温度场二维温度场二维温度场二维温度场三维温度场三维温度场三维温度场三维温度场定义定义定义定义第一节第一节第一节第一节 热传导基本定律热传导基本定律热传导基本定律热传导基本定律2 2、等温面、等温线、等温面、等温线、等温面、等温线、等温面、等温线 等温面等温面等温面等温面在同一时刻，同温度各点连成的面在同一时刻，同温度各点连成的面在同一时刻，同温度各点连成的面在同一时刻，同温度各点连成的面 二维时则成为二维时则成为二维时则成为二维时则成为等温线等温线等温线等温线第二节第二节第二节第二节 导热基本定律导热基本定律导热基本定律导热基本定律傅立叶（傅立叶（傅立叶（傅立叶（FourierFourier）定律）定律）定律）定律ntAqA=傅立叶（傅立叶（傅立叶（傅立叶（FourierFourier）定律：）定律：）定律：）定律：单位时间内沿着等温单位时间内沿着等温单位时间内沿着等温 单位时间内沿着等温 面法线方向通过单位面积的热流量面法线方向通过单位面积的热流量面法线方向通过单位面积的热流量面法线方向通过单位面积的热流量q q，与温度变，与温度变，与温度变，与温度变 化率成正比。化率成正比。化率成正比。化率成正比。ntq=单位时间通过面积单位时间通过面积单位时间通过面积单位时间通过面积A A的热流量：的热流量：的热流量：的热流量：温度梯度温度梯度温度梯度温度梯度导热系数导热系数导热系数导热系数w/mw/m k k2.2.导热系数导热系数导热系数导热系数nntqrr=单位时间，单位面积，单位负温度梯单位时间，单位面积，单位负温度梯单位时间，单位面积，单位负温度梯 单位时间，单位面积，单位负温度梯 度下的导热量。（或在单位温度梯度作用下度下的导热量。（或在单位温度梯度作用下度下的导热量。（或在单位温度梯度作用下 度下的导热量。（或在单位温度梯度作用下 通过物体的热流密度。）通过物体的热流密度。）通过物体的热流密度。）通过物体的热流密度。）固体固体固体 固体 液体液体液体 液体 气体气体气体气体 取决于物质的种类和温度取决于物质的种类和温度取决于物质的种类和温度取决于物质的种类和温度热绝缘（保温）材料热绝缘（保温）材料热绝缘（保温）材料热绝缘（保温）材料 0.2W/(m0.2W/(m0.2W/(m0.2W/(m.K)(50K)(50K)(50K)(50年代）年代）年代）年代）0.12W/(m0.12W/(m0.12W/(m0.12W/(m.K)K)K)K)（GB84GB84GB84GB84）ctat&+=2ca=tat2=02=+cta&02=t三维导热基本方程三维导热基本方程三维导热基本方程三维导热基本方程其中其中其中其中称为热扩散率称为热扩散率称为热扩散率称为热扩散率,导温系数导温系数导温系数导温系数0=&0=&几种特殊情况几种特殊情况几种特殊情况几种特殊情况1 1、无内热源时：即、无内热源时：即、无内热源时：即、无内热源时：即则则则则2 2、稳态时、稳态时、稳态时、稳态时3 3、稳态且、稳态且、稳态且、稳态且则则则则则则则则上式又称为拉普拉斯方程式上式又称为拉普拉斯方程式上式又称为拉普拉斯方程式上式又称为拉普拉斯方程式 热扩散系数热扩散系数热扩散系数热扩散系数物体蓄热能力物体导热能力=caa at温度变化快温度变化快温度变化快温度变化快扯平能力强扯平能力强扯平能力强扯平能力强故故故故a a 是评价温度变化速度的一个指标是评价温度变化速度的一个指标是评价温度变化速度的一个指标是评价温度变化速度的一个指标 其它正交坐标其它正交坐标其它正交坐标其它正交坐标 柱坐标柱坐标柱坐标柱坐标:(cylinder coordinate):(cylinder coordinate)cosrx=sinry=zz=czttrrtrrtat&+=222222211若不存在内热源，且为一维稳态径向导热，如若不存在内热源，且为一维稳态径向导热，如若不存在内热源，且为一维稳态径向导热，如 若不存在内热源，且为一维稳态径向导热，如 