《无机材料热工基础》课件第二章 传热学

1、第二章 传热学（4学时）目录2.1 基本概念2.2 导热2.3 对流传热2.4 辐射传热2.5 综合传热2.1 基本概念传热学（Heat transfer）研究由温差引起的热量传递规律的一门科学热量传递的机理、规律、计算和测试方法在无机材料工业热工过程中涉及的传热问题主要有两大类：如何增强传热，如各种换热设备中的传热。 如何减弱传热，如设备和管道的保温。 传热学与热力学的关系传热学的基本任务：求解温度分布和计算热量传递的速率传热方式导热、对流、辐射导热定义：指温度不同的物体各部分或温度不同的两物体间直接接触时，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而进行的热量传递现象。可以在固体、液体、气体

2、中发生。导热的特点 必须有温差 物体直接接触 依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而传递热量 在引力场下单纯的导热只发生在密实固体中对流换热定义：流体中（气体或液体）温度不同的各部分之间，由于发生相对的宏观运动而把热量由一处传递到另一处的现象。典型的对流换热：流体与固体壁间的换热。自然对流(natural convection)：若流体的运动是由于流体内部冷、热部分的密度不同而引起的。强制对流(forced convection)：若流体的运动是由于受到外力的作用(如风机、水泵或其它外界压力等)所引起。辐射定义：物体转化本身的热力学能向外发射辐 射能量的现象；物体都具有辐射能力。当辐射能投

3、射到另一物体时便会部分或全部地被吸收，以重新变为热能。综合传热定义：在实际生产和生活中，上述三种传热基本方式往往不是单独进行的，多数情况是两种或三种基本传热方式同时存在，而在某种条件下，以某种传热方式为主。温度场 任一瞬间，在所研究空间中所有点上温度分布的总称，是空间坐标和时间的函数。稳态温度场不稳态温度场温度梯度 在温度场中，温度在空间上改变的大小程度，用grad t表示。它是在等温面法线方向上单位长度的温度增量，它是一个矢量, 指向温度增大的方向。热流的方向与温度梯度方向相反n2.2 导热傅立叶定律：在热传导时，其传热速率与温度梯度及传热面积成正比。q：热流密度，W/ m2 Q：热流量，W

4、F：等温面的面积，m2 ：温度梯度，/m：比例系数，称为导热系数，W/（m） 导热系数 导热系数表征物质导热能力的大小，是物质的物理性质之一。大多数均质的固体材料，其导热系数与温度近似成直线关系： =0(1+bt) ：固体在温度为t时的导热系数，W/m； 0：固体在0时的导热系数，W/m； b：温度系数。（可查表附录V） 在计算时，取物体的算术平均温度，并把它当成常数。平壁的一维稳定导热 单层平壁：平壁的长和宽远远大于壁厚，且两侧壁面温度保持t1和t2，则热量只沿x方向传导，为一维温度场。当导热系数不随温度而变时，为平壁厚度当导热系数随温度而变时，为平均温度时的导热系数。多层平壁的导热稳态：q

5、1=q2=q3123123例1 一块厚度=50mm的平板，两侧表面分别维持在tw1=300，tw2=100，试求下列条件下通过单位截面积的导热量：铜，=375 W/(mK )；钢，=36.4 W/(mK )；铬砖，=2.32 W/(mK )；铬藻土砖，=0.242 W/(mK )。解：平壁的一维稳定导热：讨论：由计算可见，由于铜与硅藻土砖导热系数的巨大差别，导致在相同的条件下通过铜板的导热量比通过硅藻土砖的导热量大三个数量级。因而，铜是热的良导体， 而硅藻土砖则起到一定的隔热作用。例2教材P30例2-1设有一窑墙，用黏土砖和红砖两种材料砌成，厚度均为230mm，窑墙内表面温度为1200，外表面

