第5章 第1,2节 传热.ppt

1、,第五章 传热学 第一节 概述,主要学习内容： （1）传热基本方式及其特点：传导、对流、辐射 （2）冷热流体的热交换方式：直接接触式、蓄热器式和间壁式热交换 （3）载热体的选择 学习重点： （1）冷热流体的热交换方式及其特点与常用应用范围,传热是由于温度差引起的热量转移。 热量传递是自然界最普遍的现象。凡有温差存在的地方，热量总是自发地由高温向低温传递。 传热在材料生产中占相当重要的地位。仅其设备投资就占全部设备投资的30%40%。,生产过程传热操作通常有两种情况： 一种是强化传热过程，如各种换热设备中的传热； 另一是削弱传热过程，如对设备和管道的保温（冬天防寒衣）、保冷（夏天冰箱），以减少热

2、损失。,一 传热的基本方式 传热可依靠其中的一种方式或几种方式同时进行，净的热流方向总是从高温处向低温处流动。,1.热传导（又称导热） 特点：在传热方向上物系内部无相对位移。 机理：靠分子、原子和自由电子等微观粒子热运动而进行的热量传递： （1）金属（优良导电热体）：靠自由电子运动； （2）不良导体（固）和大多数液体：靠晶格振动（原子、分子在其平衡位置附近的振动、碰撞等）； （3）气体：靠分子的不规则运动和碰撞。 对于纯热传导过程，它仅是静止物质内的一种传热方式，没有物质的宏观位移。一般在固体、静止或滞流流体中进行而不能在真空中进行。,2. 热对流 流体各部分之间发生相对位移所引起的热传递过程

3、称为热对流 。 （1）自然对流：因流体中各处的温度不同而引起密度的差异，使轻者上浮，重者下沉，流体质点产生相对位移，这种对流称为自然对流。 （2）强制对流：因泵或搅拌等外力所致的质点强制流动, 这种对流称为强制对流。 （3）对流换热：生产中大量遇到的问题是流体与间壁表面之间的传热。这种由导热和对流两种传热方式共同参与的传热称对流传热。即： 对流换热 =导热+对流,3.热辐射 因热的原因而产生的电磁波在空间的传递，称为热辐射。 所有物体（包括固体、液体和气体）只要在热力学温度零度以上， 都能发射辐射能，但是只有在物体温度较高时，热辐射才能成为主要的传热方式。 辐射传热的特点是：（1）热辐射线可以

4、在真空中传播, 无需任何介质, 这是热辐射与对流和传导的主要不同点。（2）不仅有能量的传递，而且还有能量形式的转换。,二 传热过程中冷热流体热交换方式 工业上的传热设备按冷、热两股流体间的热交换方式，设备可分为三类： 1. 直接接触式换热和混合式换热器 热、冷流体直接混合进行热交换传热过程，称为直接接触式换热 。所采用的设备称为混合式换热器。 直接接触式换热的特点： （1） 传热效果好，设备结构简单； （2）在进行传热的同时 ，伴有传质过程。,2. 蓄热式换热和蓄热器 蓄热式换热是在蓄热器中实现热交换的一种换热方式。蓄热器内装有固体填充物，热、冷流体交替地流过蓄热器，利用固体填充物来积蓄和释放

5、能量而达到换热的目的。成对使用，难避免两流体的混合。 一般说来，这种传热方式只适用于气体介质： （1）对于液体会有一层液膜粘附在固体表面上，从而造成冷热流体之间的少量掺混； （2）气体的体积比热容较填充物小得多，液体则不然。,3. 间壁式换热和间壁式换热器 （1）间壁式传热过程 工业上应用最多的是间壁式传热过程。如图4-3所示，热、冷流体通过间壁传递热量的过程包括三个步骤： 热流体给热于管壁内侧； 热量自管壁内侧传导至管壁外侧； 管壁外侧给热于冷流体。 1）传热（或换热）过程：在冷、热流体之间进行的热量传递总过程通常称为传热（或换热）过程 ； 2）对流传热过程：将流体与壁面之间的热量传递过程称