薄壁长圆筒薄壁长圆筒薄壁长圆筒薄壁长圆筒，则上式简化为：，则上式简化为：，则上式简化为：，则上式简化为：0122=+drdTrdrTd 导热问题的完整数学描述导热问题的完整数学描述导热问题的完整数学描述导热问题的完整数学描述无内热源、常物性、稳态一维问题的导热无内热源、常物性、稳态一维问题的导热无内热源、常物性、稳态一维问题的导热 无内热源、常物性、稳态一维问题的导热 微分方程微分方程微分方程微分方程022=dxtd1cdxdt=21cxct+=由由由由得得得得得得得得问题不能确定，需有定解条件：问题不能确定，需有定解条件：问题不能确定，需有定解条件：问题不能确定，需有定解条件：1 1 初始条件初始条件初始条件初始条件：=0 0 时的温度分布时的温度分布时的温度分布 时的温度分布 t t =0 0=f f(x,y,zx,y,z)2 2 边界条件边界条件边界条件边界条件：边界上的温度分布或换热条边界上的温度分布或换热条边界上的温度分布或换热条 边界上的温度分布或换热条 件。件。件。件。导热问题的完整描述导热问题的完整描述导热问题的完整描述导热问题的完整描述边界条件边界条件边界条件边界条件ctat&+=+=2()zyxft,0=典型的一维稳态导热问题典型的一维稳态导热问题典型的一维稳态导热问题典型的一维稳态导热问题 通过平壁的导热（通过平壁的导热（通过平壁的导热（通过平壁的导热（slabslab）x1t2tq q1 1问题问题问题问题const=模型即即即即边界条件：边界条件：边界条件：边界条件：0=x;1tt=x2tt=0=&cztytxtat&+=222222022=dxtd2122,00ttxttxdxtd=21cxct+=12tc=121ttc=112txttt+=12ttdxdt=21ttdxdtq=数学描述数学描述数学描述数学描述温度分布温度分布温度分布温度分布1/1/R R 为热导为热导为热导为热导传热可以用类似电路计算的方式进行串并联计算。传热可以用类似电路计算的方式进行串并联计算。传热可以用类似电路计算的方式进行串并联计算。传热可以用类似电路计算的方式进行串并联计算。/ttq=其中：其中：其中：其中：为单位面积的传热热阻为单位面积的传热热阻为单位面积的传热热阻为单位面积的传热热阻R R则传热量为：则传热量为：则传热量为：则传热量为：33221141+=+=ttq1231t2t3t4t1231t2t3t4t多层平壁多层平壁多层平壁多层平壁=+=+=niiin/ttq111abdabcd1t2tQ1t2tytxtaaaAcccAbbbAdddA二、通过圆筒壁的导热二、通过圆筒壁的导热二、通过圆筒壁的导热二、通过圆筒壁的导热问题:无限 长、const=稳态0122=+drdtrdrtd22110)(ttrrttrrdrdtrdrd=时时1cdrdtr=drrcdt1=21lncrct+=czttrrtrrtat&+=2222222110=&22122111lnlncrctcrct+=+=12112lnrrctt=112121212121lnlnlnrrrtttcrrttc=且故温度分布:112121lnlnrrrrtttt+=热量可以用Fourier 定律求解:drdtA=其中其中其中其中:lrrR2ln12=注意注意注意注意:故故故故:rlA 2=rrrttdrdt1ln1212=Rttl)r/rln(ttrrln)tt(lrrlnttrrl211221122112122212=有有有有R R的概念的概念的概念的概念,可以用可以用可以用可以用热电比拟热电比拟热电比拟热电比拟发求解多层圆筒发求解多层圆筒发求解多层圆筒发求解多层圆筒4r3r2r1rlddlddlddtt334223112412)/ln(2)/ln(2)/ln(+=多层圆筒壁多层圆筒壁多层圆筒壁多层圆筒壁=+=+=+=+=niiiinniiiin)d/dln()tt(ll)d/dln(tt1111111122对流换热对流换热对流换热对流换热:流体流过固体壁面情况下所发生的热流体流过固体壁面情况下所发生的热流体流过固体壁面情况下所发生的热 流体流过固体壁面情况下所发生的热 量交换量交换量交换量交换.