第四章總復(fù)習(xí)

1、第四章第四章 傳熱傳熱總 復(fù)習(xí)非穩(wěn)態(tài)傳熱非穩(wěn)態(tài)傳熱 ,zyxftqQ 3 3、穩(wěn)態(tài)與非穩(wěn)態(tài)傳熱、穩(wěn)態(tài)與非穩(wěn)態(tài)傳熱 穩(wěn)態(tài)傳熱穩(wěn)態(tài)傳熱 zyxftqQ, 0 t特點(diǎn)：傳熱速率在任何時(shí)刻都為常數(shù)一、傳熱的基本方式一、傳熱的基本方式 1、熱傳導(dǎo)、熱傳導(dǎo)特點(diǎn)：特點(diǎn)：物質(zhì)間沒(méi)有宏觀位移，只發(fā)生在靜止物質(zhì)內(nèi)的一種傳熱方式。2、熱對(duì)流、熱對(duì)流流體中質(zhì)點(diǎn)發(fā)生相對(duì)位移而引起的熱量傳遞，稱(chēng)為熱對(duì)流 對(duì)流只能發(fā)生在流體中。強(qiáng)制對(duì)流 自然對(duì)流 3、熱輻射、熱輻射 輻射傳熱，不僅是能量的傳遞，還伴隨著能量形式的轉(zhuǎn)化。 輻射傳熱不需要任何介質(zhì)作媒介，可以在真空中傳播。 二、兩種流體熱交換的基本方式二、兩種流體熱交換的基本方

2、式 1）直接接觸式傳熱 2）蓄熱式換熱 （不直接接觸）3）間壁式換熱（不直接接觸） 1. 冷熱流體通過(guò)間壁兩側(cè)的傳熱過(guò)程三個(gè)基本步驟冷流體管壁外側(cè)管壁外側(cè)管壁內(nèi)側(cè)管壁內(nèi)側(cè)熱流體對(duì)流熱傳導(dǎo)對(duì)流)()()(321)3()2() 1 (QQQtwTTw對(duì)流對(duì)流導(dǎo)熱冷流體Q熱流體w1TTSQwwtTSbQ2ttSQw3t7熱負(fù)荷熱負(fù)荷Q：工藝要求，同種流體需要溫升或溫降時(shí)，吸收或放出的熱量，單位 J/s或W。傳熱速率傳熱速率Q：熱流量，單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)換熱器的整個(gè)傳熱面?zhèn)鬟f的熱量，單位 J/s或W。熱流密度熱流密度q：熱通量，單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位傳熱面積傳遞的熱量，單位 J/(s. m2)或W/m2。三、

3、典型的間壁式換熱器三、典型的間壁式換熱器一、基本概念一、基本概念A(yù)Qq 式中 A總傳熱面積，m2。套管式換熱器是最簡(jiǎn)單的間壁式換熱器，列管式換熱器的換熱面積為管束管壁的全部表面積。 ndlSd管徑可分別用管內(nèi)徑di，管外徑d0或平均直徑dm來(lái)表示。則對(duì)應(yīng)的傳熱面積分別為管內(nèi)側(cè)面積Si，外側(cè)面積S0或平均面積Sm 4.2.1 4.2.1 基本概念和傅立葉定律基本概念和傅立葉定律 1 1、溫度場(chǎng)和等溫面、溫度場(chǎng)和等溫面 溫度場(chǎng)：溫度場(chǎng)：物體或系統(tǒng)內(nèi)部的各點(diǎn)溫度分布的總和 等溫面：等溫面：在同一時(shí)刻，溫度場(chǎng)中所有溫度相同的點(diǎn)組成的面。 不同溫度的等溫面不相交。t1t2t1t2等溫面Q2、溫度梯度、溫

