第4章 傳熱-1-2014

1、第第4章章 傳傳 熱熱1第第4章章 傳傳 熱熱2(1) 傳熱原理傳熱原理 熱力學(xué)第二定律：熱力學(xué)第二定律：只要存在溫度差，熱量會(huì)自發(fā)從高溫傳遞向低溫，直至溫度相等。傳熱方向傳熱方向：傳熱極限傳熱極限：傳熱推動(dòng)力傳熱推動(dòng)力：高溫低溫溫度相等溫度差傳熱應(yīng)用：科研、生產(chǎn)、生活傳熱應(yīng)用：科研、生產(chǎn)、生活34.1 概述概述4弱化傳熱弱化傳熱強(qiáng)化傳熱強(qiáng)化傳熱提高傳熱速率，減小設(shè)備尺寸物料的加熱或冷卻設(shè)備或管道的保溫降低傳熱速率，減小熱量損失通過換熱，回收利用熱量熱量傳遞的三種基本方式：熱量傳遞的三種基本方式：導(dǎo)熱、對(duì)流、輻射導(dǎo)熱、對(duì)流、輻射輻射傳熱自然界與生產(chǎn)過程到處存在溫差自然界與生產(chǎn)過程到處存在溫差傳

2、熱很普遍傳熱很普遍對(duì)流換熱5(2)傳熱的三種基本方式傳熱的三種基本方式 一、熱傳導(dǎo)一、熱傳導(dǎo) 熱量從物體內(nèi)溫度較高的部分傳遞到溫度較低的部分，或傳遞到與之接觸的另一物體的過程稱為熱傳導(dǎo)，又稱導(dǎo)熱。 特點(diǎn)：特點(diǎn)：沒有物質(zhì)的宏觀位移氣體氣體 分子做不規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)時(shí)相互碰撞的結(jié)果固體固體 導(dǎo)電體：自由電子在晶格間的運(yùn)動(dòng) 非導(dǎo)電體：通過晶格結(jié)構(gòu)的振動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的液體液體 機(jī)理復(fù)雜6二、對(duì)流二、對(duì)流 流體內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)發(fā)生相對(duì)位移的熱量傳遞過程。三、熱輻射三、熱輻射 物體因熱的原因發(fā)出輻射能的過程稱為熱輻射。 自然對(duì)流 強(qiáng)制對(duì)流 能量轉(zhuǎn)移、能量形式的轉(zhuǎn)化 不需要任何物質(zhì)作媒介 三種方式同時(shí)存在三種方式同時(shí)存在 實(shí)際

3、傳熱過程實(shí)際傳熱過程：7冷熱流體的接觸方式冷熱流體的接觸方式一、直接接觸式一、直接接觸式板式塔板式塔8 二、蓄熱式二、蓄熱式優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單耐高溫缺點(diǎn)：設(shè)備體積大有一定程度的混合低溫流體高溫流體9三、間壁式三、間壁式 傳熱面為內(nèi)管壁的表面積 套管換熱器冷流體t1t2熱流體T1T210列管換熱器列管換熱器傳熱面為殼內(nèi)所有管束壁的表面積 熱流體T1T2冷流體t1t211典型換熱設(shè)備：典型換熱設(shè)備： 間壁式換熱器間壁式換熱器(冷,熱流體間換熱) 例：列管換熱器(4)(4)傳熱在傳熱在工業(yè)的應(yīng)用工業(yè)的應(yīng)用 穩(wěn)態(tài)傳熱：各點(diǎn)溫度分布不隨時(shí)間而改變 非穩(wěn)態(tài)傳熱：各點(diǎn)溫度隨位置和時(shí)間而變（3）穩(wěn)態(tài)傳熱和非穩(wěn)態(tài)

