第5章 第1,2节传热 (2).ppt

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1、第五章 传热学第一节 概述主要学习内容：（1）传热基本方式及其特点：传导、对流、辐射）传热基本方式及其特点：传导、对流、辐射（2）冷热流体的热交换方式：直接接触式、蓄热）冷热流体的热交换方式：直接接触式、蓄热器式和间壁式热交换器式和间壁式热交换（3）载热体的选择）载热体的选择学习重点：（1）冷热流体的热交换方式及其特点与常用应用）冷热流体的热交换方式及其特点与常用应用范围范围l传热是由于传热是由于温度差温度差引起的热量转移。引起的热量转移。l热量传递是自然界最普遍的现象。凡热量传递是自然界最普遍的现象。凡有温差存在的地方，热量总是自发地由有温差存在的地方，热量总是自发地由高温向低温传递。高温向

2、低温传递。l传热在材料生产中占相当重要的地位。传热在材料生产中占相当重要的地位。仅其设备投资就占全部设备投资的仅其设备投资就占全部设备投资的30%40%。生产过程传热操作通常有两种情况：一种是强化传热过程，如各种换热设备中的传热；另一是削弱传热过程，如对设备和管道的保温（冬天防寒衣）、保冷（夏天冰箱），以减少热损失。一一 传热的基本方式传热的基本方式传热可依靠其中的一种方式或几种方式同时进行，净的热流方向总是从高温处向低温处流动。1.热传导（又称导热）特点：在传热方向上物系内部无相对位移。机理：靠分子、原子和自由电子等微观粒子热运动热运动而进行的热量传递：（1）金属（优良导电热体）：靠自由电子

3、运动；（2）不良导体（固）和大多数液体：靠晶格振动（原子、分子在其平衡位置附近的振动、碰撞等）；（3）气体：靠分子的不规则运动和碰撞。对于纯热传导过程，它仅是静止物质内的一种传热方式，没有物质的宏观位移。一般在固体、静止或滞流流体中进行而不能在真空中进行。2.热对流流体各部分之间发生相对位移所引起的热传递过程称为热对流。（1）自然对流自然对流：因流体中各处的温度不同而引起密温度不同而引起密度的差异度的差异，使轻者上浮，重者下沉，流体质点产生相对位移，这种对流称为自然对流。（2）强制对流强制对流：因泵或搅拌等外力所致的质点强制流动,这种对流称为强制对流。（3）对流对流换换热热：生产中大量遇到的问

4、题是流体与间壁表面之间的传热。这种由导热和对流两种传热方式共同参与的传热称对流传热。即：对流换热=导热+对流3.热辐射因热的原因而产生的电磁波在空间的传递，称为因热的原因而产生的电磁波在空间的传递，称为热辐射。热辐射。所有物体（包括固体、液体和气体）只要在热力所有物体（包括固体、液体和气体）只要在热力学温度零度以上，学温度零度以上，都能发射辐射能，但是只有在物都能发射辐射能，但是只有在物体温度较高时，热辐射才能成为主要的传热方式。体温度较高时，热辐射才能成为主要的传热方式。辐射传热的特点是：辐射传热的特点是：（1）热辐射线可以在真空热辐射线可以在真空中传播中传播,无需任何介质无需任何介质,这是

5、热辐射与对流和传导的这是热辐射与对流和传导的主要不同点。（主要不同点。（2）不仅有能量的传递，而且还有）不仅有能量的传递，而且还有能能量形式的转换量形式的转换。二 传热过程中冷热流体热交换方式 工业上的传热设备按冷、热两股流体间的热工业上的传热设备按冷、热两股流体间的热交换方式，设备可分为三类：交换方式，设备可分为三类：1.直接接触式直接接触式换热和混合式换热器换热和混合式换热器热、冷流体直接混合进行热交换传热过程，热、冷流体直接混合进行热交换传热过程，称为直接接触式换热称为直接接触式换热。所采用的设备称为混合式。所采用的设备称为混合式换热器。换热器。直接接触式换热的特点：直接接触式换热的特点