对流换热以牛顿冷却公式为其基本计算式对流换热以牛顿冷却公式为其基本计算式对流换热以牛顿冷却公式为其基本计算式对流换热以牛顿冷却公式为其基本计算式,即：即：即：即：thq=thA=或对于面积为或对于面积为或对于面积为或对于面积为A A A A的接触面的接触面的接触面的接触面其中其中其中其中 t t t t为换热面积为换热面积为换热面积为换热面积A A A A上的平均温差上的平均温差上的平均温差上的平均温差.约定约定约定约定q q q q及及及及 总是取正值总是取正值总是取正值总是取正值,因此因此因此因此 t t t t也总是取正值也总是取正值也总是取正值也总是取正值.第三节第三节第三节 第三节 对流换热对流换热对流换热对流换热为对流传热热阻为对流传热热阻为对流传热热阻为对流传热热阻如：wtftfwttt=thq=hAttAhqA1=hAR1=流体温度流体温度ft壁面温度，其中壁面温度，其中wt影响对流换热的因素影响对流换热的因素影响对流换热的因素影响对流换热的因素1.1.1.1.流动发生的起因流动发生的起因流动发生的起因流动发生的起因强制对流强制对流强制对流强制对流：由于泵：由于泵：由于泵：由于泵,风机风机风机风机,或压差等流体本身以或压差等流体本身以或压差等流体本身以 或压差等流体本身以 外的动力产生的流动换热外的动力产生的流动换热外的动力产生的流动换热外的动力产生的流动换热.自然对流自然对流自然对流自然对流：由于流体的密度差产生的浮力作用：由于流体的密度差产生的浮力作用：由于流体的密度差产生的浮力作用：由于流体的密度差产生的浮力作用 产生的流体流动换热产生的流体流动换热产生的流体流动换热产生的流体流动换热.混合对流混合对流混合对流混合对流：自然对流和强制流动自然对流和强制流动自然对流和强制流动自然对流和强制流动换热并存换热并存换热并存换热并存.强制对流：外部机械作功，一般强制对流：外部机械作功，一般强制对流：外部机械作功，一般强制对流：外部机械作功，一般u u较大，故较大，故较大，故较大，故h h较大较大较大较大自然对流：依靠流体自身密度差造成的循环过程，自然对流：依靠流体自身密度差造成的循环过程，自然对流：依靠流体自身密度差造成的循环过程，自然对流：依靠流体自身密度差造成的循环过程，一般一般一般一般u u较小，故较小，故较小，故较小，故h h较小。较小。较小。较小。2.2.2.2.流体的流动状况流体的流动状况流体的流动状况流体的流动状况层流层流层流层流流动换热流动换热流动换热流动换热主要为热传导主要为热传导主要为热传导主要为热传导湍（紊）流湍（紊）流湍（紊）流湍（紊）流流动换热流动换热流动换热流动换热以热对流为主（除层流以热对流为主（除层流以热对流为主（除层流 以热对流为主（除层流 底层）底层）底层）底层）层流底层薄层流底层薄层流底层薄层流底层薄动力消耗大动力消耗大动力消耗大动力消耗大 Reh?流动状态，层流，紊流流动状态，层流，紊流流动状态，层流，紊流流动状态，层流，紊流44101022002300ReReRe层流层流层流层流过渡流过渡流过渡流过渡流（旺盛）湍流（旺盛）湍流（旺盛）湍流（旺盛）湍流对于管流对于管流对于管流对于管流ulul=Re?流速：流速：流速：流速：V V h h V=V=0 0 无对流无对流无对流无对流?