6章传热及气体射流基本知识

本章重点：导热:温度不同的物体相互接触是的热传导。对流:热量随着流体的流动传递热量。热辐射:依靠红外线传热。传热过程和传热系数介绍建筑采暖工程必需的热量传递的基本知识。第六章传热及气体射流基本知识辐射换热、对流换热、热传导典型的传热设备套管式换热器典型的传热设备单程列管式换热器典型的传热设备1----壳体2----管束3----挡板4----隔板双程列管式换热器第一节传热学基本知识一、导热(1)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(2)物质的属性：可以在固体、液体、气体中发生(3)导热的特点：a必须有温差；b物体直接接触；c传热依靠分子热运动、原子及自由电子等微观粒子热运动而传递热量；d在引力场下单纯的导热只发生在密实固体中。(3)导热的特点：1.气体传热依靠分子热运动分子运动速度增大，相互碰撞而传递热量；2.绝缘体固体导热主要依靠晶格的振动传递热量；3.导体的导热主要依靠自由电子热运动而传递热量；4.液体的导热一种是依靠晶格的振动传递热量理论。另一种是依靠分子热运动分子运动传递热量理论。导热的基本定律：WF21Φ221mWFΦq：热流量：单位时间通过某一面积传递的热量[W]；q：热流密度：单位时间通过单位面积传递的热量；F：垂直于导热方向的截面积[m2]；：导热系数（热导率）[W/(mK)]。图2-1一维稳态平板内导热0xdtQ导热量12导热系数λ固体λ液体λ气体λ导电体λ绝缘工程中需要传热加强的例子:暖气片、空调风机盘管，过水热，各种热水换热设备。工程中需要传热减弱的例子:管道保温、墙体保温，窗户保温，人体保暖。保温材料：国家标准规定，温度低于350度时热导率小于0.12W/(mK)的材料（绝热材料）热电比拟为热阻传热可以用类似电路计算的方式进行串并联计算。无限大平板)/(AttAΦAR热阻温度差/ttq单位面积的传热热阻电阻电压差RURUUI211231234123Φ1234FFFΦ33221141则传热量为(1)多层平壁例题例题1-1一块厚度δ=50mm的平板，两侧表面分别维持在.100,30021CtCtowow(1)材料为铜，λ=375w/(mK);(2)材料为钢，λ=36.4w/(mK);(3)材料为铬砖，λ=2.32w/(mK)；(4)材料为铬藻土砖，λ=0.242w/(mK)。解：参见图2-1。及一维稳态导热公式有：例题2521mW1046.105.01003004.36q2321mW1028.905.010030032.2q铬砖：硅藻土砖：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2621mW105.105.0100300375q铜：钢：2221mW1068.905.0100300242.0q（2）单层非平行壁面导热W2)ln(2211221RttlrrttrlqΦmW)ln(211221ddttlQqwwmWln21Wln2111)1(111)1(1niiiinwwlniiiinwwrrttqrrLttΦ由不同材料构成的多层圆筒壁，其导热热流量可按总温差和总热阻计算通过单位长度圆筒壁的热流量热电厂中有一直径为0.2m的过热蒸汽管道，钢管壁厚为8mm,钢材的导热系数为451管外包有厚度为120.m的保温层，保温材料的102.W/(m·K)，管内壁面温度为1wt300℃，保温层外壁面温度为3wt50℃。试求单位例题W/(m·K)，导热系数为管长的散热损失。2321213w1wln21ln21ddddttqlm216.0m)12.02216.0(ln)Km/(W1.021m2.0m)008.022.0(ln)Km/(W4521K)50300(3.210/)189.110272.0(2503WKmKW/m解：这是一个通过二层圆筒壁的稳态导热问题。钢管壁的导热热阻与保温层的导热热阻相比非常小，可以忽略例题二、热对流和对流换热流体中（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。