第四章熱量傳遞基礎(chǔ)ppt課件

1、第四章第四章 熱量傳送根底熱量傳送根底本章重點(diǎn)：本章重點(diǎn)：1)1)穩(wěn)定熱傳導(dǎo)穩(wěn)定熱傳導(dǎo)2)2)流體無相變時(shí)對(duì)流傳熱系數(shù)的計(jì)算流體無相變時(shí)對(duì)流傳熱系數(shù)的計(jì)算學(xué)習(xí)目的：學(xué)習(xí)目的：1 1分析影響傳熱速率的要素，掌握控制熱量傳送分析影響傳熱速率的要素，掌握控制熱量傳送率的普通規(guī)律，以便根據(jù)消費(fèi)的要求來強(qiáng)化和減弱率的普通規(guī)律，以便根據(jù)消費(fèi)的要求來強(qiáng)化和減弱熱量的傳送，正確地選擇適宜的傳熱設(shè)備和保溫方熱量的傳送，正確地選擇適宜的傳熱設(shè)備和保溫方法；法；2 2學(xué)會(huì)能源的利用節(jié)能。學(xué)會(huì)能源的利用節(jié)能。第一節(jié)第一節(jié) 概概 述述 化工消費(fèi)中的化學(xué)反響通常是在一定的溫度下進(jìn)化工消費(fèi)中的化學(xué)反響通常是在一定的溫度下進(jìn)

2、行的，為此需向反響物加熱到適當(dāng)?shù)臏囟?；而反響行的，為此需向反響物加熱到適當(dāng)?shù)臏囟?；而反響后的產(chǎn)物常需冷卻以移去熱量。在其他單元操作后的產(chǎn)物常需冷卻以移去熱量。在其他單元操作中，如蒸餾、吸收、枯燥等，物料都有一定的溫度中，如蒸餾、吸收、枯燥等，物料都有一定的溫度要求，需求參與或輸出熱量。此外，高溫或低溫下要求，需求參與或輸出熱量。此外，高溫或低溫下操作的設(shè)備和管道都要求保溫，以便減少它們和外操作的設(shè)備和管道都要求保溫，以便減少它們和外界的傳熱。近十多年來，隨能源價(jià)錢的不斷上升和界的傳熱。近十多年來，隨能源價(jià)錢的不斷上升和對(duì)環(huán)保要求添加，熱量的合理利用和廢熱的回收越對(duì)環(huán)保要求添加，熱量的合理利用和

3、廢熱的回收越來越得到人們的注重。來越得到人們的注重?；?duì)傳熱過程有兩方面的要求：化工對(duì)傳熱過程有兩方面的要求：1強(qiáng)化傳熱過程：在傳熱設(shè)備中加熱或冷卻物強(qiáng)化傳熱過程：在傳熱設(shè)備中加熱或冷卻物料，希望以高傳熱速率來進(jìn)展熱量傳送，使物料達(dá)料，希望以高傳熱速率來進(jìn)展熱量傳送，使物料達(dá)到指定溫度或回收熱量，同時(shí)使傳熱設(shè)備緊湊，節(jié)到指定溫度或回收熱量，同時(shí)使傳熱設(shè)備緊湊，節(jié)省設(shè)備費(fèi)用。省設(shè)備費(fèi)用。2減弱傳熱過程：如對(duì)高低溫設(shè)備或管道進(jìn)展保減弱傳熱過程：如對(duì)高低溫設(shè)備或管道進(jìn)展保溫，以減少熱損失。溫，以減少熱損失。一、基一、基 本本 概概 念念 1.傳熱速率與熱通量傳熱速率與熱通量傳熱速率傳熱速率Q：又稱

4、熱流量，單位時(shí)間內(nèi)經(jīng)過傳熱面：又稱熱流量，單位時(shí)間內(nèi)經(jīng)過傳熱面?zhèn)魉偷臒崃?，傳送的熱量，J/s或或W。熱通量熱通量q：又稱熱流密度，單位時(shí)間內(nèi)經(jīng)過單位傳：又稱熱流密度，單位時(shí)間內(nèi)經(jīng)過單位傳熱面?zhèn)魉偷臒崃?，或熱面?zhèn)魉偷臒崃?，或W/m2。 式中式中A總傳熱面積，總傳熱面積， m2 。 )()(阻力傳熱熱阻溫差傳熱推動(dòng)力傳熱速率 qQA2. 穩(wěn)態(tài)傳熱與非穩(wěn)態(tài)傳熱穩(wěn)態(tài)傳熱與非穩(wěn)態(tài)傳熱 穩(wěn)態(tài)傳熱：傳熱系統(tǒng)中傳熱速率、熱通量及溫度等穩(wěn)態(tài)傳熱：傳熱系統(tǒng)中傳熱速率、熱通量及溫度等有關(guān)物理量分布規(guī)律不隨時(shí)間而變，僅為位置的有關(guān)物理量分布規(guī)律不隨時(shí)間而變，僅為位置的函數(shù)。延續(xù)消費(fèi)過程的傳熱多為穩(wěn)態(tài)傳熱。函數(shù)。延續(xù)消

