第四章總復習

1、第四章第四章 傳熱傳熱總 復習非穩(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：傳熱速率在任何時刻都為常數一、傳熱的基本方式一、傳熱的基本方式 1、熱傳導、熱傳導特點：特點：物質間沒有宏觀位移，只發(fā)生在靜止物質內的一種傳熱方式。2、熱對流、熱對流流體中質點發(fā)生相對位移而引起的熱量傳遞，稱為熱對流 對流只能發(fā)生在流體中。強制對流 自然對流 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化。 輻射傳熱不需要任何介質作媒介，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. 冷熱流體通過間壁兩側的傳熱過程三個基本步驟冷流體管壁外側管壁外側管壁內側管壁內側熱流體對流熱傳導對流)()()(321)3()2() 1 (QQQtwTTw對流對流導熱冷流體Q熱流體w1TTSQwwtTSbQ2ttSQw3t7熱負荷熱負荷Q：工藝要求，同種流體需要溫升或溫降時，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，單位時間內通過換熱器的整個傳熱面?zhèn)鬟f的熱量，單位 J/s或W。熱流密度熱流密度q：熱通量，單位時間內通過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AQq 式中 A總傳熱面積，m2。套管式換熱器是最簡單的間壁式換熱器，列管式換熱器的換熱面積為管束管壁的全部表面積。 ndlSd管徑可分別用管內徑di，管外徑d0或平均直徑dm來表示。則對應的傳熱面積分別為管內側面積Si，外側面積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、溫度場和等溫面、溫度場和等溫面 溫度場：溫度場：物體或系統(tǒng)內部的各點溫度分布的總和 等溫面：等溫面：在同一時刻，溫度場中所有溫度相同的點組成的面。 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。對于一維穩(wěn)定的溫度場，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 熱傳導速率，W或J/s； dA 導熱面積，m2； t/ n 溫度梯度， /m或K/m； 導熱系數，W/(m)或W/(mK)。 負號表示傳熱方向與溫度梯度方向相反ddSQtqn 表征材料導熱性能大小的物性參數 越大，導熱性能越好 用熱通量來表示 對一維穩(wěn)態(tài)熱傳導 ddSdtQdx 3、 導熱系數導熱系數 1

5、、導熱系數的定義、導熱系數的定義 dQdqttdSnn 金屬固體 非金屬固體 液體 氣體 (1) 在數值上等于單位溫度梯度下的熱通量。 (2) 是分子微觀運動的宏觀表現，是物質的物理性質之一 = f(結構，組成，密度，溫度，壓力）(3) 各種物質的導熱系數2、固體的導熱系數、固體的導熱系數 u純金屬純金屬的導熱系數一般隨溫度的升高而降低， t 。u金屬金屬的導熱系數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熱系數隨密度增加而增大， ；也隨溫度升高而增大， t 。4、氣體的導熱系數、氣體的導熱系數 氣體的導熱系數很小，不利于導熱，但有利于保溫

6、或隔熱。氣體的導熱系數隨溫度升高而加大 ， t 。3、液體的導熱系數、液體的導熱系數 金屬液體較高，非金屬液體低，水的最大。 絕大多數液體t ，除水和甘油 純液體的導熱系數比溶液的導熱系數大。 4.2.3 通過平壁的穩(wěn)定熱傳導 一、 通過單層平壁的穩(wěn)定熱傳導 假設：(1) S大，b??；(2) 材料均勻；(3)溫度僅沿x變化，且不隨時間變化。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； 平壁的導熱系數，W/(m)或W/(mK)； t1，t2 平壁兩側的溫度，。討論： QtR推動力熱阻ttt(

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

8、121222112()2()1lnlnL ttL ttQrrrr 12()mtttQbRS推動力熱阻212122112()ln/lnmSSL rrSrSSr討論：1上式可以為寫 12()mtttQbRS推動力熱阻2SrLbrr212121ln/mSSSSS對數平均面積2 rr2121221()2mSSSL rr3圓筒壁內的溫度分布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、多層圓筒壁的熱傳導nlnln222ttQrrrrrrLLLmmt