6、：（1）传热效果好，设备结构简单；传热效果好，设备结构简单；（2）在进行传热的同时）在进行传热的同时，伴有传质过程。，伴有传质过程。2.蓄热式换热和蓄热器蓄热式换热是在蓄热器中实现热交换的一种蓄热式换热是在蓄热器中实现热交换的一种换热方式。蓄热器内装有固体填充物，热、冷流换热方式。蓄热器内装有固体填充物，热、冷流体交替地流过蓄热器，利用固体填充物来积蓄和体交替地流过蓄热器，利用固体填充物来积蓄和释放能量而达到换热的目的。释放能量而达到换热的目的。成对使用，成对使用，难避免难避免两流体的混合两流体的混合。一般说来，这种传热方式只适用于气体介质：一般说来，这种传热方式只适用于气体介质：（1）对于液

7、体会有一层液膜粘附在固体表）对于液体会有一层液膜粘附在固体表面上，从而造成冷热流体之间的少量掺混；面上，从而造成冷热流体之间的少量掺混；（2）气体的体积比热容较填充物小得多，）气体的体积比热容较填充物小得多，液体则不然。液体则不然。3.间壁式换热和间壁式换热器（1）间壁式传热过程工业上应用最多的是间壁式传热过程。如图工业上应用最多的是间壁式传热过程。如图4-3所示，热、冷流体通过间壁传递热量的过程包括三所示，热、冷流体通过间壁传递热量的过程包括三个步骤：个步骤：热流体给热于管壁内侧；热流体给热于管壁内侧；热量自管壁内侧传导至管壁外侧；热量自管壁内侧传导至管壁外侧；管壁外侧给热于冷流体。管壁外侧

8、给热于冷流体。1）传热（或换热）过程传热（或换热）过程：在冷、热流体之间进行的：在冷、热流体之间进行的热量传递总过程通常称为传热（或换热）过程热量传递总过程通常称为传热（或换热）过程；2）对流传热过程对流传热过程：将流体与壁面之间的热量传递过：将流体与壁面之间的热量传递过程称为程称为对流传热对流传热过程过程。种类套管式换热器列管式（单管程单壳程）列管式（双壳程）列管式（双管程）示意图 注释由直径不同的两根管子同心套在一起组成。当流体在管束内（间）流动的距离2个换热器列管长度时，称相应的换热器为多管程（壳程）换热器。（2）典型的间壁式换热器）典型的间壁式换热器4.载热体及其选择载热体的定义：物料

9、在换热器内被加热物料在换热器内被加热或冷却时，通常需要用另一种流体供给或或冷却时，通常需要用另一种流体供给或取走热量，此种流体称为载热体。取走热量，此种流体称为载热体。其中起加热作用的载热体称为其中起加热作用的载热体称为加热剂加热剂（或加热介质）；起冷却（或冷凝）作用（或加热介质）；起冷却（或冷凝）作用的载热体称为的载热体称为冷却剂冷却剂（或冷却介质）。（或冷却介质）。为了提高传热过程的经济效益，必须为了提高传热过程的经济效益，必须选择适当温位的载热体。选择适当温位的载热体。工业上常用的加热剂和冷却剂所适用的温度范围如表4-1和表4-2所示。若所需的加热温度很高，则需采用电加热。学习主要内容：

10、（1）基本概念（温度场，温度梯度）和傅立叶）基本概念（温度场，温度梯度）和傅立叶定律定律（2）导热系数，包括导热系数的定义，固体、导热系数，包括导热系数的定义，固体、液体、气体的导热系数介绍液体、气体的导热系数介绍（3）平壁的热传导计算平壁的热传导计算单层平壁的热传导计算单层平壁的热传导计算多层平壁的热传导计算多层平壁的热传导计算（4）圆筒的热传导计算）圆筒的热传导计算重点：平壁和圆筒的热传导计算部分平壁和圆筒的热传导计算部分第二节 热传导l一、基本概念和傅立叶定律l1.温度场与温度梯度温度场与温度梯度l物体或系统内各点间的温度差存在是产生热物体或系统内各点间的温度差存在是产生热传导的必要条件

