第四章热量传递基础精选文档.ppt

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1、第四章热量传递基础本讲稿第一页，共三十六页第四章第四章热量传递基础热量传递基础4.1概述概述本讲稿第二页，共三十六页4.2 热传导热传导4.2.1 傅立叶定律傅立叶定律一、基本概念一、基本概念 本讲稿第三页，共三十六页负号表示负号表示q q与温度梯度方向相反与温度梯度方向相反称为导热系数称为导热系数,单位为单位为W/(mK)4.2.1 傅立叶定律傅立叶定律物性之一：物性之一：与物质种类、热力学状态（与物质种类、热力学状态（T T、P P）有关）有关物理含义：物理含义：代表单位温度梯度下的热通量大小，代表单位温度梯度下的热通量大小，故物质的故物质的 越大，导热性能越好。越大，导热性能越好。一般地

2、一般地，导电固体导电固体 非导电固体非导电固体，液体液体 气体气体 T T ，气体气体，水水，其它液体的，其它液体的 。二、傅立叶定律二、傅立叶定律 本讲稿第四页，共三十六页4.2.2 导热微分方程导热微分方程本讲稿第五页，共三十六页即4.2.2 导热微分方程导热微分方程本讲稿第六页，共三十六页若若 为常数，则：为常数，则：定解条件：定解条件：4.2.2 导热微分方程导热微分方程本讲稿第七页，共三十六页由以上方程和边界条件、初始条件可数值求解温度场。由以上方程和边界条件、初始条件可数值求解温度场。但是，下面我们将重新从热量衡算出发求解但是，下面我们将重新从热量衡算出发求解一维稳态一维稳态导热问

3、导热问题。题。*4.2.3一维稳态导热一维稳态导热一维稳态时一维稳态时 本讲稿第八页，共三十六页一、无限大一、无限大单层平壁单层平壁一维稳态导热（无内热源）一维稳态导热（无内热源）-可见温度分布为直线可见温度分布为直线若若 为常数，则：为常数，则：*4.2.3一维稳态导热一维稳态导热-薄壳衡算法薄壳衡算法本讲稿第九页，共三十六页二、无限大二、无限大多层平壁多层平壁一维稳态导热（无内热源）一维稳态导热（无内热源）*4.2.3一维稳态导热一维稳态导热-薄壳衡算法薄壳衡算法本讲稿第十页，共三十六页思思考考1：若若上上述述平平壁壁的的右右侧侧与与环环境境进进行行对对流流传传热热，设设环环境境温温度为度

4、为t0、对流传热系数为、对流传热系数为，则传热量表达式如何？，则传热量表达式如何？*4.2.3一维稳态导热一维稳态导热-薄壳衡算法薄壳衡算法本讲稿第十一页，共三十六页三、无限长三、无限长单层圆筒壁单层圆筒壁一维稳态导热（无内热源）一维稳态导热（无内热源）若为常数，则：-可见温度分布可见温度分布为对数关系为对数关系*4.2.3一维稳态导热一维稳态导热-薄壳衡算法薄壳衡算法本讲稿第十二页，共三十六页*4.2.3一维稳态导热一维稳态导热-薄壳衡算法薄壳衡算法本讲稿第十三页，共三十六页 Q=常数，但常数，但 q 常数常数四、无限长四、无限长多层圆筒壁多层圆筒壁一维稳态导热（无内热源）一维稳态导热（无内

5、热源）*4.2.3一维稳态导热一维稳态导热-薄壳衡算法薄壳衡算法本讲稿第十四页，共三十六页*4.2.3一维稳态导热一维稳态导热-薄壳衡算法薄壳衡算法思考：思考：保温层越厚，保温效果越好吗？保温层越厚，保温效果越好吗？本讲稿第十五页，共三十六页*4.2.3一维稳态导热一维稳态导热-薄壳衡算法薄壳衡算法五、保温层的临界厚度五、保温层的临界厚度本讲稿第十六页，共三十六页影响因素影响因素：接触材料的种类及硬度，接触材料的种类及硬度，接触面的粗糙程度，接触面的粗糙程度，接触面的压紧力，接触面的压紧力，空隙内的流体性质。空隙内的流体性质。接触热阻一般通过实验测接触热阻一般通过实验测定或凭经验估计定或凭经验

