HTRI 6-热传递基本方式及其规律(11学时)

热工基础5 传热及换热器 传热学研究内容及应用 传热学介绍 传热学是研究热量传递规律的科学 学习传热学的目的就是掌握并运用传热的规律 能动地控制热量传递过程 解决工程技术中增强或削弱传热的问题 本单元介绍热量传递的三种基本方式 导热 对流和辐射换热的基本规律 在此基础上了解反应堆内复杂的传热过程的传热规律和传热计算 以及这些规律在换热器中的应用 传热的基本方式 热传递的三种形式 导热传热 是指不同温度的物体或物体不同温度的各部分之间 分子动能的相互传递 即动能较大 温度较高 的分子把能量传给邻近的动能较小 温度较低 的分子 此外 还依靠自由电子运动而传递能量 例如燃料芯块内 包壳内 蒸汽发生器的传热管壁内的传热都是典型的导热传热 对流传热 随着流体不同部分的相对位移 把热量从一处带到另一处的现象 称为热对流 所以热对流与流体的流动有关 实际上 常会遇到导热和热对流两种基本方式同时出现 而形成一种较复杂的热传递过程 称为对流换热或对流放热 如流体在管道内流动 当流体和管道内壁温度不同时 它们之间必然会发生热量传递 紧贴管壁处总有一薄层流体作层流流动 其中垂直于壁面的方向上仅有分子能量的传递 即只存在导热 而层流薄层以外的区域 热量的传递主要依靠对流 辐射传热 物体通过电磁波传热的方式称做辐射 在常温下热辐射起的作用不大 在高温时则起重要作用 例如在反应堆失水事故时堆芯裸露 燃料元件温度升得很高时 就要考虑热辐射的作用 导热过程及基本定律 导热的基本概念 不同温度的物体或物体不同温度的各部分之间 依靠物体内部分子 原子及自由电子等微观粒子的热运动而产生的热量传递 成为热传导 又称导热 单纯的导热只在固体中发生 温度场 温度场 某一时刻物体内各点温度分布情况 物体中 把温度相等的点联结起来 形成 个 面 或 线 称为等温面或等温线 由于等温面上各点的温度相同 不存在温度差 因此 沿等温面没有热传导 传热只能由较高温度的等温面沿法线方向传到较低温度的等温面 稳定温度场与不稳定温度场 如果有一物体 物体中各处的温度在所研究的一段时间内维持不变 这样的温度场称为稳定温度场 反之如果物体中各处的温度随时间而变化 就称为不稳定温度场 温度函数 温度函数 一般情况下稳态温度场一维稳态温度场 热流密度 单位时间内通过单位面积的热量 温度梯度 热运动 热传递的基本规律 热 冷 热流量 Q Q 热流密度 q 传递面积 A 热流密度 q q是单位时间通过单位面积的热量 热 冷 热量传递的方向指向温度降低的方向 导热基本定律 基本规律 q k T q 单位时间内通过单位等温面积沿温度降低的方向所传递的热量 W m2 k 材料的热导率 W m T 温度梯度 m 一维稳态下平壁中的导热公式 热阻 t1 t2 q 导热系数 导热是物质的物理特性 自然界没有完全不导热的物质 导热系数 热导率 是衡量物质导热能力大小的物性参数 导热系数大物质的导热能力就能 反之 导热系数小 则其导热能力就差 不同物质的导热能力相差很大 纯金属的导热系数最大 大气的导热系数最小 各种纯金属中银的导热系数最大 液体中水的导热系数较高 气体的导热系数与分子量成反比 分子量最小的氢气导热系数最高 氦次之 影响材料导热系数的因素很多 同一种材别温度不同 导热系数也不同 金属含有微量杂质会使导热系数显著下降 合金的导效系数与成分有关 堆内采用的某些材料 如UO2 其导热系数还与加工工艺有关 堆用石墨是各向异性材料 沿压实方向的导热系数与垂直压实方向的导热系数是不相同的 典型的一维稳态导热问题1 单层平壁 现在我们回过来看单层平壁导热问题 如右图所示 它是壁面积为F 单位m2 厚度为 单位m 的平壁 两壁面分别具有均匀而稳定的温度Tw1和Tw2 平壁只在X方向有温度变化 属于一维稳定温度场 稳定导热时 导热量 为定值 平板 变导热系数 典型的一维稳态导热问题2 多层平壁 多层平壁是指几层不同材料组成的平壁 今以三层平壁为例 如各层厚度分别为 