大学物理学—传热

第四章传热本章学习要求1．熟练掌握的内容热传导的基本定律；平壁和圆筒壁的定常热传导的计算；传热推动力与热阻的概念；对流给热基本原理、对流给热方程及对流给热系数；传热速率方程、热量衡算方程、总传热系数、平均温差的计算；流体在圆形直管内作强制湍流时的对流给热系数计算；传热设备的设计型计算和壁温计算。2．理解的内容传热的三种方式及其特点；间壁式换热器的传热过程；影响管内及列管管外对流给热的因素及各准数的意义；列管式换热器的结构、特点、工艺计算及选型；强化传热过程的途径；传热的操作型计算与换热器的调节。3．了解的内容各种对流给热系数关联式的使用范围；相变流体对流给热的特点、计算及影响因素；热辐射的基本概念、定律和简单计算；辐射、对流联合传热时设备热损失的计算；其它类型换热器的结构和特点。****************************第一节概述一、传热在化工生产中的应用加热或冷却，使物料达到指定的工艺温度换热，回收能量，节能绝热，保温二、传热的基本方式1、传导（又称导热）藉分子、原子和自由电子等微观粒子的热运动而引起的热量传递过程；2、对流流体内部质点发生相对位移而引起的热量传递过程，对流只能发生在流体中。(1)自然对流：由流体内各点温度不同、密度不同，造成流体内部上升下降运动。(2)强制对流：流体在某种外力的强制作用下运动而发生的对流。***对流给热：流动流体与固体壁面之间的传热；3、热辐射以电磁波传递热量的过程；三、间壁式换热器传热过程换热器按传热方式分为：直接接触式换热器蓄蓄热热式式换换热热器器间间壁壁式式换换热热器器dndtAQdndtAQq)(dndtAQ1、冷、热流体通过间壁的传热过程分为三步：(1)热流体将热量传给热流体侧壁面（对流给热）；(2)热量由一侧传至另一侧（热传导）；(3)热量由壁面传给冷流体（对流给热）；2、传热速率快慢的两个指标：（1）热流量（传热速率）Q[J/S]W单位时间内通过传热面的热量。（2）热通量q=Q/AW/m2第第二二节节热热传传导导一、热传导的基本定律和导热系数1、热传导的基本定律傅立叶（Fourier)定律通过等温面的导热速率与温度梯度及传热面积成正比，其表达式为式中：Q—导热速率，其方向与温度梯度方向相反，W；A—导热面积，等温面面积，m2；--导热系数，W/(m℃)；dt/dn—温度梯度，两等温面的温度差t与其间的垂直距离n之比，℃/m或K/m。上式为对于一维、定态、均匀温度场。2、导热系数由傅立叶定律表达式得：导热系数：表征材料导热性能的物性参数，越大，导热性能越好，W/(m·℃)或W/(m·K)。的数值与物质的组成、结构、密度、温度及压强等因素有关。一般金固液气；强化传热，选用大的材料；相反要削弱传热，选用小的材料。（1）固体纯金属T，；非金属T，（同样温度下，越大，越大）。在一定温度范围内（温度变化不太大），大多数均质固体与t呈线形关系)1(0at式中0──0℃时的导热系数，W/(m·℃)或W/(m·K)；a──温度系数，对大多数金属材料为负值（a0），对大多数非金属材料为正值（a0）。dxdtAQ')()(212121RttttAQqRtAttttAQ或热阻传热推动力AttAttAttQ334322321121/AAAttRRRtttQ33221141321321/iiiinRtAttQ11（2）液体液体中，水的导热系数最大。除水和甘油外，绝大多数液体T，，纯液体的大于溶液。（3）气体气体T，。气体不利用导热，但可用来保温或隔热。二、平壁的稳定热传导（一）单层平壁的热传导假设：(1)平壁内温度只沿x方向变化，y和z方向上无温度变化，即这是一维温度场。(2)各点的温度不随时间而变，稳定的温度场。单层平壁内的温度分布如右图所示；根据傅立叶定律，通过壁内任一x处等温面的热量为：积分上式得：式中：δ—平壁厚度，m2；△t—温度差，导热推动力℃R—导热热阻，℃/W；R’—单位面积的导热热阻，m2℃/W（二）多层平壁的稳定热传导各层表面温度分别为t1、t2和t3、t4，且t1t2t3t4；定态导热Q=Q1=Q2=Q3即根据等比定理可得：对n层平壁例例44--22已知：三层平壁，δ1=150mm、δ2=290mm、δ3=228mm；t1=1016℃、t4=34℃。求：耐火砖和绝热砖间及绝热砖与普通砖间的界面温度t2、t3=?3322114132141/'''ttRRRttAQq]/[5.4162815.0933.11429.0982)81.0/228.0()15.029.0()05.115.0(3410162mW)74()ln(21221rrttlQRtAttttAQmm2121)(解：耐火砖λ1=1.05W/(m。℃);绝热砖λ2=0.15W/(m。