4、傳熱）穩(wěn)態(tài)傳熱和非穩(wěn)態(tài)傳熱12 (5)(5) 本章研究的主要問題本章研究的主要問題1）三種傳熱機(jī)理（計(jì)算熱流量）2 2）換熱器計(jì)算（設(shè)計(jì)、校核）換熱器計(jì)算（設(shè)計(jì)、校核）3）換熱設(shè)備簡(jiǎn)介熱傳導(dǎo)機(jī)理熱傳導(dǎo)機(jī)理 氣體氣體：溫度不同的相鄰分子相互碰撞，造成熱量傳遞。 液體液體：分子間作用力較強(qiáng)，由相鄰分子振動(dòng)導(dǎo)致熱傳遞。 固體：固體：相鄰分子的碰撞或電子的遷移。 4.2.1 基本概念和傅立葉定律基本概念和傅立葉定律 （1 1）溫度場(chǎng)）溫度場(chǎng) 所研究的具有一定溫度分布的空間范圍。在溫度差的驅(qū)動(dòng)下，通過分子相互碰撞、分子振動(dòng)、電子的遷移傳遞熱量的過程。),(zyxft 穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)：穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)： ),(zy

5、xft ),(zyxft 非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)：非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)：4.2 熱傳導(dǎo)（導(dǎo)熱）熱傳導(dǎo)（導(dǎo)熱）13t / 64321780l / m加熱爐加熱爐i時(shí)間導(dǎo) 熱 過 程 示 意 圖14ttttntnnAd法向等溫面等溫面、溫度梯度與熱流方向 等溫面等溫面 具有相同溫度的點(diǎn)組成的面 特點(diǎn)特點(diǎn)：等溫面上各點(diǎn)溫度相等， 等溫面不會(huì)相交。 溫度梯度溫度梯度 沿等溫面法線方向的溫度變化率。nt方向方向：沿溫度增高方向?yàn)檎?，且與等溫面垂直。ntn0limntdndtn0lim對(duì)一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱：（2）描述溫度場(chǎng)特性的幾個(gè)參數(shù)描述溫度場(chǎng)特性的幾個(gè)參數(shù)15)/(,2mWAq單位時(shí)間內(nèi)所傳導(dǎo)的熱量， w。（4 4）傅立葉定

6、律）傅立葉定律ntAntq或：熱導(dǎo)率，w/（mK），w/（m ）；A：傳熱面積，m2，垂直于熱流方向的面積；負(fù)號(hào)負(fù)號(hào)：與 方向相反(熱流量從高溫向低溫)。nt熱流密度熱流密度：表明表明： ntA，熱傳導(dǎo)中，dndtA一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱：dndtq或：（3）熱流量熱流量164.2.2 熱導(dǎo)率熱導(dǎo)率ntqKmW/說明：說明： 物性參數(shù)，標(biāo)志物質(zhì)導(dǎo)熱性能； 影響因素：=f(材料，結(jié)構(gòu)，溫度，濕度，壓強(qiáng))； 來源：實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定 ，工業(yè)上常見物質(zhì)的熱導(dǎo)率可 從有關(guān)手冊(cè)中查得。定義式定義式: 178幾種氣體的導(dǎo)熱率412653t / 072004006001000800165432102/(Wm-11）1水蒸氣

7、水蒸氣2氧氣氧氣3二氧化碳二氧化碳4空氣空氣5氮?dú)獾獨(dú)?氬氣氬氣幾種氣體的熱導(dǎo)率：幾種氣體的熱導(dǎo)率：180161026242012各種液體的導(dǎo)熱率水11514131211109876543285.98/(Wm-11）t /H2O85.98/(Wm-11）475153555759491無水甘油無水甘油2蟻酸蟻酸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異丙苯異丙苯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幾種液體的熱導(dǎo)率：幾種液體的熱導(dǎo)率：19氣體液體非金屬金屬可見，在數(shù)值上： 物質(zhì)熱導(dǎo)率的大致范圍物質(zhì)熱導(dǎo)率的

8、大致范圍 物質(zhì)種類 熱導(dǎo)率 純金屬 1001400 金屬合金 50500液態(tài)金屬 30300非金屬固體 0.05 50 非金屬液體 0.55絕熱材料 0.051 氣體 0.0050.5 0.010.020.040.060.10.20.40.6124610204060100200400600200600100014001800空氣甲烷二氧化碳苯（氣態(tài)）硅藻土冰水硅磚粘土耐火磚鎂磚鋁（液體）高合金鋼合金鋼低碳鋼鉀（液體）鋅（液體）鋼（液體）鋅（固體）銅鋁溫度 K不同物質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度變化的比較導(dǎo)熱系數(shù)w/mK20不同物質(zhì)隨溫度變化的不同物質(zhì)隨溫度變化的一般規(guī)律一般規(guī)律,t氣體：,()t液體：水、無

