第四章传热-第一次课(概述热传导).ppt
第四章第四章 传热传热内容概要：内容概要：热传导的描述与热传导传递速率的计算热传导的描述与热传导传递速率的计算热传导的描述与热传导传递速率的计算热传导的描述与热传导传递速率的计算*对流传热的分析对流传热的分析对流传热的分析对流传热的分析传热的计算传热的计算传热的计算传热的计算*对流传热系数计算的关联式对流传热系数计算的关联式对流传热系数计算的关联式对流传热系数计算的关联式*辐射传热基本概念与辐射传热量计算辐射传热基本概念与辐射传热量计算辐射传热基本概念与辐射传热量计算辐射传热基本概念与辐射传热量计算典型的传热设备典型的传热设备典型的传热设备典型的传热设备*传热的强化途径传热的强化途径传热的强化途径传热的强化途径*第一节第一节 概述概述一、热传递发生的原因一、热传递发生的原因一、热传递发生的原因一、热传递发生的原因 热的传递是由于系统内存在温度差而引起热的传递是由于系统内存在温度差而引起热的传递是由于系统内存在温度差而引起热的传递是由于系统内存在温度差而引起二、热传递的方向二、热传递的方向二、热传递的方向二、热传递的方向热自动地从高温处传到低温处，即热传递的方向指向温度梯热自动地从高温处传到低温处，即热传递的方向指向温度梯热自动地从高温处传到低温处，即热传递的方向指向温度梯热自动地从高温处传到低温处，即热传递的方向指向温度梯度减小的方向度减小的方向度减小的方向度减小的方向 化学反应温度对热传递的需求化学反应温度对热传递的需求化学反应温度对热传递的需求化学反应温度对热传递的需求 单元操作对热传递的需求单元操作对热传递的需求单元操作对热传递的需求单元操作对热传递的需求 设备或管道保温、保冷涉及到热量传递设备或管道保温、保冷涉及到热量传递设备或管道保温、保冷涉及到热量传递设备或管道保温、保冷涉及到热量传递三、化工生产中的热传递三、化工生产中的热传递（1 1 1 1）热传导（导热）热传导（导热）热传导（导热）热传导（导热）相互接触的物体之间或物体各部分之间因存在温度差，相互接触的物体之间或物体各部分之间因存在温度差，借助分子、原子或自由电子等的热运动而引起的热量借助分子、原子或自由电子等的热运动而引起的热量传递。传递。四、传热的基本方式及其机理四、传热的基本方式及其机理四、传热的基本方式及其机理四、传热的基本方式及其机理传热的三种基本方式传热的三种基本方式传热的三种基本方式传热的三种基本方式（2 2）热对流）热对流流体各部分之间发生流体各部分之间发生相对位移相对位移所引起的热传递过程称所引起的热传递过程称为热对流。为热对流。热对流仅发生在热对流仅发生在流体中流体中。强制对流：强制对流：因泵（或风机）或搅拌等外力所导致的对流称为强制对流。因泵（或风机）或搅拌等外力所导致的对流称为强制对流。流流动动的的原原因因不不同同，对对流流传传热热的的规规律律也也不不同同。在在同同一一流流体体中中有有可能同时发生自然对流和强制对流。可能同时发生自然对流和强制对流。热对流的两种方式：热对流的两种方式：热对流的两种方式：热对流的两种方式：自然对流：自然对流：由由于于流流体体各各处处的的温温度度不不同同而而引引起起的的密密度度差差异异，致致使使流流体体产产生相对位移，这种对流称为自然对流。生相对位移，这种对流称为自然对流。（3 3）热辐射）热辐射因热的原因而产生的电磁波在空间的传递，称为热辐射。因热的原因而产生的电磁波在空间的传递，称为热辐射。所所有有物物体体都都能能将将热热以以电电磁磁波波的的形形式式发发射射出出去去，而而不不需需要要任任何何介质。介质。任任何何物物体体只只要要在在绝绝对对零零度度以以上上都都能能发发射射辐辐射射能能，但但是是只只有有在在物体温度较高的时候，热辐射才能成为主要的传热形式。物体温度较高的时候，热辐射才能成为主要的传热形式。冷热流体被固体壁面所隔开。热流体将热量传给固体壁冷热流体被固体壁面所隔开。热流体将热量传给固体壁冷热流体被固体壁面所隔开。热流体将热量传给固体壁冷热流体被固体壁面所隔开。热流体将热量传给固体壁面，再由固体壁面将热量传给冷流体。面，再由固体壁面将热量传给冷流体。面，再由固体壁面将热量传给冷流体。面，再由固体壁面将热量传给冷流体。