5、費(fèi)過程的傳熱多為穩(wěn)態(tài)傳熱。 非穩(wěn)態(tài)傳熱：傳熱系統(tǒng)中傳熱速率、熱通量及溫度非穩(wěn)態(tài)傳熱：傳熱系統(tǒng)中傳熱速率、熱通量及溫度 等有關(guān)物理量分布規(guī)律不僅要隨位置而變，也是等有關(guān)物理量分布規(guī)律不僅要隨位置而變，也是時(shí)間的函數(shù)。時(shí)間的函數(shù)。zyxftqQ,zyxftqQ3.溫度場(chǎng)與溫度梯度溫度場(chǎng)與溫度梯度 溫度場(chǎng)：某一時(shí)辰，物體或空間各點(diǎn)的溫度分布。溫度場(chǎng)：某一時(shí)辰，物體或空間各點(diǎn)的溫度分布。 式中式中t 某點(diǎn)的溫度，某點(diǎn)的溫度，； x,y,z 某點(diǎn)的坐標(biāo)；某點(diǎn)的坐標(biāo)； 時(shí)間。時(shí)間。不穩(wěn)定溫度場(chǎng)：各點(diǎn)的溫度隨時(shí)間而改動(dòng)的溫度場(chǎng)。不穩(wěn)定溫度場(chǎng)：各點(diǎn)的溫度隨時(shí)間而改動(dòng)的溫度場(chǎng)。穩(wěn)定溫度場(chǎng)：任一點(diǎn)的溫度均不隨時(shí)間

6、而改動(dòng)的溫度場(chǎng)。穩(wěn)定溫度場(chǎng)：任一點(diǎn)的溫度均不隨時(shí)間而改動(dòng)的溫度場(chǎng)。,zyxft ,zyxft tf x y z, ,等溫面：在同一時(shí)辰，溫度場(chǎng)中等溫面：在同一時(shí)辰，溫度場(chǎng)中一切溫度一樣的點(diǎn)組成的面。不一切溫度一樣的點(diǎn)組成的面。不同溫度的等溫面不相交。同溫度的等溫面不相交。溫度梯度：兩等溫面的溫度差溫度梯度：兩等溫面的溫度差t與其間的垂直間隔與其間的垂直間隔n之比，在之比，在n趨于零時(shí)的極限即表示溫度場(chǎng)趨于零時(shí)的極限即表示溫度場(chǎng)內(nèi)某一點(diǎn)等溫面法線方向的溫度內(nèi)某一點(diǎn)等溫面法線方向的溫度變化率。變化率。t1t2t1t2等溫等溫面面Q溫度梯度與熱流方向的關(guān)系溫度梯度與熱流方向的關(guān)系nQdAtt-tt+

7、tntnttn0limgrad二、傳熱的三種根本方式二、傳熱的三種根本方式 一個(gè)物系或一個(gè)設(shè)備只需存在溫度差就會(huì)發(fā)生熱量傳送，當(dāng)沒有外功參與時(shí)，熱量就總是會(huì)自動(dòng)地從高溫物體傳送到低溫物體。根據(jù)傳熱的機(jī)理不同，熱傳送有三種根本方式：熱傳導(dǎo)，熱對(duì)流和熱輻射?；はM(fèi)中碰到的各種傳熱景象都屬于這三種根本方式。一一 熱傳導(dǎo)導(dǎo)熱熱傳導(dǎo)導(dǎo)熱 物體各部分之間不發(fā)生相對(duì)位移時(shí)，物體各部分之間不發(fā)生相對(duì)位移時(shí)， 依托分子、原子及自在電子等微觀粒子的依托分子、原子及自在電子等微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的熱量傳送稱為熱傳導(dǎo)，又熱運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的熱量傳送稱為熱傳導(dǎo)，又稱導(dǎo)熱。稱導(dǎo)熱。 特點(diǎn)：在純的熱傳導(dǎo)過程中，物體各特點(diǎn)：在

8、純的熱傳導(dǎo)過程中，物體各部分之間不發(fā)生相對(duì)位移，即沒有物質(zhì)的部分之間不發(fā)生相對(duì)位移，即沒有物質(zhì)的宏觀位移。宏觀位移。 從微觀角度來看，氣體、液體、導(dǎo)電固體和從微觀角度來看，氣體、液體、導(dǎo)電固體和非導(dǎo)電固體的導(dǎo)熱機(jī)理各不一樣。非導(dǎo)電固體的導(dǎo)熱機(jī)理各不一樣。 氣體：氣體分子做不規(guī)那么熱運(yùn)動(dòng)時(shí)相互碰撞氣體：氣體分子做不規(guī)那么熱運(yùn)動(dòng)時(shí)相互碰撞的結(jié)果。的結(jié)果。 導(dǎo)電固體：自在電子在晶格間的運(yùn)動(dòng)；導(dǎo)電固體：自在電子在晶格間的運(yùn)動(dòng)； 固體固體 非導(dǎo)電固體：晶格構(gòu)造的振動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。非導(dǎo)電固體：晶格構(gòu)造的振動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。 液體：存在兩種不同的觀念，類似于氣體和類液體：存在兩種不同的觀念，類似于氣體和類 似于非導(dǎo)電固體

