第3章热传递的基本原理

1、发电厂动力部分发电厂动力部分第三章第三章 热传递的基本原理热传递的基本原理3-1 导热导热一、导热的基本概念一、导热的基本概念 当物体内部或相互接触的物体间存在温当物体内部或相互接触的物体间存在温度差时，热量从高温处传到低温处的过程度差时，热量从高温处传到低温处的过程称为导热或热传导。称为导热或热传导。v定义：在没有质点相对位移的情况下，当物体内部定义：在没有质点相对位移的情况下，当物体内部v具有不同温度，或不同温度的物体直接接触时，所发具有不同温度，或不同温度的物体直接接触时，所发v生的热能传递现象。生的热能传递现象。v在液体和固体介电质中，热量的转移是依靠弹性波在液体和固体介电质中，热量的

2、转移是依靠弹性波v的作用，在金属内部则依靠自由电子的运动，在气体的作用，在金属内部则依靠自由电子的运动，在气体v中主要依靠原于或分子的扩散和碰撞。中主要依靠原于或分子的扩散和碰撞。v条件：温差、无宏观运动。条件：温差、无宏观运动。v取决于：物质本身的物性。取决于：物质本身的物性。 物体内的温度分布一般是时间和空物体内的温度分布一般是时间和空间坐标的函数，即间坐标的函数，即t=f(x,y,z,t=f(x,y,z,) ) 式中描述的物体内在某一瞬间的温度式中描述的物体内在某一瞬间的温度分布总体，称为温度场。如果物体内各分布总体，称为温度场。如果物体内各点的温度不随时间而变，则称为稳态温点的温度不随

3、时间而变，则称为稳态温度场。如电厂中的锅炉、汽轮机等各种度场。如电厂中的锅炉、汽轮机等各种热力设备，它们在正常工况稳定运行时热力设备，它们在正常工况稳定运行时的温度分布即为稳态温度场。的温度分布即为稳态温度场。3-1 导热导热 在有温差存在的物体内，若将其温度在有温差存在的物体内，若将其温度相同的点连接起来，则会形成一个等温面。相同的点连接起来，则会形成一个等温面。 将等温面法线方向上的温度变化率称将等温面法线方向上的温度变化率称为温度梯度。温度梯度的大小表明了物体为温度梯度。温度梯度的大小表明了物体内温度变化的强烈程度，进而表明了导热内温度变化的强烈程度，进而表明了导热体内热流量的大小，其间

4、的定量关系是由体内热流量的大小，其间的定量关系是由傅立叶定律给出的。傅立叶定律给出的。3-1 导热导热二、傅立叶定律及导热系数二、傅立叶定律及导热系数 傅立叶定律定义：傅立叶定律定义：单位时间内通过导单位时间内通过导热体单位面积上的导热量，在数值上与该热体单位面积上的导热量，在数值上与该面积上的温度梯度成正比，而方向与其相面积上的温度梯度成正比，而方向与其相反。反。3-1 导热导热(1) (1) 导热的基本定律：导热的基本定律： 18221822年，法国数学家年，法国数学家Fourier:Fourier: 2mW ddxtAQqW ddxtAQt0 x dxdtQq单位时间通过导体单位面积上的

5、热量单位时间通过导体单位面积上的热量,又称为热流密度又称为热流密度; 为导热系数；导热系数的大小取决为导热系数；导热系数的大小取决于物质的种类和温度于物质的种类和温度;一般而言，在固、液、气三种相态中固体的导热系数最大，气一般而言，在固、液、气三种相态中固体的导热系数最大，气体的最小，液体的介于两者之间，这是由它们不同的导热机理体的最小，液体的介于两者之间，这是由它们不同的导热机理决定的。决定的。3-1 导热导热v1）单位：w/ （ m . ）v2）物理意义：物体的导热能力v3）影响因素：va.物质种类：v 气：0.0060.6 w/（ m . ）v液：0.070.7w/ （ m . ） v金

