3.熱量傳遞(2008).ppt

1、第三章 熱量傳遞,影響因素： .物性特征： C 等。 （物性是溫度的函數(shù)，特性溫度） .幾何特征：形狀、尺度、方位等。 .動力學(xué)特征：流動狀態(tài)等。,研究目的：通過控制溫度分布，提高能量的 有效應(yīng)用，加強或削弱熱量傳遞。,3.1 傳熱機理,熱傳導(dǎo)，熱對流，熱輻射。,熱對流：流體相對于固體作宏觀運動時， 引起微團(tuán)尺度上的熱量傳遞。,其規(guī)律符合牛頓冷卻定律：,式中： 對流給熱系數(shù) W/m2.K,大小取決于： 流體的物性，系統(tǒng)的幾何特征，以及流動的特征。通常由實驗測定。,湍流 層流，強制對流 自然對流， 低粘 高粘， 相變 無相變。,Q = q A =A（TW - Tf）,傅立葉定律,熱傳導(dǎo)：,問題一

2、 用雙層玻璃取代單層玻璃保溫效率如何？,問題二 電線外的絕緣層起散熱作用,還是保溫作用？,（1）無限大平壁導(dǎo)熱,3.2.1 定常導(dǎo)熱,壁厚，面積為A，無內(nèi)熱源， 兩壁面溫度分別為T0 、T1。 取如圖薄層控制體，作能量衡算。,3.2 熱傳導(dǎo),代 入 得,邊界條件：,積分得通解,溫度分布,板間速度分布,通過平壁的導(dǎo)熱速率,對多層串聯(lián)復(fù)合平壁，類似歐姆定律有,熱過程推動力,熱過程阻力,用雙層玻璃取代單層玻璃能提高保溫效果。,對多層串聯(lián)復(fù)合圓筒，類似有,其中,AiAj分別為某層圓筒的內(nèi)外面積,（2）圓柱體導(dǎo)熱,圓柱體導(dǎo)線半徑為R，有內(nèi)熱源 ，壁面溫度為TW 。 取如圖圓環(huán)薄殼控制體，作熱量衡算。,Q

3、g(生成熱速率)+ Qi(導(dǎo)入熱速率)= Qo(導(dǎo)出熱速率),代入傅立葉定律,一維導(dǎo)熱,二維導(dǎo)熱,積分,由邊界條件 ，得 C1= 0,再積分,再由邊界條件 ，得,溫度分布,由 ，得,無量綱溫度分布,定義平均溫度,圓管中層流速度分布,（3）管道保溫 保溫層如圖,積分得：,層內(nèi)的導(dǎo)熱微分方程：,邊界條件：,外表面散熱：,保溫層與環(huán)境之間的傳熱：,牛頓冷卻定律,兩式相加得：,導(dǎo)熱熱阻 對流熱阻,當(dāng)保溫層半徑 時，熱量散失最大。,定義最大散熱臨界半徑 。,從 q R 圖可見，小于Rcr 時保溫起散熱作用，大于 C 點時，才保溫。,（1）顆粒升溫,畢奧數(shù) Bi 0.1,加熱反應(yīng)器中的球形催化劑顆粒，顆粒

4、體積 V，表面積A，初始溫度 T0，突然通入溫度為 Tf 的熱氣流，顆粒溫度將隨時間變化。,簡化：忽略顆粒內(nèi)部導(dǎo)熱熱阻。,集總參數(shù)法,3.2.2 非定常導(dǎo)熱,T 時刻通過對流換熱，顆粒的加熱量： Q1=A（Tf - T）,顆粒的熱量變化率：,根據(jù)能量恒算：Q1= Q2 得：,整理：,得：,則：,當(dāng)t = 4時：,表明t = 4時，溫度已變化98.2%。以后視作定常。,定義時間常數(shù)：,（2）半無限大平壁升溫,大地初始溫度 T0，突然暖風(fēng)吹來，溫度升為 TS，并維持不變。大地內(nèi)溫度僅沿 x 方向變化，為一維非定常導(dǎo)熱過程。,得微分方程：,解得：,式中：,erf（n），G（n）為高斯誤差函數(shù)。,t

5、時刻表面處的導(dǎo)熱強度：,在 t 時間內(nèi)，單位面積的總傳熱量：,例：溫度5的大地，表面突然升至37。 .0，t與t,2t內(nèi)單位面積傳熱量之比。 .1小時后地表面下0.05m處的溫度？ 已知：大地 a = 4.6510 -7 m2/s。,解：.,.,皂基減壓蒸發(fā),工業(yè)上常見的圓管加熱方式有兩種：,. 恒壁溫（夾套蒸氣加熱）TW=常數(shù) . 恒熱流（電加熱）qW=常數(shù),截面平均溫度Tb 隨 z的變化如下圖：,截面的溫度分布T 決定換熱效果,3.3 管內(nèi)層流流動換熱,如圖取環(huán)狀薄殼體作熱量衡算。,流體在圓管內(nèi)作層流換熱，無內(nèi)熱源，定態(tài)，充分發(fā)展，不記 z 向?qū)岷秃纳帷?根據(jù)熱衡算得微分方程：,層流：

