《無機(jī)材料熱工基礎(chǔ)》課件第二章 傳熱學(xué)

1、第二章 傳熱學(xué)（4學(xué)時）目錄2.1 基本概念2.2 導(dǎo)熱2.3 對流傳熱2.4 輻射傳熱2.5 綜合傳熱2.1 基本概念傳熱學(xué)（Heat transfer）研究由溫差引起的熱量傳遞規(guī)律的一門科學(xué)熱量傳遞的機(jī)理、規(guī)律、計算和測試方法在無機(jī)材料工業(yè)熱工過程中涉及的傳熱問題主要有兩大類：如何增強(qiáng)傳熱，如各種換熱設(shè)備中的傳熱。 如何減弱傳熱，如設(shè)備和管道的保溫。 傳熱學(xué)與熱力學(xué)的關(guān)系傳熱學(xué)的基本任務(wù)：求解溫度分布和計算熱量傳遞的速率傳熱方式導(dǎo)熱、對流、輻射導(dǎo)熱定義：指溫度不同的物體各部分或溫度不同的兩物體間直接接觸時，依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子熱運(yùn)動而進(jìn)行的熱量傳遞現(xiàn)象。可以在固體、液體、氣體

2、中發(fā)生。導(dǎo)熱的特點 必須有溫差 物體直接接觸 依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子熱運(yùn)動而傳遞熱量 在引力場下單純的導(dǎo)熱只發(fā)生在密實固體中對流換熱定義：流體中（氣體或液體）溫度不同的各部分之間，由于發(fā)生相對的宏觀運(yùn)動而把熱量由一處傳遞到另一處的現(xiàn)象。典型的對流換熱：流體與固體壁間的換熱。自然對流(natural convection)：若流體的運(yùn)動是由于流體內(nèi)部冷、熱部分的密度不同而引起的。強(qiáng)制對流(forced convection)：若流體的運(yùn)動是由于受到外力的作用(如風(fēng)機(jī)、水泵或其它外界壓力等)所引起。輻射定義：物體轉(zhuǎn)化本身的熱力學(xué)能向外發(fā)射輻 射能量的現(xiàn)象；物體都具有輻射能力。當(dāng)輻射能投

3、射到另一物體時便會部分或全部地被吸收，以重新變?yōu)闊崮?。綜合傳熱定義：在實際生產(chǎn)和生活中，上述三種傳熱基本方式往往不是單獨(dú)進(jìn)行的，多數(shù)情況是兩種或三種基本傳熱方式同時存在，而在某種條件下，以某種傳熱方式為主。溫度場 任一瞬間，在所研究空間中所有點上溫度分布的總稱，是空間坐標(biāo)和時間的函數(shù)。穩(wěn)態(tài)溫度場不穩(wěn)態(tài)溫度場溫度梯度 在溫度場中，溫度在空間上改變的大小程度，用grad t表示。它是在等溫面法線方向上單位長度的溫度增量，它是一個矢量, 指向溫度增大的方向。熱流的方向與溫度梯度方向相反n2.2 導(dǎo)熱傅立葉定律：在熱傳導(dǎo)時，其傳熱速率與溫度梯度及傳熱面積成正比。q：熱流密度，W/ m2 Q：熱流量，W

4、F：等溫面的面積，m2 ：溫度梯度，/m：比例系數(shù)，稱為導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m） 導(dǎo)熱系數(shù) 導(dǎo)熱系數(shù)表征物質(zhì)導(dǎo)熱能力的大小，是物質(zhì)的物理性質(zhì)之一。大多數(shù)均質(zhì)的固體材料，其導(dǎo)熱系數(shù)與溫度近似成直線關(guān)系： =0(1+bt) ：固體在溫度為t時的導(dǎo)熱系數(shù)，W/m； 0：固體在0時的導(dǎo)熱系數(shù)，W/m； b：溫度系數(shù)。（可查表附錄V） 在計算時，取物體的算術(shù)平均溫度，并把它當(dāng)成常數(shù)。平壁的一維穩(wěn)定導(dǎo)熱 單層平壁：平壁的長和寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于壁厚，且兩側(cè)壁面溫度保持t1和t2，則熱量只沿x方向傳導(dǎo)，為一維溫度場。當(dāng)導(dǎo)熱系數(shù)不隨溫度而變時，為平壁厚度當(dāng)導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度而變時，為平均溫度時的導(dǎo)熱系數(shù)。多層平壁的導(dǎo)熱穩(wěn)態(tài)：q