6、属：2.2420w/ （ m . ） ；v工程材料：0.0254w/ （ m . ）vb.物理状态：温度、压力、密度、湿度等三、一维稳态导热计算三、一维稳态导热计算 所谓所谓大平壁大平壁，是指平壁的高度和宽度远，是指平壁的高度和宽度远大于其厚度，平壁的端部散热所造成的温差大于其厚度，平壁的端部散热所造成的温差可略去不计。可略去不计。 工程上，如果平壁厚度小于高度及宽度的工程上，如果平壁厚度小于高度及宽度的1/10则可视为大平则可视为大平壁导热，忽略端部散热的误差小于壁导热，忽略端部散热的误差小于1。3-1 导热导热单壁厚单壁厚，导热系数，导热系数为常数，为常数，若为均匀恒定的大平壁可由若为均匀

7、恒定的大平壁可由傅立叶定律得到通过平壁的傅立叶定律得到通过平壁的热量为热量为Q= -S dt/dx3-1 导热导热最后可以得到通过大平壁的导热量和热流密度最后可以得到通过大平壁的导热量和热流密度3-1 导热导热可知：可知：通过平壁的热流量与温度差成正比，与热阻成反比。通过平壁的热流量与温度差成正比，与热阻成反比。单位导热热阻单位导热热阻导热热阻导热热阻210 dd21wwttttqtxqww 对于多层大平壁，我们可对于多层大平壁，我们可以方便的利用热阻来求通过各以方便的利用热阻来求通过各层的热量和热流密度，层的热量和热流密度，串联关串联关系系。为了方便记忆可以和电压、为了方便记忆可以和电压、电

8、流密度类比电流密度类比3-1 导热导热多层平壁导热多层平壁导热2.长圆筒壁导热长圆筒壁导热（1）单层长圆筒壁导热r20 xttw1tw2tw1tw2r1drtw1tw2r2r1lR( )r()dtQSWdr ldrdtlrQ2rdrlQdt2121221ln2ln2ddlQrrlQttww通过半径为r、厚度为dr的微元圆筒壁的导热量为：其中S为半径 r微元圆筒壁的表面积，S=2r代入得：分离变量得：代入边界条件：r=r1，t=tw1和r=r2，t=tw2得2121211ln2wwwwttdldtQRt即1212211ln2wwwwttttQWdRld12ln21ddlRl121221 1lnW

9、/m2wwwwlttttQqdlrd12ln21ddr其中为长单层圆筒壁的导热热阻。其中为单位管长上单层圆筒壁的导热热阻。热流密度： 对于多层的对于多层的圆筒壁仍然可以圆筒壁仍然可以利用热阻来求得利用热阻来求得导热量、热流密导热量、热流密度，大家想一想度，大家想一想单层圆壁筒的导单层圆壁筒的导热电阻如何求得？热电阻如何求得？3-1 导热导热一、对流换热的概念及其类型一、对流换热的概念及其类型 当温度不同的各部分流体之间产生宏观的相对运当温度不同的各部分流体之间产生宏观的相对运动时，各部分流体因相互掺混所引起的热量传递过动时，各部分流体因相互掺混所引起的热量传递过程，称为热对流。流动着的流体与其

10、相接触的固体程，称为热对流。流动着的流体与其相接触的固体壁面之间的热量传递过程称为对流换热。对流换热壁面之间的热量传递过程称为对流换热。对流换热时，流体内部各部分流体之间存在着热对流，并同时，流体内部各部分流体之间存在着热对流，并同时伴有热传导对流换热是热对流和热传导综合作用时伴有热传导对流换热是热对流和热传导综合作用的结果。的结果。3-2 对流换热对流换热二、对流换热的主要影响因素二、对流换热的主要影响因素1流动的起因流动的起因 对于按流体流动起因分类的对于按流体流动起因分类的强制对流强制对流和和自然对流自然对流这两种换热过程。这两种换热过程。强制对流换强制对流换热的效果要明显好于自然对流换