9、。似于非導(dǎo)電固體。二二 對(duì)流傳熱對(duì)流傳熱 熱對(duì)流是指物體中質(zhì)點(diǎn)發(fā)生相對(duì)的位移而引熱對(duì)流是指物體中質(zhì)點(diǎn)發(fā)生相對(duì)的位移而引起的熱量交換，熱對(duì)流是流體所特有的一種傳熱起的熱量交換，熱對(duì)流是流體所特有的一種傳熱的方式。其中只需流體的質(zhì)點(diǎn)能發(fā)生相對(duì)位移。的方式。其中只需流體的質(zhì)點(diǎn)能發(fā)生相對(duì)位移。據(jù)引起對(duì)流的緣由不同可分為：自然對(duì)流和強(qiáng)迫據(jù)引起對(duì)流的緣由不同可分為：自然對(duì)流和強(qiáng)迫對(duì)流。對(duì)流。 自然對(duì)流：流體原來是靜止的，但內(nèi)部由于溫度自然對(duì)流：流體原來是靜止的，但內(nèi)部由于溫度不同、密度不同，呵斥流體內(nèi)部上升下降運(yùn)動(dòng)而不同、密度不同，呵斥流體內(nèi)部上升下降運(yùn)動(dòng)而發(fā)生對(duì)流。發(fā)生對(duì)流。 強(qiáng)迫對(duì)流：流體在某種外力的

10、強(qiáng)迫作用下運(yùn)動(dòng)而強(qiáng)迫對(duì)流：流體在某種外力的強(qiáng)迫作用下運(yùn)動(dòng)而發(fā)生的對(duì)流。發(fā)生的對(duì)流。三熱輻射三熱輻射 熱輻射是一種經(jīng)過電磁波傳送能量的過熱輻射是一種經(jīng)過電磁波傳送能量的過程。一切物體都能以這種方式傳送能量，程。一切物體都能以這種方式傳送能量，而不借助任何傳送介質(zhì)。通常在高溫下熱而不借助任何傳送介質(zhì)。通常在高溫下熱輻射才是主要方式。輻射才是主要方式。第二節(jié)第二節(jié) 熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)傅里葉定律：某一微元的熱傳導(dǎo)速率單位時(shí)傅里葉定律：某一微元的熱傳導(dǎo)速率單位時(shí)間內(nèi)傳導(dǎo)的熱量與該微元等溫面的法向溫度梯度間內(nèi)傳導(dǎo)的熱量與該微元等溫面的法向溫度梯度及該微元的導(dǎo)熱面積成正比。及該微元的導(dǎo)熱面積成正比。一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)

11、：一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)： 比例系數(shù)，稱為導(dǎo)熱系數(shù)，比例系數(shù)，稱為導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m)或或W/(mK)。 t/ x x方向上的溫度梯度，方向上的溫度梯度，/m或或K/m； q熱通量，熱通量，W/m2xtq一、熱傳導(dǎo)的根本定律一、熱傳導(dǎo)的根本定律傅里葉定律傅里葉定律 三維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)：三維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)： t/ n 空間某點(diǎn)的溫度梯度空間某點(diǎn)的溫度梯度 n經(jīng)過該點(diǎn)的等溫線上的法向單位矢量，指向溫度升經(jīng)過該點(diǎn)的等溫線上的法向單位矢量，指向溫度升 高的方向。高的方向。 物理意義：溫度梯度為物理意義：溫度梯度為1時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)經(jīng)過時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)經(jīng)過單位傳熱面積的熱通量；導(dǎo)熱系數(shù)在數(shù)值上等于單單位傳熱面積的熱通量；導(dǎo)

12、熱系數(shù)在數(shù)值上等于單位溫度梯度下的熱通量，位溫度梯度下的熱通量， ，導(dǎo)熱性能越好。，導(dǎo)熱性能越好。 nntqnntq二、導(dǎo)熱系數(shù)二、導(dǎo)熱系數(shù)各種物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)：各種物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)： 1固體固體純金屬溫度純金屬溫度 ， ，純金屬比合金的，純金屬比合金的 大。大。非金屬溫度非金屬溫度 ， ，同樣溫度下，同樣溫度下，越大，越大， 越大。越大。在一定溫度范圍內(nèi)溫度變化不太大：在一定溫度范圍內(nèi)溫度變化不太大： t時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)，時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m)或或W/(mK)； 0時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)，時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m)或或W/(mK)； k 溫度系數(shù)，對(duì)大多數(shù)金屬資料為負(fù)值，溫度系數(shù)，對(duì)大多數(shù)金屬資料為負(fù)值， 對(duì)

13、大多數(shù)非金屬資料為正值，對(duì)大多數(shù)非金屬資料為正值，1/。 T T 0)1 (0kt2液體液體 金屬液體導(dǎo)熱系數(shù)較高，非金屬液體較低。在非金屬液體導(dǎo)熱系數(shù)較高，非金屬液體較低。在非 金屬液體中，水的導(dǎo)熱系數(shù)最大。金屬液體中，水的導(dǎo)熱系數(shù)最大。 除水和甘油等少量液體物質(zhì)外，絕大多數(shù)液體除水和甘油等少量液體物質(zhì)外，絕大多數(shù)液體 ，略微。普通來說，純液體的略微。普通來說，純液體的 大于溶液大于溶液 。有機(jī)均相混合液體的導(dǎo)熱系數(shù)估算式：有機(jī)均相混合液體的導(dǎo)熱系數(shù)估算式：有機(jī)水溶液的導(dǎo)熱系數(shù)估算式：有機(jī)水溶液的導(dǎo)熱系數(shù)估算式： wi組分組分i 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的質(zhì)量分?jǐn)?shù) i純組分純組分i 的導(dǎo)熱系數(shù)的導(dǎo)熱系數(shù)T

