传热原理-冶金炉热工基础

1第三章传热原理2传热，它是极为普遍而又重要的物理现象。冶金生产过程无论是否伴随化学反应或物态转变，热量传输往往对该过程起限制作用。传热的动力：温差本章研究传热的内容：1.传热方式2.特定条件下传热速率提高传热速率——提高生产率降低传热速率——提高热效率（节能）3导热对流辐射传热方式传热学的任务研究不同条件下热压和热阻的具体内容和数值，从而能计算出传热量大小，并合理地控制和改善传热过程。在学习过程中，首先分别研究各种传热方式单独存在时的传热规律和热阻，然后再扩大到研究一般的实际传热过程。4(1)传导传热（导热）①定义：在一个连续介质内若有温差存在，或者两温度不同的物体直接接触时，在物体内没有可见的宏观物质流动时所发生的传热现象叫导热。②条件：温差、无物质宏观运动。③取决于：物质本身的物性。5（2）对流传热（对流）①定义：有流体存在，并有流体宏观运动情况下所发生的传热叫对流。②条件：温差、有物质宏观运动。③取决于：物质本身的物性、流动状态。6（3）辐射传热（辐射）①定义：物体因受热发出热辐射能，高温物体失去热量而低温物体得到热量，这种传热方式叫辐射传热。②条件：温差、发射电磁波。③取决于：两物体空间位置（角度系数）、表面特性（黑度）。73.1稳定态导热定义：即导热系统内各部分的温度不随时间发生变化，或者说同一时间内传入物体任一部分的热量与该部分物体传出的热量是相等的。等温面：物体内温度相同的所有点联成的面积称为等温面。导热作用是物体内部两相邻质点（如分子，原子，离子）通过热振动，将热量依次传递给低温部分，如炉壁的散热，就存在导热作用。83.1.1导热的基本方程式（傅立叶方程式）如图3-1所示：设两等温面间距离为dx，温差为dt，则传导的热量Q（W），应与温度差及传热面积成正比,而与距离成反比：FdxdtQW得：λ的单位为：CmWmmCWFdxdtQ020./93.1.2导热系数1）单位：w/mc2）物理意义：物体的导热能力，q导热能力3）影响因素：a.物质种类：气：0.006~0.6w/mc液：0.07~0.7w/mc金属：2.2~420w/mc；其中纯银最高，铜、金、铝次之。b.物理状态：温度、压力、密度、湿度等，其中温度是最重要的因素。4）函数：λt＝λ0+btW/m℃导热系数λ：单位时间、单位面积、温差为1C传递的热量，即单位传热量。101、单层平壁的稳定态导热设壁两侧温度分别为t1、t2，壁厚为S。稳定热态下的导热方程：FsttQ21均可见：平壁稳定导热时的“热压”即为壁两侧的温度差，而“热阻”则为：FSR均℃/ww即热阻与壁厚成正比，而与平均导热系数及传热面积成反比112、多层平壁的稳定态导热已知壁内外两侧温度为各层厚度为t1、t3，各层壁厚为S1及S2，导热系数分别为λ1、λ2。假定两层壁为紧密接触，且接触面两边温度相同，并假令其为t2（图3－3）。第一层平壁：第二层平壁：FSttQ11211FSttQ2322假定均为稳定热态，通过物体的热流应相等，即Q1=Q2＝Q12按和比定律得：对平壁，若内外侧面积都相等，也可将F提出：FSFSttFSFS)tt()tt(Q22112122113221FSSttQ221121可看出：通过两层平壁导热的热流等于两层的热压之和与两层热阻之和的比值，即21312121RRttRRttQ13当Q求出后，可求出中间温度t2:FSQtt1112FSQtt1112或可用同样方法证明，通过几层平里的导热量为：WRttQn1ii1n1式中：iiiiFSR14注意：（1）在推导多层平壁公式时，曾假定各层紧密接触，而接触的两表面温度相同。实际中往往由于表面不平滑两相邻面很难紧密贴在一起，而且由于空气薄膜的存在，将使多层热阻增加。这种附加热阻称为“接触热阻”，其数值与空隙大小，充填物种类及温度高低都有关系。