6、温度为100，红砖允许使用温度为800，求每平方窑墙热损失及红砖在此条件下能否使用。（采用逐次逼近法）圆筒壁导热 圆筒壁导热热流量因传热面积不同而发生变化，但热流量Q是一个不变的常量，所以对圆筒壁导热 只计算热流量。简化 当r2/r12时，面积常用算术平均值代替对数平均值，Fm=(F1+F2)/2=2l(r1+r2)/2= l(r1+r2)可以简化成多层圆筒壁的导热例教材P31例2-22.3 对流传热温度边界层：当流体流过壁面被加热或冷却时，会引起沿壁面法线方向上温度分布的变化，形成一定的温度梯度。靠近壁面处流体温度有显著的变化（或存在温度梯度）的区域称为温度边界层或传热边界层。速度边界层：壁

7、面附近具有明显速度变化的流体薄层。牛顿冷却定律牛顿冷却定律tf：流体温度tw：壁面温度：对流换热系数表示：每单位壁面面积上、单位时间内当流体与壁面温度相差1时所传递的热量。对流换热系数对流换热系数是流体的流速、流体的物理性质以及传热表面的形状、尺寸等的复杂函数，根据努塞尔特数，对流换热系数可以写成：准数的符号及意义准数名称符 号意 义努塞尔特数Nu=/（/l），反映和纯导热相比，对流使传热系数增大的倍数雷诺数Re是流体所受惯性力和粘性力之比，表征流体的流动状态和湍动程度对对流传热的影响普朗特数表示流体物性对对流传热的影响格拉晓夫数表示自然对流体对流传热的影响无相变时流体在管内强制对流 Nu=0

8、.023Re0.8Prn 指数n与热流方向有关：当流体被加热时，n=0.4；当流体被冷却时，n=0.3。 教材P34例2-32.4 辐射传热2.4.1辐射传热的基本概念 辐射物体以电磁波的方式向外传递能量的过程由于热的原因而发生的辐射 热辐射取决于温度 能被物体吸收并转变成热能的部分电磁波 热射线辐射传热物体之间相互辐射和吸收热过程的总效果 热辐射的特点任何物体，只要温度高于0K，就会不停地向周围空间发出热辐射。伴随能量形式的转变。热射线的传播具有与光同样特性，不需要传热介质。物体对热辐射的吸收、反射和穿透 当热辐射投射到物体表面上时，一般会发生三种现象，即吸收、反射和穿透。黑体：A=1，全吸

9、收白体：R=1，全反射透热体：D=1，全透过大多数的固体和液体：D=0，A+R=1气体：R=0，A+D=1辐射力辐射力E：单位时间内，物体的单位表面积向半球空间发射的所有波长的能量总和。单色辐射力E：单位时间内，单位波长范围内(包含某一给定波长)，物体的单位表面积向半球空间发射的能量。黑体一般采用下标0表示2.4.2 黑体辐射的基本定律黑体：是指能吸收投入到其面上的所有热辐射能的物体，是一种科学假想的物体，现实生活中是不存在的。但却可以人工制造出近似的人工黑体。黑体模型黑体辐射的基本定律Planck定律 Wien定律Stefan-Boltzmann定律Planck定律黑体单色辐射力与波长和温度

10、的关系。 波长，m ； T 黑体温度，K ；c1 第一辐射常数，3.74310-16 Wm2c2第二辐射常数，1.438710-2 WK；由此可得的关系某一波长的单色辐射能力随温度升高而增大；在某一温度下，其辐射辐射能力随波长而变化：0，E，00；，E，0； 达到最高值后，E，0温度越高，最大辐射强度的波长越短 。当温度提高时，最大单色辐射力向短波方向移动，在辐射总能量中可见光的份额增加，热物体的亮度相应提高，依次出现红，黄，白。 Wien定律 最大辐射强度的波长与绝对温度的乘积为一常数。 Stefan-Boltzmann定律黑体的辐射力与温度的关系：C0：Stefan-Boltzmann常数