4、度梯度 溫度梯度 ：等溫面法線方向上的溫度變化率，用gradt表示 。 0gradlimntttnn 溫度梯度是向量，正方向指向溫度增加的方向。對(duì)于一維穩(wěn)定的溫度場(chǎng)，溫度梯度可表示為 ：dxdtgradt drdtgradt tdQdSn 傅立葉定律 3、傅立、傅立 葉定律葉定律 式中 dQ 熱傳導(dǎo)速率，W或J/s； dA 導(dǎo)熱面積，m2； t/ n 溫度梯度， /m或K/m； 導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m)或W/(mK)。 負(fù)號(hào)表示傳熱方向與溫度梯度方向相反ddSQtqn 表征材料導(dǎo)熱性能大小的物性參數(shù) 越大，導(dǎo)熱性能越好 用熱通量來(lái)表示 對(duì)一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo) ddSdtQdx 3、 導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù) 1

5、、導(dǎo)熱系數(shù)的定義、導(dǎo)熱系數(shù)的定義 dQdqttdSnn 金屬固體 非金屬固體 液體 氣體 (1) 在數(shù)值上等于單位溫度梯度下的熱通量。 (2) 是分子微觀運(yùn)動(dòng)的宏觀表現(xiàn)，是物質(zhì)的物理性質(zhì)之一 = f(結(jié)構(gòu)，組成，密度，溫度，壓力）(3) 各種物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)2、固體的導(dǎo)熱系數(shù)、固體的導(dǎo)熱系數(shù) u純金屬純金屬的導(dǎo)熱系數(shù)一般隨溫度的升高而降低， t 。u金屬金屬的導(dǎo)熱系數(shù)大都隨純度的增加而增大，純金屬 合金。u非金屬的建筑材料或絕熱材料非金屬的建筑材料或絕熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)隨密度增加而增大， ；也隨溫度升高而增大， t 。4、氣體的導(dǎo)熱系數(shù)、氣體的導(dǎo)熱系數(shù) 氣體的導(dǎo)熱系數(shù)很小，不利于導(dǎo)熱，但有利于保溫

6、或隔熱。氣體的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度升高而加大 ， t 。3、液體的導(dǎo)熱系數(shù)、液體的導(dǎo)熱系數(shù) 金屬液體較高，非金屬液體低，水的最大。 絕大多數(shù)液體t ，除水和甘油 純液體的導(dǎo)熱系數(shù)比溶液的導(dǎo)熱系數(shù)大。 4.2.3 通過(guò)平壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo) 一、 通過(guò)單層平壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo) 假設(shè)：(1) S大，b??；(2) 材料均勻；(3)溫度僅沿x變化，且不隨時(shí)間變化。t1t2btxdxQxQx+dx1212()ttQS ttbbS式中 Q 熱流量或傳熱速率，W或J/s； S 平壁的面積，m2； b 平壁的厚度，m； 平壁的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m)或W/(mK)； t1，t2 平壁兩側(cè)的溫度，。討論： QtR推動(dòng)力熱阻ttt(

7、)12SbR2分析平壁內(nèi)的溫度分布11()QxQS ttttxS1可表示為推動(dòng)力：熱阻：3當(dāng)隨t變化時(shí)() /122 如：1t1，2t24傳導(dǎo)距離b越大，傳熱面積和導(dǎo)熱系數(shù)越小，傳導(dǎo)熱阻越大 二、 通過(guò)多層平壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo) 假設(shè)：(1) S大，b??；(2) 材料均勻；(3) 溫度僅沿x變化，且不隨時(shí)間變化。(4) 各層接觸良好，接觸面兩側(cè)溫度相同。t1t2b11txb2b323t2t4t3 1、通過(guò)多層平壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)方程1431212314123ttQbbbSSSttRRR2、各層的溫差 312122334123123:bbbttttttRRRSSS3、單層圓筒壁的熱傳導(dǎo)1r2r2t1tdr

8、121222112()2()1lnlnL ttL ttQrrrr 12()mtttQbRS推動(dòng)力熱阻212122112()ln/lnmSSL rrSrSSr討論：1上式可以為寫(xiě) 12()mtttQbRS推動(dòng)力熱阻2SrLbrr212121ln/mSSSSS對(duì)數(shù)平均面積2 rr2121221()2mSSSL rr3圓筒壁內(nèi)的溫度分布4平壁：各處的 Q 和 q 均相等； 圓筒壁：不同半徑 r 處 Q 相等，但 q 卻不等。11ln2rrlQtt1t2t3t4t2、多層圓筒壁的熱傳導(dǎo)、多層圓筒壁的熱傳導(dǎo)nlnln222ttQrrrrrrLLLmmt