5、1=q2=q3123123例1 一塊厚度=50mm的平板，兩側(cè)表面分別維持在tw1=300，tw2=100，試求下列條件下通過單位截面積的導(dǎo)熱量：銅，=375 W/(mK )；鋼，=36.4 W/(mK )；鉻磚，=2.32 W/(mK )；鉻藻土磚，=0.242 W/(mK )。解：平壁的一維穩(wěn)定導(dǎo)熱：討論：由計算可見，由于銅與硅藻土磚導(dǎo)熱系數(shù)的巨大差別，導(dǎo)致在相同的條件下通過銅板的導(dǎo)熱量比通過硅藻土磚的導(dǎo)熱量大三個數(shù)量級。因而，銅是熱的良導(dǎo)體， 而硅藻土磚則起到一定的隔熱作用。例2教材P30例2-1設(shè)有一窯墻，用黏土磚和紅磚兩種材料砌成，厚度均為230mm，窯墻內(nèi)表面溫度為1200，外表面

6、溫度為100，紅磚允許使用溫度為800，求每平方窯墻熱損失及紅磚在此條件下能否使用。（采用逐次逼近法）圓筒壁導(dǎo)熱 圓筒壁導(dǎo)熱熱流量因傳熱面積不同而發(fā)生變化，但熱流量Q是一個不變的常量，所以對圓筒壁導(dǎo)熱 只計算熱流量。簡化 當(dāng)r2/r12時，面積常用算術(shù)平均值代替對數(shù)平均值，F(xiàn)m=(F1+F2)/2=2l(r1+r2)/2= l(r1+r2)可以簡化成多層圓筒壁的導(dǎo)熱例教材P31例2-22.3 對流傳熱溫度邊界層：當(dāng)流體流過壁面被加熱或冷卻時，會引起沿壁面法線方向上溫度分布的變化，形成一定的溫度梯度?？拷诿嫣幜黧w溫度有顯著的變化（或存在溫度梯度）的區(qū)域稱為溫度邊界層或傳熱邊界層。速度邊界層：壁

7、面附近具有明顯速度變化的流體薄層。牛頓冷卻定律牛頓冷卻定律tf：流體溫度tw：壁面溫度：對流換熱系數(shù)表示：每單位壁面面積上、單位時間內(nèi)當(dāng)流體與壁面溫度相差1時所傳遞的熱量。對流換熱系數(shù)對流換熱系數(shù)是流體的流速、流體的物理性質(zhì)以及傳熱表面的形狀、尺寸等的復(fù)雜函數(shù)，根據(jù)努塞爾特數(shù)，對流換熱系數(shù)可以寫成：準(zhǔn)數(shù)的符號及意義準(zhǔn)數(shù)名稱符 號意 義努塞爾特數(shù)Nu=/（/l），反映和純導(dǎo)熱相比，對流使傳熱系數(shù)增大的倍數(shù)雷諾數(shù)Re是流體所受慣性力和粘性力之比，表征流體的流動狀態(tài)和湍動程度對對流傳熱的影響普朗特數(shù)表示流體物性對對流傳熱的影響格拉曉夫數(shù)表示自然對流體對流傳熱的影響無相變時流體在管內(nèi)強(qiáng)制對流 Nu=0

