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第四章传热第四章传热第一页，本课件共有94页教学要求教学要求重重 点：点：传热基本方程式及应用传热基本方程式及应用基本概念：基本概念：对流传热、定常传热、非定常传热、对流传热、定常传热、非定常传热、导热系数、传热速率、平均温差、传热系数、导热系数、传热速率、平均温差、传热系数、污垢热阻、控制热阻、热效率、传热单元数、污垢热阻、控制热阻、热效率、传热单元数、热容量流率、热容量流率、Nu、Re、Pr准数、膜状冷凝、准数、膜状冷凝、滴状冷凝、热辐射、热射线、辐射传热、总辐滴状冷凝、热辐射、热射线、辐射传热、总辐射能、单色辐射能、黑体、白体（镜体）、透射能、单色辐射能、黑体、白体（镜体）、透热体、灰体、黑度、角系数等。热体、灰体、黑度、角系数等。第二页，本课件共有94页教学要求教学要求基本公式：基本公式：导热速率导热速率传热基本方程传热基本方程第三页，本课件共有94页教学要求教学要求第四页，本课件共有94页教学要求教学要求基本原理：对流传热过程分析，控制热阻；基本原理：对流传热过程分析，控制热阻；对流传热的主要影响因素，普郎克定律。对流传热的主要影响因素，普郎克定律。主要设备及特点：略主要设备及特点：略第五页，本课件共有94页4-1概述概述1.传热：由温差引起的能量传递。自发过程中热量传热：由温差引起的能量传递。自发过程中热量 从高温传递到低温。从高温传递到低温。2.传热传热 方式方式热传导热传导对流（注意工业上的对流传热概念）对流（注意工业上的对流传热概念）辐射传热辐射传热3.工业换热方式及典型设备工业换热方式及典型设备第六页，本课件共有94页4-1概述概述 换热方式换热方式直接混合式直接混合式 （冷却塔）（冷却塔）蓄热式蓄热式 （例焦化厂）（例焦化厂）间壁式间壁式 典型设备典型设备（间壁式）（间壁式）套管式套管式列管式列管式（固定管板固定管板、U形管形管、浮头浮头）板式板式（板式、（板式、螺旋版螺旋版、板翅板翅）列管式列管式管程管程、管程数、管程数壳程、壳程数壳程、壳程数第七页，本课件共有94页第八页，本课件共有94页第九页，本课件共有94页第十页，本课件共有94页冻土隆起冻土隆起冻土组成冻土组成第十一页，本课件共有94页冻土上的铁路冻土上的铁路第十二页，本课件共有94页碎石路基碎石路基第十三页，本课件共有94页第十四页，本课件共有94页4-1 概述概述稳态传热稳态传热非稳态传热非稳态传热第十五页，本课件共有94页4-2 热传导热传导4-2-1 基本概念及傅立叶定律基本概念及傅立叶定律一、温度场和温度梯度一、温度场和温度梯度温度场：任一时刻物体或系统内各点的温度分布温度场：任一时刻物体或系统内各点的温度分布 情况。情况。等温面：温度场中同一时刻下相同温度各点所组成等温面：温度场中同一时刻下相同温度各点所组成 的面。的面。特点：两等温面不相交；同一等温面上各点间无热特点：两等温面不相交；同一等温面上各点间无热 量传递。量传递。一维稳态温度场：一维稳态温度场：第十六页，本课件共有94页4-2-1 基本概念和傅立叶定律基本概念和傅立叶定律温度梯度：温度梯度：一维定态：一维定态：二、傅立叶二、傅立叶(Fourier)定律定律定律：物体单位时间传导的热量正比于温度梯度及定律：物体单位时间传导的热量正比于温度梯度及 导热面积导热面积第十七页，本课件共有94页4-2-1 基本概念和傅立叶定律基本概念和傅立叶定律Q 导热速率导热速率 J/sS 导热面积导热面积 m2 (与与Q的方向垂直）的方向垂直）导热系数导热系数 W/m 第十八页，本课件共有94页一、定义：一、定义：意义：它表征物质导热能力的大小。