4-4-1热传导、对流.ppt

1、第四章 传热（heat transfer）,41 概述 一、热交换在生产加工过程中的作用 1、满足生产工艺要求 2、废热的回收利用 3、设备的保温（或保冷）,二、热交换的基本方式和传热速率 1.传热的基本方式 (传导、对流、辐射) 2.热交换的方式 直接接触式、间壁式、蓄热式,3 .间壁式换热器中的传热过程 壁面 热流体 冷流体 Q,传热过程为： 热流体 壁面 另一侧壁面 冷流体,对流,传导,对流,工业生产中常用的两类间壁式换热器 板式换热器,管式换热器,4.传热速率（heat transfer rate） 传热速率（热流量）Q，单位：J/s （W） 热流密度（热通量）q，单位：J/sm2 q

2、 = dQ /dA,三、传热的条件和方向 1.传热的必要条件（温度差的存在） 2.传热的方向,自动进行,高温 低温,本章主要内容： 1、通过固体壁面的热传导 2、对流给热 3、间壁式传热计算* 4、热交换器,42热传导（conduction）,一、 基本概念和付立叶定律 1、温度场(temperature field) 系统中各点温度分布总和，可用以下函数式表示： t = f (x、y、z、) 稳态温度场 t = f (x、y、z) 一维温度场 t = f (x、) 一维稳态温度场 t = f (x) t t+t 2、温度梯度(temperature gradient) gradt=lim（t

3、/n） grad t n 0 Q n 一维稳态热传导 grad t=d t/d x,3、付立叶定律（Fouriers law） 据大量实验结果有 q grad t 对于一维稳态热传导有 q d t/d x,引入比例系数有 q =-d t/d x 或 Q =-Ad t/d x 式中 A传热面面积，m2； 导热系数，W/m K（ W/m ）。,4、导热系数（thermal conductivity） 物理意义： 影响因素：物质的组成、结构、密度、温度、 压力 物质的导热系数可由实验测定，,通常，金属 非金属 液 气,(1)固体的导热系数 金属 = 4203 W/m (或 W/mK ) 非金属 =

4、10.02 W/m（常温常压下）,(A)对于大多数均质的固体 = 0(1+t) 式中 - t 温度下固体的导热系数, W/m; 0- 0下固体的导热系数, W/m; -温度系数, 1/ ; t -固体的温度, .,（B） t 金属，非金属； 纯度 金属及非金属 （C）绝热材料的通常 0.2 W/m （D）热传导过程物质的导热系数通常按平均值计算,(2)液体的导热系数 非金属液体 = 0.090.9 W/m 水 = 0.6 W/m（常温常压下）,(3)气体的导热系数 气 = 0.0060.4 W/m 空气 = 0.02 W/m（常温常压下）,二、定态热传导 特点：Q为定值。,1、通过单层平壁的定

5、态热传导 Q的计算 根据Q=-Ad t/d x ， 当按常量计时， 分离变量积分： d t=-（Q/A）d x 积分上下项为 x=0，t=t1 ； x=，t=t2,0 x,Q,t1,t2,则 t1 t2 t Q = = /A R 式中：t导热推动力；R=/（A）导热热阻。, 平壁内的温度分布（tx关系） 当按常量计算时 ，有 t = t1 -（Q/A）x tx关系为线性关系,2、通过多层平壁的定态热传导, Q的计算（三层平壁） 根据Q=Q1= Q2 = Q3 有： t1 t2 t2 t3 t3 t4 = = 1/1A 2/2A 3/3A,1 2 3,t1 t2 t3 t4,Q,根据加比定律有：

6、 t1 t4 Q = 1/1A +2/2A +3/3A,同理可得，通过n层平壁的方程式为 t1 t n Q = i/i A, 多层平壁内的温度分布（tx关系） 当1、2、3按常量计算时，每一层中tx呈线性关系，且热阻大的壁层，分配于该层的温度差亦大。,3、通过单层圆筒壁的定态热传导 与平壁的区别：圆筒壁的传热面积不是常量，随半径而变，同时温度也随半径方向变化。 导热速率 设：r1 圆筒内径， r2圆筒外径， 壁厚=r1-r2 ， L 圆筒长度 t1内壁温度， t2外壁温度， 且t1t2， 传热速率方向垂直于流体流动方向。,Q,此时，付立叶定律可写成 Q =-Ad t/d r=-2r L d t