8、.023Re0.8Prn 指數(shù)n與熱流方向有關(guān)：當(dāng)流體被加熱時，n=0.4；當(dāng)流體被冷卻時，n=0.3。 教材P34例2-32.4 輻射傳熱2.4.1輻射傳熱的基本概念 輻射物體以電磁波的方式向外傳遞能量的過程由于熱的原因而發(fā)生的輻射 熱輻射取決于溫度 能被物體吸收并轉(zhuǎn)變成熱能的部分電磁波 熱射線輻射傳熱物體之間相互輻射和吸收熱過程的總效果 熱輻射的特點任何物體，只要溫度高于0K，就會不停地向周圍空間發(fā)出熱輻射。伴隨能量形式的轉(zhuǎn)變。熱射線的傳播具有與光同樣特性，不需要傳熱介質(zhì)。物體對熱輻射的吸收、反射和穿透 當(dāng)熱輻射投射到物體表面上時，一般會發(fā)生三種現(xiàn)象，即吸收、反射和穿透。黑體：A=1，全吸

9、收白體：R=1，全反射透熱體：D=1，全透過大多數(shù)的固體和液體：D=0，A+R=1氣體：R=0，A+D=1輻射力輻射力E：單位時間內(nèi)，物體的單位表面積向半球空間發(fā)射的所有波長的能量總和。單色輻射力E：單位時間內(nèi)，單位波長范圍內(nèi)(包含某一給定波長)，物體的單位表面積向半球空間發(fā)射的能量。黑體一般采用下標(biāo)0表示2.4.2 黑體輻射的基本定律黑體：是指能吸收投入到其面上的所有熱輻射能的物體，是一種科學(xué)假想的物體，現(xiàn)實生活中是不存在的。但卻可以人工制造出近似的人工黑體。黑體模型黑體輻射的基本定律Planck定律 Wien定律Stefan-Boltzmann定律Planck定律黑體單色輻射力與波長和溫度

10、的關(guān)系。 波長，m ； T 黑體溫度，K ；c1 第一輻射常數(shù)，3.74310-16 Wm2c2第二輻射常數(shù)，1.438710-2 WK；由此可得的關(guān)系某一波長的單色輻射能力隨溫度升高而增大；在某一溫度下，其輻射輻射能力隨波長而變化：0，E，00；，E，0； 達(dá)到最高值后，E，0溫度越高，最大輻射強(qiáng)度的波長越短 。當(dāng)溫度提高時，最大單色輻射力向短波方向移動，在輻射總能量中可見光的份額增加，熱物體的亮度相應(yīng)提高，依次出現(xiàn)紅，黃，白。 Wien定律 最大輻射強(qiáng)度的波長與絕對溫度的乘積為一常數(shù)。 Stefan-Boltzmann定律黑體的輻射力與溫度的關(guān)系：C0：Stefan-Boltzmann常數(shù)

11、，5.67 說明黑體的輻射力與其熱力學(xué)溫度的四次方成比例，所以又稱為四次方定律。2.4.3 實際固體和液體的輻射特性 真實物體表面的發(fā)射能力低于同溫度下的黑體；因此，定義黑度：相同溫度下，實際物體的半球總輻射力與黑體半球總輻射力之比: 可得實際物體輻射力E：實際固液體的吸收特性 當(dāng)外界的輻射投入到物體表面上時，該物體對投入輻射吸收的情況又是如何呢？Semi-transparent medium幾個概念單色吸收率：物體對某種波長輻射能的吸收率稱為單色吸收率，用A表示。投射輻射：單位時間內(nèi)，外界投射到單位表面積上的總輻射能，用G表示。G表示波長為的單色投射輻射。吸收率：物體對投射輻射所吸收的百分?jǐn)?shù)