意义：它表征物质导热能力的大小。二、影响因素：二、影响因素：物质的种类、组成、结构、温度、压强物质的种类、组成、结构、温度、压强物质：物质：组成组成结构结构状态状态 4-2-2 导热系数导热系数第十九页，本课件共有94页温度温度压强压强三、求取三、求取气体、蒸汽、非金属材料、水、甘油气体、蒸汽、非金属材料、水、甘油液体、金属液体、金属液体、固体无影响液体、固体无影响气体气体1.固体固体查手册（注意用平均温度）查手册（注意用平均温度）均匀固体均匀固体非金属：非金属：0金金 属属:0 4-2-2 导热系数导热系数第二十页，本课件共有94页2.液体和气体液体和气体纯物质：查手册纯物质：查手册混合物：经验式混合物：经验式 4-2-2 导热系数导热系数1.假设假设1)平壁材料均匀，导热系数平壁材料均匀，导热系数可取平均温度下之值。可取平均温度下之值。2)平壁内的温度仅沿垂直于壁面的方向变化。平壁内的温度仅沿垂直于壁面的方向变化。3)壁边缘处的热损失可忽略。壁边缘处的热损失可忽略。一、平壁的热传导一、平壁的热传导第二十一页，本课件共有94页 4-2-3 傅立叶定律的应用傅立叶定律的应用2.导热速率导热速率第二十二页，本课件共有94页二、多层平壁的热传导二、多层平壁的热传导多层平壁的热传导多层平壁的热传导 假设：假设：层与层之间接触良好，层与层之间接触良好，两个接触表面具有相同的温度。两个接触表面具有相同的温度。4-2-3 傅立叶定律的应用傅立叶定律的应用第二十三页，本课件共有94页三、单层圆筒壁三、单层圆筒壁 4-2-3 傅立叶定律的应用傅立叶定律的应用第二十四页，本课件共有94页对数平均半径对数平均半径四、多层圆筒壁的热传导四、多层圆筒壁的热传导 4-2-3 傅立叶定律的应用傅立叶定律的应用第二十五页，本课件共有94页特点：特点：多层平壁多层平壁各层传热速率相等各层传热速率相等各层热通量相等各层热通量相等多层园筒壁多层园筒壁各层传热速率相等各层传热速率相等各层热通量不相等各层热通量不相等 4-2-3 傅立叶定律的应用傅立叶定律的应用第二十六页，本课件共有94页4-3 对流传热概述对流传热概述对流传热：流体流过固体壁面时与壁面之间进行的对流传热：流体流过固体壁面时与壁面之间进行的 传热过程称为对流传热传热过程称为对流传热分类分类对流传热对流传热强制对流传热强制对流传热自然对流传热自然对流传热蒸汽冷凝蒸汽冷凝液体沸腾液体沸腾无相变的对流传热无相变的对流传热有相变的对流传热有相变的对流传热第二十七页，本课件共有94页4-3-1 对流传热机理对流传热机理一、流体流动对传热的贡献一、流体流动对传热的贡献取如图所示范围，取如图所示范围，做热衡算做热衡算x流动方向流动方向y传热方向传热方向yy+dyT-dT,u uy yqy+dyqyT,u uy y第二十八页，本课件共有94页结果：不同流动状况下流体中的温度分布。结果：不同流动状况下流体中的温度分布。4-3-1 对流传热机理对流传热机理TyTW静止静止层流层流湍流湍流T0静止静止导热导热第二十九页，本课件共有94页 流体流动对传热过程有强化作用。流体的湍动程度流体流动对传热过程有强化作用。流体的湍动程度越高，靠近壁面处的温度梯度就越大。越高，靠近壁面处的温度梯度就越大。二、热边界层二、热边界层4-3-1 对流传热机理对流传热机理 u u u t u t t t t t图图 平板上的边界层平板上的边界层第三十页，本课件共有94页 流体的温度在靠近固体壁面的薄层流体中有流体的温度在靠近固体壁面的薄层流体中有显著的变化，即在此流体层中存在温度梯度，将显著的变化，即在此流体层中存在温度梯度，将此薄层定义为热边界层。