14、 iinimixw1iinimixw19 . 03氣體氣體氣體氣體 ， 。氣體的導(dǎo)熱系數(shù)氣體的導(dǎo)熱系數(shù)與黏度與黏度之間有以下簡(jiǎn)單關(guān)系：之間有以下簡(jiǎn)單關(guān)系： 單原子氣體單原子氣體 多原多原子氣體子氣體 T pcMR25415)415(MRcp式中：式中：R通用氣體常數(shù)，通用氣體常數(shù)，J/(kmolK)； M摩爾質(zhì)量，摩爾質(zhì)量，kg/kmol； cp定壓比熱容，定壓比熱容，J/(kgK)； 黏度，黏度，Pas(金屬固體金屬固體) (非金屬固體非金屬固體) (液體液體) (氣體氣體)。 三、經(jīng)過平壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)三、經(jīng)過平壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo) 一、經(jīng)過單層平壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)一、經(jīng)過單層平壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo) 假設(shè)：

15、假設(shè)：(1) 平壁內(nèi)溫度只沿平壁內(nèi)溫度只沿x方向變化，方向變化，y和和z方方向上向上 無溫度變化，即這是一維溫度場(chǎng)。無溫度變化，即這是一維溫度場(chǎng)。 (2) 各點(diǎn)的溫度不隨時(shí)間而變，穩(wěn)定的溫各點(diǎn)的溫度不隨時(shí)間而變，穩(wěn)定的溫度場(chǎng)。度場(chǎng)。一維穩(wěn)定的溫度場(chǎng)：一維穩(wěn)定的溫度場(chǎng)：傅里葉定律可寫為：傅里葉定律可寫為：熱量衡算：熱量衡算： tf xxtAQddtcAxQQpdxxxd對(duì)于穩(wěn)定溫度場(chǎng)，對(duì)于穩(wěn)定溫度場(chǎng)， ，薄層內(nèi)無熱量積累，薄層內(nèi)無熱量積累 在穩(wěn)定溫度場(chǎng)中，各傳熱面的傳熱速率一樣，不隨在穩(wěn)定溫度場(chǎng)中，各傳熱面的傳熱速率一樣，不隨x而而變，一致用變，一致用Q來表示，代入上面的傅里葉公式中：來表示，代

16、入上面的傅里葉公式中：邊境條件為：邊境條件為： ； 0tconstQQQdxxxQAtx ddxtt01時(shí)，xbtt時(shí)，2QdxAdtbtt012 式中式中 Q 熱流量，即單位時(shí)間經(jīng)過平壁的熱量，熱流量，即單位時(shí)間經(jīng)過平壁的熱量，W或或J/s； A 平壁的面積，平壁的面積，m2； b 平壁的厚度，平壁的厚度，m； 平壁的導(dǎo)熱系數(shù)，平壁的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m)或或W/(mK)； t1,t2 平壁兩側(cè)的溫度，平壁兩側(cè)的溫度，。 稱為熱阻，稱為熱阻，Q與與t成正比，與成正比，與R成反比，熱阻成反比，熱阻越大，熱流量越小，傳熱速率越低。越大，熱流量越小，傳熱速率越低。 RtAbtAbttttAbQ212

17、1)(積分得：積分得：AbR 的上限從 改為 ；積分得： 從上式可知，當(dāng)不隨t變化，tx直線關(guān)系；假設(shè) 隨t變化關(guān)系為： ，那么tx拋物線關(guān)系。QdxAdtbtt012 xbtt時(shí)，2xxtt時(shí)，AQxttttAxQ11)()1 (0kt二、經(jīng)過多層平壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)二、經(jīng)過多層平壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)假定：假定：1一維、穩(wěn)定的溫度場(chǎng)；一維、穩(wěn)定的溫度場(chǎng)； 2各層接觸良好，接觸面兩側(cè)溫度一樣。各層接觸良好，接觸面兩側(cè)溫度一樣。AbttAbttAbttQ334322321121總熱阻總推動(dòng)力iiiiiiiRttAbttAbtQ413141推行至推行至n層：層： QttbAttRniiinniin11111

18、1三、各層的溫差三、各層的溫差 上式闡明，在穩(wěn)定多層壁導(dǎo)熱過程中，上式闡明，在穩(wěn)定多層壁導(dǎo)熱過程中，哪層熱阻大，哪層溫差就大；反之，哪層哪層熱阻大，哪層溫差就大；反之，哪層溫差大，哪層熱阻一定大。當(dāng)總溫差一定溫差大，哪層熱阻一定大。當(dāng)總溫差一定時(shí)，傳熱速率的大小取決于總熱阻的大小。時(shí)，傳熱速率的大小取決于總熱阻的大小。 ttttttbAbAbARRR122334112233123:四、經(jīng)過圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)四、經(jīng)過圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)一、經(jīng)過單層圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)一、經(jīng)過單層圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo) 假設(shè)：假設(shè)：(1) 各點(diǎn)溫度不隨時(shí)間而變，穩(wěn)定溫度場(chǎng)；各點(diǎn)溫度不隨時(shí)間而變，穩(wěn)定溫度場(chǎng)； (2) 各點(diǎn)

19、溫度只沿徑向變化，一維溫度場(chǎng)。各點(diǎn)溫度只沿徑向變化，一維溫度場(chǎng)。 一維穩(wěn)定的溫度場(chǎng)：一維穩(wěn)定的溫度場(chǎng)： rft 傅里葉定律可寫為：傅里葉定律可寫為：QAtr dd熱量衡算：熱量衡算：tcrLdrQQpdrrr20tQQQrr drconst穩(wěn)定溫度場(chǎng)：穩(wěn)定溫度場(chǎng)： 即在穩(wěn)定溫度場(chǎng)中，各傳熱面的傳熱速率一樣，即在穩(wěn)定溫度場(chǎng)中，各傳熱面的傳熱速率一樣，不隨不隨r而變，一致用而變，一致用Q來表示，代入上面的傅里葉公來表示，代入上面的傅里葉公式中：式中：drdtrLdrdtAQ2rrtt11時(shí)，rrtt22時(shí)，21212ttrrrLdtQdr12211221ln1)(2ln)(2rrttLrrttLQ