相应的导热系数为 假设各层接触良好 并认为接合面上各处温度相等 第一层与第二层的接合面的温度为Tw2 第二层与第三层的接合面的温度为Tw3 第一层外表面的温度为Tw1 第三层外表面的温度为Tw4 传热面积为 导过的热量为 圆筒壁导热的特点 圆筒壁导热过程中 热量沿半径方向传递 稳态导热时 虽然通过管壁各等温面的热流量相同 但由于等温面面积由内向外是逐渐增大的 使得单位面积的热流量 热流密度 由内向外逐渐减小 然而通过单位长度圆筒壁的导热量是不变的 即线功率不变 典型的一维稳态导热问题3 圆筒壁 长L 单位m 如材料的导热系数为定值 内 外壁温Tw1和Tw2沿轴向均匀且不随时间变化 轴向和圆周方向无导热发生 壁内温度仅沿半径方向而变 即T f r 属于一维稳态导热 典型的一维稳态导热问题4 多层圆筒壁 多层圆筒壁如同多层平壁一样 可以用总热阻等于各层热阻相加的办法计算 如对于长L 单位为m 的三层圆筒壁 其单位时间的导热量Q为 圆筒壁导热的简化计算 导热的增强和削弱 增强导热 选用热导率大的材料并减少材料的壁厚 削弱导热 就应选用热导率较小的材料并增大材料的壁厚为了减少蒸汽管道 锅炉炉墙等热力设备的散热损失 一般都采用在其外表面敷设热导率很小的保温材料的方法 膨胀珍珠岩 膨胀蛭石和超细玻璃棉等式发电厂普遍采用的新型轻质保温材料 另外运行中的换热设备 由于管内结垢和管外积灰 增加了导热热阻 使热流量大大下降 影响了导热 因此有水质和清洗 排污要求 不稳定导热简介 在不稳定温度场中进行的导热称为不稳定导热不稳定导热中物体内部各处的温度随时间不断发生变化 不稳定导热中与热流方向垂直的各个截面上的热流量处处不相等 注意不稳定导热过程中壁面两侧的温差比进入稳定状态后的温差大得多 而壁面温度不均匀而引起的热应力的值与壁两侧的温差成正比 对流换热 对流换热的概念及其影响因素 热对流 随着流体不同部分的相对位移 把热量从一处带到另一处的现象 称为热对流 所以热对流与流体的流动有关 对流换热 流动的流体与所接触的固体壁面之间发生的热量交换 称为对流换热 实际上 常会遇到导热和热对流两种基本方式同时出现 而形成一种较复杂的热传递过程 称为对流换热或对流放热 如流体在管道内流动 当流体和管道内壁温度不同时 它们之间必然会发生热量传递 紧贴管壁处总有一薄层流体作层流流动 其中垂直于壁面的方向上仅有分子能量的传递 即只存在导热 而层流薄层以外的区域 热量的传递主要依靠对流 流动形式 层流 湍流 层流 线流沿主流方向有规则地运动 湍流 流线呈杂乱的不规则运动 换热更为强烈 层流 湍流 热对流 热传导 热对流 雷诺实验 雷诺实验证明流动的形态取决于流体运动的速度 圆管内流动流速分布 层流流速分布注 在层流时 平均流速是最大流速的二分之一 湍流流速分布注 在湍流时 平均流速与最大流速之比与雷诺数有关 速度边界层1 通常把从速度为零的壁面到速度达到来流速度u 的99 处的距离 定义为速度边界厚度 相对于平板长度L来说 是一个比L小一个数量级以上的小量 速度边界层2 温度边界层 热边界层 流体膜 对流换热牛顿公式 牛顿冷却公式 对流换热系数单位 对流换热系数影响因素 影响对流换热的因素大致可归纳为以下6个方面 流体的性质 密度 比热 导热性 流体的平均速度 流体流动状态 层流或紊流 传热面的形状 流体的状态变化 沸腾 凝结 流体内能可能的变化 放热反应 吸热反应 这些条件对h的影响比较复杂 通常是用经验公式或实验来确定h值的大小研究对流换热的基本任务就在于用理论分析或实验方法具体给出各种场合下h的计算关系式 对流传热 自然对流 强迫对流 由于流体冷热造成的密度差引起流动传热 流体的流动由于水泵 风机或其他压差作用所造成的 导热系数 和对流换热系数h的区别 是一个与过程无关的物性参数 也就是仅仅取决于材料的性质 温度等物理量 一旦材料及其温度一定 值也就唯一地确定了 它可以通过试验测定 对流传热系数h不仅与流体的物性有关 而且取决于过程 