传热1(多)

1第四章传热（多）第一节概述一、定义：由温度差引起的能量转移过程称为热量传递过程或传热过程，简称传热。二、传热现象：几乎无时不有，无处不在。因为温差几乎无时不有，无处不在。三、传热原理的应用：十分广泛。尤其在能源动力、化工冶金部门。化学过程单元操作设备管道废热利用四、问题类型提高（强化）传热速率降低（削弱）传热速率五、传热状态稳态（定常）传热：各点温度不随时间而变非稳态（非定常）传热：否则六、传热基本方式（传热机理）1．热传导（导热）(conduction)：由微观粒子（分子、原子、离子和电子）的微观运动传递热量的过程。遵循相同的传热原理2金属，自由电子的运动。固体分子晶体，分子的振动。非金属原子晶体，原子的振动。晶格结构的振动，弹性波。离子晶体，离子的振动。液体，分子的不规则热运动（布朗运动），介于气体与非金属之间。气体，分子的不规则热运动（布朗运动）。2．热对流（对流）(convection)：由流体质点的宏观运动传递热量的过程。由于同时存在分子不规则热运动，所以对流必然伴随导热。自然对流：宏观运动由流体密度差引起，而密度差由温度差引起。强制对流：宏观运动由外力（泵、风机、位差、压差等）引起。3．热辐射（辐射）(radiation)：由电磁波传递热量的过程。在实际问题中，传热方式很少单独存在，常常两种或三种共存。七、换热器的类型：间壁式、混合式（图4-1）、蓄热式（图4-2）。八、典型间壁式换热器：套管式（图4-4）和列管（壳管）式（图4-5、4-6）。九、间壁式换热器中的传热方式：对流导热对流1t2t1T2TTTwTwtttee3十、载热体：提供或取走热量的流体。1．加热剂：提供热量的载热体。热水、饱和蒸汽、矿物油、联苯、熔盐、烟气（表4-1）。或电。2．冷却剂：取走热量的载热体。冷水、空气、盐水、液氨(-33.4C)（表4-2）。或氟里昂、液氮(-195.78C)、液氦（-268.95C，4.2K）。第二节热传导一、傅立叶定律：在物体内任何一点，沿任一方向（通过该点等温面垂直方向）的导热热流密度（单位时间内垂直通过单位面积的热量）与该方向上的温度变化率（梯度）成正比，即ntdSdQqq——n方向的导热热流密度，W/m2；Q——n方向的导热传热速率或热流量，W，J/s；S——与热流方向垂直的导热面积，m2；——导热系数，W/(mK)，W/(mC)；nt——n方向的温度变化率（梯度），K/m，C/m；式中负号表示热量传递的方向指向温度降低的方向。二、导热系数：表征物质导热能力的物性参数。1．固体(1))/(2000,,,0,)/(427,,,0,)1(20,20,0KmWtaKmWtataCCAg金刚石非金属金属电阻是铜的211088.5倍(2),p2．液体(1)金属液体：,t(2)非金属液体（除水、甘油外）：t,（略减小）4(3),p(4)有机化合物水溶液的导热系数估算式为iima9.0式中ia——组分i的质量分率。(5)有机化合物互溶混合液的导热系数估算式为iima3．气体(1),t(2))102,3()1023(,55kPaporkPapkPapkPap(3)常压下气体混合物的导热系数估算式为3/13/1iiiiimMyMy式中iy——组分i的摩尔分率。iM——组分i的摩尔质量，kg/kmol。4．一般规律(1)非金金(2)gls(3)非晶晶(4))(气体除外混纯5．的方向性各向同性物质：与方向无关各向异性物质：否则5三、通过平壁的导热1．单层平壁如图所设，且假定为常数，则将一维稳态条件用于傅立叶定律：ntq得dxdtq所以constqdxdt，t与x成线性关系。或dtqdx沿x方向定积分，得210ttbdtqdx而由一维稳态条件，知q与x无关，dSdQqdSdQqdQdQ221121,所以210ttbdtdxq所以bttq)(21而dSdQq所以dSbttdQ21——单层平壁微分导热公式沿平面定积分，得SSQdSbttdSbttdQ0210210所以bttSQ21——单层平壁导热公式传递过程有共同规律：过程阻力过程动力过程速率如欧姆定律tz,Oxxdxb1t2ttdttdSb1dQ2dQ6)()()(,,秒库仑安培sCAtqIRVI将单层平壁公式改写为SRtSbttRtSbttbttSQ212121式中21ttt——温差，K，C；SbR——热阻，K/W；bR——热阻，m2K/W。2．多层平壁以三层平壁为例，如图所设，且假定为常数，及层与层之间接触良好，没有接触热阻，则由单层平壁公式，得SbQtttSbQtttSbQttt333433222322111211而由一维稳态条件，得321QQQQ所以相加并整理，得32141332211321RRRttSbSbSbtttQ或niinniiinRttSbttQ1111111b2b3b1t2t3t4ttz,xOQ1237四、通过圆筒壁的导热1．