11、热热的效果要明显好于自然对流换热。3-2 对流换热对流换热2流体的流态流体的流态 流体的流动状态有流体的流动状态有层流层流和和紊流紊流两种。两种。流体处于何种流态，决定于其惯性力与黏流体处于何种流态，决定于其惯性力与黏性力对比情况。性力对比情况。紊流时的换热过程要比层紊流时的换热过程要比层流强烈得多流强烈得多。3-2 对流换热对流换热3流体的物理性质流体的物理性质 与对流换热有影响的流体热物理性质与对流换热有影响的流体热物理性质参数有导热系数、动力黏度、比定压热参数有导热系数、动力黏度、比定压热容、密度以及体积膨胀系数等。容、密度以及体积膨胀系数等。 为了方便可以用普朗特数为了方便可以用普朗特

12、数(Pr)和格拉和格拉晓夫数晓夫数(Gr)来描述对对流换热的影响来描述对对流换热的影响4.几何因素的影响几何因素的影响3-2 对流换热对流换热三、对流换热的计算3-2 对流换热对流换热四、流体有相变时的对流换热 在火电厂中，不仅经常遇到单相流体的在火电厂中，不仅经常遇到单相流体的对流换热，而且会遇到液体受热沸腾和蒸汽对流换热，而且会遇到液体受热沸腾和蒸汽遇冷凝结等有相变时的对流换热。遇冷凝结等有相变时的对流换热。 沸腾换热沸腾换热是在固体壁面的温度超过与之是在固体壁面的温度超过与之相接触的液体饱和温度时发生的。相接触的液体饱和温度时发生的。 凝结换热凝结换热是在壁面温度低于与之接触的是在壁面温

13、度低于与之接触的蒸汽压力下的饱和温度时才会发生蒸汽压力下的饱和温度时才会发生。3-2 对流换热对流换热 一、热辐射的基本概念一、热辐射的基本概念是指物体通过发射电磁波向外传递能量的现象。是指物体通过发射电磁波向外传递能量的现象。一般，若电磁波的波长在一般，若电磁波的波长在0.10.110001000 m m之间，则称为之间，则称为热辐射热辐射。只要温度高于绝对零。只要温度高于绝对零度，物体就会不断地将其热能转变为辐射能度，物体就会不断地将其热能转变为辐射能向外发射，因此自然界的物体都具有辐射能向外发射，因此自然界的物体都具有辐射能力。力。3-3 辐射换热辐射换热1. 热辐射特点热辐射特点(1)

14、(1) 定义定义：由热运动产生的，以电磁波形式传递的能量；：由热运动产生的，以电磁波形式传递的能量；(2)(2) 特点特点：a 任何物体，只要温度高于任何物体，只要温度高于0 0 K，就会不停地向周，就会不停地向周围空间发出热辐射；围空间发出热辐射；b 可以在真空中传播；可以在真空中传播；c 伴随能量形伴随能量形式的转变；式的转变；d 具有强烈的方向性；具有强烈的方向性；e 辐射能与温度和波长辐射能与温度和波长均有关均有关热辐射的研究方法：热辐射的研究方法：黑体黑体修正（黑度）修正（黑度）实际物体实际物体黑体的定义黑体的辐射控制方程Stefan-Boltzmann 定律 4TA4Tq4TA黑体

15、概念黑体概念黑体：黑体：是指能吸收投入到其面上是指能吸收投入到其面上的所有热辐射能的物体，是的所有热辐射能的物体，是一种科学假想的物体，现实一种科学假想的物体，现实生活中是不存在的。生活中是不存在的。式中，式中，= 5.67= 5.6710-8 w/(m10-8 w/(m2 2 K K4 4) )，是黑体辐，是黑体辐射系数。射系数。实际物体黑度，实际黑体辐射能力实际物体黑度，实际黑体辐射能力与黑体辐射力比值与黑体辐射力比值 A+R+D=1A:A:物体的吸收率物体的吸收率; ;R:R:物体的反射率物体的反射率; ;D:D:物体的透射率物体的透射率; ;3-3 辐射换热辐射换热A=1表明落到物体表