20、邊境條件為：邊境條件為：；設(shè)設(shè)不隨不隨t而變，所以而變，所以和和Q均可提到積分號(hào)外，得：均可提到積分號(hào)外，得：式中式中 Q 熱流量，即單位時(shí)間經(jīng)過圓筒壁的熱量，熱流量，即單位時(shí)間經(jīng)過圓筒壁的熱量，W或或J/s； 圓筒壁的導(dǎo)熱系數(shù)，圓筒壁的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m)或或W/(mK)； t1,t2 圓筒壁兩側(cè)的溫度，圓筒壁兩側(cè)的溫度，。 r1,r2 圓筒壁內(nèi)外半徑，圓筒壁內(nèi)外半徑，m。幾點(diǎn)闡明幾點(diǎn)闡明熱阻推動(dòng)力RtAbttbttArrrrrrttLQmm212112121221ln)()(2mmLrA2)/ln(1212rrrrrmrr212221rrrm1上式可以變?yōu)椋荷鲜娇梢宰優(yōu)椋浩渲衅渲衎=r2-

21、r1，為圓筒壁的厚度；，為圓筒壁的厚度；，為平均傳熱面積；，為平均傳熱面積；，為對(duì)數(shù)平均半徑。，為對(duì)數(shù)平均半徑。的圓筒壁，以算術(shù)平均值替代對(duì)數(shù)平均值導(dǎo)的圓筒壁，以算術(shù)平均值替代對(duì)數(shù)平均值導(dǎo)。2對(duì)于對(duì)于致的誤差致的誤差Re10000，0.7Pr120，210-5Pa.s，l/d60 本卷須知：本卷須知：1定性溫度取流體進(jìn)出溫度的算術(shù)平均值定性溫度取流體進(jìn)出溫度的算術(shù)平均值tm； 2特征尺寸為管內(nèi)徑特征尺寸為管內(nèi)徑di； 3流體被加熱時(shí)，流體被加熱時(shí)，n0.4，流體被冷卻時(shí)，流體被冷卻時(shí)，n0.3； 4特征速度為管內(nèi)平均流速。特征速度為管內(nèi)平均流速。以下是對(duì)上面的公式進(jìn)展修正：以下是對(duì)上面的公式進(jìn)

22、展修正：a高黏度高黏度14. 0318 . 0)()()(027. 0wpcdud05. 1)(14. 0w95. 0)(14. 0w對(duì)于液體，加熱時(shí)：對(duì)于液體，加熱時(shí)：冷卻時(shí)：冷卻時(shí)：b當(dāng)當(dāng)l/d50時(shí)那么為短管，由于管入口時(shí)那么為短管，由于管入口擾擾 動(dòng)增大，動(dòng)增大，較大，乘上入口效應(yīng)的修正較大，乘上入口效應(yīng)的修正系數(shù)。系數(shù)。1 7 . 0ld 是在是在tm下；而下；而 W是在是在tw下下 c過渡區(qū)過渡區(qū) 2300Re10000時(shí)，先按湍流計(jì)算時(shí)，先按湍流計(jì)算，然，然后乘以小于后乘以小于1 的修正系數(shù)。的修正系數(shù)。Re1061 8 . 15 過渡區(qū)內(nèi)流體比猛烈的湍流區(qū)內(nèi)的流過渡區(qū)內(nèi)流體比猛

23、烈的湍流區(qū)內(nèi)的流體的體的Re小，流體流動(dòng)的湍動(dòng)程度減少，層小，流體流動(dòng)的湍動(dòng)程度減少，層流底層變厚，流底層變厚，減小。減小。d流體在彎管中的對(duì)流傳熱系數(shù)流體在彎管中的對(duì)流傳熱系數(shù) 由于彎管處受離心力的作用，存在二次由于彎管處受離心力的作用，存在二次環(huán)流，湍動(dòng)加劇，環(huán)流，湍動(dòng)加劇，增大。先按直管計(jì)算，增大。先按直管計(jì)算，然后乘以大于然后乘以大于1 的修正系數(shù)。的修正系數(shù)。式中式中d管徑；管徑； R彎管的曲率半徑彎管的曲率半徑)77. 11 (RdII4A4de潤濕周邊流動(dòng)截面積54102.2101.2Ree非圓形直管內(nèi)強(qiáng)迫對(duì)流非圓形直管內(nèi)強(qiáng)迫對(duì)流 采用圓形管內(nèi)相應(yīng)的公式計(jì)算，特征尺寸采用圓形管內(nèi)

24、相應(yīng)的公式計(jì)算，特征尺寸采用當(dāng)量直徑。采用當(dāng)量直徑。套管環(huán)隙：套管環(huán)隙：式中式中 d1、d2分別為套管外管內(nèi)徑或內(nèi)管外徑。分別為套管外管內(nèi)徑或內(nèi)管外徑。適用范圍：適用范圍：d1/d2=1.6517，例例4-3 教材教材p/195318053012PrRe020.edd.dNu2圓形直管內(nèi)的層流圓形直管內(nèi)的層流14. 03/1)()Pr(Re86. 1wldNu0044. 0w2)()Pr(Re14. 03/1wld1Gr25000時(shí)，自然對(duì)流影響小可忽略時(shí)，自然對(duì)流影響小可忽略適用范圍：適用范圍：Re25000時(shí)，自然對(duì)流的影響不能時(shí)，自然對(duì)流的影響不能忽略時(shí)，乘以修正系數(shù)得忽略時(shí)，乘以修正系