9、tQbbbSSS1、對流傳熱速率表達式、對流傳熱速率表達式 dSTTdQw1dSTTdQw)(牛頓冷卻定律牛頓冷卻定律 4.3.1 4.3.1 對流傳熱速率方程對流傳熱速率方程2、對流傳熱系數、對流傳熱系數對流傳熱系數a定義式： tSQ 表示單位溫度差下，單位傳熱面積的對流傳熱速率 單位W/m2. 。 反映了對流傳熱的快慢，對流傳熱系數大，則傳熱快 對于間壁式換熱器，假設換熱器絕熱良好，熱損失可忽略則在單位時間內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用：計算換熱器的傳熱量 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 122

10、1ttcWTTcWQpccphh2121ccchhhHHwHHwQ第四節(jié)第四節(jié) 傳熱計算傳熱計算 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。 12ttcWrWQpcch若冷凝液的溫度低于飽和溫度離開換熱器 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，（w/m2） 物理意義：在數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總傳熱速率微分方程和總傳熱系數 當取t和K為整個換熱器的平均值時，對于整個換熱器，

11、傳熱基本方程式可寫成：mtKSQ或K換熱器的平均傳熱系數，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應，選擇的傳熱面積不同，總傳熱系數的數值不同。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分別為管內表面積、外表面積和內外側的平均表面積的傳熱系數，w/m2 Si、So、Sm換熱器管內表面積、外表面積和內外側的平均面積，m2。 注：注：工程上大多以外表面積為計算基準，Ko不再加下標“o”iimdddbdK00011iimdddbdK00011或基于外表面積總傳熱系數計算公式基

12、于外表面積總傳熱系數計算公式同理： ooimiiidddbdK11001ddbddKmiimm3、污垢熱阻、污垢熱阻 在計算傳熱系數K值時，污垢熱阻一般不可忽視，污垢熱阻的大小與流體的性質、流速、溫度、設備結構以及運行時間等因素有關。 若管壁內側表面上的污垢熱阻分別用Rsi和Rs0表示，根據串聯熱阻疊加原則， iiiSimoSddddRdbdRK000011當管壁熱阻和污垢熱阻均可忽略時，0111iK若0i則oK11總熱阻是由熱阻大的那一側的對流傳熱所控制。提高K值，關鍵在于提高對流傳熱系數較小一側的。兩側的相差不大時，則必須同時提高兩側的，才能提高K值。污垢熱阻為控制因素時，則必須設法減慢污

13、垢形成速率或及時清除污垢。4.4.3 4.4.3 壁溫的估算壁溫的估算 221111AttAbtTATTtKAQwmWwWm11AQTTWmWWAbQTt22AQttW 在熱損失和某些對流傳熱系數（如自然對流、強制層流、冷凝、沸騰等）的計算中都需要知道壁溫。此外選擇換熱器類型和管材時，也需要知道壁溫。下面來看壁溫的計算。對于穩(wěn)態(tài)傳熱：利用上面的公式計算壁溫，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tW=TW，得說明傳熱面兩側的溫度差之比等于兩側熱阻之比，即哪側熱阻大溫差大；如得：TW接近于T，即大

14、熱阻小側流體的溫度。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 隨傳熱過程中冷熱流體的溫度變化而變化，當取t和K為整個換熱器的平均值時，對于整個換熱器，傳熱基本方程式可寫成：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、錯流和折流幾種流向。tm與流體流向有關。1212lntttttm對數平均溫度差對數平均溫度差 121tTt212tTt212tt當時，可用算術平均溫度差代替對數平均溫度差。 逆流和并流時逆流和并流時 4、傳熱面積的計算、傳熱面積的計算1、傳熱系數、傳熱系數K為常數為常數 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)出輻射能的過程稱為熱輻射 輻射傳熱 ：不同物體間相互輻射和吸收能量的綜合過程2、熱射線、熱射線 熱射線 ： 可見光線和紅外光線統(tǒng)稱為熱射線服從反射定律和折射定律 能在均一介質中作直線傳播 在真空和大多數的氣體（惰性氣體和對稱的雙原子氣體）中熱射線可以完全透過 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（絕對黑體）： 能全部吸收輻射能的物體，即A=1的物體 鏡體（絕對白體）： 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輻射能的物體 灰體的特點：灰體的特點： 它的