6、为对流传热过程 。,（2）典型的间壁式换热器,4.载热体及其选择 载热体的定义：物料在换热器内被加热或冷却时，通常需要用另一种流体供给或取走热量，此种流体称为载热体。 其中起加热作用的载热体称为加热剂（或加热介质）；起冷却（或冷凝）作用的载热体称为冷却剂（或冷却介质）。 为了提高传热过程的经济效益，必须选择适当温位的载热体。,工业上常用的加热剂和冷却剂所适用的温度范围如表4-1和表4-2所示。若所需的加热温度很高，则需采用电加热。,学习主要内容： （1）基本概念（温度场，温度梯度）和傅立叶定律 （2） 导热系数，包括导热系数的定义，固体、液体、气体的导热系数介绍 （3） 平壁的热传导计算 单层

7、平壁的热传导计算 多层平壁的热传导计算 （4）圆筒的热传导计算 重点：平壁和圆筒的热传导计算部分,第二节 热传导,一、基本概念和傅立叶定律 1. 温度场与温度梯度 物体或系统内各点间的温度差存在是产生热传导的必要条件。由热传导方式引起的传热速率（称为导热速率）决定于物体内温度的分布情况。 （1）温度场：任一瞬间物体或系统内各点的温度分布总和。温度场的数学表式为 tf（x，y，z，）,稳定温度场 不稳定温度场 一维稳定温度场 t仅沿一个坐标方向发生变化。 等温面：温度场中同一时刻下相同温度各点所组成的面，彼此不相交。（同一瞬间内空间任一点不可能同时有二个不同的温度值）。,（2）温度梯度 通常，将

8、温度为 （t+t）与t两相邻等温面之间的温度差t，与两面间的垂直距离n之比值的极限称为温度梯度。温度梯度的数学定义式为,对于一维稳定温度场,2.傅立叶（Fourier）定律 1822年，法国数学家Fourier对导热数据和实践经验的提炼，将导热规律总结为傅立叶定律。即通过等温面的导热速率与温度梯度及传热面积成正比： 式中 Q导热速率，即单位时间传导的热,其方 向与温度梯度的方向相反，W； S等温表面的面积，m2； 比例系数，称为导热系数，W/(moC）。,二、 导热系数 导热系数在数值上等于单位温度梯度下的热通量。其的定义式为 它表征物质导热能力的大小，是物质的物理性质之一，通常用实验方法测定

9、。 各类物质的导热系数大致范围见表4-3。,1.固体的导热系数 对大多数固体，值与温度大致成线性关系，即 固体在toC时的导热系数，W/(moC)； 0固体在 0 oC时的导热系数， W/(moC)； a常数，又称温度系数，l/oC。对大多数金属材料，a为负值；对大多数非金属材料，a 为正值。,2.液体的导热系数 液体可分为金属液体和非金属液体。 液态金属的导热系数比一般液体的要高。 大多数液态金属的导热系数随温度升高而降低。 在非金属液体中，水的导热系数最大。除水和甘油外，液体的导热系数随温度升高略有减小。一般说来，纯液体的导热系数比其溶液的要大。,3.气体的导热系数 气体的导热系数随温度升

10、高而增大。在相当大的压强范围内，气体的导热系数随压强的变化可以忽略不计。只有在过高或过低的压强（高于 2 105kPa或低于 3kPa）下才考虑压强的影响，此时随压强增高导热系数增大。 气体的导热系数很小，对导热不利；但是有利于保温、绝热。 举例：建筑节能材料中多孔材料的应用,三、 平壁的热传导 1.单层平壁的热传导 单层平壁的热传导，如图4-8所示。 定 态的一维平壁热传导，导热速率 Q和传热面积S都为常量， 式45可简化为,积分得,注意： （1）上式适用于 为常数的定态热传导过程。实际上，物体内不同位置上的温度并不相同，因而导热系数也随之而异。热传导计算中，一般都采用平均导热系数。 （2）

11、上式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。 导热热阻R b/(S), R= b/ （3）利用某一段的热阻与该段的温度差成正比的关系计算界面温度或物体内温度分布。或从温度分布判断各部分热阻大小。,例 某平壁厚度为0.37m，内表面温度t1 为1650 ，外表面温度t2 为300 ，平壁材料导热系数 = 0.815 0.00076t（ t的单位为， 的单位为 w/(m )）。若将导热系数分别按常量（取平均导热系数）和变量计算时，试求平壁的温度分布关系式和导热热通量。,解：（1） 导热系数按照常量计算 tm=(t1+t2)/2=97

