第6章傳熱及氣體射流基本知識

1、第六章第六章 傳熱及氣體射流基本知識傳熱及氣體射流基本知識第一節(jié) 傳熱學(xué)基本知識第二節(jié) 傳熱過程第三節(jié) 氣體射流簡介第一節(jié)第一節(jié) 傳熱學(xué)基本知識傳熱學(xué)基本知識一、導(dǎo)熱（熱傳導(dǎo)）l導(dǎo)熱：是指溫度不同的物體直接接觸時，或同一物體溫度不同的相鄰部分之間所發(fā)生的熱傳遞現(xiàn)象。 l熱之所以能通過導(dǎo)熱方式傳遞，是由于組成物體的微觀粒子運動的結(jié)果。l在氣體中，熱傳導(dǎo)主要依靠原子、分子的熱運動；l在液體中，熱傳導(dǎo)主要依靠彈性波的作用；l而在固體中熱傳導(dǎo)主要依靠晶格振動和自由電子的運動。l固體平壁中進(jìn)行的導(dǎo)熱過程最為簡單 。l平壁導(dǎo)熱公式為 ： （6-1）l式中 Q：單位時間由導(dǎo)熱體傳遞的熱量，稱為熱流量（J/s

2、）或（W）； ：比例系數(shù)，稱為導(dǎo)熱系數(shù)，其意義是當(dāng)沿著導(dǎo)熱方向每米長度上溫度降落1K時，單位時間通過每平方米面積所傳導(dǎo)的熱量（W/mK）。 ：平壁內(nèi)外兩則面的溫度差 )/)/()/(222121mWmsJFQqWsJFQ或或或21將（6-1）寫出一般的微分形式，得一維穩(wěn)定導(dǎo)熱的傅立葉定律表達(dá)式： （6-2）式中 ：沿x方向面積為F處的溫度梯度。其它符號意義與式（6-1）相同。式中負(fù)號“”表示導(dǎo)熱量和溫度梯度方向相反。將式（6-2）分離變量后可得 ： （6-3）)/)/()/(22mWsmJdxdqWsJFdxdQ或或或dxddqdx l將（6-3）積分，并代入邊界條件：當(dāng)x=0時， ；x=x時

3、， ，則得：所以即或 （6-3a）由此可見，求解方程（6-3a）后，就可求得平壁內(nèi)部任意位置上的溫度值。通常（ ）和均為常數(shù)，所以平壁中的溫度分布是直線。1xxxddxq01)(1xqxqxx11xqxq應(yīng)說明式（6-1）及（6-3a）僅適用于計算物體為單層無限大平面壁的熱流量。在實際工程中還會遇到以下幾種情況：（一）多層平壁l如房屋以紅磚為主體砌成，墻壁內(nèi)為白灰層，外抹水泥砂漿、磁砌罩面等均為多層平壁。如三層平壁導(dǎo)熱，兩側(cè)表面均能維持穩(wěn)定溫度和，且各層之間結(jié)合嚴(yán)密，接觸面溫度分別為和，在穩(wěn)定情況，通過各層的熱流量是相等的，以三層平壁的每層可分別寫出： （6-4a）式中 、 、 ：各層平壁導(dǎo)熱

4、系數(shù)； 、 、 ：各層平壁厚度； 、 、 ：各層平壁導(dǎo)熱熱阻。)(1)/()(1)/()(1)/(433,434433433322,22322322211 ,11211211RFFQRFFQRFFQ1231231 ,R2,R3 ,R化簡（6-4a）得： （6-4b）把式（6-4b）各等式前后相加并整理可得： （6-4c）式中 ：為三層平壁總熱阻。 對于n層平壁導(dǎo)熱，則可直接寫出： （6-4）QRQRQR3 ,432,321 ,21)(31,413 ,2 ,1 ,41WRRRRQii31,iiR)(1,11WRQniin（二）單層非平行壁面導(dǎo)熱 如圓管的穩(wěn)定導(dǎo)熱熱流量時，則式（6-2）應(yīng)為，通過