此薄层定义为热边界层。当流体流过平板的距离为无穷大时，热边界层当流体流过平板的距离为无穷大时，热边界层将消失。将消失。4-3-1 对流传热机理对流传热机理的区域，称为热边界层的区域，称为热边界层第三十一页，本课件共有94页因为导热速率可表达为：因为导热速率可表达为：温度差温度差 T-Tw 对流传热对流传热温度差温度差 T-Tw静止流体，厚度静止流体，厚度导热导热等效于等效于由于无法确切定（测）出由于无法确切定（测）出，则变化为：，则变化为：4-3-2 牛顿冷却定律牛顿冷却定律第三十二页，本课件共有94页牛顿冷却定律：牛顿冷却定律：对换热器的任意截面对换热器的任意截面对热流体一侧：对热流体一侧：对冷流体一侧：对冷流体一侧：对流传热系数，对流传热系数，W/m24-3-2 牛顿冷却定律牛顿冷却定律第三十三页，本课件共有94页各因素沿全换热器平均有：各因素沿全换热器平均有：4-3-2 牛顿冷却定律牛顿冷却定律第三十四页，本课件共有94页一、基本方程一、基本方程 将间壁式换热过程的对流将间壁式换热过程的对流 导热导热 对流串联起来对流串联起来4-4-1 传热基本方程式传热基本方程式根据等比定律：根据等比定律：第三十七页，本课件共有94页二、传热速率二、传热速率Q的计算的计算1.有相变时：有相变时：或或W:质量流量质量流量 kg/s；r：相变热：相变热 kJ/kg cp:比热比热kJ/kg 4-4-1 传热基本方程式传热基本方程式第三十八页，本课件共有94页2.无相变时：无相变时：热流体放热速率热流体放热速率 冷流体吸热速率冷流体吸热速率4-4-1 传热基本方程式传热基本方程式三、传热面积三、传热面积S的计算的计算第三十九页，本课件共有94页传热面积传热面积S取外表面积取外表面积So四、传热平均温差四、传热平均温差tm的计算的计算1.流向流向逆流逆流T1t1T2t2tT并流并流T1T2t2t1Tt4-4-1 传热基本方程式传热基本方程式第四十页，本课件共有94页错流：错流：t2t1T1T2折流：折流：t2t1T2T12.tm的计算：的计算：恒温传热恒温传热并（逆）流传热并（逆）流传热 假设：过程为稳态传热假设：过程为稳态传热 W、cP、T1、T2、t1、t2、K 为常数为常数4-4-1 传热基本方程式传热基本方程式第四十一页，本课件共有94页以逆流为例：以逆流为例：在如图所示范围热恒算在如图所示范围热恒算T1T2t2tTt14-4-1 传热基本方程式传热基本方程式第四十二页，本课件共有94页T1t2T2t1tTT=t4-4-1 传热基本方程式传热基本方程式对换热器的任意截面有：对换热器的任意截面有：第四十三页，本课件共有94页沿整个换热器积分有：沿整个换热器积分有：4-4-1 传热基本方程式传热基本方程式第四十四页，本课件共有94页复杂流向有：复杂流向有：修正系数：修正系数：P.235五、总传热系数五、总传热系数K的计算的计算单位：单位：W/m2 如忽略导热及污垢热阻，且视为平壁如忽略导热及污垢热阻，且视为平壁当：当：控制热阻控制热阻4-4-1 传热基本方程式传热基本方程式第四十五页，本课件共有94页总传热系数总传热系数K的求取：的求取：（1）来源于生产实际的数值、手册的经验值；）来源于生产实际的数值、手册的经验值；（设计时采用）（设计时采用）（2）由定义式计算）由定义式计算 （校核时采用，所有热阻都应考虑）（校核时采用，所有热阻都应考虑）4-4-1 传热基本方程式传热基本方程式第四十六页，本课件共有94页tm的的讨论讨论（1）在相同）在相同进进出口温度下，逆流的出口温度下，逆流的tm值值最大最大。