9、水甘油例外)(,高合金鋼例外金屬：t)(,冰例外非金屬：t固體：21(1) (1) 單層平壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)單層平壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo) 條件條件：平壁、一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱(x x 方向)；內(nèi)容內(nèi)容：熱流量計(jì)算、溫度分布 。 對(duì)平壁做熱量衡算對(duì)平壁做熱量衡算：熱量積累率輸出熱流率輸入熱流率輸出熱流率輸入熱流率 const即：熱流量對(duì)穩(wěn)態(tài)傳熱：對(duì)穩(wěn)態(tài)傳熱：bx1x2txt1t2 單層平壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)4.2.3 平壁的穩(wěn)態(tài)熱傳平壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)導(dǎo)22熱導(dǎo)率為常數(shù)熱導(dǎo)率為常數(shù)dxdtA210ttbdtAdx積分：)(12ttbA得：RtAbtt21傳熱阻力（熱阻）傳熱推動(dòng)力（溫差）Rtbttq21熱流密度：ARR bR

10、 熱流量：熱流量：23t2t1x /mt/ 單層平壁導(dǎo)熱溫度分布平壁內(nèi)的溫度分布：平壁內(nèi)的溫度分布：dxAdt由：CxAt積分得：即：沿壁厚方向，溫度分布為一直線。沿壁厚方向，溫度分布為一直線。 熱導(dǎo)率和溫度有關(guān)熱導(dǎo)率和溫度有關(guān)方法方法1 1：，積分得：代入)1 (0tadxdttq)(2121)1(0 xxttdxqdtt)(211)(21210ttattqb整理：24mbttq/21熱流密度：KmWtttmm/)(21(21的熱導(dǎo)率，：平均溫度平壁內(nèi)的溫度分布：平壁內(nèi)的溫度分布：xxttdxqdtt11)1(0不定積分：axxaqtat1)(2)1(211021解得：方法方法2：把 m，按

11、為常數(shù)處理，即：=f(t)時(shí)，時(shí)，沿壁厚方向，溫度分布為非線性。Abttm21熱流量：25t/ x/m)1 (0tm單層平壁導(dǎo)熱的熱流量與壁內(nèi)的溫度分布263333Abtx /mt2t1t/t2t3t4多層平壁穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱溫度分布3333Abt3211111Abt2222Abt333222111321AbAbAbttt和比定理：條件條件：多層平壁一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱 (x方向)。 則則：(2) 多層平壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)多層平壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)2733322211141AbAbAbttiiRt11nitttt其中，iiiiAbRR4.2.4 長(zhǎng)圓筒壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)長(zhǎng)圓筒壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo) L/d 10，可按一維導(dǎo)熱處理。

12、與平壁穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)相比，與平壁穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)相比，相同點(diǎn)：相同點(diǎn)：一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱，=常數(shù)r1r2t1t2單層圓筒壁的導(dǎo)熱28熱流方向（徑向）；傳熱面積沿徑向不同徑向不同熱流密度)/(Aq221122qrqr(1) (1) 計(jì)算熱流量計(jì)算熱流量 單層圓筒壁單層圓筒壁 沿徑向取一小薄層，由傅立葉定律：drdtrLdrdtA)2(321qqqrLAr2r1r2t1t2單層圓筒壁的導(dǎo)熱不同點(diǎn)：不同點(diǎn)：29RtLrrttrrttL2/lnln212211221LrrR2)/ln(12其中，LrLrrrttrrL22ln)()(212122112變形：121221ln)(AAbAAtt1212lnAAAAAm對(duì)數(shù)平均面積：30mAbtt21熱流量：mAbLrrR2)/ln(12其中， 多層圓筒壁多層圓筒壁33322211141mmmAbAbAbtt12121lnAAAAAm其中，23232lnAAAAAmRtLrrtt2/ln122134343lnAAAAAm334223112412)/ln(2)/ln(2)/ln(LrrLrrLrrttiiRt31r1r2r3r4t1t2t3t4123多層圓筒壁的導(dǎo)熱(2) 圓筒壁內(nèi)溫度分布圓筒壁內(nèi)溫度分布 可由傅立葉定律得出：(2)dtrLdr 11ln2rrLtt積分得： 即：