16、面上的辐射能被物体全部吸收，这种表明落到物体表面上的辐射能被物体全部吸收，这种物体称为黑体；黑体不仅吸收能力最大，且与同温度的物物体称为黑体；黑体不仅吸收能力最大，且与同温度的物体相比，其辐射能力也最大。体相比，其辐射能力也最大。R=1的物体称为白体的物体称为白体;D =1的物体称为透热体。的物体称为透热体。3-3 辐射换热辐射换热二、热辐射的基本定律二、热辐射的基本定律1.1.斯尔潘斯尔潘- -波尔兹曼定律波尔兹曼定律: :黑体的辐射力与热黑体的辐射力与热力学温度的四次方成正比。力学温度的四次方成正比。. .基尔霍夫定律基尔霍夫定律: :在热平衡的条件下实际物在热平衡的条件下实际物体的吸收率

17、在数值上等于该物体的黑度。体的吸收率在数值上等于该物体的黑度。3-3 辐射换热辐射换热一、传热过程的分桥与计算一、传热过程的分桥与计算1传热过程及复合换热传热过程及复合换热 传热过程传热过程是指通过固体壁面使热流体是指通过固体壁面使热流体的热量传给冷流体的过程，如锅炉烟道内的的热量传给冷流体的过程，如锅炉烟道内的烟气热量传给省煤器管内水的过程。烟气热量传给省煤器管内水的过程。 这种固体壁面同时存在对流和辐射换这种固体壁面同时存在对流和辐射换热的过程称为热的过程称为复合换热复合换热。3-4 传热过程与换热器传热过程与换热器二、换热器二、换热器1换热器的类型换热器的类型 换热器换热器是实现冷热流体

18、热量交换的设备。是实现冷热流体热量交换的设备。3-4 传热过程与换热器传热过程与换热器按工作原理分：按工作原理分：(1)混合式换热器混合式换热器只能是同一种介质：冷热流体通过直只能是同一种介质：冷热流体通过直接接触混合来完成热量的交换。接接触混合来完成热量的交换。 优点：优点：具有换热效率高，设备简单具有换热效率高，设备简单 缺点：缺点：因两种流体混合，其应用受到限制。因两种流体混合，其应用受到限制。(2)表面式换热器表面式换热器冷热流体被固体壁隔开，借助于固体冷热流体被固体壁隔开，借助于固体壁，热流体的热量传给冷流体，故又称间壁式换热器壁，热流体的热量传给冷流体，故又称间壁式换热器 优点：优

19、点：运用最广泛运用最广泛 缺点：缺点：换热效率较低换热效率较低(3)再生式换热器再生式换热器 :冷热流体先后交替地流过同一换热壁面，热流体流过时将固体壁加热，冷流体流过时则使固体壁冷却，这样借助于壁面的蓄、放热过程，使热流体的热量传给冷流体。2 2按结构分：按结构分：(1)壳管式换热器： (2)套管式换热器： (3)肋管式换热器： (4)板式换热器(3)按流动形式分：顺流换热器、逆流换热器、复杂换热器两种流体平行流动且方向相同时称为（纯）顺流。如水冷壁。两种流体平行流动但方向相反时称为（纯）逆流。如省煤器悬吊管。二二、换热器换热器2换热器内冷热流体的相对流向换热器内冷热流体的相对流向三、传热的强化和削弱三、传热的强化和削弱1强化传热强化传热 强化传热强化传热即为根据传热学的基本原理即为根据传热学的基本原理设法增强传热过程的传热效果，其设法增强传热过程的传热效果，其目的目的在于在于使一定的换热设备获得较大的传热量，或在使一定的换热设备获得较大的传热量，或在一定的传热量要求下使所需的传热面积最小，一定的传热量要求下使所需的传热面积最小，设备成本最低。设备成本最低。(1) 目的：a强化传热的主要目的是：(1) 增大传热量；(2) 减少传热面积、缩小设备尺寸、降低材料消耗；(3) 降低高温部件的温度，保证设备安全运行。b削弱传热的主要目的是：(1) 减