7、/d r,将上式分解变量积分得 Q = 2L（t1 t2）/ln（r2/r1）,可将上式整理成与平壁导热相类似的形式： 设 Am= 2 L （r2-r1）/ l n（r2/r1） = 2r m L,则有 t1 t2 t Q = = /Am R 式中: Am为对数平均面积。 当A2/A1 2时，可取算术平均值。,4、通过多层圆筒壁的定态热传导 与多层平壁相似，对于n层圆筒壁，有 t1 t n Q = i/（i Ami）,5、接触热阻 当两种以上的保温材料一起使用时，由于接触面不可能完全光滑，层与层之间总是存在着一定的空隙，即有一空气薄层存在。这一空气薄层产生的热阻，称为接触热阻。 接触热阻对保温

8、有利。, q=32.5 w/m2 q=17.9 w/m2,例有一单层平壁，=0.24m，=0.52w/m， A=1 m 2，t1=15，t2=0 。 求q=? 将原单层分成两层1=3=0.12 mm， 2=9mm，1=3=0.52w/m， 空气=0.024 w/m，且内外壁温度不变， 求q=?,43 对流传热,一、基本概念及牛顿冷却定律 （一）对流传热过程分析,冷流体,Q,t,tW,（二）对流传热过程的分类 流体无相变化的对流传热过程， 强制对流传热 自然对流传热 发生相变化的对流传热过程 蒸汽冷凝传热 液体沸腾传热,此外，根据流动情况又可分为层流与湍流。,（三）牛顿冷却定律和对流传热系数,工

9、程上将对流传热的热流密度写成如下形式： 流体被加热时 q=(tW -t) 或 Q=A(tW -t) 流体被冷却时 q=(T- TW) Q=A(T- TW) 式中 对流传热系数，w/（m2）； tW 、TW 壁面温度，； t 、T流体的平均温度，； A传热面的面积， m2 。,以上两式称为牛顿冷却定律。 注意：,二、影响对流传热系数的因素及准数关系式,流体无相变化时，影响因素有： 流体的物理性质 、cp、和体积膨胀系数等； 强制对流的流速，u； 自然对流的特征速度 可用单位体积流体由于密度不同所产生的浮力gt表征； 固体表面的特征尺寸，用L表示。,则用函数形式表示为： =f（u、L、cp、gt）

10、 准数方程式（ 由无量纲量组成的准数关系式，由量纲分析得） Nu=AReaPrbGrc,各准数的意义: Re 雷诺数 Re =d u/ 表示流体的运动状态对对流传热的影响。 Nu 努塞尔数 Nu = L/ 表示对流使传热系数增大的倍数（相对于纯导）。 Pr 普朗特数 Pr = cp/ 表示流体物性对对流传热的影响。 Gr 格拉斯霍夫数 表示自然对流对对流传热的影响。 以上准数关系式中的A、a、b、c需通过实验确定。,使用实验方程式Nu=AReaPrbGrc （经验关联式）时应注意： 1、适用范围 2、定性温度 3、特性尺寸,三、无相变的对流传热系数的经验关联式,（一）园形直管内强制湍流的对流传

11、热系数 Nu= A Rea Prb,通过大量实验发现，在下列条件下： Re10000； 0.73040。 上式中的A=0.023, a=0.8，当流体被加热时b=0.4， 当流体被冷却时b=0.3，,即 Nu=0.023Re0.8Prb 或 =0.023（/d ）Re0.8Prb,式 =0.023（/d ）Re0.8Prb 特性尺寸：管内径d， 定性温度：流体进、出口温度的算术平均值。,*1当流体一定、定性温度一定时 u0.8 = B d0.2,*2 uQ dQ,*3 如果以上所列条件得不到满足，对按上式计算所得的结果适当加以修正。,（1）对于高粘度液体 =0.027（/d ）Re0.8Pr