5、分離變量積分等運算后，可得圓管穩(wěn)定導(dǎo)熱計算式為： （6-5a）或通過單位長度管狀的熱流量為 ： （6-5b）式中 L管長（m）； d1、d2管內(nèi)徑和外徑（mm）。)(122112ddnlQ21211121ddnlQq【例】某一供熱鍋爐爐墻由三層砌成，內(nèi)層為耐火磚層厚=230mm，其導(dǎo)熱系數(shù)=1.1W/（mK），最外層為紅磚層厚=240mm，其導(dǎo)熱系數(shù)=0.58W（mK），內(nèi)外層之間填石棉隔熱層，原=50mm，其導(dǎo)熱系數(shù)=0.10W/（mK），已知爐墻最內(nèi)和最外兩表面溫度 =500和 =50。求通過爐墻的導(dǎo)熱熱流量值。l【解】依題意，先計算各層面導(dǎo)熱熱阻值，可得代入上式（6-4）可得單位面積熱流

6、量為：14WKmR2111 ,21. 01 . 123. 0WKmR2222,5 . 01 . 005. 0WKmR2333 ,41. 058. 0024. 02/78.40141. 050. 021. 050500mWFQ二、熱對流和對流換熱l熱對流：溫度不同的流體各部分之間發(fā)生相對位移，把熱量從高溫處帶到低溫處的熱傳遞現(xiàn)象。l對流換熱：流動著的流體與溫度不同的壁面接觸時，它們之間所發(fā)生的熱傳遞現(xiàn)象。l對流換熱又分為受迫對流和自然對流（或自由對流）換熱。 l對流換熱的計算，稱為牛頓冷卻定律，其方程式為 (6-6)式中 Q：對流換熱量（W）或（J/s）； A：與流體接觸的壁面換熱面積（m2）；

7、 ：流體和壁面之間的溫差（K）或（）； ：對流換熱系數(shù)或放熱系數(shù)J/(sm2K)；或W/（m2K），它表示在單位時間內(nèi)，當(dāng)流體與壁面溫差為1K時，流體通過壁面單位面積所交換的熱量。其大小表征對流換熱的強(qiáng)弱。)/)/()/(22mWmsJTqWsJATQ或或或T三、熱輻射及輻射換熱l輻射能投射到物體上的能量，一般說來，部分可能被吸收，部分可能被反射，另部分可能穿透過物體。三者的百分比如以 、 、 表示，則 =1l 、 和 分別稱為物體的吸收率、反射率和透射率。l絕對黑體：對于投射于其上的波長的能量，能全部吸收的理想物體，稱為絕對黑體，簡稱黑體。l黑體的輻射能力為 E0= C0T4 (6-7) E

8、0：黑體單位時間內(nèi)單位面積向外輻射時的能量，W/m2 ，稱為黑體的輻射力。 C0：黑體的輻射常數(shù)，5.6710-8 W/（m2K4） 。 T： 絕對溫度，K。l上式稱為斯蒂芬-玻爾茲曼定律，又稱四次方定律。可改寫成： （6-8）400)100(TCE l灰體：對投射來各種波長的射線均同程度吸收的物體，也即是其表面吸收率與波長無關(guān)的物體。 l大多數(shù)實際固、流體表面很接近灰體性質(zhì)，因而人們把實際物體當(dāng)作灰體處理 。其輻射力為： 式中C：為灰體實際物體的輻射系數(shù)。l引入輻射率，上式改寫成： （6-9）式中 ：物體的輻射率，又稱為黑度，數(shù)值在01之間。4)100(TCE 040)100(ETCE第二節(jié)第二節(jié) 傳熱過程傳熱過程l實際換熱過程往往是兩種或三種基本換熱方式同時出現(xiàn)的復(fù)雜過程。工程領(lǐng)域內(nèi)經(jīng)常遇到的是高溫流體通過固體壁把熱量傳給低溫流體。這種過程稱為傳熱過程。 第三節(jié)第三節(jié) 氣體射流簡介氣體射流簡介l流體以較高的速度（屬于紊流流態(tài)）經(jīng)孔口、管嘴