12、5 平壁材料的平均导热系数m=0.815+0.00076975=1.556W/(m. ) 导热热通量q= m(t1-t2)/b=5677（W/m2） 设壁厚为x（距离内表面）处的温度为t， 则 q= m(t1-t)/x 因此， t=t1-qx/m,即 t=1650-3649x,(2) 导热系数按照变量计算 q=-dt/dx = -(0+at)dt/dx =- (0.815+0.00076t)dt/dx 也就是 qdx=-(0.815+0.00076t)dt 积分得: -qb=0.815(t2-t1)+0.00076 (t22-t12) /2 解得 q=5677W/m2 当b=x时, t2=t,

13、 因此, -5677x=0.815(t-1650)+0.00076(t2-16502)/2 整理上式并解之,得 t=-1072+(7.41106-1.49107x)0.5 由这个例子可知, 导热系数按照均量和变量进行计算时， 所得得热通量相同，但是温度分布方程式不同，前者为直线,后者为曲线。,2.多层平壁的热传导 以三层平壁为例，如图4- 9所示。 在定态导热时，通过各层的导热速率必相等，即 Q1=Q2=Q3=Q,对n层平壁，热传导速率方程为,可见，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。 注意：实际上，不同材料构成的接触面之间可能出现明显的温度降低。这种温

14、度变化是由于表面粗糙不平产生接触热阻的缘故。接触热阻的影响如图 4-10所示。,例 燃烧炉的平壁由三种材料构成。最内层为耐火砖，厚度为150mm，中间层为绝热砖，厚度为290mm，最外层为普通砖，厚度为228mm。已知炉内、外壁表面温度分别为1016oC和34oC，试求耐火砖和绝热砖间以及绝热砖和普通砖间界面的温度。假设各层接触良好。,解：本题的关键是找到各种材料在相应温度下的导热系数及其与温度的关系式。由试算法确定。即先假设其界面温度，然后计算导热系数，将导热系数代入计算公式中检验，合格后才能用。 试验后得到：11.05W/(m.) 20.15W/(m.) 30.81W/(m.),设t2为耐

15、火砖和绝热砖之间的温度，t3为绝热砖和普通砖之间的温度，则有： Q （t1t4）/（R1+R2+R3) (1016-34)/(0.15/1.05+0.29/0.15+0.228/0.81) 982/(0.1429+1.933+0.2815) 416.5W/m2 又因为 t1=R1q=0.1429416.5=59.5 t2=t1-t1 =1016-59.5=956.5 同理， t2=R2q=805.1 t3151.4 t3=t3t4=151.434117.4 ,单层圆筒壁的热传导如图4-11所示。通过圆筒壁的热传导可视为一维定态热传导。通过该薄圆筒壁的导热速率可以表示为,上式为单层圆筒壁热传导速

16、率方程式。,四、圆筒壁的热传导,1 单层圆筒壁的热传导,将其写成类似的平壁热传导速率方程得,对比上式，得,其中，rm圆筒壁的对数平均半径，m Sm圆筒壁的内外表面的对数平均面积，m2,多层圆筒壁的热传导，如图4-12所示。 假设各层间接触良好， 若将串联热阻的概念应用于式4-15，则三层圆筒壁的导热速率方程式为,2 多层圆筒壁的热传导,对n层圆筒壁，热传导速率方程式可表示为 式中下标i表示圆筒壁的序号。 注意：对圆管壁的定态热传导，通过各层的热传导速率都是相同的，但是热通量却都不相等。,整理上式可得：,例 在外径为140mm的蒸汽管道外包扎保温材料，以减少热损失。蒸汽管外壁温度为390oC，保温层外表面温度不大于 40oC。保温材料的与t的关系为 =0.1+0.0002t（t的单位为，的单位为W（m ）。若要求每米管长的热损失QL不大于450wm，试求保温层的厚度以及保温层中温度分布。,解：已知：r2=0.07m, t