6、估计*4.2.3一维稳态导热一维稳态导热-薄壳衡算法薄壳衡算法六、接触热阻六、接触热阻本讲稿第十七页，共三十六页4.3对流传热对流传热4.3.1理论分析法求理论分析法求 4.3.2实验方法求实验方法求 4.3.3类比法求类比法求 对流传热系数小结对流传热系数小结 的数量级的数量级幻灯片2目录本讲稿第十八页，共三十六页4.3对流传热对流传热什么是对流传热？什么是对流传热？流动的流体与外界的传热流动的流体与外界的传热静止流体与外界的传热静止流体与外界的传热强制对流自然对流对流传热系数，W/m2K边界层是对流传热边界层是对流传热的主要热阻所在。的主要热阻所在。ttwQ本讲稿第十九页，共三十六页 的获

7、得主要有四种方法：的获得主要有四种方法：4.3对流传热对流传热1理论分析法理论分析法：2实验方法实验方法*：3类比方法类比方法：用因次分析法、再结合实验，建立经验关系式。用因次分析法、再结合实验，建立经验关系式。把理论上比较成熟的动量传递的研究成果类比到把理论上比较成熟的动量传递的研究成果类比到热量热量传递过程。传递过程。4.数值法数值法建立理论方程式，用数学分析的方法求出建立理论方程式，用数学分析的方法求出 的精确解或数的精确解或数值解。这种方法目前只适用于一些几何条件简单的几个传值解。这种方法目前只适用于一些几何条件简单的几个传热过程，如管内层流、平板上层流等。热过程，如管内层流、平板上层

8、流等。本讲稿第二十页，共三十六页连续性方程和连续性方程和N-S方程，得到速度场方程，得到速度场壁面处的速度梯度壁面处的速度梯度壁面力壁面力4.3.1 理论分析法求理论分析法求 回忆：回忆：第一章范宁因子第一章范宁因子f 的理论求解过程：的理论求解过程：本讲稿第二十一页，共三十六页引入：阻力系数（又称范宁因子）引入：摩擦因数1圆管内的稳定层流圆管内的稳定层流本讲稿第二十二页，共三十六页 的理论求解过程为：的理论求解过程为：边界层是对流传热的边界层是对流传热的主要热阻所在。主要热阻所在。4.3.1 理论分析法求理论分析法求 本讲稿第二十三页，共三十六页影响影响 的因素主要有：的因素主要有：1.引起

9、流动的原因引起流动的原因：自然对流和强制对流：自然对流和强制对流2.流动型态流动型态：层流或湍流：层流或湍流 3.流体的性质流体的性质：、cp、等等 4.传热面的形状、大小、位置传热面的形状、大小、位置：如圆管与平板、垂直与水平、：如圆管与平板、垂直与水平、管内与管外等管内与管外等 5.有相变与无相变有相变与无相变：cp或汽化潜热或汽化潜热r4.3.2 实验方法求实验方法求 因次分析法：因次分析法：本讲稿第二十四页，共三十六页-格垃霍夫准数格垃霍夫准数Gr是雷诺数的一种是雷诺数的一种变形，表征自然对流时的变形，表征自然对流时的“雷诺数雷诺数”无因次数群：无因次数群：-努塞特准数，表示导热热阻与

10、对流热阻之比努塞特准数，表示导热热阻与对流热阻之比4.3.2 实验方法求实验方法求 -普普 兰兰 特特 准准 数数，反反 映映 物物 性性 的的 影影 响响。一般，气体的一般，气体的Pr1-导导温系数温系数(See also P192)本讲稿第二十五页，共三十六页故故4.3.2 实验方法求实验方法求 本讲稿第二十六页，共三十六页对流传热系数经验式对流传热系数经验式:（一）（一）无相变时无相变时当当Gr25000，需考虑自然对流对传热的影响，需乘上一个大于，需考虑自然对流对传热的影响，需乘上一个大于1的校的校正系数：正系数：4.3.2 实验方法求实验方法求 1、管内层流时、管内层流时 Nu=1.

