3.热量传递(2008).ppt

1、第三章 热量传递,影响因素： .物性特征： C 等。 （物性是温度的函数，特性温度） .几何特征：形状、尺度、方位等。 .动力学特征：流动状态等。,研究目的：通过控制温度分布，提高能量的 有效应用，加强或削弱热量传递。,3.1 传热机理,热传导，热对流，热辐射。,热对流：流体相对于固体作宏观运动时， 引起微团尺度上的热量传递。,其规律符合牛顿冷却定律：,式中： 对流给热系数 W/m2.K,大小取决于： 流体的物性，系统的几何特征，以及流动的特征。通常由实验测定。,湍流 层流，强制对流 自然对流， 低粘 高粘， 相变 无相变。,Q = q A =A（TW - Tf）,傅立叶定律,热传导：,问题一

2、 用双层玻璃取代单层玻璃保温效率如何？,问题二 电线外的绝缘层起散热作用,还是保温作用？,（1）无限大平壁导热,3.2.1 定常导热,壁厚，面积为A，无内热源， 两壁面温度分别为T0 、T1。 取如图薄层控制体，作能量衡算。,3.2 热传导,代 入 得,边界条件：,积分得通解,温度分布,板间速度分布,通过平壁的导热速率,对多层串联复合平壁，类似欧姆定律有,热过程推动力,热过程阻力,用双层玻璃取代单层玻璃能提高保温效果。,对多层串联复合圆筒，类似有,其中,AiAj分别为某层圆筒的内外面积,（2）圆柱体导热,圆柱体导线半径为R，有内热源 ，壁面温度为TW 。 取如图圆环薄壳控制体，作热量衡算。,Q

3、g(生成热速率)+ Qi(导入热速率)= Qo(导出热速率),代入傅立叶定律,一维导热,二维导热,积分,由边界条件 ，得 C1= 0,再积分,再由边界条件 ，得,温度分布,由 ，得,无量纲温度分布,定义平均温度,圆管中层流速度分布,（3）管道保温 保温层如图,积分得：,层内的导热微分方程：,边界条件：,外表面散热：,保温层与环境之间的传热：,牛顿冷却定律,两式相加得：,导热热阻 对流热阻,当保温层半径 时，热量散失最大。,定义最大散热临界半径 。,从 q R 图可见，小于Rcr 时保温起散热作用，大于 C 点时，才保温。,（1）颗粒升温,毕奥数 Bi 0.1,加热反应器中的球形催化剂颗粒，颗粒

4、体积 V，表面积A，初始温度 T0，突然通入温度为 Tf 的热气流，颗粒温度将随时间变化。,简化：忽略颗粒内部导热热阻。,集总参数法,3.2.2 非定常导热,T 时刻通过对流换热，颗粒的加热量： Q1=A（Tf - T）,颗粒的热量变化率：,根据能量恒算：Q1= Q2 得：,整理：,得：,则：,当t = 4时：,表明t = 4时，温度已变化98.2%。以后视作定常。,定义时间常数：,（2）半无限大平壁升温,大地初始温度 T0，突然暖风吹来，温度升为 TS，并维持不变。大地内温度仅沿 x 方向变化，为一维非定常导热过程。,得微分方程：,解得：,式中：,erf（n），G（n）为高斯误差函数。,t

5、时刻表面处的导热强度：,在 t 时间内，单位面积的总传热量：,例：温度5的大地，表面突然升至37。 .0，t与t,2t内单位面积传热量之比。 .1小时后地表面下0.05m处的温度？ 已知：大地 a = 4.6510 -7 m2/s。,解：.,.,皂基减压蒸发,工业上常见的圆管加热方式有两种：,. 恒壁温（夹套蒸气加热）TW=常数 . 恒热流（电加热）qW=常数,截面平均温度Tb 随 z的变化如下图：,截面的温度分布T 决定换热效果,3.3 管内层流流动换热,如图取环状薄壳体作热量衡算。,流体在圆管内作层流换热，无内热源，定态，充分发展，不记 z 向导热和耗散热。,根据热衡算得微分方程：,层流：