25、數(shù)得)01501 (8031/Gr. 在換熱器設(shè)計(jì)中，應(yīng)盡量防止在強(qiáng)迫在換熱器設(shè)計(jì)中，應(yīng)盡量防止在強(qiáng)迫層流條件下進(jìn)展傳熱，由于此時(shí)對(duì)流傳熱層流條件下進(jìn)展傳熱，由于此時(shí)對(duì)流傳熱系數(shù)小，從而使總傳熱系數(shù)也很小。系數(shù)小，從而使總傳熱系數(shù)也很小。例例4-4 教材教材p/198二、管外強(qiáng)迫對(duì)流傳熱二、管外強(qiáng)迫對(duì)流傳熱1流體垂直流過管束流體垂直流過管束 流體垂直流過管束時(shí)，管束流體垂直流過管束時(shí)，管束的陳列情況可以有直列和錯(cuò)列的陳列情況可以有直列和錯(cuò)列兩種。兩種。 各排管各排管的變化規(guī)律：第一的變化規(guī)律：第一排管，直列和錯(cuò)列根本一樣；排管，直列和錯(cuò)列根本一樣；第二排管，直列和錯(cuò)列相差較第二排管，直列和錯(cuò)列

26、相差較大；第三排管以后直列第二大；第三排管以后直列第二排管以后，根本恒定；從圖排管以后，根本恒定；從圖中可以看出，錯(cuò)列傳熱效果比直列好。中可以看出，錯(cuò)列傳熱效果比直列好。 流體流過管束時(shí)，每一排管上的平均對(duì)流傳流體流過管束時(shí)，每一排管上的平均對(duì)流傳熱系數(shù)用下式計(jì)算熱系數(shù)用下式計(jì)算x2x14 . 0PrRennCNuiiimAAAAAA321332211AA適用范圍：適用范圍：5000Re70000，x1/d=1.25，x2/d=1.25。1特性尺寸取管外徑特性尺寸取管外徑do，定性溫度取法與前，定性溫度取法與前tm一樣；一樣；2流速流速u取每列管子中最窄流道處的流速，即最大流速。取每列管子中最

27、窄流道處的流速，即最大流速。3C，n取決于陳列方式和管排數(shù)，由實(shí)驗(yàn)測(cè)定，詳取決于陳列方式和管排數(shù)，由實(shí)驗(yàn)測(cè)定，詳細(xì)細(xì) 取值。取值。 對(duì)于前幾列而言，各列的對(duì)于前幾列而言，各列的，n不同，因此不同，因此也不同。也不同。 陳列方式不同直列和錯(cuò)列，對(duì)于一樣的列，陳列方式不同直列和錯(cuò)列，對(duì)于一樣的列，n不不 同，同，也不同。也不同。(表表4-3 p/201)4對(duì)某一陳列方式，由于各列的對(duì)某一陳列方式，由于各列的不同，應(yīng)按下式求平均不同，應(yīng)按下式求平均 的對(duì)流傳熱系數(shù)：的對(duì)流傳熱系數(shù)：式中式中 i各列的對(duì)流傳熱系數(shù)；各列的對(duì)流傳熱系數(shù)； Ai各列傳熱管的外外表積。各列傳熱管的外外表積。2流體在管殼間的對(duì)

28、流傳熱流體在管殼間的對(duì)流傳熱14. 03155. 0)(PrRe36. 0weudN 普通在列管換熱器的殼程加折流擋板，折流擋普通在列管換熱器的殼程加折流擋板，折流擋板分為圓形和圓缺形兩種。由于裝有不同方式的折流板分為圓形和圓缺形兩種。由于裝有不同方式的折流擋板，流動(dòng)方向不斷改動(dòng)，在較小擋板，流動(dòng)方向不斷改動(dòng)，在較小Re下下Re=100即可到達(dá)湍流。即可到達(dá)湍流。 圓缺形折流擋板，圓缺形折流擋板，的計(jì)算式：的計(jì)算式：適用范圍：適用范圍：Re=2103106。定性溫度：進(jìn)、出口溫度平均值定性溫度：進(jìn)、出口溫度平均值tm w為以管壁溫為定性溫度的流體黏度為以管壁溫為定性溫度的流體黏度0202)4(

29、4ddtde0202)423(4ddtde)1 (A0tdsD特征尺寸：特征尺寸：1當(dāng)量直徑當(dāng)量直徑de 正方形陳列：正方形陳列： 正三角形陳列：正三角形陳列：2流速流速u根據(jù)流體流過的最大根據(jù)流體流過的最大截面積截面積A計(jì)算計(jì)算式中式中 s相鄰擋板間的間隔；相鄰擋板間的間隔； D殼體的內(nèi)徑。殼體的內(nèi)徑。三、大空間的自然對(duì)流傳熱三、大空間的自然對(duì)流傳熱 所謂大空間自然對(duì)流傳熱是指冷外表或熱外表所謂大空間自然對(duì)流傳熱是指冷外表或熱外表傳熱面放置在大空間內(nèi)，并且周圍沒有其它妨傳熱面放置在大空間內(nèi)，并且周圍沒有其它妨礙自然對(duì)流的物體存在，如沉浸式換熱器的傳熱過礙自然對(duì)流的物體存在，如沉浸式換熱器的傳