12、0.33 （/w）0.14 式中 液体在定性温度下的粘度； w液体在壁温下的粘度。 适用范围是： Re104； L/d3040； Pr=0.5100的各种液体（不适用于液体金属）。 特性尺寸：管内径d； 定性温度：除w以外，其余都取液体进出口温度的平均值。 （/w）0.14可以按下式取值： 液体被加热时 （/w）0.14=1.05 液体被冷却时 （/w）0.14=0.95,当L/d 1 当Re=200010000时 层流内层较厚，热阻大而小，用前式计算的结果应乘以校正系数f，且 f =1- 6105/ Re1.8 f 1,非圆形直管对流传热系数 非圆形直管对流传热系数的计算有两个途径。 一是沿

13、用圆形直管的计算公式，而将式中的定性尺寸用当量直径de代替。 当量直径可按下式计算 de = 4 A / 为湿润周边的长度。 该法比较简单，但准确性欠佳。 另一方法是直接根据实验得到计算非圆形直管内强制对流传热系数的经验公式。,（二）园形直管内强制层流的对流传热系数 Nu=1.86（RePrd/L）1/3（/w）0.14 适用范围：Re 10 。 特性尺寸：管内径d。 定性温度：除w以外，都取液体进出口温度的算术平均值。,（三）管外强制对流的对流传热系数 （P128129） Nu=CRen Pr 0.4 C、n值与管子数及管子排列方式有关。,(四)大容积自然对流的对流传热系数,四、冷凝传热与沸

14、腾传热,(一)冷凝传热 1、冷凝传热过程 膜状冷凝与滴状冷凝 冷凝过程热阻 2、冷凝传热系数,垂直圆管外的冷凝传热系数 层流时的平均冷凝传热系数 高度 2g r3 =1.13（）1/4 Lt 特性尺寸：管长L 定性温度：膜温（tS与tW的算术平均值），r 取tS下的数值。,湍流时冷凝传热系数 2g r3 4Lt =0.0077（）1/4 （）0.4 Lt r,水平圆管外的冷凝传热系数 2g r3 =0.725（）1/4 dt 特性尺寸： 定性温度：,*水平圆管与垂直圆管的传热系数之比为 水平 L = 0.64（）1/4 垂直 d,水平管束外的冷凝传热系数 2g r3 =0.725（）1/4 n

15、2/3dt 式中 n为管束在垂直方向上的管排数,3、影响冷凝传热的因数及强化措施 不凝性气体的影响 蒸汽过热的影响 蒸汽流速的影响 冷凝传热过程的强化,（二）沸腾传热 1、沸腾传热过程 2、沸腾传热系数 3、影响沸腾传热的因素 液体和蒸汽的性质 加热表面的粗糙情况的表面物理性质 操作压强和温差 4、沸腾传热过程的强化 从加热表面和沸腾液体两方面入手,43 热辐射,一、基本概念,1、热辐射 辐射与热辐射 热辐射线的特点,2、吸收率A、反射率R、穿透率D Q=QA+QR+QD QA QR QA 即 + + = 1 Q Q Q 可写成 A + R + D = 1,3、黑体 A=1 4、灰体 A +

16、R =1， 且对各种波长辐射能均能同样吸收的理想物体。,Q QR,QA,QD,二、固体辐射,1、黑体的辐射能力Eb 定义：,（Stefan-Boltzmann）定律： Eb=O T4 式中 Eb 黑体辐射能力，W/m2； O 黑体辐射常数，5.6710-8W/（m2K4）； T 黑体表面的绝对温度，K。 上式通常表示为 Eb= CO （T/100）4 CO 黑体辐射系数，5.67 W/（m2K4）。,上式表明：辐射传热对温度异常敏感；低温时热辐射 往往可以忽略，而高温时则往往成为主要的传热方式。,2、实际物体的辐射能力E E Eb = E/ Eb 物体的黑度，表示物体辐射能力接近黑体的程度。

17、与物体的表面温度、种类、表面状况有关，是物体 的一种性质。 E= Eb =CO（T/100）4,3、灰体的辐射能力和吸收能力 与实际物体一样，灰体的辐射能力可用黑度来 表征，其吸收能力用吸收率A来表征。 克希荷夫（Kirchhoff）从理论上证明，对于同 一种灰体， = A 或 E/A= Eb,4、两固体间的辐射传热 两固体间的辐射传热速率与两固体的吸收率、反射率、形状及大小、两固体之间的距离和相互位置有关。 可用下式计算。 Q12= AC1-2（T1/100）4 -（T2/100）4 式中 C1-2总辐射系数，W/（m2K4）； 几何因子或角系数； A辐射面积，m2； T1较热物体的温度，K