固定表面的状况等多种复杂因素 自然对流传热 流体的温度差引起密度差 在重力下引起流动换热一般关系式 层流 湍流 当 当 式中 当 单相强制对流传热系数 Nu 努塞尔数 Re 雷诺数 Pr 普朗特数 系数a 指数a 都是由实验确定的常数 流速 V 密度 粘度 热导率 k 比热 Cp 等效直径 D De 4x通道横截面积 通道的湿润周长 圆形通道内的强迫对流传热系数 影响管内换热的主要因素 流体的流动状态 流体的物性管子的几何尺寸入口效应弯管的影响热流方向的影响 流体被加热或冷却 流体在管外横向流动时的对流换热 横向冲刷 流体在管外的流动方向与管子轴线方面垂直时的流动换热特性 圆管前后半周的边界情况影响因素 管束排列方式管子排数相对节距 横向冲刷管束流动的对流换热 影响因素 管束排列方式管子排数相对节距 沸腾换热 大容积沸腾传热 大容器饱和沸腾曲线 左图 A点前 自然对流区 AB 核态 微弱 沸腾BC 泡核沸腾CD 过渡沸腾DE和EF 稳定膜态沸腾 各区传热机理和传热关系式 自然对流区 A点以前 泡核沸腾区 ABC 主要的传热机理 汽化潜热传热汽 液置换微对流 水的泡核沸腾经验关系式 临界热流密度 C点 临界热流密度点 CHF 标志着泡核沸腾的上限 在C点之后由于部分加热表面被整齐覆盖而使传热减弱 或者可能因为q的稍微增加而导致壁温骤然增加 近1000 将可能导致壁面烧毁 因此qmax亦称为烧毁点 两种机理 1 汽泡合并 2 流体动力学不稳定性 造成的结果都是蒸汽覆盖表面而传热恶化 垂直管内对流沸腾的流型和传热工况 低q A 单相液体对流B 欠热泡核沸腾C D 饱和泡核沸腾E F 通过液膜的强制对流蒸发传热G 缺液区传热H 单相蒸汽对流传热 凝结换热1 凝结换热的特点珠状凝结和膜状凝结膜状凝结换热的特点及影响因素 凝结换热2 影响凝结换热的因素 含有不凝结气体的影响蒸汽流速及流向的影响管子排列方式的影响 顺排 叉排和辐向排列 冷却表面的影响 粗糙度和结垢影响 对流换热的几个结论 液体的对流换热系数比气体高 对同一种流体而言 强制对流换热比自然对流换热强烈 有相变的对流换热比无相变的对流换热强 同一种流体 在其他条件相同的情况下 横向冲刷的换热比纵向冲刷强烈 横向冲刷时 叉排的换热又比顺排强烈 热辐射 辐射换热 定义 凡物体都有放射辐射粒子 光子 的能力 辐射粒子具有的能量称为辐射能 物体因热的原因 转化本身的内能 而发出辐射能的现象称为热辐射 热辐射是依靠电磁波来传递能量的 自然界中各个物体都不停地向空间发出热辐射 同时又不断地吸收其他物体发出的热辐射 辐射与吸收过程的综合结果就造成了以辐射方式进行的物体间的热量传递 这就是辐射换热 热辐射可以在真空中传播 而导热和对流换热这两种热传递方式只能在有物质存在的条件下才能实现 这是第一点区别 另一个区别是 辐射换热不仅产生能量的转移 而且还伴随着能量形式的转化 即发射时从热能转换成辐射能 而被吸收时又从辐射能转换为热能 吸收 反射与透射 吸收率 反射率透射率气体固体和液体 黑体的热辐射热量 实验表明 物体的辐射能力与温度有关 温度越高 辐射能力越强 温度相同而物体性质和表面情况不同 辐射能力也不同 一种称做绝对黑体 简称黑体 的理想物体在同温的物体中具有最大的辐射本领和吸收本领 黑体单位时间内发出的热辐射能量由斯蒂芬 玻尔兹曼 Stefan Boltzmann 定律揭示 黑体辐射常数 也称斯蒂芬 玻尔兹曼常数 其值为5 67 10 8w m2 K4 实际物体热辐射热量及交换 一切实际物体的辐射能力都小于同温度下黑体的值 实际物体热辐射热量的计算可以采用斯蒂芬 玻尔兹曼定律的经验修正形式 式中 称为该物体的黑度 又称发射率 指实际物体的辐射力与同温度下黑体辐射力之比 其值总小于 与物体的种类及表面状态有关 表面积 相同的二个平行黑体表面 表面温度分别为T1和T2 它们之间的辐射换热量 物体表面间的辐射换热 吉尔霍夫定律 物体的吸收率与该物体同温度下的发射率在数值上彼此相等 角系数 表面1发