30、熱過程、換熱設(shè)備或管道的熱外表向周圍大氣的散熱。程、換熱設(shè)備或管道的熱外表向周圍大氣的散熱。對(duì)流傳熱系數(shù)僅與反映自然對(duì)流的對(duì)流傳熱系數(shù)僅與反映自然對(duì)流的Gr和反映物性和反映物性的的Pr有關(guān)，依閱歷式計(jì)算：有關(guān)，依閱歷式計(jì)算： NuCGr PrnnptLgcLC)(2231特性尺寸對(duì)程度管取外徑特性尺寸對(duì)程度管取外徑do，垂直管或板取管長和板高，垂直管或板取管長和板高H。2定性溫度取膜溫定性溫度取膜溫tm+tw/2。3C，n值列在書表值列在書表4-4中中(p/204)。第五節(jié)第五節(jié) 熱熱 輻輻 射射 任何物體，只需其絕對(duì)溫度大于零度，任何物體，只需其絕對(duì)溫度大于零度，都會(huì)不停地以電磁波的方式向外

31、輻射能量；都會(huì)不停地以電磁波的方式向外輻射能量；同時(shí)，又不斷吸收來自外界其他物體的輻射同時(shí)，又不斷吸收來自外界其他物體的輻射能。當(dāng)物體向外界輻射的能量與其從外界吸能。當(dāng)物體向外界輻射的能量與其從外界吸收的輻射能不等時(shí)，該物體與外界就產(chǎn)生熱收的輻射能不等時(shí)，該物體與外界就產(chǎn)生熱量的傳送，這種傳熱方式稱為熱輻射。量的傳送，這種傳熱方式稱為熱輻射。 輻射能可以在真空中傳播，不需求任何輻射能可以在真空中傳播，不需求任何物質(zhì)作媒介。物質(zhì)作媒介。 一、熱輻射的根本概念一、熱輻射的根本概念 輻射：物體經(jīng)過電磁波來傳送能量的過程。輻射：物體經(jīng)過電磁波來傳送能量的過程。熱輻射：物體由于熱的緣由以電磁波的方式熱輻

32、射：物體由于熱的緣由以電磁波的方式 向外發(fā)射能量的過程。向外發(fā)射能量的過程。 如下圖，假設(shè)外界投射到物體如下圖，假設(shè)外界投射到物體外表上的總能量外表上的總能量Q，其中一部，其中一部分進(jìn)入外表后被物體吸收分進(jìn)入外表后被物體吸收Q，一部分被物體反射一部分被物體反射Q，其他部，其他部分穿透物體分穿透物體Q。QQQQ1QQQQQQQQQQQQ1按能量守恒定律：按能量守恒定律：或或式中式中吸收率，用吸收率，用表示；表示；反射率，用反射率，用表示；表示；穿透率，用穿透率，用表示。表示。001 吸收率、反射率和透過率的大小取決于物體吸收率、反射率和透過率的大小取決于物體的性質(zhì)、溫度、外表情況和輻射線的波長等

33、，普的性質(zhì)、溫度、外表情況和輻射線的波長等，普通來說，外表粗糙的物體吸收率大。通來說，外表粗糙的物體吸收率大。 對(duì)于固體和液體不允許熱輻射透過，即對(duì)于固體和液體不允許熱輻射透過，即 ；而氣體對(duì)熱輻射幾乎無反射才干，即而氣體對(duì)熱輻射幾乎無反射才干，即 ； 黑體：能全部吸收輻射能的物體。即黑體：能全部吸收輻射能的物體。即 ；白體：能全部反射輻射能的物體。即白體：能全部反射輻射能的物體。即 ；1 透熱體：能透過全部輻射能的物體。即透熱體：能透過全部輻射能的物體。即 ；1灰體：指可以以一樣的吸收率吸收一切波長灰體：指可以以一樣的吸收率吸收一切波長的輻射能的物體。的輻射能的物體。 二、輻射根本定律二、輻

34、射根本定律 物體在一定溫度下，單位外表積、單位時(shí)物體在一定溫度下，單位外表積、單位時(shí)間內(nèi)所發(fā)射的全部輻射能波長從間內(nèi)所發(fā)射的全部輻射能波長從0到到，稱為該物體在該溫度下的發(fā)射才干，以稱為該物體在該溫度下的發(fā)射才干，以E表示，表示，單位單位W/ 。 2m40bTEEb0567108.W/(mK )24T1. 黑體的發(fā)射才干黑體的發(fā)射才干 斯蒂芬斯蒂芬-波爾茨曼定律：黑體的輻射才波爾茨曼定律：黑體的輻射才干與其外表的絕對(duì)溫度的四次方成正比。干與其外表的絕對(duì)溫度的四次方成正比。式中式中黑體的輻射才干，黑體的輻射才干，W/m2；黑體輻射常數(shù)，其值為黑體輻射常數(shù)，其值為；黑體外表的絕對(duì)溫度，黑體外表的絕