（2）当应用公式时，须要确定各层的平均导热系数。因而要知道各接触面的温度。但实际中往往难于测定这些温度。为解决这一问题，一般采用试算逼近法。（a）先假定接触面温度为两极端温度的某种中间值，依此算出Q值后，再验算中间温度（见下例）。（b）若相差太多则以验算结果为第二次假定温度，再算一次。直至两个数值相近为止。153.l.4圆筒壁的稳定态导热1、单层圆筒壁导热平壁导热的特点是导热面保持不变，筒壁导热导热面积不断地增大。假定温度沿表面分布均匀，而且等温面都与表面平行,即温度只沿径向改变。假设（1）圆筒的内半径为r1，内壁温度为t1，半径为r2，外壁温度为t2。（2）温度只沿半径方向变化，等温面为同心圆柱面。在半径r处取一厚度为dr的薄层，若圆筒的长度为L，则半径为r处的传热面积为A=2πrL。16根据傅立叶定律，对此薄圆筒层可写出传导的热量为：RL2drdtQπλW以λ表示平均导热系数，分离变量后积分得：2121rrttrL2drdtQπλ1221rrlnrL21)tt(Qπλ整理后得：121221FFlnFFSttQ式中：1212FFlnFF称为F2与F1的对数平均值。于是均FSttQ21172、多层圆筒壁的导热图3-5多层圆筒壁的导热假设：（1）各层之间接触很好，两接触面具有同样的温度；（2）已知多层壁内外表面温度为t1和t4，各层内、外半径为r1、r2、r3、r4，各层导热系数为λ1、λ2、λ3。（3）层与层之间两接触面的温度t2和t3是未知数。18通过各层的热量：13211rrln1)tt(L2Q23322rrln1)tt(L2Q34433rrln1)tt(L2Q在稳定状态下，通过各层的热量都是相等的，即:Q1＝Q2＝Q3＝Q。19即有：12121rrln1L2Qtt23232rrln1L2Qtt34343rrln1L2Qtt将上面方程组中各式相加得多层总温差：)rrln1rrln1rrln1(L2Qtt3432321214120得热流Q的计算式：34323212141rrln1rrln1rrln1)tt(L2Q同理，几层圆筒壁的导热计算公式为：nini1i1ii1n11i1ii1n1rrlnL21ttrrln1)tt(L2QWRtRttQ1i1n1ni或i1in1iin1iirrlnL21RR式中:21求得各层的接触面温度12112rrlnL2Q-tt)rrlnrrln1(L2QtrrlnL2Q-tt2312112322334343rrlnL2Qtt或（1）多层平壁导热中，温度变化是一条连续的直线；（2）多层圆筒壁中，每一层内的温度是按照对数曲线变化，而整个多层壁内温度变化曲线则是一条不连续的曲线注意22为了简化计算，常把圆筒壁当作平壁计算。WFSttQ1iii1n1ni均iF均——各层内外表面的对数平均值，m2。2FFF1iii均233.2对流给热3.2.1对流给热的分析1、对流给热的机理运动的流体与固体表面之间通过热对流和导热作用所进行的热交换过程，称为对流给热或对流换热。对流给热既具有分子间的微观导热作用，又具有流体宏观位移的热对流作用，所以必然受导热规律和流体流动规律的制约，是一个较复杂的热传递过程。242、几个名词c、传热边界层a、流体边界层（动力边界层）b、主流流体在流动时，与固体接触的表面出形成一个流速近似等于零的薄膜层，从这个薄膜层到流速恢复远方来流速的区域就是流体边界层。基本上没有速度梯度的流体部分称为“主流”或“流体核心”。在有放热现象的系统中，流体与固体壁面的温度降主要集中在靠近边界的这一薄膜层内，这种有温度变化（即温度梯度）的边界层称为“传热边界层”。当流体的紊乱程度较大时，边界层内的一部分流体由层流变成紊流。只是靠近固体壁面处，仍然保持一层小小的作层流流动的薄膜层，即“层流底层”或叫“层流内层”。