物性表征物质物理特性的物理量物性表征物质物理特性的物理量物性表征物质物理特性的物理量物性表征物质物理特性的物理量密度，粘性，热导率，比热密度，粘性，热导率，比热密度，粘性，热导率，比热密度，粘性，热导率，比热等等等等其他条件相同时，不同的流体换热量不其他条件相同时，不同的流体换热量不其他条件相同时，不同的流体换热量不 其他条件相同时，不同的流体换热量不 同，就是因为物性不同同，就是因为物性不同同，就是因为物性不同同，就是因为物性不同3 3、流体的物理性质、流体的物理性质、流体的物理性质、流体的物理性质单位体积流体的热容量大，则单位体积流体的热容量大，则单位体积流体的热容量大，则单位体积流体的热容量大，则h h较大较大较大较大 的影响：的影响：的影响：的影响：的影响：的影响：的影响：的影响：c cp p的的的的影响影响影响影响：的影响：的影响：的影响：的影响：hul=Re h Reh?壁面形状、位置形状壁面形状、位置形状壁面形状、位置形状壁面形状、位置形状(平板平板平板平板,圆管圆管圆管圆管)、位置、位置、位置、位置(横横横横放、竖放、管内、管外放、竖放、管内、管外放、竖放、管内、管外放、竖放、管内、管外)4 4、换热表面的形状、大小、位置、换热表面的形状、大小、位置、换热表面的形状、大小、位置、换热表面的形状、大小、位置5 5、流体有无相变、流体有无相变、流体有无相变、流体有无相变有相变（沸腾或凝结），流体温度基本保持不有相变（沸腾或凝结），流体温度基本保持不有相变（沸腾或凝结），流体温度基本保持不 有相变（沸腾或凝结），流体温度基本保持不 变，流体与壁面的换热量等于吸收或放出的汽化潜变，流体与壁面的换热量等于吸收或放出的汽化潜变，流体与壁面的换热量等于吸收或放出的汽化潜 变，流体与壁面的换热量等于吸收或放出的汽化潜 热。热。热。热。有相变比无相变时换热系数大很多有相变比无相变时换热系数大很多有相变比无相变时换热系数大很多有相变比无相变时换热系数大很多。珠状凝结比膜状凝结换热系数大得多。珠状凝结比膜状凝结换热系数大得多。珠状凝结比膜状凝结换热系数大得多。珠状凝结比膜状凝结换热系数大得多。综上所述综上所述综上所述综上所述()=wfpt,t,c,ufQ这种处理方法这种处理方法这种处理方法这种处理方法,既将许多矛盾都加在既将许多矛盾都加在既将许多矛盾都加在既将许多矛盾都加在h h上。以后对流上。以后对流上。以后对流 上。以后对流 换热的内容实际都是讨论换热的内容实际都是讨论换热的内容实际都是讨论 换热的内容实际都是讨论 h h 如何确定如何确定如何确定如何确定.()()=wfpt,t,c,uftAQh圆形管道内的强迫对流换热圆形管道内的强迫对流换热圆形管道内的强迫对流换热圆形管道内的强迫对流换热最广泛应用的关系式最广泛应用的关系式最广泛应用的关系式最广泛应用的关系式适用范围是：适用范围是：适用范围是：适用范围是：10104 4 00。不能自见不能自见能自见能自见不能自见不能自见(4)(4)兼顾性：兼顾性：兼顾性：兼顾性：如图：物体如图：物体如图：物体如图：物体1 1与与与与3 3之间设置物体之间设置物体之间设置物体之间设置物体2 2。若若若若2 2是透射体，是透射体，是透射体，是透射体，2 2=1=1则则则则:X:X1212=X=X1313；若若若若2 2不是透射体，不是透射体，不是透射体，不是透射体，2 2 1 1则则则则:X:X 12 12 X X1313；1232 2、灰体间的辐射换热灰体间的辐射换热灰体间的辐射换热灰体间的辐射换热1 1、几个基本概念、几个基本概念、几个基本概念、几个基本概念:（1 1）、投射辐射（投射辐射（投射辐射（投射辐射（GG）：单位时间单位时间单位时间单位时间投射到投射到投射到投射到单位面积物体表面上的单位面积物体表面上的单位面积物体表面上的单位面积物体表面上的 辐射能量。辐射能量。辐射能量。辐射能量。(W/mW/m2)2)（2 2）、本身辐射（本身辐射（本身辐射（本身辐射（E E辐射力）辐射力）辐射力）辐射力）：单位时间物体本身单位面积发射出的辐射能量。单位时间物体本身单位面积发射出的辐射能量。单位时间物体本身单位面积发射出的辐射能量。单位时间物体本身单位面积发射出的辐射能量。(W/mW/m2 2)（3 3）、有效辐射有效辐射有效辐射有效辐射(J)J)：单位时间物体单位面积上单位时间物体单位面积上单位时间物体单位面积上单位时间物体单位面积上发射出去发射出去发射出去发射出去的总辐射能量的总辐射能量的总辐射能量的总辐射能量.