6、,根據(jù)加熱邊界條件可求得溫度分布 T。 注意：T 既隨 r 變化又隨 z 變化。,在 dz 段上壁面處的導(dǎo)熱速率應(yīng)等于流體和壁面之間的對流換熱速率。,壁面處導(dǎo)熱速率：,對流換熱速率：Q=2Rdz(TW-Tb),整理得：,已知溫度分布 T，就可由上式求出， 的大小表示傳熱效果的好壞。,定義： 努塞爾數(shù)。,對圓管層流換熱求得： 恒 TW：Nu=3.66 恒 qW：Nu=4.36,L 特征長度，對圓管是 D。,相差約16%,圓管層流換熱 細(xì)管好,還是粗管好?,3.4 傳熱邊界層,3.4.1 形成和特點 流體沿固壁作非等溫流動。,類似流動邊界層，以T-TW=99%（T0-TW）為界線。,熱邊界層T外為

7、等溫區(qū) ，無導(dǎo)熱。,T 內(nèi)溫度變化顯著，導(dǎo)熱作用明顯，與對流換熱量級相當(dāng)。,熱邊界層發(fā)展與流動邊界層通常是不同步的,與T 的關(guān)系: T時近似為,普朗特數(shù)：,Pr 數(shù)決定與T 的大小,通常T很薄， 很大，熱阻小，熱阻主要取決于T的大小。,3.4.2 熱進(jìn)口段,從T = 0 發(fā)展T = R，這段 Le，T稱熱進(jìn)口段，此后為熱充分發(fā)展。 Le，T 中，中心溫度保持不變，而截面平均溫度 Tb 。熱充分發(fā)展后，中心溫度 T0 ，Tb 。,進(jìn)口段中： 沿程快，而 Tb -TW,熱進(jìn)口段長度分別為: 層流: 恒 qW ：Le，T /D = 0.07RePr ; 恒 TW ：Le，T /D = 0.055Re

8、Pr。 湍流: Le，T =50D。,較慢，兩者綜合，使沿程。,兩者相當(dāng)，使不變。即 Nu=3.66。,充分發(fā)展后： 沿程和Tb -TW變化平緩。,流動換熱同時存在流動邊界層和傳熱邊界層,圖中曲線說明： 1. 發(fā)展著優(yōu)于發(fā)展了。2. 進(jìn)口段優(yōu)于充分發(fā)展區(qū)。 3. 恒 qW 優(yōu)于恒 TW。4. 充分發(fā)展區(qū) Nuz= 常數(shù)。,為什么？,非等溫管流z 隨 z/D 的變化。,圖中規(guī)律表明： 盡量保持湍流狀態(tài)下?lián)Q熱。若只能在層流狀態(tài)下?lián)Q熱，可采用短管換熱器。,圖中曲線說明: 1. 層流，沿程T，z，至充分發(fā)展z 穩(wěn)定。,2. 先層流邊界層發(fā)展z，邊界層在交匯前發(fā)展為湍流，z，至交匯z 穩(wěn)定。,3. 劇烈

9、湍流，進(jìn)口段消失，z 保持常數(shù)。,問題：下圖中哪種情況換熱快？,3.4.3 傳熱邊界層能量積分方程,如圖選控制體，作熱量衡算。 Q1 + Q3 = Q2 + Q4,求得傳熱邊界層能量積分方程：,對層流，求得：,代入：,得：,局部努塞爾數(shù)：,平均對流給熱系數(shù)：,平均努塞爾數(shù)：,壁面導(dǎo)熱速率等于該處的對流換熱速率:,對湍流，若Pr =1，令,求得：,當(dāng)ReLc=5105 ，Pr1時：,湍流,層流,Q = LA（TW - Tf）,問題：下圖中哪種情況換熱快？,湍流時，要通過計算比較。,層流時，,3.4.4 繞流換熱,高Re數(shù)下繞圓柱時，Nu隨的變化。,層流邊界層發(fā)展，T ，Nu；至約81處，邊界層分

10、離，Nu；原因是旋渦沖刷表面。,繞球與圓柱類似,先是層流邊界層發(fā)展, T ,Nu；層流湍流，Nu,而后湍流邊界層發(fā)展,T ,Nu；至約130處，湍流邊界層分離，又促使Nu。,繞球換熱的經(jīng)驗式有,對于氣體: ( 20Re180000 ),對于液體: ( 1Re7000 ),若在靜止流體中換熱:Nu=2,湍流三個區(qū)的溫度變化：,湍流核心區(qū) y+=30,過 渡 區(qū) y+=5,粘性底層區(qū),y+5 ：,5 y+30 ：,y+ 30 ：,3.5 湍流換熱,動量和熱量傳遞規(guī)律間的類似性,雷諾類比：,由 f 求,例：V空氣=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：,過渡流,