35、對(duì)溫度，K。 斯蒂芬斯蒂芬-波爾茨曼定律闡明黑體的輻射才干與其外表的絕對(duì)溫度的四次方成正比，也稱為四次方定律。顯然熱輻射與對(duì)波爾茨曼定律闡明黑體的輻射才干與其外表的絕對(duì)溫度的四次方成正比，也稱為四次方定律。顯然熱輻射與對(duì)流和傳導(dǎo)遵照完全不同的規(guī)律。斯蒂芬流和傳導(dǎo)遵照完全不同的規(guī)律。斯蒂芬-波爾茨曼定律闡明輻射傳熱對(duì)溫度異常敏感，低溫時(shí)熱輻射往往可以忽略，而高溫時(shí)波爾茨曼定律闡明輻射傳熱對(duì)溫度異常敏感，低溫時(shí)熱輻射往往可以忽略，而高溫時(shí)那么成為主要的傳熱方式。那么成為主要的傳熱方式。ECTb04100C0567.W / (mK )24式中式中黑體輻射系數(shù)，其值為黑體輻射系數(shù)，其值為2. 實(shí)踐物體

36、的發(fā)射才干實(shí)踐物體的發(fā)射才干黑度黑度： 0EE 物體的黑度物體的黑度表示為實(shí)踐物體的輻射才干與黑體表示為實(shí)踐物體的輻射才干與黑體的輻射才干之比。由于實(shí)踐物體的輻射才干小于同溫度的輻射才干之比。由于實(shí)踐物體的輻射才干小于同溫度下黑體的輻射才干，黑度表示實(shí)踐物體接近黑體的程度，下黑體的輻射才干，黑度表示實(shí)踐物體接近黑體的程度，T2。 灰體灰體1所發(fā)射的能量所發(fā)射的能量E1投射到黑體投射到黑體2上上被全部吸收；黑體被全部吸收；黑體2所發(fā)射的能量所發(fā)射的能量Eb投射到投射到灰體灰體1上只能被部分吸收，即上只能被部分吸收，即 1Eb的能量被的能量被吸收，其他部分吸收，其他部分(1 1)Eb被反射回黑體后

37、被反射回黑體后被黑體被黑體2吸收。吸收。 兩平板間熱交換的結(jié)果，以灰體兩平板間熱交換的結(jié)果，以灰體1為例，發(fā)射的為例，發(fā)射的能量為能量為E1，吸收的能量為，吸收的能量為a1Eb，兩者的差為：，兩者的差為： bEEQ11當(dāng)兩平壁間的熱交換到達(dá)平衡時(shí)，且灰體當(dāng)兩平壁間的熱交換到達(dá)平衡時(shí)，且灰體1所發(fā)射的所發(fā)射的輻射能與其吸收的能量必然相等，即輻射能與其吸收的能量必然相等，即E1=1Eb或或bEE11推行到任一平壁，得：推行到任一平壁，得： )(11TfEEEb 克希霍夫定律克?；舴蚨?闡明任何物體的輻射才干與其吸收率的比值恒為常闡明任何物體的輻射才干與其吸收率的比值恒為常數(shù)，且等于同溫度下黑體的

38、輻射才干，故其數(shù)值與物體數(shù)，且等于同溫度下黑體的輻射才干，故其數(shù)值與物體的溫度有關(guān)。與黑度的公式相比較，得：的溫度有關(guān)。與黑度的公式相比較，得： bEE三、固體間的輻射傳熱三、固體間的輻射傳熱 兩固體間的輻射傳熱總的結(jié)果是熱量從高溫物體兩固體間的輻射傳熱總的結(jié)果是熱量從高溫物體傳向低溫物體。它們之間的輻射傳熱計(jì)算非常復(fù)雜，傳向低溫物體。它們之間的輻射傳熱計(jì)算非常復(fù)雜，與兩固體的吸收率、反射率、外形及大小有關(guān)，還與與兩固體的吸收率、反射率、外形及大小有關(guān)，還與兩固體間的間隔和相對(duì)位置有關(guān)。兩固體間的間隔和相對(duì)位置有關(guān)。 角系數(shù)角系數(shù) ij表示物體表示物體i的外表輻射總能量落到另一物的外表輻射總能

39、量落到另一物體體j上的份額，即上的份額，即發(fā)出的總輻射能由表面發(fā)出的輻射能上的由表面落到表面iijijAAA工業(yè)上常遇到以下幾種情況的固體之間的相互輻射：工業(yè)上常遇到以下幾種情況的固體之間的相互輻射：1兩平行物面之間的輻射，普通又可分為極大的兩平行物面之間的輻射，普通又可分為極大的兩平行面的輻射和面積有限的兩相等平行面間的輻射兩平行面的輻射和面積有限的兩相等平行面間的輻射兩種情況。兩種情況。2一物體被另一物體一物體被另一物體 包圍時(shí)的輻射。包圍時(shí)的輻射。兩固體之間的輻射傳熱兩固體之間的輻射傳熱,可用下式表示：可用下式表示： 4241212121)100()100(TTACQ式中式中Q1-2高溫物體高溫物體1向低溫物體向低溫物體2傳送的熱量，傳送的熱量，W；C1-2總輻射系數(shù)，總輻射系數(shù)，W/(m2.K4)； 1-2幾何因子或角系數(shù)幾何因子或角系數(shù)(總能量被攔截分率總能量被攔截分率)； A輻射面積，輻射面積，m2； T1高溫物體的溫度，高溫物體的溫度，K； T2低溫物體的溫度，低溫物體的溫度，K。 其中總輻射系數(shù)其中總輻射系數(shù)C1-2和角系數(shù)和角系數(shù)1-2的數(shù)值與物體的數(shù)值與物體黑度、外形、大小、間隔及相互位置有關(guān)，下面詳黑度、外形、大