(.(W/mW/m2 2)GGRGRGRGRGE E E E 0 0 0 0J J有效辐射有效辐射有效辐射有效辐射包括包括包括包括本身辐射与对投射本身辐射与对投射本身辐射与对投射 本身辐射与对投射 辐射反射出去的能量之和。辐射反射出去的能量之和。辐射反射出去的能量之和。辐射反射出去的能量之和。J JE+E+G GE E b b G GE E b b（1 1）G G 工程上常常将实际物体看成为灰体，工程上常常将实际物体看成为灰体，工程上常常将实际物体看成为灰体，工程上常常将实际物体看成为灰体，所以本节讨论的方法可用于工程计算所以本节讨论的方法可用于工程计算所以本节讨论的方法可用于工程计算所以本节讨论的方法可用于工程计算由图得：由图得：由图得：由图得：()()111111111GaEGEJb+=+=1111111GaEqGJq=qEqaaaEJb=111)qJ(aEq11111 =表面表面表面表面1 1失热失热失热失热消去消去消去消去G G解得解得解得解得111111111111qEqEqJ=+=+=3 3、被透热介质隔开的两表面构成封闭系统的辐射换热、被透热介质隔开的两表面构成封闭系统的辐射换热、被透热介质隔开的两表面构成封闭系统的辐射换热、被透热介质隔开的两表面构成封闭系统的辐射换热乘以表面积乘以表面积乘以表面积乘以表面积=11 bAEAJ改写成改写成改写成改写成AJEb=1热电比拟：热电比拟：热电比拟：热电比拟：11111RA=表面辐射热阻表面辐射热阻表面辐射热阻表面辐射热阻被透热介质隔开的两表面构成封闭系统的辐射换热被透热介质隔开的两表面构成封闭系统的辐射换热被透热介质隔开的两表面构成封闭系统的辐射换热被透热介质隔开的两表面构成封闭系统的辐射换热11111111=bEAJA22222211=bEAJA表面表面表面表面1 1，2 2间的辐射换热量间的辐射换热量间的辐射换热量间的辐射换热量121212112122121121211AXJJ)JJ(AXJAXJAX,=空间辐射热阻空间辐射热阻空间辐射热阻空间辐射热阻+=+=22221111121211212111qEqEAX)JJ(AXbb,系统中只有两个表面，故系统中只有两个表面，故系统中只有两个表面，故系统中只有两个表面，故2121,=()()+=+=212122211121211212111,bb,AAXEEAX解出解出解出解出2221211112121111AAXAEE,bb,+=+=)EE(XAAAX)EE(Abb,s,bb,212112122211121121111=+=+=系统黑度系统黑度系统黑度系统黑度+=+=11111121s 四、四、四、四、气体辐射气体辐射气体辐射气体辐射 特点：特点：特点：特点：1 1、辐射能力与成分有关、辐射能力与成分有关、辐射能力与成分有关、辐射能力与成分有关 分子结构对称的双原子气体分子结构对称的双原子气体分子结构对称的双原子气体分子结构对称的双原子气体OO2 2,N,N2 2,H,H2 2、空气，可空气，可空气，可 空气，可 以认为是透热的以认为是透热的以认为是透热的以认为是透热的 分子结构不对称的双原子、三原子、多原子气分子结构不对称的双原子、三原子、多原子气分子结构不对称的双原子、三原子、多原子气 分子结构不对称的双原子、三原子、多原子气 体，体，体，体，COCO，COCO2 2，H H2 2 OO，CHCH4 4，SOSO2 2，NHNH3 3，C Cmm H Hn n.既辐射也吸收既辐射也吸收既辐射也吸收既辐射也吸收 2 2、气体辐射能力对波长有明显的选择性、气体辐射能力对波长有明显的选择性、气体辐射能力对波长有明显的选择性、气体辐射能力对波长有明显的选择性 3 3、气体辐射是容积辐射。、气体辐射是容积辐射。、气体辐射是容积辐射。、气体辐射是容积辐射。