逆流逆流T2T1Tt2t1t1t2T2T1并流并流tm并流并流60第六十一页，本课件共有94页4-5-1 对流传热系数准数关联式对流传热系数准数关联式参数取法：参数取法：式中式中n 值与热流方向有关，值与热流方向有关，当流体被加热时，当流体被加热时，n=0.4，当流体被冷却时，当流体被冷却时，n=0.3。定性温度：取流体进、出口温度的算术平均值。定性温度：取流体进、出口温度的算术平均值。特征尺寸：取为管内径特征尺寸：取为管内径di。修正：修正：当粘度大于当粘度大于2倍水的粘度时倍水的粘度时第六十二页，本课件共有94页应用范围：应用范围：Re10000；0.7Pr16700；L/d60参数取法：参数取法：当液体被加热时，当液体被加热时，=1.05，当液体被冷却时，当液体被冷却时，n =0.95。气体取气体取14-5-1 对流传热系数准数关联式对流传热系数准数关联式第六十三页，本课件共有94页1.蒸汽冷凝蒸汽冷凝蒸汽冷凝的蒸汽冷凝的两种方式两种方式滴状冷凝滴状冷凝膜状冷凝膜状冷凝二、有相变时的对流传热系数二、有相变时的对流传热系数4-5-1 对流传热系数准数关联式对流传热系数准数关联式第六十四页，本课件共有94页2.膜状冷凝对流传热系数膜状冷凝对流传热系数假设：假设：冷凝液膜处于层流流动，热量以热传导蒸汽静止冷凝液膜处于层流流动，热量以热传导蒸汽静止不动，对液膜无摩擦阻力；不动，对液膜无摩擦阻力；蒸汽冷凝液体时只释放汽化潜热，蒸汽及壁面温度蒸汽冷凝液体时只释放汽化潜热，蒸汽及壁面温度不变；不变；冷凝液的物性可按平均液膜温度取值，且为常数。冷凝液的物性可按平均液膜温度取值，且为常数。4-5-1 对流传热系数准数关联式对流传热系数准数关联式第六十五页，本课件共有94页步骤：在步骤：在x位置由力平衡位置由力平衡 速度分布速度分布 质质量流量量流量(W)dW=f()d 冷凝放热冷凝放热=液膜热传导传递热量液膜热传导传递热量 d=()dx =f(x)x=F(x)积分求取积分求取 4-5-1 对流传热系数准数关联式对流传热系数准数关联式第六十六页，本课件共有94页、分别为凝液的导热系数，密度和分别为凝液的导热系数，密度和 粘度；粘度；r冷凝潜热，冷凝潜热，J/kg；t蒸汽饱和温度蒸汽饱和温度 ts 壁面壁面 tw 之差，之差，。特征尺寸：取垂直管或板的高度，水平管外径。特征尺寸：取垂直管或板的高度，水平管外径。定性温度：蒸汽冷凝潜热取饱和温度定性温度：蒸汽冷凝潜热取饱和温度ts下的值，其下的值，其 余物性参数取液膜平均温度下的值余物性参数取液膜平均温度下的值 4-5-1 对流传热系数准数关联式对流传热系数准数关联式第六十七页，本课件共有94页2.实验结果：实验结果：P.252 Re1800时时蒸汽在垂直管或板外冷凝蒸汽在垂直管或板外冷凝 4-5-1 对流传热系数准数关联式对流传热系数准数关联式第六十九页，本课件共有94页3.影响冷凝传热的因素影响冷凝传热的因素 1)冷凝液膜有温度差冷凝液膜有温度差t2)流体的物性：液膜的流体的物性：液膜的、，蒸汽的冷凝潜热，蒸汽的冷凝潜热3)流体的物性：蒸汽的流速和流动方向流体的物性：蒸汽的流速和流动方向 4)蒸汽中不凝性气体的含量蒸汽中不凝性气体的含量5)冷凝壁面的影响冷凝壁面的影响 4-5-1 对流传热系数准数关联式对流传热系数准数关联式第七十页，本课件共有94页二、液体的沸腾二、液体的沸腾1.