18、； T2较冷物体的温度，K。,5、影响辐射传热的主要因素 （1）温度的影响 （2）几何位置的影响 （3）表面黑度的影响 （4）辐射表面之间介质的影响,6、设备热损失的计算 当设备外壁温度高于周围环境温度时，热量将由壁面以对流和辐射的形式向周围散失，故总的散热量应按下式计算。,由对流散失热量为： QC=CAW（tW-t） 由辐射散失热量为： QR= AC1-2（T1/100）4-（T2/100）4,上式可写成以下形式 AWC1-2（T1/100）4-（T2/100）4 QR = （tW-t） （tW-t） QR =R AW （tW-t）,总散热量为 Q = QC+QR =（C +R）AW （tW

19、-t） =TAW （tW-t） 式中： T= C +R称为对流辐射联合传热系数，W/m2K。 T 可根据有关近似公式计算。,44 稳态传热计算,一、稳态传热过程及载热体 1、稳态传热过程 热流体 壁面 另一侧壁面 冷流体,2、载热体 加热剂 冷却剂,二、稳态传热速率方程,热流体 冷流体 T t Q,1、平壁面 根据Q = Q1 = Q2 = Q3 有 T-Tw Tw tW tW-t = = 1/1A / A 1/2A,根据加比定律有： T -t Q = 1/1A + / A + 1/2A 上式可写成 Q=KA（T-t）= KAT,Q=KA（T-t）= KAT 其中 K 传热系数，W/m2K，

20、1 K = 1/1 + / + 1/2 T热冷流体温度差，K。,2、圆筒壁 同理可得 Q= KA（T-t）= KAT 其中 1 KA= 1/1 A1+ /Am + 1/2A2 *相应的KA有KA1、 KAm 、KA2。,Q=A(tW t ) Q=KA（T t ） 传热速率方程式与牛顿冷却定律比较可知： 对流传热膜系数同流体与壁面温差相联系， 而传热系数K则同冷、热流体的温度差相联系。 用传热速率方程式计算传热速率可以避开未 知的壁温。,三、稳态传热计算,式Q=KA（T-t）= KAT的应用,1、Q的确定（热量衡算） Q = Q放 = Q吸 Q = GC（h1 - h2） = Gh（H1 - H

21、2） 没有相变化的过程 Q = GC CPC（t2 - t1） = Gh CPh（T1 T2） 一侧有相变化的过程（饱和蒸汽加热物料） Q = GC CPC（t2 - t1） = Gh r,2、传热平均温度差T的计算,（1）根据壁面两侧流体的温度变化情况，可将传热分为 恒温传热 T = T - t 变温传热 一侧变温传热与两侧变温传热 相对流动方向分：顺流、逆流、折流、错流,等温传热 一侧变温传热 两侧变温传热（顺流） 两侧变温传热（逆流）,（2）变温传热时平均温度差的计算 （以变温逆流传热为例）,如上图，取微元管段dL，其传热面积为dA，则 dQ =KT dA （微元管段内T可视为不变） 且

22、 dQ= GC CPC dt = Gh CPh dT,有 dQ/dt= GC CPC =常量 dQ/dT= Gh CPh =常量 即 QT及Qt为线性关系，,则QT也为线性关系。 且 dQ/dT=Q/（T1-T2） 将 dQ =KT dA 代入上式,KT dA/dT=Q/ （T1-T2）,分解变量积分 dA= Q/K（T1-T2）dT /T A = Q/K（T1-T2）Ln（T1/T2） Q =K A（T1-T2）/Ln（T1/T2）,与传热速率方程 Q=KAT 比较得， T1-T2 T= = Tm Ln（T1/T2） Tm对数平均温差。,* T1，T2为换热器进出口处两侧流体温度差。 计算时