气体层厚度越大、密度气体层厚度越大、密度气体层厚度越大、密度 气体层厚度越大、密度 越大，辐射能力越强。越大，辐射能力越强。越大，辐射能力越强。越大，辐射能力越强。第四节第四节第四节第四节 传热过程和换热器传热过程和换热器传热过程和换热器传热过程和换热器 一、复合传热简述一、复合传热简述一、复合传热简述一、复合传热简述 1 1、传热过程及复合换热、传热过程及复合换热、传热过程及复合换热、传热过程及复合换热总传热过程总传热过程总传热过程总传热过程：热量从：热量从：热量从：热量从温度高的流体温度高的流体温度高的流体温度高的流体通过通过通过通过固体固体固体 固体 壁面壁面壁面壁面传递给另一侧的传递给另一侧的传递给另一侧的传递给另一侧的温度低的物体温度低的物体温度低的物体温度低的物体。复合换热：复合换热：复合换热：复合换热：固体壁面上同时存在对流，辐射固体壁面上同时存在对流，辐射固体壁面上同时存在对流，辐射 固体壁面上同时存在对流，辐射 换热过程为复合换热。换热过程为复合换热。换热过程为复合换热。换热过程为复合换热。锅炉换热设备锅炉换热设备锅炉换热设备锅炉换热设备辐射受热面：辐射受热面：辐射受热面：辐射受热面：布置在炉膛的水冷壁与辐射过布置在炉膛的水冷壁与辐射过布置在炉膛的水冷壁与辐射过 布置在炉膛的水冷壁与辐射过 热器等主要以辐射换热为主的受热面，称为辐射热器等主要以辐射换热为主的受热面，称为辐射热器等主要以辐射换热为主的受热面，称为辐射 热器等主要以辐射换热为主的受热面，称为辐射 受热面。受热面。受热面。受热面。对流受热面：对流受热面：对流受热面：对流受热面：布置在烟道中主要吸收烟气对布置在烟道中主要吸收烟气对布置在烟道中主要吸收烟气对 布置在烟道中主要吸收烟气对 流热的受热面。流热的受热面。流热的受热面。流热的受热面。tw2t22tw1t11q2 2、传热过程计算、传热过程计算、传热过程计算、传热过程计算以平壁为例以平壁为例以平壁为例以平壁为例)tt(q)tt(q)tt(qwwww11131222221=13112122122/qtt)/(qtt/qttwwww=热平衡时，热平衡时，热平衡时，热平衡时，q q=q q1 1=q q2 2=q q3 3，将上面三式相加。则将上面三式相加。则将上面三式相加。则将上面三式相加。则211211+=+=ttq21111+=+=KK K 称为称为称为称为综合传热系数综合传热系数综合传热系数综合传热系数，单位为（，单位为（，单位为（，单位为（W/mW/m2.2.）)(qtt121211+=+=变形后变形后变形后 变形后 得：得：得：得：令令令 令：tw2tf22tw1tf11q)tt(kq12=tkF)tt(kFQ=1221111+=kRt热阻热阻所以：或综合传热热阻网络图：所以：或综合传热热阻网络图：qt111t2tw1tw221（综合传热方程）（综合传热方程）（综合传热方程）（综合传热方程）21111+=+=iiK对于多层平壁对于多层平壁对于多层平壁对于多层平壁：综合传热系数的物理意义综合传热系数的物理意义综合传热系数的物理意义综合传热系数的物理意义：代表系统中高温物体对低温物体的代表系统中高温物体对低温物体的代表系统中高温物体对低温物体的代表系统中高温物体对低温物体的传热能力的大小传热能力的大小传热能力的大小传热能力的大小。分析分析分析分析综合传热方程：综合传热方程：综合传热方程：综合传热方程：增加强化传热的方法增加强化传热的方法增加强化传热的方法增加强化传热的方法tKF)tt(KFQ=12当当当当t t1 1、t t2 2确定时，确定时，确定时，确定时，（1 1）增加）增加）增加）增加K K值，值，值，值，Q Q值增大。即：增大值增大。即：增大值增大。即：增大值增大。即：增大1 1、2 2 和和和和。若若若若1 1 2 2，则增大则增大则增大则增大2 2更有效。更有效。更有效。更有效。即即即即:强化传热总是增大换热系数小的一侧的换热系强化传热总是增大换热系数小的一侧的换热系强化传热总是增大换热系数小的一侧的换热系 强化传热总是增大换热系数小的一侧的换热系 数数数数。?