液体沸腾液体沸腾大容积沸腾大容积沸腾管内沸腾管内沸腾2 影响沸腾传热的因素影响沸腾传热的因素(1)液体的性质液体的性质(2)温度差温度差t(3)操作压强操作压强(4)加热壁面加热壁面4-5-1 对流传热系数准数关联式对流传热系数准数关联式第七十一页，本课件共有94页3.大容积饱和大容积饱和沸腾曲线沸腾曲线 水的沸腾曲线水的沸腾曲线 (1)自然对流沸腾区自然对流沸腾区t5(2)泡核沸腾泡核沸腾或泡状沸腾区：或泡状沸腾区：t=525(3)过渡沸腾区过渡沸腾区(4)膜状沸腾膜状沸腾 4-5-1 对流传热系数准数关联式对流传热系数准数关联式第七十二页，本课件共有94页 4-4-2壁温的估算壁温的估算一一.壁温估算的意义壁温估算的意义1.在某些对流传热系数的关联式中，需知壁温在某些对流传热系数的关联式中，需知壁温 才能计算传热系数才能计算传热系数2.选择换热器的类型和管子材料也需知道壁温选择换热器的类型和管子材料也需知道壁温二二.计算方法计算方法试差试差第七十三页，本课件共有94页 4-4-2壁温的估算壁温的估算如忽略污垢热阻如忽略污垢热阻当C h 时：试差步骤：试差步骤：第七十四页，本课件共有94页一定流量的空气在蒸汽加热器中从一定流量的空气在蒸汽加热器中从20加热到加热到80.空气在管内呈湍流流动。蒸汽压力为空气在管内呈湍流流动。蒸汽压力为180kPa。现因生产任务要求空气流量增加。现因生产任务要求空气流量增加20%，而进出口温度不变。试问：应采取什么措施，而进出口温度不变。试问：应采取什么措施才能完成任务？（假设管壁和污垢热阻不计）才能完成任务？（假设管壁和污垢热阻不计）第七十五页，本课件共有94页例例.有一逆流换热器。热流体为空气有一逆流换热器。热流体为空气 1=100W/m2.。冷流体为水（湍流）冷流体为水（湍流）2=2000W/m2.。已知：。已知：t1=20、t2=85、T1=100 、T2=70，管壁及污，管壁及污垢热阻不计、管壁很薄。当水流量增加一倍时，求：垢热阻不计、管壁很薄。当水流量增加一倍时，求：1）水和空气的出口温度？）水和空气的出口温度？2）传热速率是原来的多少倍）传热速率是原来的多少倍？第七十六页，本课件共有94页例例.某气体冷却器某气体冷却器S=20m2。用水将。用水将Wh=1.4kg/s的某气体的某气体由由50 冷却到冷却到35。使用的冷却水的进口温度为。使用的冷却水的进口温度为25，与气体呈逆流。，与气体呈逆流。K=230W/m2.。气体的比热。气体的比热Cph=1.0kJ/kg.。热损失不计。试求：冷却水的用。热损失不计。试求：冷却水的用量及出口温度。量及出口温度。第七十七页，本课件共有94页4-6 辐射传热辐射传热4-6-1基本概念基本概念 一、热辐射和辐射传热一、热辐射和辐射传热热辐射：物体因热的原因而发射辐射能的过程。热辐射：物体因热的原因而发射辐射能的过程。热辐射线波长在热辐射线波长在0.4 m20 m，属可见光、红外线，属可见光、红外线辐射传热：不同物体之间相互热辐射的综合结果。辐射传热：不同物体之间相互热辐射的综合结果。第八十二页，本课件共有94页4-6-1基本概念基本概念 二二.吸吸收收率率、发发射射率率、透透过过率率QQRQAQDA=1黑体黑体R=1白体白体D=1透过体透过体三、灰体三、灰体第八十三页，本课件共有94页4-6-2 物体的辐射能力和有关的定律物体的辐射能力和有关的定律 辐射能力：单位时间、单位面积上发射的所有辐射能力：单位时间、单位面积上发射的所有 波长辐射线的辐射能量，用波长辐射线的辐射能量，用E表示，表示，单位单位W/m2。