9、tQbbbSSS1、對(duì)流傳熱速率表達(dá)式、對(duì)流傳熱速率表達(dá)式 dSTTdQw1dSTTdQw)(牛頓冷卻定律牛頓冷卻定律 4.3.1 4.3.1 對(duì)流傳熱速率方程對(duì)流傳熱速率方程2、對(duì)流傳熱系數(shù)、對(duì)流傳熱系數(shù)對(duì)流傳熱系數(shù)a定義式： tSQ 表示單位溫度差下，單位傳熱面積的對(duì)流傳熱速率 單位W/m2. 。 反映了對(duì)流傳熱的快慢，對(duì)流傳熱系數(shù)大，則傳熱快 對(duì)于間壁式換熱器，假設(shè)換熱器絕熱良好，熱損失可忽略則在單位時(shí)間內(nèi)的換熱器中的流體放出的熱量等于冷流體吸收的熱量。即： 換熱器的熱量衡算式換熱器的熱量衡算式應(yīng)用：計(jì)算換熱器的傳熱量 若換熱器中的兩流體的比熱不隨溫度而變或可取平均溫度下的比熱時(shí) 122

10、1ttcWTTcWQpccphh2121ccchhhHHwHHwQ第四節(jié)第四節(jié) 傳熱計(jì)算傳熱計(jì)算 若換熱器中熱流體有相變化有相變化，例如飽和蒸汽冷凝，冷凝液在飽和溫度下離開(kāi)。 12ttcWrWQpcch若冷凝液的溫度低于飽和溫度離開(kāi)換熱器 122ttcWTTcrWQpccsphh一、總傳熱速率方程一、總傳熱速率方程 tdSKdStTKdQ)(總傳熱速率微分方程 or 傳熱基本方程 K局部總傳熱系數(shù)，（w/m2） 物理意義：在數(shù)值上等于單位傳熱面積、單位溫度差下的傳熱速率。4.4.2 總傳熱速率微分方程和總傳熱系數(shù)總傳熱速率微分方程和總傳熱系數(shù) 當(dāng)取t和K為整個(gè)換熱器的平均值時(shí)，對(duì)于整個(gè)換熱器，

11、傳熱基本方程式可寫(xiě)成：mtKSQ或K換熱器的平均傳熱系數(shù)，w/m2 KStQm1/KS1總傳熱熱阻 注意：注意：其中K必須和所選擇的傳熱面積相對(duì)應(yīng)，選擇的傳熱面積不同，總傳熱系數(shù)的數(shù)值不同。傳熱基本方程可分別表示為：傳熱基本方程可分別表示為：mmmmmiitdSKtdSKtdSKdQ00式中： Ki、Ko、Km分別為管內(nèi)表面積、外表面積和內(nèi)外側(cè)的平均表面積的傳熱系數(shù)，w/m2 Si、So、Sm換熱器管內(nèi)表面積、外表面積和內(nèi)外側(cè)的平均面積，m2。 注：注：工程上大多以外表面積為計(jì)算基準(zhǔn)，Ko不再加下標(biāo)“o”iimdddbdK00011iimdddbdK00011或基于外表面積總傳熱系數(shù)計(jì)算公式基

12、于外表面積總傳熱系數(shù)計(jì)算公式同理： ooimiiidddbdK11001ddbddKmiimm3、污垢熱阻、污垢熱阻 在計(jì)算傳熱系數(shù)K值時(shí)，污垢熱阻一般不可忽視，污垢熱阻的大小與流體的性質(zhì)、流速、溫度、設(shè)備結(jié)構(gòu)以及運(yùn)行時(shí)間等因素有關(guān)。 若管壁內(nèi)側(cè)表面上的污垢熱阻分別用Rsi和Rs0表示，根據(jù)串聯(lián)熱阻疊加原則， iiiSimoSddddRdbdRK000011當(dāng)管壁熱阻和污垢熱阻均可忽略時(shí)，0111iK若0i則oK11總熱阻是由熱阻大的那一側(cè)的對(duì)流傳熱所控制。提高K值，關(guān)鍵在于提高對(duì)流傳熱系數(shù)較小一側(cè)的。兩側(cè)的相差不大時(shí)，則必須同時(shí)提高兩側(cè)的，才能提高K值。污垢熱阻為控制因素時(shí)，則必須設(shè)法減慢污