提高提高提高提高k k值的几种方法：值的几种方法：值的几种方法：值的几种方法：a)a)减少各种污垢热阻；减少各种污垢热阻；减少各种污垢热阻；减少各种污垢热阻；b)b)增大流体的流速，从而使增大流体的流速，从而使增大流体的流速，从而使增大流体的流速，从而使增大；增大；增大；增大；c)c)采用强化传热管（如螺旋管表面，波纹管表采用强化传热管（如螺旋管表面，波纹管表采用强化传热管（如螺旋管表面，波纹管表 采用强化传热管（如螺旋管表面，波纹管表 面），从而增加扰动，增大面），从而增加扰动，增大面），从而增加扰动，增大面），从而增加扰动，增大；d)d)选择选择选择选择大的流体大的流体大的流体大的流体（2 2）增大传热面积增大传热面积增大传热面积增大传热面积F F，QQ值将增大值将增大值将增大值将增大可在换热系数小的一侧加装肋片，可在换热系数小的一侧加装肋片，可在换热系数小的一侧加装肋片，可在换热系数小的一侧加装肋片，tKF)tt(KFQ=1221111+=+=iik三、强化和削弱传热三、强化和削弱传热三、强化和削弱传热三、强化和削弱传热1 1 1 1、强化传热的原则和强化对流换热的手段强化传热的原则和强化对流换热的手段强化传热的原则和强化对流换热的手段强化传热的原则和强化对流换热的手段强化换热强化换热强化换热强化换热mtkq=q q 就是强化换热就是强化换热就是强化换热 就是强化换热 t tmm k k q q?增加温差，常常使不可逆损失增大增加温差，常常使不可逆损失增大增加温差，常常使不可逆损失增大增加温差，常常使不可逆损失增大?增加增加增加增加k k，主流主流主流主流强化换热的原则：在热阻最大的环节上下功夫强化换热的原则：在热阻最大的环节上下功夫强化换热的原则：在热阻最大的环节上下功夫强化换热的原则：在热阻最大的环节上下功夫一般说来管壁热阻较小，常常要强化对流热阻一般说来管壁热阻较小，常常要强化对流热阻一般说来管壁热阻较小，常常要强化对流热阻一般说来管壁热阻较小，常常要强化对流热阻强化对流换热的原则：强化对流换热的原则：强化对流换热的原则：强化对流换热的原则：(1).(1).(1).(1).无相变的对流换热：减薄边界层，加强无相变的对流换热：减薄边界层，加强无相变的对流换热：减薄边界层，加强 无相变的对流换热：减薄边界层，加强 流体混合；流体混合；流体混合；流体混合；(2).(2).(2).(2).核态沸腾：增加汽化核心核态沸腾：增加汽化核心核态沸腾：增加汽化核心核态沸腾：增加汽化核心(3).(3).(3).(3).膜状凝结：减薄液膜及加速凝结液膜的膜状凝结：减薄液膜及加速凝结液膜的膜状凝结：减薄液膜及加速凝结液膜的 膜状凝结：减薄液膜及加速凝结液膜的 排泄排泄排泄排泄(4).(4).(4).(4).减小污垢热阻：工质的预处理，定期清减小污垢热阻：工质的预处理，定期清减小污垢热阻：工质的预处理，定期清 减小污垢热阻：工质的预处理，定期清 洗洗洗洗 保温材料：保温材料：保温材料：保温材料：在管道、电线的保温中，为减少或增加散热，在管道、电线的保温中，为减少或增加散热，在管道、电线的保温中，为减少或增加散热，在管道、电线的保温中，为减少或增加散热，则应加厚保温层还是减少保温层？则应加厚保温层还是减少保温层？则应加厚保温层还是减少保温层？则应加厚保温层还是减少保温层？2.2.削弱传热削弱传热削弱传热削弱传热通过圆管的传热过程计算通过圆管的传热过程计算221211211ln211dhdddh)tt(lQ+=+=2212111ln2111dhdddhk+=+=讨论：讨论：?散热量先增后减，有最大值散热量先增后减，有最大值?