夹套式换热器、蛇管换热器、套管换热器、列管换热器夹套式换热器、蛇管换热器、套管换热器、列管换热器夹套式换热器、蛇管换热器、套管换热器、列管换热器夹套式换热器、蛇管换热器、套管换热器、列管换热器五、冷热流体热量传递方式及传热设备五、冷热流体热量传递方式及传热设备1 1 1 1、间壁式传热、间壁式传热、间壁式传热、间壁式传热冷热流体直接接触传热冷热流体直接接触传热2 2 2 2、混合式传热、混合式传热、混合式传热、混合式传热冷热流体交替通过蓄热器，利用蓄热器内的蓄热元件来冷热流体交替通过蓄热器，利用蓄热器内的蓄热元件来积蓄和释放热量达到换热目的。积蓄和释放热量达到换热目的。3 3 3 3、蓄热式传热、蓄热式传热、蓄热式传热、蓄热式传热温温度度场场(temperature temperature fieldfield)：某某一一瞬瞬间间空空间间中中各各点点的的温度分布，称为温度场温度分布，称为温度场(temperature field)temperature field)。物体的温度分布是空间坐标和时间的函数，即物体的温度分布是空间坐标和时间的函数，即 t=f(xt=f(x，y y，z z，)第二节第二节 热传导热传导一、傅立叶定律一、傅立叶定律1 1 温度场和温度梯度温度场和温度梯度一维温度场一维温度场：若温度场中温度只沿着一个坐标方向变化。若温度场中温度只沿着一个坐标方向变化。不稳定温度场：不稳定温度场：温度场内各点温度随时间而改变。温度场内各点温度随时间而改变。稳定温度场：稳定温度场：若温度不随时间而改变。若温度不随时间而改变。一维温度场的温度分布表达式为：一维温度场的温度分布表达式为：一维温度场的温度分布表达式为：一维温度场的温度分布表达式为：t=f(x,)t=f(x,)t=f(x,)t=f(x,)温度场中同一时刻相同温度各点组成的面称为温度场中同一时刻相同温度各点组成的面称为等温面等温面。对对于于一一维维温温度度场场，等等温温面面x x及及(x+xx+x)的的温温度度分分别别为为t t(x,x,)及及t t(x+x,x+x,)，则两等温面之间的平均温度变化率为：则两等温面之间的平均温度变化率为：一维温度场的一维温度场的温度梯度温度梯度:温度梯度的正方向指向温度增加的方向。温度梯度的正方向指向温度增加的方向。傅立叶定律傅立叶定律是热传导的基本定律是热传导的基本定律：单位时间内传导的热量与温：单位时间内传导的热量与温度梯度及垂直于热流方向的截面积成正比，即度梯度及垂直于热流方向的截面积成正比，即导热系数表征物质导热能力的大小，是物质的物理性质之一。导热系数表征物质导热能力的大小，是物质的物理性质之一。式中式中 Q单位时间传导的热量，简称传热速率，单位时间传导的热量，简称传热速率，w A导热面积，即垂直于热流方向的表面积，导热面积，即垂直于热流方向的表面积，m2 导热系数导热系数(thermal conductivitythermal conductivity)，w/m.kw/m.k。2 2 傅立叶定律傅立叶定律导热系数导热系数导热系数导热系数越大越大越大越大，表明物质的导热性能，表明物质的导热性能，表明物质的导热性能，表明物质的导热性能越好越好越好越好。导热系数的大小与物质的导热系数的大小与物质的导热系数的大小与物质的导热系数的大小与物质的组成、结构、密度组成、结构、密度组成、结构、密度组成、结构、密度有关；还与有关；还与有关；还与有关；还与温温温温度、压力度、压力度、压力度、压力有关。有关。有关。有关。导热系数多由实验测定。导热系数多由实验测定。导热系数多由实验测定。导热系数多由实验测定。3 3 导热系数导热系数定义式定义式在所有固体中，在所有固体中，在所有固体中，在所有固体中，金属金属金属金属的导热性最好。的导热性最好。的导热性最好。的导热性最好。n n纯度对金属导热系数影响很大，纯度高则导热系数大。纯度对金属导热系数影响很大，纯度高则导热系数大。纯度对金属导热系数影响很大，纯度高则导热系数大。纯度对金属导热系数影响很大，纯度高则导热系数大。n n一般来说，温度升高将导致纯金属导热系数降低；导致一般来说，温度升高将导致纯金属导热系数降低；导致一般来说，温度升高将导致纯金属导热系数降低；导致一般来说，温度升高将导致纯金属导热系数降低；导致非金属固体导热系数升高非金属固体导热系数升高非金属固体导热系数升高非金属固体导热系数升高 。n n密度增大，非金属固体导热系数随之增大。