第3章传热及传热设备-1.ppt

1、传热及传热设备,第三章,2020/7/18,2,总述,传热，即热量传递，有温度差存在的地方，就必然有热量传递，传热的基本方式有三种：热传导、对流传热和辐射传热。 热传导简称导热，是指物质各部分之间没有相对位移，由于直接接触而发生能量传递的现象，导热在固体、液体和气体中均可进行。热传导是介质内无宏观运动时的传热现象，其在固体、液体和气体中均可发生，只有在固体中才是纯粹的热传导，在流体中对流与热传导同时发生。,2020/7/18,3,主要内容,3-1热传导 3-2对流传热 3-3 传热过程计算 3-4 辐射传热 3-5换热器,2020/7/18,4,3-1热传导,一、基本概念和傅立叶定律 （一）温

2、度场和温度梯度 （二）傅立叶定律 二、导热系数 三、平壁的热传导 （一）单层平壁热传导 （二）多层平壁的热传导 四、圆筒壁的热传导 （一）单层圆筒壁的热传导 （二）多层圆筒壁的热传导,2020/7/18,5,一、基本概念和傅立叶定律,（一）温度场和温度梯度,1温度场,温度场就是任一瞬间物体或系统内各点的温度分布总和。,温度场的数学表达式为,t = f (x, y, z,) （2-1）,定态温度场的数学表达式为,t = f (x, y, z) （2-2）,温度场为定态的一维温度场表达式为,t = f (x) （2-3）,2020/7/18,6,2等温面,温度场中同一时刻下相同温度各点所组成的面为

3、等温面。 温度不同的等温面彼此不相交。等温面上无热量传递。 沿和等温面相交的任何方向，有热量传递。,3温度梯度,图2-1 等温线和温度梯度,将温度为（t+t）与两相邻等温面t的温度差t，与两相邻等温面间垂直距离n之比的极限称为温度梯度。,对定态的一维温度场，温度梯度可表示为,（2-5）,2020/7/18,7,一、基本概念和傅立叶定律,（二）傅立叶定律,对于一维定态导热，其导热速率与温度梯度以及垂直于热流方向的截面积dS成正比，数学表达式为,（2-6）,式中Q热传导速率，即单位时间传导的热，其方向与温度梯度的方向相反，W；,S与热传导方向垂直的传热面（等温面）面积，m2；,物质的导热系数，(W

4、/m.)；,负号表示导热的方向与温度梯度的方向相反，即热量朝着温度下降的方向传递。,傅立叶定律,2020/7/18,8,二、导热系数,式2-6可改写为,（2-7）,(导热系数的定义式),导热系数的物理意义是在数值上等于单位温度梯度下的热通量（单位导热面积、单位温度梯度、单位时间内传导的热量）。各种物质的导热系数通常用实验方法测定。,在室温下值小于0.2(W/m.)的材料，称为隔热保温材料。,2020/7/18,9,1.固体的导热系数 对大多数均质固体，其值与温度近似呈线性关系,=0(1+at),(2-7a),2.液体的导热系数,主要依靠实验方法测定。缺乏实验数据时，可按纯液体的值进行估算 。,

5、有机化合物水溶液的导热系数估算式为,m=0.9ii,(2-7b),m=ii (2-7c),3.气体的导热系数,常压下气体混合物的导热系数估算式,有机化合物的互溶混合液的导热系数估算式为,(2-7d),2020/7/18,10,三、平壁的热传导,（一）单层平壁热传导,单层平壁的热传导如图2-2所示。,假设,材料均匀，导热系数不随温度变化,平壁内的温度仅沿垂直与平壁的方向变化,平壁面积与平壁厚度相比很大,图2-2单层平壁的热传导,由（2-6）式简化为,（2-8）,当x=0时，t=t1；当x=b，t=t2，且（t1t2）,（2-9）,2020/7/18,11,式2-9适用于为常数的定态热传导过程。

6、在工程计算中，对于各处温度不同的固体，其导热系数可以取固体两侧面温度下值的算术平均值。在热传导计算中，一般都采用平均导热系数。 式2-9表明导热速率与导热推动力成正比，与导热热阻成反比；导热距离愈大，传热面积和导热系数愈小，则导热热阻愈大。即,三、平壁的热传导,2020/7/18,12,三、平壁的热传导,（二）多层平壁的热传导,以三层平壁（耐火砖、保温砖、普通砖）为例，,假设层与层之间接触良好,图2-3三层平壁的热传导,在稳态热传导时，设t1 t2 t3 t4,（2-10）,（2-11）,（2-12）,由上式解出ti-ti+1 (i=1,2,3)并相加，整理得,2020/7/18,13,(2-

7、13),对n层平壁，其热传导速率方程式可表示为,(2-14),多层平壁热传导的总推动力为各层温度差之和，即总温度差；总热阻为各层热阻之和。,实际上不同材料构成的界面之间可能出现明显的温度降低。,2020/7/18,14,四、圆筒壁的热传导,（一）单层圆筒壁的热传导,图2-4 单层圆筒壁的热传导,设圆筒的内半径为r1，外半径为r2，长度为L。,内外壁面温度分别为t1和t2，t1t2,圆筒半径r处沿半径方向取微分厚度dr的薄壁圆筒，其传热面积可视为2rL ，温度变化为dt,（2-15）,分离变量积分并整理得,2020/7/18,15,（2-16）,（2-17）,写成与平壁热传导速率方程相类似的形式