最大值的求法最大值的求法01ln211121dd2ooioii2ooooio=+=+=dhdddhdhd)tt(ld由此得：由此得：由此得：由此得：0o2h/d=临界热绝缘直径临界热绝缘直径临界热绝缘直径临界热绝缘直径1 1、概念、概念、概念、概念使热量由一种流体传给另一种流体的设备使热量由一种流体传给另一种流体的设备使热量由一种流体传给另一种流体的设备使热量由一种流体传给另一种流体的设备2 2、分类：、分类：、分类：、分类：换热器按照流动特点分：换热器按照流动特点分：换热器按照流动特点分：换热器按照流动特点分：二、换热器二、换热器二、换热器二、换热器逆流式顺流式交叉流逆流式顺流式交叉流?按照换热特点按照换热特点按照换热特点按照换热特点分：分：分：分：换热面换热面换热面换热面热流体热流体热流体热流体冷流体冷流体冷流体冷流体间壁（表面）式、混合式、蓄热（再生）式间壁（表面）式、混合式、蓄热（再生）式间壁（表面）式、混合式、蓄热（再生）式间壁（表面）式、混合式、蓄热（再生）式A .A .间壁式：间壁式：间壁式：间壁式：特点：特点：特点：特点：冷热流体分别在换热器的两侧同时连续流动冷热流体分别在换热器的两侧同时连续流动冷热流体分别在换热器的两侧同时连续流动冷热流体分别在换热器的两侧同时连续流动应用非常广，例如，省煤气、过热器、再热器等应用非常广，例如，省煤气、过热器、再热器等应用非常广，例如，省煤气、过热器、再热器等 应用非常广，例如，省煤气、过热器、再热器等 等。等。等。等。混合流混合流混合流混合流B.B.混合式：混合式：混合式：混合式：特点：特点：特点：特点：冷热流体分别交替的流过同一加热面。热流冷热流体分别交替的流过同一加热面。热流冷热流体分别交替的流过同一加热面。热流 冷热流体分别交替的流过同一加热面。热流 体流过加热面储蓄热量，而当冷流体流过时，加热体流过加热面储蓄热量，而当冷流体流过时，加热体流过加热面储蓄热量，而当冷流体流过时，加热 体流过加热面储蓄热量，而当冷流体流过时，加热 面又将蓄积的热量传给冷流体面又将蓄积的热量传给冷流体面又将蓄积的热量传给冷流体面又将蓄积的热量传给冷流体.空气预热器空气预热器空气预热器空气预热器热流体热流体热流体热流体冷流体冷流体冷流体冷流体特点：特点：特点：特点：利用冷热两流体直接接触，并互相混合，利用冷热两流体直接接触，并互相混合，利用冷热两流体直接接触，并互相混合，利用冷热两流体直接接触，并互相混合，将热量由一方传给另一方。将热量由一方传给另一方。将热量由一方传给另一方。将热量由一方传给另一方。除氧器、喷水减温器除氧器、喷水减温器除氧器、喷水减温器除氧器、喷水减温器C.C.蓄热式：蓄热式：蓄热式：蓄热式：换热面换热面换热面换热面热流体热流体热流体 热流体 或冷流体或冷流体或冷流体或冷流体2 2、换热器的换热过程、换热器的换热过程、换热器的换热过程、换热器的换热过程换热器中，高低温流体的换热器中，高低温流体的换热器中，高低温流体的换热器中，高低温流体的温度是变化的。假定：温度是变化的。假定：温度是变化的。假定：温度是变化的。假定：a)Ga)G1 1、GG2 2不变，不变，不变，不变，c c1 1、c c2 2不变；不变；不变；不变；b)kb)k不变；不变；不变；不变；c)c)换热器无散热损失；换热器无散热损失；换热器无散热损失；换热器无散热损失；d)d)沿换热面轴向导热量忽略；沿换热面轴向导热量忽略；沿换热面轴向导热量忽略；沿换热面轴向导热量忽略；e)e)流体无相变。流体无相变。流体无相变。流体无相变。在在dF面积上的传热量面积上的传热量dF)tt(KdQ21=t1 t1 t2 t2 dFdt2dt1FxF(t1-t2)t1 t1 t2 t2 Qm2m1dFFtKdF)tt(KQmF=021为换热器的平均温差为换热器的平均温差mt mttlnttt=t进口温差。进口温差。t出口温差。出口温差。?顺流式、逆流式换热器均适用。顺流式、逆流式换热器均适用。顺流式、逆流式换热器均适用。顺流式、逆流式换热器均适用。t1 t1 t2 t2 dFdt2dt1FxF(t1-t2)t1 t1 t2 t2 QG2G1dFmm50=ctw01300=ct