12、，通常用A表示。 一般而言，實際物體的單色吸收率與投射輻射的波長有關(guān)。為了簡單化，定義： 灰體：光譜吸收比與波長無關(guān)的物體稱為灰體。即，不管投入輻射的分布如何，吸收率A都是同一個常數(shù)。有關(guān)輻射的幾個概念本身輻射物體向外輻射的能量投射輻射其它物體投射到物體的輻射能量反射輻射物體反射的部分投射輻射能量有效輻射物體的本身輻射加上反射輻射Kirchhoff 定律發(fā)射輻射與吸收輻射的特性的聯(lián)系？1859年，Kirchhoff 用熱力學(xué)方法提出了Kirchhoff 定律。當(dāng)系統(tǒng)處于熱平衡時，2.4.4 氣體與固體間的輻射傳熱氣體輻射的特點：氣體輻射與成分有關(guān)，熱工計算中時，主要考慮煙氣中CO2、H2O兩組

13、分的輻射。氣體的輻射和吸收對波長有選擇性。氣體的輻射和吸收是在整個容器中進(jìn)行。氣體的R0，A+D1 。氣體的黑度 氣體的輻射力與同溫度下黑體的輻射力之比實驗表明，氣體的輻射與固體輻射相差很大：其中 為氣體層的厚度，或稱射線行程長度。修正 即:煙氣的黑度 ： 分壓修正系數(shù)， 氣體相互吸收修正系數(shù)402)100(2gCOCOTCEe=40)100(22gOHOHTCEe=據(jù)公式畫出二氧化碳的黑度和水蒸氣的黑度圖 ，使用時直接查圖。氣體的吸收率 氣體的吸收率不僅和本身溫度有關(guān)，而且還與投射在氣體上的輻射能的光譜有關(guān)，這又與固體壁的溫度有關(guān)。當(dāng)氣體溫度Tg=TwKirchhoff 定律可得：當(dāng)兩者溫度

14、不同時條件黑度：煙氣的吸收率 ：據(jù)CO2的黑度圖查得據(jù)H2O的黑度圖查得近似計算可不修正煙氣與器壁間的輻射傳熱假設(shè)氣體的器壁為黑體，則氣體各器壁間的輻射傳熱為氣體的本身輻射與吸收輻射之差：因為器壁為黑體，則則：假設(shè)器壁黑度為 ，由于反復(fù)多次的反射和吸收，使得器壁的有效黑度大于 器壁的有效黑度：w0.8故，在實際解題時，一般采用：教材P45-46例2-25強(qiáng)化輻射傳熱的措施適當(dāng)提高煙氣溫度。增大煙氣與物料接觸的表面積，提高物料的黑度；采用反射隔熱罩，減少輻射熱損失。提高煙氣的黑度 。2.5 綜合傳熱 在工程實際所遇到的傳熱現(xiàn)象中，往往是兩種或三種基本傳熱方式同時存在，這種由幾種傳熱方式同時存在的實際傳熱過程稱為綜合傳熱。傳熱的基本方程：Q=KFT=KF（T1-T2）K：傳熱系數(shù)傳熱系數(shù)導(dǎo)熱：對流：輻射：平壁的綜合傳熱 爐內(nèi)以對流和輻射并聯(lián)聯(lián)合傳熱，將熱量傳給爐的內(nèi)壁面。在爐壁內(nèi)通過傳導(dǎo)傳熱，將熱量以爐的內(nèi)壁面?zhèn)鞯綘t的外壁面，它與爐內(nèi)對流與輻射傳熱相串聯(lián)。爐外通過對流與輻射并聯(lián)聯(lián)合傳熱，將熱量從爐的外壁面?zhèn)鞯酱髿庵?，它與爐壁內(nèi)的傳導(dǎo)傳熱相串聯(lián)。特點傳導(dǎo)、對流、輻射三種傳熱方式同時存在；并聯(lián)、串聯(lián)的聯(lián)合傳熱同時存在?？倐鳠嵯禂?shù)K：教材P48例2-6作業(yè)有一高溫爐，爐內(nèi)溫度高達(dá)1000以上，爐內(nèi)有