单层圆筒壁如图所设，且假定为常数则将一维稳态条件用于傅立叶定律：ntq得drdtdSdQq或drdtrdLdQdSdQ2所以rdLdQdrdt2，t与r成非线性关系或dtrdrdLdQ2沿r方向定积分，得21212ttrrdtrdrdLdQ而由一维稳态条件，知dLdQ与r无关，dLrdQqdLrdQq，dLdQdLdQ，dQdQ222111212122但所以21212rrttdtrdrdLdQ所以)(2ln2112ttrrdLdQdLrrttdLrrttdQ12211221ln1)(2ln)(2——单层圆筒壁微分导热公式整理1221121222ln)(2rrttdLrdLrrrdLdQmdSbttrrttdSdSdSdSdQ2112211212ln——单层圆筒壁微分导热公式tz,Or1t2ttdtt1r2rrdrdLb8式中1212lndSdSdSdSdSm——对数平均微元面积，m2；当21dSdS时，21dSdSdSm。沿柱面定积分，得LLQdLrrttdLrrttdQ01221012210ln)(2ln)(2所以12211221ln1)(2ln)(2rrttLrrttLQ——单层圆筒壁导热公式整理1221121222ln)(2rrttLrLrrrLQRtSbttbttSrrttSSSSQmm212112211212ln——单层圆筒壁导热公式式中1212lnSSSSSm——对数平均面积，m2；当21SS时，21SSSm。21ttt——温差，K，C；mSbR——热阻，K/W。课堂练习：设at0，试求单层圆筒壁的导热传热速率计算公式。解：由ntq得drdtdSdQqdrdtrdLdQdSdQ2dtrdrdLdQ2沿r方向定积分，得921212ttrrdtrdrdLdQ2121)(20rrttdtatrdrdLdQ所以21)2(2ln2012tttatrrdLdQ2121021221201222)(2)(2lnttttattattrrdLdQ得1221122101221210ln)(2ln))((2ln)(22rrttdLrrtttadLrrttttadLdQ1221122101221210ln)(2ln))((2ln)(22rrttLrrtttaLrrttttaLQ所以当与t成线性关系时，只要将导热公式中的用算术平均温度t下的代替，即可求解变导热系数的导热问题。否则，要用积分平均值代替。2．多层圆筒壁与多层平壁同理可得343232121413332221114132141ln1ln1ln1)(2rrrrrrttLSbSbSbttRRRttQmmm或niiiinnimiinniinrrttLSbttRttQ1111111111ln1)(2tz,Or1t2t1r2rL3t4t3r4r123Q10第三节对流传热一、传热方式和温度分布1．层流导热非线性层流底层区导热近似线性2．湍流过渡流区导热与对流非线性湍流主体区对流为主近似水平线二、牛顿冷却定律（对流传热系数的定义）：当流体流过固体壁面时，通过流体且与壁面垂直的对流热流密度与壁面温度和流体温度的差成正比，即)(),(ttdSdQqTTdSdQqwxxwxx或dSttdQdSTTdQwxwx)(,)(式中qx——局部对流热流密度，W/m2；Q——对流传热速率或热流量，W；S——与流体接触的固体传热面积，m2；x——局部对流传热系数，W/(m2K)；tw，Tw——分别为冷热流体侧的局部壁温，K，C；t，T——分别为冷热流体的有限空间内局部截面平均温度或大空间中流体主流温度，K，C。三、对流传热系数x牛顿冷却定律实质上是对流传热系数的定义式，对流传热系数是表征对流传热能力的参数，与流体物性及流动状态等有关。对流传热系数的一般范围见表4-5(P221)。后面将详细讨论对流传热系数的计算。四、x的物理意义以管外冷流体湍流流动为例，则有效膜（层流底层温度分布线延线和截面平均温度线的交点到壁面的流体层）很薄。设有效膜内的流体按层流流动，则11由单层圆筒壁微分导热公式：mdSbttdQ21得oewmewdSttdSttdQ比较owxodSttdQ)(得exo所以x的物理意义是导热系数与有效膜厚度之比。(若为层流，则oommdSdLrdLrdS22，eomxorr，Re)五、热边界层1．形成当流体流过与其温度不同的壁面时，因其本身受热或冷却而使壁面附近流体的温度发生变化，从而产生温度梯度。热边界层（温度边界层）：壁面附近存在温度梯度的流体层t，一般取热边界层外缘的过余温度)(99.0wwtttt。主流区：边界层以外的区域。2．发展（限于管内）与流动边界层类似，热边界层的形成也有一个发展的过程，但热边界层在充分发展后因传热过程的继续而不能形成稳定的热边界层，最后会消失。虽然管道内充分发展后的热边界层（温度分布）不能稳定，但局部对流传热系数x可以基本稳定。因为对流传热系数取决于层流底层的厚度，见x的物理意义。uwttt12进口段（稳定段）：从进口处到局部对流传热系数x基本稳定的这一段距离。若流动边界层在管中心汇合时仍为层流，则x从进口处开始降低到某一极限值后基本上保持恒定。若汇合前已发展为湍流，则在层流向湍流过渡时，x有所回升，然后趋于恒定。当湍流十分激烈时，进口段的影响即消失。13第四节传热计算一、能量衡算（忽略热损失）1．基本热量衡算式)()(1221ccchhhHHWHHWQ2．无相变时热量衡算式dtcWdTcWdQpccphh)()(1221ttcWTTcWQpccphh3．有相变时热量衡算式)(12ttcWrWQpcchhccphhr