11、86ReNu=1.86Re1/31/3PrPr1/31/3(d/l)(d/l)1/31/3（/w w）0.140.14见见 教材教材P198页式（页式（4-78）使用范围为：使用范围为：管子的进口段，管子的进口段，恒壁温、恒壁温、Re2300、0.48Pr16700，Gr25000（自然对流影响可以忽略），（自然对流影响可以忽略），温差（壁温与流体主体温度之差）不大。温差（壁温与流体主体温度之差）不大。本讲稿第二十七页，共三十六页（书（书P195式式4-73）（一）（一）无相变时无相变时本讲稿第二十八页，共三十六页Why？因为：管内未充分因为：管内未充分发展，层流底层较发展，层流底层较薄，热阻

12、较小。薄，热阻较小。若使用条件不满足上述条件时，需修正：若使用条件不满足上述条件时，需修正：（1）对于短管，）对于短管，L/d60乘上一个大于乘上一个大于1的校正系数：用式（的校正系数：用式（4-75）（2）当壁面与流体主体温差较大时）当壁面与流体主体温差较大时:Nu=0.027Re0.8Pr1/3（/w）0.14教材式教材式4-74（3）非圆形管的强制湍流：）非圆形管的强制湍流：上式仍可使用，但需将上式仍可使用，但需将d换成换成de（4）弯管内：）弯管内：乘上一个大于乘上一个大于1的校正系数：的校正系数：=1+1.77=1+1.77（d/R)d/R)式式4-80（一）（一）无相变时无相变时本

13、讲稿第二十九页，共三十六页（3）流体在管壳间的对流传热：式）流体在管壳间的对流传热：式484IIIIII3、管外的强制对流传热、管外的强制对流传热（1）流体横向流过单管传热：见图）流体横向流过单管传热：见图423 （2 2）流体横向流经管束（管簇）的传热：式）流体横向流经管束（管簇）的传热：式482，83（一）（一）无相变时无相变时本讲稿第三十页，共三十六页C、n为经验常数。为经验常数。4 4、自然对流、自然对流（一）（一）无相变时无相变时 式式4-87a本讲稿第三十一页，共三十六页4.3.2 实验方法求实验方法求 竖直壁面：竖直壁面：层流：层流：湍流：湍流：水平圆管外：水平圆管外：层流：层流

14、：1 1、冷凝传热、冷凝传热 P207式式4-89P208式式4-95P208式式4-96本讲稿第三十二页，共三十六页水平管束：水平管束：膜状冷凝传热的强化膜状冷凝传热的强化：v减薄冷凝液液膜厚度减薄冷凝液液膜厚度；v选择正确的蒸汽流动方向；选择正确的蒸汽流动方向；v在传热面上垂直方向上刻槽或安装若干条金属丝等。在传热面上垂直方向上刻槽或安装若干条金属丝等。第一排的第一排的 与单管相似，与单管相似，第二排的第二排的 比第一排小，比第一排小，第三排的第三排的 比第二排小，比第二排小，若干排后，若干排后，基本上不变。基本上不变。平均平均 比单排的小。比单排的小。（二）有相变时（二）有相变时 本讲稿第三十三页，共三十六页产产生生沸沸腾腾现现象象的的必必要要条条件件：液液体体过过热热、有汽化核心有汽化核心沸腾曲线沸腾曲线2、大容积沸腾传热、大容积沸腾传热核状沸腾传热系数的主要影响因素有：核状沸腾传热系数的主要影响因素有：表面粗糙度、汽化核心、温差表面粗糙度、汽化核心、温差（二）有相变时（二）有相变时 本讲稿第三十四页，共三十六页对流传热系数小结对流传热系数小结本讲稿第三十五页，共三十六页 的量级的量级空气中空气中水中水中总之：总之：油类中油类中本讲稿第三十六页，共三十六页