11、，5.67 说明黑体的辐射力与其热力学温度的四次方成比例，所以又称为四次方定律。2.4.3 实际固体和液体的辐射特性 真实物体表面的发射能力低于同温度下的黑体；因此，定义黑度：相同温度下，实际物体的半球总辐射力与黑体半球总辐射力之比: 可得实际物体辐射力E：实际固液体的吸收特性 当外界的辐射投入到物体表面上时，该物体对投入辐射吸收的情况又是如何呢？Semi-transparent medium几个概念单色吸收率：物体对某种波长辐射能的吸收率称为单色吸收率，用A表示。投射辐射：单位时间内，外界投射到单位表面积上的总辐射能，用G表示。G表示波长为的单色投射辐射。吸收率：物体对投射辐射所吸收的百分数

12、，通常用A表示。 一般而言，实际物体的单色吸收率与投射辐射的波长有关。为了简单化，定义： 灰体：光谱吸收比与波长无关的物体称为灰体。即，不管投入辐射的分布如何，吸收率A都是同一个常数。有关辐射的几个概念本身辐射物体向外辐射的能量投射辐射其它物体投射到物体的辐射能量反射辐射物体反射的部分投射辐射能量有效辐射物体的本身辐射加上反射辐射Kirchhoff 定律发射辐射与吸收辐射的特性的联系？1859年，Kirchhoff 用热力学方法提出了Kirchhoff 定律。当系统处于热平衡时，2.4.4 气体与固体间的辐射传热气体辐射的特点：气体辐射与成分有关，热工计算中时，主要考虑烟气中CO2、H2O两组

13、分的辐射。气体的辐射和吸收对波长有选择性。气体的辐射和吸收是在整个容器中进行。气体的R0，A+D1 。气体的黑度 气体的辐射力与同温度下黑体的辐射力之比实验表明，气体的辐射与固体辐射相差很大：其中 为气体层的厚度，或称射线行程长度。修正 即:烟气的黑度 ： 分压修正系数， 气体相互吸收修正系数402)100(2gCOCOTCEe=40)100(22gOHOHTCEe=据公式画出二氧化碳的黑度和水蒸气的黑度图 ，使用时直接查图。气体的吸收率 气体的吸收率不仅和本身温度有关，而且还与投射在气体上的辐射能的光谱有关，这又与固体壁的温度有关。当气体温度Tg=TwKirchhoff 定律可得：当两者温度

14、不同时条件黑度：烟气的吸收率 ：据CO2的黑度图查得据H2O的黑度图查得近似计算可不修正烟气与器壁间的辐射传热假设气体的器壁为黑体，则气体各器壁间的辐射传热为气体的本身辐射与吸收辐射之差：因为器壁为黑体，则则：假设器壁黑度为 ，由于反复多次的反射和吸收，使得器壁的有效黑度大于 器壁的有效黑度：w0.8故，在实际解题时，一般采用：教材P45-46例2-25强化辐射传热的措施适当提高烟气温度。增大烟气与物料接触的表面积，提高物料的黑度；采用反射隔热罩，减少辐射热损失。提高烟气的黑度 。2.5 综合传热 在工程实际所遇到的传热现象中，往往是两种或三种基本传热方式同时存在，这种由几种传热方式同时存在的实际传热过程称为综合传热。传热的基本方程：Q=KFT=KF（T1-T2）K：传热系数传热系数导热：对流：辐射：平壁的综合传热 炉内以对流和辐射并联联合传热，将热量传给炉的内壁面。在炉壁内通过传导传热，将热量以炉的内壁面传到炉的外壁面，它与炉内对流与辐射传热相串联。炉外通过对流与辐射并联联合传热，将热量从炉的外壁面传到大气中，它与炉壁内的传导传热相串联。特点传导、对流、辐射三种传热方式同时存在；并联、串联的联合传热同时存在。总传热系数K：教材P48例2-6作业有一高温炉，炉内温度高达1000以上，炉内有