253、对流给热的分析（1）流体流经固体壁面时形成流体边界层，边界层内存在速度梯度；（2）当形成湍流边界层，在此薄层内流体呈层流流动。因此在层流内层中，沿壁面的法线方向上没有对流传热，该方向上热的传递仅为流体的热传导。（3）在湍流主体中，层流内层流体质点剧烈混合并充满了漩涡，湍流主体中的温度差(温度梯度)极小，各处的温度基本上相同。（4）在湍流主体和层流内层之间的过渡层内，热传导和对流传热均起作用，在该层内温度发生缓慢的变化。264、对流给热的分类根据流动的原因不同，可将对流给热分为两大类：自然对流给热和强制对流给热。在自然对流给热中，流速主要取决于其内部的温度差，所以Q对也主要取决于温度差的大小；在强制对流给热中，Q对直接受到流速的极大影响。此外，在给热过程中，如果伴随有流体的相变发生（如沸腾、凝结），则Q对就不仅仅取决于温度差和流体的流动状态了，而更主要的将是流体的汽化（或液化）潜热的大小和产生新相的性质。273.2.2无相变时的对流给热公式（牛顿公式）对流给热量Q可用下面的公式表示：WF)tt(Q21对F)tt(Q21对由上式可得：α对的物理意义：当流体与壁面的温差为1℃时，单位面积上单位时间内的对流给热量，它的单位是W/m2·℃。牛顿公式的局限：只给出了计算对流给热的方法，但未解决对流给热的计算问题。28WF1ttQ21对C/WF1R0对把对流给热量写成欧姆定律的形式：对流给热的热阻：293.2.3对流给热系数的确定及相似理论在对流给热中的应用1、相似的概念所谓同类现象，是指不但现象的性质相同，而且还能用同样形式和同样内容的方程式来描述。同类现象相似的条件是：不同现象之间，在空间上相对应的各点，在时间上相对应的瞬间以及表征现象特性的同类物理量之间各自成常数比例。在空间相对应的各点是指几何相似；在时间上相对应的瞬间是指时间相似；同类物理量之间各自成常数比例是指物理量的相似。302、相似准数的物理意义A、几何相似准数相似比C1相等的两个三角形必相似。C1就称为几何相似准数。它是表征体系几何形状特点的无因次数群。B、雷诺准数Re在流体流动中决定流动性质的就是惯性力与粘性力之比.C、格拉斯霍夫淮数Gr在系统的几何相似条件下，如果两流体的格拉斯霍夫准数Gr相等，则表明它们自然对流发展的程度是完全相同,Gr的物理意义就是以其值的大小来表征流体自然对流发展的程度。31D、奴歇尔准数Nu为了表明流体因扰动与混合作用的换热量（即纯对流）到底发展的程度如何，就必须从纯对流与导热两者同时作用并从它们的相互关系中去考虑整个对流给热过程才能真实说明问题的实质。也就是应当从与相对比例中去加以考虑才能得出正确结论E、普朗将准数Pr不同的流体本身有着自己的物理特征，Pr数是反映流体本身物理特性的准数，它的定义式为：λρνανpCPr若两物理现象相似，则其同名相似准数相等，此即相似第一定理。323、准数方程（相似第二定理）相似第二定理（亦称π定理）：描述一组相似现象的每个变量间的关系，把这种相似准数之间的函数关系叫做“准数方程”。从上面对相似准数的物理意义讨论中已经知道：Nu数代表着对流现象的本质；Re，Gr则分别代表强制流动和自然流动的本质；Pr数代表流体本身的热物理特征；l1/l2代表系统的几何特征。33按照π定理，把各相似准数列成相应的函数式，即:Nu=f(Re、Gr、Pr、l1/l2)（1）当给热系统的几何条件确定后，l1/l2为常数Nu=f(Re、Gr、Pr)（2）如果流体的种类已限定（即Pr为常数），则Nu=f(Re、Gr)a、若又已知是自然流动（即可不考虑Re）b、在强制流动中的紊流状态时，自然流动因素可以不考虑，即Gr可以忽略Nu=f(Gr)Nu=f(Re)344、准数方程的确定相似第三定理若两现象为同一个关系方程式所描绘，其单值条件相似并且单值条件所组成的决定性准数