6、,根据加热边界条件可求得温度分布 T。 注意：T 既随 r 变化又随 z 变化。,在 dz 段上壁面处的导热速率应等于流体和壁面之间的对流换热速率。,壁面处导热速率：,对流换热速率：Q=2Rdz(TW-Tb),整理得：,已知温度分布 T，就可由上式求出， 的大小表示传热效果的好坏。,定义： 努塞尔数。,对圆管层流换热求得： 恒 TW：Nu=3.66 恒 qW：Nu=4.36,L 特征长度，对圆管是 D。,相差约16%,圆管层流换热 细管好,还是粗管好?,3.4 传热边界层,3.4.1 形成和特点 流体沿固壁作非等温流动。,类似流动边界层，以T-TW=99%（T0-TW）为界线。,热边界层T外为

7、等温区 ，无导热。,T 内温度变化显著，导热作用明显，与对流换热量级相当。,热边界层发展与流动边界层通常是不同步的,与T 的关系: T时近似为,普朗特数：,Pr 数决定与T 的大小,通常T很薄， 很大，热阻小，热阻主要取决于T的大小。,3.4.2 热进口段,从T = 0 发展T = R，这段 Le，T称热进口段，此后为热充分发展。 Le，T 中，中心温度保持不变，而截面平均温度 Tb 。热充分发展后，中心温度 T0 ，Tb 。,进口段中： 沿程快，而 Tb -TW,热进口段长度分别为: 层流: 恒 qW ：Le，T /D = 0.07RePr ; 恒 TW ：Le，T /D = 0.055Re

8、Pr。 湍流: Le，T =50D。,较慢，两者综合，使沿程。,两者相当，使不变。即 Nu=3.66。,充分发展后： 沿程和Tb -TW变化平缓。,流动换热同时存在流动边界层和传热边界层,图中曲线说明： 1. 发展着优于发展了。2. 进口段优于充分发展区。 3. 恒 qW 优于恒 TW。4. 充分发展区 Nuz= 常数。,为什么？,非等温管流z 随 z/D 的变化。,图中规律表明： 尽量保持湍流状态下换热。若只能在层流状态下换热，可采用短管换热器。,图中曲线说明: 1. 层流，沿程T，z，至充分发展z 稳定。,2. 先层流边界层发展z，边界层在交汇前发展为湍流，z，至交汇z 稳定。,3. 剧烈

9、湍流，进口段消失，z 保持常数。,问题：下图中哪种情况换热快？,3.4.3 传热边界层能量积分方程,如图选控制体，作热量衡算。 Q1 + Q3 = Q2 + Q4,求得传热边界层能量积分方程：,对层流，求得：,代入：,得：,局部努塞尔数：,平均对流给热系数：,平均努塞尔数：,壁面导热速率等于该处的对流换热速率:,对湍流，若Pr =1，令,求得：,当ReLc=5105 ，Pr1时：,湍流,层流,Q = LA（TW - Tf）,问题：下图中哪种情况换热快？,湍流时，要通过计算比较。,层流时，,3.4.4 绕流换热,高Re数下绕圆柱时，Nu随的变化。,层流边界层发展，T ，Nu；至约81处，边界层分

10、离，Nu；原因是旋涡冲刷表面。,绕球与圆柱类似,先是层流边界层发展, T ,Nu；层流湍流，Nu,而后湍流边界层发展,T ,Nu；至约130处，湍流边界层分离，又促使Nu。,绕球换热的经验式有,对于气体: ( 20Re180000 ),对于液体: ( 1Re7000 ),若在静止流体中换热:Nu=2,湍流三个区的温度变化：,湍流核心区 y+=30,过 渡 区 y+=5,粘性底层区,y+5 ：,5 y+30 ：,y+ 30 ：,3.5 湍流换热,动量和热量传递规律间的类似性,雷诺类比：,由 f 求,例：V空气=9 m3/hr，D=50mm，恒Tw。求： 已知：=1.12kg/ m3，C=1000J/kg.K，=0.028W/m.K，=0.068kg/m.hr，Pr=0.71。,解：,过渡流,