第4章 传热-1-2014

1、第第4章章 传传 热热1第第4章章 传传 热热2(1) 传热原理传热原理 热力学第二定律：热力学第二定律：只要存在温度差，热量会自发从高温传递向低温，直至温度相等。传热方向传热方向：传热极限传热极限：传热推动力传热推动力：高温低温温度相等温度差传热应用：科研、生产、生活传热应用：科研、生产、生活34.1 概述概述4弱化传热弱化传热强化传热强化传热提高传热速率，减小设备尺寸物料的加热或冷却设备或管道的保温降低传热速率，减小热量损失通过换热，回收利用热量热量传递的三种基本方式：热量传递的三种基本方式：导热、对流、辐射导热、对流、辐射辐射传热自然界与生产过程到处存在温差自然界与生产过程到处存在温差传

2、热很普遍传热很普遍对流换热5(2)传热的三种基本方式传热的三种基本方式 一、热传导一、热传导 热量从物体内温度较高的部分传递到温度较低的部分，或传递到与之接触的另一物体的过程称为热传导，又称导热。 特点：特点：没有物质的宏观位移气体气体 分子做不规则热运动时相互碰撞的结果固体固体 导电体：自由电子在晶格间的运动 非导电体：通过晶格结构的振动来实现的液体液体 机理复杂6二、对流二、对流 流体内部质点发生相对位移的热量传递过程。三、热辐射三、热辐射 物体因热的原因发出辐射能的过程称为热辐射。 自然对流 强制对流 能量转移、能量形式的转化 不需要任何物质作媒介 三种方式同时存在三种方式同时存在 实际

3、传热过程实际传热过程：7冷热流体的接触方式冷热流体的接触方式一、直接接触式一、直接接触式板式塔板式塔8 二、蓄热式二、蓄热式优点：结构较简单耐高温缺点：设备体积大有一定程度的混合低温流体高温流体9三、间壁式三、间壁式 传热面为内管壁的表面积 套管换热器冷流体t1t2热流体T1T210列管换热器列管换热器传热面为壳内所有管束壁的表面积 热流体T1T2冷流体t1t211典型换热设备：典型换热设备： 间壁式换热器间壁式换热器(冷,热流体间换热) 例：列管换热器(4)(4)传热在传热在工业的应用工业的应用 稳态传热：各点温度分布不随时间而改变 非稳态传热：各点温度随位置和时间而变（3）稳态传热和非稳态

4、传热）稳态传热和非稳态传热12 (5)(5) 本章研究的主要问题本章研究的主要问题1）三种传热机理（计算热流量）2 2）换热器计算（设计、校核）换热器计算（设计、校核）3）换热设备简介热传导机理热传导机理 气体气体：温度不同的相邻分子相互碰撞，造成热量传递。 液体液体：分子间作用力较强，由相邻分子振动导致热传递。 固体：固体：相邻分子的碰撞或电子的迁移。 4.2.1 基本概念和傅立叶定律基本概念和傅立叶定律 （1 1）温度场）温度场 所研究的具有一定温度分布的空间范围。在温度差的驱动下，通过分子相互碰撞、分子振动、电子的迁移传递热量的过程。),(zyxft 稳态温度场：稳态温度场： ),(zy

5、xft ),(zyxft 非稳态温度场：非稳态温度场：4.2 热传导（导热）热传导（导热）13t / 64321780l / m加热炉加热炉i时间导 热 过 程 示 意 图14ttttntnnAd法向等温面等温面、温度梯度与热流方向 等温面等温面 具有相同温度的点组成的面 特点特点：等温面上各点温度相等， 等温面不会相交。 温度梯度温度梯度 沿等温面法线方向的温度变化率。nt方向方向：沿温度增高方向为正，且与等温面垂直。ntn0limntdndtn0lim对一维稳态导热：（2）描述温度场特性的几个参数描述温度场特性的几个参数15)/(,2mWAq单位时间内所传导的热量， w。（4 4）傅立叶定

6、律）傅立叶定律ntAntq或：热导率，w/（mK），w/（m ）；A：传热面积，m2，垂直于热流方向的面积；负号负号：与 方向相反(热流量从高温向低温)。nt热流密度热流密度：表明表明： ntA，热传导中，dndtA一维稳态导热：dndtq或：（3）热流量热流量164.2.2 热导率热导率ntqKmW/说明：说明： 物性参数，标志物质导热性能； 影响因素：=f(材料，结构，温度，湿度，压强)； 来源：实验方法测定 ，工业上常见物质的热导率可 从有关手册中查得。定义式定义式: 178几种气体的导热率412653t / 072004006001000800165432102/(Wm-11）1水蒸气