密度增大，非金属固体导热系数随之增大。密度增大，非金属固体导热系数随之增大。密度增大，非金属固体导热系数随之增大。（1 1）固体的导热系数）固体的导热系数金属液体金属液体金属液体金属液体的导热性通常比的导热性通常比的导热性通常比的导热性通常比非金属液体非金属液体非金属液体非金属液体的导热性好。的导热性好。的导热性好。的导热性好。n n大多数金属液体的导热系数随温度升高而降低。大多数金属液体的导热系数随温度升高而降低。大多数金属液体的导热系数随温度升高而降低。大多数金属液体的导热系数随温度升高而降低。（2 2）液体的导热系数）液体的导热系数n n非金属液体中，非金属液体中，非金属液体中，非金属液体中，水水水水的导热系数最大。的导热系数最大。的导热系数最大。的导热系数最大。n n除水和甘油外，除水和甘油外，除水和甘油外，除水和甘油外，其它非金属液体其它非金属液体其它非金属液体其它非金属液体导热系数随温度升高导热系数随温度升高导热系数随温度升高导热系数随温度升高而略有降低。而略有降低。而略有降低。而略有降低。n n纯度高则导热系数大。纯度高则导热系数大。纯度高则导热系数大。纯度高则导热系数大。（2 2）液体的导热系数）液体的导热系数n n气体气体气体气体的导热系数随温度的导热系数随温度的导热系数随温度的导热系数随温度升高升高升高升高而而而而增大增大增大增大。n n压力对气体导热系数影响很小。压力对气体导热系数影响很小。压力对气体导热系数影响很小。压力对气体导热系数影响很小。n n气体的导热系数很小，利于保温。气体的导热系数很小，利于保温。气体的导热系数很小，利于保温。气体的导热系数很小，利于保温。（3 3 3 3）气体的导热系数）气体的导热系数）气体的导热系数）气体的导热系数如图所示：如图所示：bt1t2Qtt1t2obx平壁壁厚为平壁壁厚为b b，壁面积为壁面积为A A；壁壁的的材材质质均均匀匀，导导热热系系数数不不随温度变化，视为常数；随温度变化，视为常数；平平壁壁的的温温度度只只沿沿着着垂垂直直于于壁壁面面的的x x轴轴方方向向变变化化，故故等等温温面面皆皆为为垂垂直于直于x x轴的平行平面。轴的平行平面。平壁侧面的温度平壁侧面的温度t t1 1及及t t2 2恒定。恒定。二、平壁的稳态热传导二、平壁的稳态热传导1 1、单层平壁的热传导、单层平壁的热传导 式式中中t=tt=t1 1-t-t2 2为为导导热热的的推推动动力力(driving driving forceforce)，而而R=b/R=b/A A 则为导热的热阻则为导热的热阻(thermal resistancethermal resistance)。根据傅立叶定律根据傅立叶定律 积分边界条件：当积分边界条件：当x x=0=0时，时，t=tt=t1 1；x=bx=b时，时，t=tt=t2 2，2 2 2 2 多层平壁多层平壁多层平壁多层平壁设各平壁稳定导热，通过各层热量相等。即：设各平壁稳定导热，通过各层热量相等。即：设各平壁稳定导热，通过各层热量相等。即：设各平壁稳定导热，通过各层热量相等。即：n n多层平壁的热阻为多层平壁的热阻为多层平壁的热阻为多层平壁的热阻为各层热阻之和各层热阻之和各层热阻之和各层热阻之和,总传热推动力为各层总传热推动力为各层总传热推动力为各层总传热推动力为各层推动力之和。推动力之和。推动力之和。推动力之和。例例：某某冷冷库库外外壁壁内内、外外层层砖砖壁壁厚厚均均为为1212cmcm，中中间间夹夹层层厚厚1010cmcm，填填以以绝绝缘缘材材料料。砖砖墙墙的的热热导导率率为为0.700.70w/mw/mk k，绝绝缘缘材材料料的的热热导导率率为为0.040.04w/mw/mk k，墙墙外外表表面面温温度度为为1010 ，内内表表面面为为-5-5 ，试试计计算算进进入入冷冷库库的的热热流流密密度度及及绝绝缘缘材材料料与与砖砖墙墙的的两两接接触触面面上上的的温温度。度。解解：根根据据题题意意，已已知知t t1 1=10=10 ，t t4 4=-5=-5 ，b b1 1=b=b3 3=0.12m=0.12m，b2=0.10mb2=0.10m，1 1=3 3=0.70w/m0.70w/mk k，2 2=0.04w/m0.04w/mk k。按热流密度公式计算按热流密度公式计算q q：按温度差分配计算按温度差分配计算t2、t3