单色辐射能力：单位时间、单位面积上发射的单色辐射能力：单位时间、单位面积上发射的 特定波长辐射线的辐射能量，特定波长辐射线的辐射能量，用用E表示，单位表示，单位W/m2m。第八十四页，本课件共有94页一、普朗克一、普朗克定律定律4-6-2 物体的辐射能力和有关的定律物体的辐射能力和有关的定律 T一定，有一最大一定，有一最大EbT升高，对应最大升高，对应最大Eb的的减小减小第八十五页，本课件共有94页4-6-2 物体的辐射能力和有关的定律物体的辐射能力和有关的定律 二、斯蒂芬二、斯蒂芬-波尔茨曼定律波尔茨曼定律式中式中黑度：相同温度下，灰体的辐射能力于黑体的辐黑度：相同温度下，灰体的辐射能力于黑体的辐 射能力之比（发射率）。射能力之比（发射率）。第八十六页，本课件共有94页黑度的表达式黑度的表达式灰体的辐射能力灰体的辐射能力4-6-2 物体的辐射能力和有关的定律物体的辐射能力和有关的定律 灰体的黑度（灰体的黑度（）取决于物性、表面状况，一般由实）取决于物性、表面状况，一般由实验测定。验测定。第八十七页，本课件共有94页三、克希霍夫三、克希霍夫(Kirchhoff)定律定律板板1(灰体灰体)能量平衡：能量平衡：E1+（1-A1）Eb=Eb E1,A1,T1Eb,T2E1板板1(灰体灰体)板板2(黑黑体体)EbA1Eb(1-A1)EbT1 T24-6-2 物体的辐射能力和有关的定律物体的辐射能力和有关的定律 克希霍夫克希霍夫(Kirchhoff)定律定律第八十八页，本课件共有94页4-6-3 物体间的辐射传热物体间的辐射传热E2E2R1E2R1R2E2R12R2E2R12R22E1,R1,T1E2,R2,T2E1板板1(1(灰体灰体)板板2(2(灰体灰体)T1 T2E1R2E1R1R2E1R12R22E1R1R22板板1(1(灰体灰体)板板2(2(灰体灰体)E1,R1,T1E2,R2,T2T1 T2第八十九页，本课件共有94页4-6-3两固体间的辐射传热两固体间的辐射传热 第九十页，本课件共有94页4-6-3两固体间的辐射传热两固体间的辐射传热 当一个壁面发出的辐射只有一部分能到达另一个壁当一个壁面发出的辐射只有一部分能到达另一个壁面。引入角系数（几何因素）面。引入角系数（几何因素）。C1-2总辐射系数总辐射系数第九十一页，本课件共有94页Aw，和 C1-2 的计算方法序号序号辐射情况辐射情况面积面积 Aw角系数角系数 总辐射系数总辐射系数 C1-21面积极大相距很近面积极大相距很近的两平行面的两平行面Aw1或或Aw212面积有限且大小相面积有限且大小相等的两平行面等的两平行面Aw113很大的物体很大的物体2包住包住物体物体1Aw114物体物体2恰好包住物恰好包住物体体1，Aw1=Aw2Aw115界于界于3、4两种情况两种情况之间之间Aw11影响辐射传热速率的因素影响辐射传热速率的因素：1）温度水平）温度水平；2）几何位置；）几何位置；3）黑度；）黑度；4）两表面间的介质；）两表面间的介质；第九十二页，本课件共有94页4-6-4对流和辐射的联合传热对流和辐射的联合传热因设备壁面被环境大气所包围，因设备壁面被环境大气所包围，=1对流热损失速率对流热损失速率辐射热损失速率辐射热损失速率 辐射给热系数辐射给热系数第九十三页，本课件共有94页在平壁保温层外：在平壁保温层外：在管道或圆筒壁保温层外：在管道或圆筒壁保温层外：上两式适用于上两式适用于tw150场合。场合。4-6-4对流和辐射的联合传热对流和辐射的联合传热总热损失总热损失 第九十四页，本课件共有94页