13、垢形成速率或及時(shí)清除污垢。4.4.3 4.4.3 壁溫的估算壁溫的估算 221111AttAbtTATTtKAQwmWwWm11AQTTWmWWAbQTt22AQttW 在熱損失和某些對(duì)流傳熱系數(shù)（如自然對(duì)流、強(qiáng)制層流、冷凝、沸騰等）的計(jì)算中都需要知道壁溫。此外選擇換熱器類(lèi)型和管材時(shí)，也需要知道壁溫。下面來(lái)看壁溫的計(jì)算。對(duì)于穩(wěn)態(tài)傳熱：利用上面的公式計(jì)算壁溫，得：2211/1/1AAtTTTWW21)()(tTTTWW討論：討論：1一般換熱器金屬壁的大，即b / Am小，熱阻小，tW=TW；2當(dāng)tW=TW，得說(shuō)明傳熱面兩側(cè)的溫度差之比等于兩側(cè)熱阻之比，即哪側(cè)熱阻大溫差大；如得：TW接近于T，即大

14、熱阻小側(cè)流體的溫度。4.4.4 4.4.4 平均溫度差法平均溫度差法 在總傳熱速率方程中，冷熱流體的溫差t 隨傳熱過(guò)程中冷熱流體的溫度變化而變化，當(dāng)取t和K為整個(gè)換熱器的平均值時(shí)，對(duì)于整個(gè)換熱器，傳熱基本方程式可寫(xiě)成：mtKSQ一、恒溫傳熱一、恒溫傳熱mttTt二、變溫傳熱二、變溫傳熱兩流體有逆流和并流、錯(cuò)流和折流幾種流向。tm與流體流向有關(guān)。1212lntttttm對(duì)數(shù)平均溫度差對(duì)數(shù)平均溫度差 121tTt212tTt212tt當(dāng)時(shí)，可用算術(shù)平均溫度差代替對(duì)數(shù)平均溫度差。 逆流和并流時(shí)逆流和并流時(shí) 4、傳熱面積的計(jì)算、傳熱面積的計(jì)算1、傳熱系數(shù)、傳熱系數(shù)K為常數(shù)為常數(shù) mtKQS其中： )(

15、)(21,12,TTCWttCWQhPhCPCiiiSimoSddddRdbdRK0000111212lntttttm一、基本概念一、基本概念和定律和定律1、熱輻射、熱輻射 熱輻射 ：物體因熱的原因發(fā)出輻射能的過(guò)程稱(chēng)為熱輻射 輻射傳熱 ：不同物體間相互輻射和吸收能量的綜合過(guò)程2、熱射線、熱射線 熱射線 ： 可見(jiàn)光線和紅外光線統(tǒng)稱(chēng)為熱射線服從反射定律和折射定律 能在均一介質(zhì)中作直線傳播 在真空和大多數(shù)的氣體（惰性氣體和對(duì)稱(chēng)的雙原子氣體）中熱射線可以完全透過(guò) 第六節(jié)第六節(jié) 輻射傳熱輻射傳熱 4、黑體、鏡體、透熱體和灰體、黑體、鏡體、透熱體和灰體 黑體（絕對(duì)黑體）： 能全部吸收輻射能的物體，即A=1的物體 鏡體（絕對(duì)白體）： 能全部反射輻射能的物體，即R=1的物體 透熱體 ：能透過(guò)全部輻射能的物體，即D=1的物體 灰體 ：能夠以相等的吸收率吸收所有波長(zhǎng)輻射能的物體 灰體的特點(diǎn)：灰體的特點(diǎn)： 它的