8、,（2-18）,（2-19）,rm圆筒壁的对数平均半径，,时可用算术平均值,Sm圆筒壁的对数平均导热面积,b=r2-r1,2020/7/18,16,四、圆筒壁的热传导,（二）多层圆筒壁的稳态热传导,图2-5多层圆筒壁的热传导,三层圆筒壁,（2-20）,由式2-16可得,（2-21）,n层圆筒壁，热传导速率方程式,（2-22）,2020/7/18,17,多层圆筒壁热传导的总推动力为总温度差，总热阻亦为各层热阻之和，只是计算各层热阻所用的传热面积不再相等，而应采用各自的对数平均面积。,平壁与圆筒壁、单层壁与多层壁热传导速率计算式的形式 可采用一般的公式表示。即,（2-22a）,小结：,各种情况下热

9、传导的计算式，都是由博立叶定律积分而得，其关键在于热传导的面积。对于平壁各层面积相等Si常数；对于圆筒壁S2rL，随半径r而变化，故计算式中传热面积取对数平均面积Sm；对于空心球壁S4r2，计算式中传热面积取几何平均面积,材料的导热系数视为常数，是指工程计算时一般取两侧壁面温度下的导热系数的算术平均值。,2020/7/18,18,【例2-3】蒸汽管路外包有等厚度的两层保温材料，外层的平均直径为内层的2倍，而导热系数则为内层的12。若将两层保温材料互换，其他情况均不改变，试问：每米管长的热损失有何改变?哪一种保温材料放在里层更为有效?,解,设内层保温材料的平均直径为dm1，外层的为dm2，,根据

10、题意,dm22dm1 20.51 b1=b2=b,由导热速率方程,整理得,两保温层互换后，导热速率为,2020/7/18,19,即,互换后单位管长的热损失为原来的80,表明：导热系数小的材料放在内层保温效果更好。,2020/7/18,20,3-2对流传热,一、对流传热速率方程和对流传热系数,（一）对流传热速率方程,（二）对流传热系数,二、对流传热机理,（一）对流传热分析,（二）热边界层,三、保温层的临界直径,2020/7/18,21,一、对流传热速率方程和对流传热系数,（一）对流传热速率方程,对流传热速率对流传热推动力对流传热阻力系数推动力,推动力是壁面和流体间的温度差，将对流传热的全部温度差

11、都集中在厚度为的有效层流膜(虚拟膜)内；阻力与壁面的表面积成反比。,当流体被冷却时，热流体主体向固体壁的对流传热,(2-23),令,式(2-23)变形为,2020/7/18,22,(2-25),当流体被加热时，固体壁向冷流体主体的对流传热,(2-26),式中Q对流传热速率，W； S传热面积，m2； T和 t热、冷流体的温度，； Tw 和tw冷、热壁面温度，； 对流传热系数，W/(m2)。,式(2-25)和(2-26) 为对流传热速率方程，也称牛顿冷却定律。,2020/7/18,23,一、对流传热速率方程和对流传热系数,（二）对流传热系数,牛顿冷却定律也是对流传热系数的定义式，即,单位温度差时、

12、单位时间内、通过单位面积以对流方式所传递的热量，其单位为W/(m2)，愈大表示对流传热愈快。,对流传热系数物理意义：,影响的主要因素：,流体的种类和相变化的情况,流体的物理性质,流体的流动状况,引起流体流动的原因,传热表面的形状、大小及位置情况,不同情况下的计算式是各不相同的，一般可在化工手册中查到。,2020/7/18,24,二、对流传热机理,（一）对流传热分析,当流体流过固体壁面时形成边界层。,处于层流状态下的流体热量传递方式为热传导 。,当湍流的流体流经固体壁面时，将形成湍流边界层 ，湍流边界层由层流内层、缓冲层和湍流核心三部分组成：,在缓冲层内兼有热传导和涡流传热两种传热方式；湍流核心

13、的热量传递以旋涡运动引起的传热为主，,图25对流传热的温度分布情况,在层流内层中传热方式为热传导；,2020/7/18,25,二、对流传热机理,（二）热边界层,流动流体中存在温度梯度的区域称为温度边界层，亦称热边界层。,图2-6平板上的热边界层,设流体温度为t，,平板温度为tw,流体的温度仅在靠近板面的薄流体层中有显著的变化，此薄层定义为热边界层。,热边界层的厚度用t表示。,tw-t=0.99(tw-t)处为热边界层的界限，,热边界层是进行对流传热的主要区域,2020/7/18,26,传热速率可用傅立叶定律表示，即,式中流体的导热系数，W/(m.)； y与壁面相垂直方向上的距离，m； (dt/

14、dy)w壁面附近流体层内温度梯度，/m。,（2-28）,推导整理，则可得,（2-29）,对流传热系数另一定义式,当边界层内、外侧的温度差一定时，热边界层愈薄，则(dt/dy)w愈大，因而就愈大。反之则相反。,2020/7/18,27,当流体流过圆管进行传热时，管内热边界层的形成和发展与流动边界层类似。流体最初以均匀速度 u0和均匀温度 t0进入管内，因受壁面温度的影响，热边界层的厚度由进口的零值逐渐增厚，经过一定距离后，在管中心汇合。流体由管进口至汇合点的轴向距离称为传热进口段。超过汇合点以后，温度分布将逐渐趋于平坦，若管子的长度足够，则截面上的温度最后变为均匀一致并等于壁面温度ts。,从进口段的简单分析可知，管子的尺寸和管口形状对有较大的影响。在传热管的长度小于进口段以前，管子愈短，则边界层愈薄，就愈大。对于一定的管长，破坏边界层的发展也能强化对流传热。,2020/7/18,28,三、保温层的临界直径,图2-16保温层的临界直径,热损失为：,通常，热损失随保温层