7、水蒸气2氧气氧气3二氧化碳二氧化碳4空气空气5氮气氮气6氩气氩气几种气体的热导率：几种气体的热导率：180161026242012各种液体的导热率水11514131211109876543285.98/(Wm-11）t /H2O85.98/(Wm-11）475153555759491无水甘油无水甘油2蚁酸蚁酸3甲醇甲醇4乙醇乙醇5蓖麻油蓖麻油6苯胺苯胺7醋酸醋酸8丙酮丙酮9丁醇丁醇10硝基苯硝基苯11异丙苯异丙苯12苯苯13甲苯甲苯14二甲苯二甲苯15凡士林油凡士林油2060100140几种液体的热导率：几种液体的热导率：19气体液体非金属金属可见，在数值上： 物质热导率的大致范围物质热导率的

8、大致范围 物质种类 热导率 纯金属 1001400 金属合金 50500液态金属 30300非金属固体 0.05 50 非金属液体 0.55绝热材料 0.051 气体 0.0050.5 0.010.020.040.060.10.20.40.6124610204060100200400600200600100014001800空气甲烷二氧化碳苯（气态）硅藻土冰水硅砖粘土耐火砖镁砖铝（液体）高合金钢合金钢低碳钢钾（液体）锌（液体）钢（液体）锌（固体）铜铝温度 K不同物质导热系数随温度变化的比较导热系数w/mK20不同物质随温度变化的不同物质随温度变化的一般规律一般规律,t气体：,()t液体：水、无

9、水甘油例外)(,高合金钢例外金属：t)(,冰例外非金属：t固体：21(1) (1) 单层平壁的稳态热传导单层平壁的稳态热传导 条件条件：平壁、一维稳态导热(x x 方向)；内容内容：热流量计算、温度分布 。 对平壁做热量衡算对平壁做热量衡算：热量积累率输出热流率输入热流率输出热流率输入热流率 const即：热流量对稳态传热：对稳态传热：bx1x2txt1t2 单层平壁的稳态热传导4.2.3 平壁的稳态热传平壁的稳态热传导导22热导率为常数热导率为常数dxdtA210ttbdtAdx积分：)(12ttbA得：RtAbtt21传热阻力（热阻）传热推动力（温差）Rtbttq21热流密度：ARR bR

10、 热流量：热流量：23t2t1x /mt/ 单层平壁导热温度分布平壁内的温度分布：平壁内的温度分布：dxAdt由：CxAt积分得：即：沿壁厚方向，温度分布为一直线。沿壁厚方向，温度分布为一直线。 热导率和温度有关热导率和温度有关方法方法1 1：，积分得：代入)1 (0tadxdttq)(2121)1(0 xxttdxqdtt)(211)(21210ttattqb整理：24mbttq/21热流密度：KmWtttmm/)(21(21的热导率，：平均温度平壁内的温度分布：平壁内的温度分布：xxttdxqdtt11)1(0不定积分：axxaqtat1)(2)1(211021解得：方法方法2：把 m，按

11、为常数处理，即：=f(t)时，时，沿壁厚方向，温度分布为非线性。Abttm21热流量：25t/ x/m)1 (0tm单层平壁导热的热流量与壁内的温度分布263333Abtx /mt2t1t/t2t3t4多层平壁稳态导热温度分布3333Abt3211111Abt2222Abt333222111321AbAbAbttt和比定理：条件条件：多层平壁一维稳态导热 (x方向)。 则则：(2) 多层平壁的稳态热传导多层平壁的稳态热传导2733322211141AbAbAbttiiRt11nitttt其中，iiiiAbRR4.2.4 长圆筒壁的稳态热传导长圆筒壁的稳态热传导 L/d 10，可按一维导热处理。

12、与平壁稳态热传导相比，与平壁稳态热传导相比，相同点：相同点：一维稳态导热，=常数r1r2t1t2单层圆筒壁的导热28热流方向（径向）；传热面积沿径向不同径向不同热流密度)/(Aq221122qrqr(1) (1) 计算热流量计算热流量 单层圆筒壁单层圆筒壁 沿径向取一小薄层，由傅立叶定律：drdtrLdrdtA)2(321qqqrLAr2r1r2t1t2单层圆筒壁的导热不同点：不同点：29RtLrrttrrttL2/lnln212211221LrrR2)/ln(12其中，LrLrrrttrrL22ln)()(212122112变形：121221ln)(AAbAAtt1212lnAAAAAm对数平均面积：30mAbtt21热流量：mAbLrrR2)/ln(12其中， 多层圆筒壁多层圆筒壁33322211141mmmAbAbAbtt12121lnAAAAAm其中，23232lnAAAAAmRtLrrtt2/ln122134343lnAAAAAm334223112412)/ln(2)/ln(2)/ln(LrrLrrLrrttiiRt31r1r2r3r4t1t2t3t4123多层圆筒壁的导热(2) 圆筒壁内温度分布圆筒壁内温度分布 可由傅立叶定律得出：(2)dtrLdr 11ln2rrLtt积分得： 即：