热对流当流体流过一个物体表面时的热量传递过程，它与单纯的对流不同，具有如下特点：a导热与热对流同时存在的复杂热传递过程b必须有直接接触（流体与壁面）和宏观运动；也必须有温差c壁面处会形成速度梯度很大的边界层对流换热牛顿冷却定律为对流传热热阻如：wtft冷却公式加热公式wffwttttttthqhAttAhqAΦ1hAR1对流换热的计算表0-1一些表面传热系数的数值范围对流换热类型表面传热系数hW/(m2K)气体自然对流换热1～10液体自然对流换热50～1000气体强迫对流换热20～100液体强迫对流换热1000～15000液体沸腾2500～35000蒸气凝结5000～35000三、热辐射及辐射换热(1)定义：有热运动产生的，以电磁波形式传递能量的现象热辐射(2)特点：a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；b可以在真空中传播；c伴随能量形式的转变；d具有强烈的方向性；e辐射能与温度和波长均有关；f发射辐射取决于温度的4次方。(3)生活中的例子：a当你靠近火的时候，会感到面向火的一面比背面热；b冬天的夜晚，呆在有窗帘的屋子内会感到比没有窗帘时要舒服；c太阳能传递到地面(5)辐射换热的特点a不需要冷热物体的直接接触；即：不需要介质的存在，在真空中就可以传递能量b在辐射换热过程中伴随着能量形式的转换物体热能电磁波能物体热能c无论温度高低，物体都在不停地相互发射电磁波能、相互辐射能量；高温物体辐射给低温物体的能量大于低温物体辐射给高温物体的能量；总的结果是热由高温传到低温(4)辐射换热：物体间靠热辐射进行的热量传递，它与单纯的热辐射不同，就像对流和对流换热一样，2.3.2辐射能的计算1、辐射换热的研究方法：假设一种黑体，它只关心热辐射的共性规律，忽略其他因素，然后，真实物体的辐射则与黑体进行比较和修正，通过实验获得修正系数，从而获得真实物体的热辐射规律2、黑体的定义：能吸收投入到其表面上的所有热辐射的物体，包括所有方向和所有波长，因此,相同温度下，黑体的吸收能力最强.)(424121TTq42T1T2T图2-3两黑体表面间的辐射换热41T3、Stefan-Boltzmann定律，4TA4Tq，4TA真实物体则为：4、两黑体表面间的辐射换热)(4241TTA传热过程是指热量从固体壁面一侧的流体通过固体壁面传递到另一侧流体的过程。传热过程由三个相互串联的环节组成:高温流体低温流体固体壁（1）热量从高温流体以对流换热（或对流换热＋辐射换热）的方式传给壁面；（2）热量从一侧壁面以导热的方式传递到另一侧壁面；（3）热量从低温流体侧壁面以对流换热（或对流换热＋辐射换热）的方式传给低温流体。第二节传热过程和传热系数1传热过程的定义：两流体间通过固体壁面进行的换热2传热过程包含的传热方式：导热、对流、热辐射辐射换热、对流换热、热传导稳定传热方程3一维稳态传热过程中的热量传递忽略热辐射换热，则左侧对流换热热阻111AhRh固体的导热热阻右侧对流换热热阻111AhRhAR上面传热过程中传递的热量为：2121212111)()(AhAAhttRRRttΦffhhfftAkttAkΦff)(21传热系数，是表征传热过程强烈程度的标尺，不是物性参数，与过程有关。]KmW[22.4.2传热系数21211111hhrrrhhk单位热阻或面积热阻ak越大，传热越好。若要增大k，可增大或减小21,,hhch1、h2的计算方法及增加k值的措施是本课程的重要内容注意：b非稳态传热过程以及有内热源时，不能用热阻分析法1冬天，经过在白天太阳底下晒过的棉被，晚上盖起来感到很暖和，并且经过拍打以后，效果更加明显。试解释原因。解：棉被经过晾晒以后，可使棉花的空隙里进入更多的空气。而空气在狭小的棉絮空间里的热量传递方式主要是导热，由于空气的导热系数较小（20℃，1.01325×105Pa时，空气导热系数为0.0259W/m•K），具有良好的保温性能。而经过拍打的棉被可以让更多的空气进入，因而效果更明显。思考题2冬天，在相同的室外温度条件下，为什么有风比无风时感到更冷些？思考题解：假定人体表面温度相同时，人体的散热在有风时相当于强制对流换热，而在无风时属自然对流换热（不考虑热辐射或假定辐射换热量相同时）。而空气的强制对流换热强度要比自然对流强烈。因而在有风时从人体带走的热量更多，所以感到更冷一些。解：当其他条件相同时，冰箱的结霜相当于在冰箱蒸发器和冰箱冷冻室（或冷藏室）之间增加了一个附加热阻，因此要达到相同的制冷室温度，必然要求蒸发器处于更低的温度，所以，结霜的冰箱耗电量更大。思考题3利用同一冰箱储存相同的物质时，试问结霜的冰箱耗电量大还是未结霜的冰箱耗电量大？4有人将一碗热稀饭置于一盆凉水中进行冷却。为使稀饭凉得更快一些，你认为他应该搅拌碗中的稀饭还是盆中的凉水？为什么？解：从稀饭到凉水是一个传热过程。显然，稀饭和水的换热在不搅动时属自然对流。而稀饭的换热比水要差。因此，要强化传热增加散热量，应该用搅动的方式强化稀饭侧的传热。思考题第三节气体射流简介（一）无限空间紊流射流的特征（二）有限空间射流