23、应注意，通常将温差较大者作为T1 。 * 当T1/T22时，可用算术平均值代替对数平均值。 * 对于其它变温传热过程Tm计算式照样成立。,（3）相对流动方向对Tm的影响 Tm逆 Tm并 （4）对数平均温度差的修正 Tm =Tm逆 =f（R、P） 其关系根据实验测定（见教材） R=（T1-T2）/（t2-t1） P=（t2-t1）/（T1-t1）,3、传热系数 确定方法：根据计算式计算 根据生产经验取值 根据实验测定,（1）传热系数计算式 根据传热速率方程式，传热系数计算式有以下几种形式。 平壁： 1 K = 1/1 + / + 1/2 圆筒壁： 1 KA1 = 1/1 + A1 /Am + A

24、1/2 A2,考虑垢层热阻： 1 K = 1/1+ R1+ /+ R2+ 1/2 R1 、 R2分别为两侧壁面的垢层热阻（根据经验定） 薄壁管： 1 K = 1/1 + 1/2,（2）传热系数与热阻 R=1/K 总热阻为各串联环节的热阻叠加而成，原则上减小任何环节的热阻都可以提高传热系数。但是，当各环节的热阻具有不同数量级时，总热阻数值将由其中最大热阻所决定。,当套管换热器，当壁面、垢层热阻可忽略时： 若1 2 ， 则 K2 1/2 称为控制热阻。 若2 1 ， 则 K1 1/1 称为控制热阻。,*K值总是接近热阻较大的一侧流体与壁面的对流 传热膜系数。 *要减小热阻，关键是减小控制热阻。,例

25、：热空气在冷却管外流过，2 =90W/m2K）。冷却水在管内流过，1 =1000W/（m2K），冷却管外径d2=16mm，壁厚=1.5mm，=40W/（mK）。 试求： 1、传热系数 2、管外膜系数2增加一倍，K值有何变化？ 3、管内膜系数1增加一倍，K值有何变化？,（1）80.8 Wm-2K-1 （2）147.4 Wm-2K-1 （3）85.3 Wm-2K-1,（3）壁温的计算,根据 T-Tw Tw tW tW-t = = 1/1A / A 1/2A 由于金属壁的热阻通常可以忽略，即TWtW，于是 T-Tw 1/1 2 = = tW-t 1/2 1,此式表明： *传热面两侧温差之比等于两侧热

26、阻之比； *壁温总是接近于热阻较小或较大一侧的流体的温度。,（4）传热系数经验值 （5）传热系数的实验测定,4、传热过程的调节 (传热的强化) 增大有效面积 减小热阻（增大传热系数） 提高传热推动力（增大Tm ）,45 换热器,一、换热器的分类 按用途分： 加热器、冷却器、蒸发器、冷凝器 按热量的传递方式分： 间壁式 直接接触式 蓄热式,二、间壁式换热器 管式：夹套式、套管式、蛇管式、列管式 板式：板式（波纹板）、板翅式、螺旋板式,三、换热器的设计型计算 以某一热流体的冷却为例，说明设计型计算的命题、计算方法及参数选择。,命题方式： 设计任务：将一定流量的流体自T1冷却到T2 。 设计条件：冷

27、却介质温度及冷却介质的进口温度。 计算目的：确定经济合理的换热器的面积及相关尺寸 计算方法：计算Q ；计算Tm ；确定K值；根据 传热速率方程Q=KATm计算传热面积,参数选择： 流体的相对流动方向 冷却剂的出口温度 冷、热流体的流径 选择适当的流速 确定垢层热阻等,四、换热器的操作型计算 操作型计算计算方法： 根据传热速率方程、热量衡算式联立求解。,第一类命题 给定条件：换热器的面积及有关尺寸，冷、热流体的 物理性质，冷、热流体的流量和进口温度 以及流动方式。 计算目的：冷、热流体的出口温度。 计算方法：可根据以上两式将式Q=KATm变换为 线性方程，再用消元法求出冷、热流体的 温度,第二类命题 给定条件：换热器的面积及有关尺寸，冷、热流体的 物理性质，热流体的流量和进出口温度， 冷流体的进口温度以及流动方式。 计算目的：冷流体的流量及出口温度。 计算方法：（需采用试差法） 可先设冷流体的出口温度 t2GC