11、。由热传导方式引起的传热速传导的必要条件。由热传导方式引起的传热速率（称为导热速率）决定于物体内温度的分布率（称为导热速率）决定于物体内温度的分布情况。情况。l（1）温度场温度场：任一瞬间物体或系统内各点的：任一瞬间物体或系统内各点的温度分布总和。温度场的数学表式为温度分布总和。温度场的数学表式为ltf（x，y，z，）稳定温度场稳定温度场不稳定温度场不稳定温度场一维稳定温度场一维稳定温度场t仅沿一个坐标方向发生变化。仅沿一个坐标方向发生变化。等温面：温度场中同一时刻下相同温度等温面：温度场中同一时刻下相同温度各点所组成的面，彼此不相交各点所组成的面，彼此不相交。（同一。（同一瞬间内空间任一点不

12、可能同时有二个不瞬间内空间任一点不可能同时有二个不同的温度值）。同的温度值）。（2 2）温度梯度）温度梯度 通常，将温度为通常，将温度为 （t+tt+t）与）与t t两相邻等温面两相邻等温面之间的温度差之间的温度差tt，与两面间的垂直距离与两面间的垂直距离nn之比之比值的极限称为温度梯度。温度梯度的数学定义式值的极限称为温度梯度。温度梯度的数学定义式为为对于一维稳定温度场2.傅立叶（Fourier）定律1822年，法国数学家年，法国数学家Fourier对导热数据和实践对导热数据和实践经验的提炼，将导热规律总结为傅立叶定律。即经验的提炼，将导热规律总结为傅立叶定律。即通通过等温面的导热速率与温度

13、梯度及传热面积成正比过等温面的导热速率与温度梯度及传热面积成正比：式中式中Q导热速率，即单位时间传导的热导热速率，即单位时间传导的热,其方其方向与温度梯度的方向相反，向与温度梯度的方向相反，W；S等温表面的面积，等温表面的面积，m2；比例系数，称为导热系数，比例系数，称为导热系数，W/(moC）。）。二、导热系数导热系数在导热系数在数值上等于单位温度梯度下的热数值上等于单位温度梯度下的热通量通量。其的定义式为。其的定义式为它表征物质导热能力的大小，它表征物质导热能力的大小，是物质的物理是物质的物理性质之一性质之一，通常用实验方法测定。，通常用实验方法测定。各类物质的导各类物质的导热系数大致范围

14、见表热系数大致范围见表4-3。1.固体的导热系数对大多数固体，对大多数固体，值与温度大致成线性关系，值与温度大致成线性关系，即即固体在固体在toC时的导热系数，时的导热系数，W/(moC)；0固体在固体在0oC时的导热系数，时的导热系数，W/(moC)；a常数，又称温度系数，常数，又称温度系数，l/oC。对。对大多数金属材大多数金属材料，料，a为负值；对大多数非金属材料，为负值；对大多数非金属材料，a为正值。为正值。2.液体的导热系数液体可分为金属液体和非金属液体。液体可分为金属液体和非金属液体。液态金属的导热系数比一般液体的要高。液态金属的导热系数比一般液体的要高。大多数液态金属的导热系数随

15、温度升高而降大多数液态金属的导热系数随温度升高而降低。低。在非金属液体中，水的导热系数最大。在非金属液体中，水的导热系数最大。除水和甘油外，液体的导热系数随温度升高除水和甘油外，液体的导热系数随温度升高略有减小。一般说来，纯液体的导热系数比略有减小。一般说来，纯液体的导热系数比其溶液的要大。其溶液的要大。3.气体的导热系数气体的导热系数随温度升高而增大。气体的导热系数随温度升高而增大。在相当大的压强范围内，气体的导热系数在相当大的压强范围内，气体的导热系数随压强的变化可以忽略不计。只有在过高随压强的变化可以忽略不计。只有在过高或过低的压强（高于或过低的压强（高于2105kPa或低于或低于3kP

16、a）下才考虑压强的影响，此时随压强下才考虑压强的影响，此时随压强增高导热系数增大。增高导热系数增大。气体的导热系数很小，对导热不利；气体的导热系数很小，对导热不利；但是有利于保温、绝热。但是有利于保温、绝热。举例举例：建筑节能材料中多孔材料的应：建筑节能材料中多孔材料的应用用三、平壁的热传导1.单层平壁的热传导单层平壁的热传导，如单层平壁的热传导，如图图4-8所示。所示。定定态的一维平态的一维平壁热传导，壁热传导，导热速率导热速率Q和传和传热面积热面积S都为常量，都为常量，式式45可可简化为简化为积分得注意：（1）上式适用于）上式适用于为常数的定态热传导过程。实际为常数的定态热传导过程。实际上

17、，物体内不同位置上的温度并不相同，因而导热上，物体内不同位置上的温度并不相同，因而导热系数也随之而异。热传导计算中，一般都采用平均系数也随之而异。热传导计算中，一般都采用平均导热系数。导热系数。（2）上式表明导热速率与导热推动力成正比，与）上式表明导热速率与导热推动力成正比，与导热热阻成反比；导热热阻成反比；导热距离愈大，传热面积和导热导热距离愈大，传热面积和导热系数愈小，则导热热阻愈大。系数愈小，则导热热阻愈大。导热热阻导热热阻Rb/(S),RS),R=b/（3）利用某一段的热阻与该段的温度差成正比的）利用某一段的热阻与该段的温度差成正比的关系计算界面温度或物体内温度分布。或从温度分关系计算

18、界面温度或物体内温度分布。或从温度分布判断各部分热阻大小。布判断各部分热阻大小。例例某平壁厚度为某平壁厚度为0.37m，内表面温度内表面温度t1为为1650，外表面温度外表面温度t2为为300，平壁材平壁材料导热系数料导热系数=0.8150.00076t（t的单位的单位为为，的单位为的单位为w/(m)）。若将导热）。若将导热系数分别按常量（取平均导热系数）和变系数分别按常量（取平均导热系数）和变量计算时，试求平壁的温度分布关系式和量计算时，试求平壁的温度分布关系式和导热热通量。导热热通量。解：（解：（1）导热系数按照常量计算导热系数按照常量计算tm=(t1+t2)/2=975平壁材料的平均导热

19、系数平壁材料的平均导热系数m=0.815+0.00076975=1.556W/(m.)导热热通量导热热通量q=m(t1-t2)/b=5677（W/m2）设壁厚为设壁厚为x（距离内表面）处的温度为（距离内表面）处的温度为t，则则q=m(t1-t)/x因此，因此，t=t1-qx/m,即即t=1650-3649xl(2)导热系数按照变量计算导热系数按照变量计算q=-dt/dx=-(0+at)dt/dx =-(0.815+0.00076t)dt/dx也就是也就是qdx=-(0.815+0.00076t)dt积分得积分得:-qb=0.815(t2-t1)+0.00076(t22-t12)/2解得解得q=

20、5677W/m2当当b=x时时,t2=t,因此因此,-5677x=0.815(t-1650)+0.00076(t2-16502)/2整理上式并解之整理上式并解之,得得t=-1072+(7.41106-1.49107x)0.5由这个例子可知由这个例子可知,导热系数按照均量和变量进行计导热系数按照均量和变量进行计算时，算时，所得得热通量相同，但是温度分布方程式不同，所得得热通量相同，但是温度分布方程式不同，前者为直线前者为直线,后者为曲线。后者为曲线。2.2.多层平壁的热传导多层平壁的热传导以三层平壁为例，如图以三层平壁为例，如图4-9所示。所示。在定态导热时，通在定态导热时，通过各层的导热速率必

21、相等，过各层的导热速率必相等，即即Q1=Q2=Q3=Q对对n层平壁，热传导速率方程为层平壁，热传导速率方程为可见，多层平壁热传导的总推可见，多层平壁热传导的总推动力为各层温度差之和，即总温动力为各层温度差之和，即总温度差，总热阻为各层热阻之和。度差，总热阻为各层热阻之和。注意：实际上，不同材料构成的实际上，不同材料构成的接触面之间可能出现明显的温度接触面之间可能出现明显的温度降低。这种温度变化是由于表面降低。这种温度变化是由于表面粗糙不平产生粗糙不平产生接触热阻接触热阻的缘故。的缘故。接触热阻的影响如图接触热阻的影响如图4-10所示所示。例例燃烧炉的平壁由三种材料构成。燃烧炉的平壁由三种材料构

22、成。最内层为耐火砖，厚度为最内层为耐火砖，厚度为150mm，中中间层为绝热砖，厚度为间层为绝热砖，厚度为290mm，最外最外层为普通砖，厚度为层为普通砖，厚度为228mm。已知炉已知炉内、外壁表面温度分别为内、外壁表面温度分别为1016oC和和34oC，试求耐火砖和绝热砖间以及绝试求耐火砖和绝热砖间以及绝热砖和普通砖间界面的温度。假设各热砖和普通砖间界面的温度。假设各层接触良好。层接触良好。l解：本题的关键是找到各种材料在相应温度本题的关键是找到各种材料在相应温度下的导热系数及其与温度的关系式。由试算下的导热系数及其与温度的关系式。由试算法确定。即先假设其界面温度，然后计算导法确定。即先假设其

23、界面温度，然后计算导热系数，将导热系数代入计算公式中检验，热系数，将导热系数代入计算公式中检验，合格后才能用。合格后才能用。试验后得到：试验后得到：11.05W/(m.)20.15W/(m.)30.81W/(m.)设设t2为耐火砖和绝热砖之间的温度，为耐火砖和绝热砖之间的温度，t3为绝热砖和为绝热砖和普通砖之间的温度，则有：普通砖之间的温度，则有：Q（t1t4）/（R1+R2+R3)(1016-34)/(0.15/1.05+0.29/0.15+0.228/0.81)982/(0.1429+1.933+0.2815)416.5W/m2又因为又因为t1=R1q=0.1429416.5=59.5t2

24、=t1-t1=1016-59.5=956.5同理，同理，t2=R2q=805.1t3151.4t3=t3t4=151.434117.4单层圆筒壁的热传导如图单层圆筒壁的热传导如图4-11所示。通过圆筒壁所示。通过圆筒壁的热传导可视为一维定态热传导。通过该薄圆筒的热传导可视为一维定态热传导。通过该薄圆筒壁的导热速率可以表示为壁的导热速率可以表示为上式为单层圆筒壁热传导速率方程式。上式为单层圆筒壁热传导速率方程式。四、圆筒壁的热传导1单层圆筒壁的热传导单层圆筒壁的热传导将其写成类似的平壁热传导速率方程得将其写成类似的平壁热传导速率方程得对比上式，得对比上式，得其中，其中，rm圆筒壁的对数平均半径，

25、圆筒壁的对数平均半径，m Sm圆筒壁的内外表面的对数平均面积，圆筒壁的内外表面的对数平均面积，m2多层圆筒壁的热传导，多层圆筒壁的热传导，如图如图4-12所示。所示。假设各层间接触良好，假设各层间接触良好，若将若将串联热阻串联热阻的概念应用于的概念应用于式式4-15，则三层圆筒壁的导，则三层圆筒壁的导热速率方程式为热速率方程式为2 2 多层圆筒壁的热传导多层圆筒壁的热传导对对n层圆筒壁，热传导速率方程式可表示为层圆筒壁，热传导速率方程式可表示为式中下标式中下标i表示圆筒壁的序号。表示圆筒壁的序号。注意：对圆管壁的定态热传导，通过各层的热注意：对圆管壁的定态热传导，通过各层的热传导速率都是相同的

26、，但是传导速率都是相同的，但是热通量却都不相等热通量却都不相等。整理上式可得：整理上式可得：例在外径为在外径为140mm的蒸汽管道外包扎保温材的蒸汽管道外包扎保温材料，以减少热损失。蒸汽管外壁温度为料，以减少热损失。蒸汽管外壁温度为390oC，保温层外表面温度不大于保温层外表面温度不大于40oC。保温材料保温材料的的与与t的关系为的关系为=0.1+0.0002t（t的单位为的单位为，的单位为的单位为W（m）。）。若要求每米管若要求每米管长的热损失长的热损失QL不大于不大于450wm，试求保温试求保温层的厚度以及保温层中温度分布。层的厚度以及保温层中温度分布。解：已知：解：已知：r2=0.07m,t2=390,t3=400.1+0.0002(390+40)/20.143W/(m.)（1）保温层厚度保温层厚度对于保温层，对于保温层，ln(r3/r2)2(t2-t3)/(Q/L)其中其中Q/L450W/m解之，得解之，得r3=0.141m因此，保温层的厚度为因此，保温层的厚度为0.141-0.07=0.071m=71mm（2）保温层中温度分布保温层中温度分布因为因为Q/L2(t2-t3)/ln(r3/r2)所以所以45020.143(390-t)/ln(r/0.07)整理得：整理得：t-501lnr-942上式表明：上式表明：圆筒内部温度分布为曲线！圆筒内部温度分布为曲线！