℃);普通砖λ3=0.81W/(m。℃);根据各单层平壁的导热速率公式得：△t1=R1’q=0.1429´416.5=59.5℃;t2=1016-59.5=956.5℃△t2=R2’q=1.933´416.5=805.1℃;t3=956.5-805.1=151.4℃△t3=151.4-34=117.4℃;各层的温度差和热阻的数值列表：由上面的计算结果可以看出：各层的热阻愈大，温度差也愈大；串联的导热过程，温度差与热阻是成正比的。（第一次课）三、圆筒壁的热传导（一）单层圆筒壁的热传导设圆筒壁的内半径为r1，外半径为r2，内壁面温度为t1，外壁面温度为t2，且t1t2，则通过半径为r处厚度为dr圆筒壁的导热速率为：将上式分离变量积分得上式即为单层圆筒壁得导热速率方程式，写成平壁速率公式形式0.2815117.4普通砖1.933805.5绝热砖0.142959.5耐火砖热阻m2℃/W温度差℃材料drdtrldrdtAQ)2()84(32141333222111321RRRttAAAtttQmmm)ln(21221rrttlQmWrrttlQ/07.42075.0175.0ln12478.0)40180(14.32)ln(21221式中：Am—内、外表面的对数平均面积。式中：rm--圆筒壁的对数平均半径;rm=(r2-r1)/ln(r2/r1)[m];当r2/r1≤2时，上述对数平均值均可用算术平均值代替。(二)多层圆筒壁的热传导三层圆筒壁:各层的导热系数分别为：λ1、λ2、λ3；各层的厚度分别为:δ1=r2-r1;δ2=r3-r2;δ3=r4-r3根据串联过程的特点可以写出三层圆筒壁的导热速率方程为：或式中Am为各层内、外表面的对数平均面积。例外径为150mm的蒸汽管外包厚度为100mm的保温层，保温材料t000198.0103.0，蒸汽管外t=180℃，保温层外温度为40℃，求每米管长的热损失。解：Ctm011024018012478.0110000198.0103.0圆筒壁的稳定热传导，通过各层的导热速率都相等，但其热通量都不相等。第三节对流给热mmlrrrrrlA2)ln(2121234323212141ln1ln1ln1)(2rrrrrrttlQ一、对流给热基本方程和对流给热系数层流底层：质点只沿流动方向上运动，在传热方向上无质点的混合，温度变化大，传热主要以热传导的方式进行，热阻大，温差大。湍流（流体主体）：流体质点充分混合，温度趋于一致（热阻小），传热主要以对流方式进行，温差小。过渡区域：传热以热传导和对流两种方式共同进行，温度变化平缓。流体作湍流流动时，热阻主要集中在层流底层中。假设流体与固体壁面之间的传热热阻全集中在厚度为δt有效膜中，膜内传热主要以热传导的方式进行。对流给热的热阻对流给热的推动力AtQt/t──虚拟膜厚度，m；热流体WTTt；冷流体Wttt。令t，则tAAtQ14-11──对流传热系数，W/(m2·℃)；上式为对流给热方程，也称牛顿冷却定律二、影响对流给热系数的因素1、流体的物理性质对影响较大的物性主要有λ、μ、Cp、ρ、和β（体积膨胀系数）等。的影响：；的影响：Re；cp的影响：cpcp单位体积流体的热容量大，则较大；的影响:Re2、流体的相态变化沸腾或冷凝3、强制对流的流动状态在外力作用下引起的流动运动，一般u较大，Re大，故较大。4、自然对流的影响温差造成的密度差产生的流体升力ρβgΔt，一般u较小，也较小自强5、传热面的形状特征和相对位置特性尺寸l来表示不同的壁面形状、尺寸影响流型；会造成边界层分离，产生旋涡，增加湍动，使增大。（1）形状：比如管、板、管束等；（2）大小：比如管径和管长等；（3）位置：比如管子的排列方式；管或板是垂直放置还是水平放置。三、量纲分析法在对流给热中的应用无相变对流传热系数与l、u、λ、μ、Cp、ρ、ρβgΔt等因素有关，写成一般的函数形式为=f(u,l,λ,μ,ρ,Cp,ρβgΔt)将以上8个参数组合成4个无因次数群，分别为努塞尔特准数Nu、雷诺准数Re、普兰特准数Pr和格拉斯霍夫准数Gr，其表达式及其意义如下：表示自然对流影响的准数g△tL32/2Gr格拉斯霍夫准数Grashof表示物性影响的准数cp/Pr普兰特准数Prandtl确定流动状态的准数Lu/Re雷诺准数Reynolds表示对流给热系数的准数L/Nu努塞尔特准数Nusselt意义准数式符号准数名称)704()()(023.0PrRe023.08.08.0npncuddNu或准数中各符号意义：a--对流传热系数，W/m2℃；u—流体的流速，m/s；L—传热面的特征尺寸m；圆管直径d；非圆形管，当量直径de。CP—流体比热，KJ/Kg℃；–流体的体积膨胀系数，1/℃；△t–温度差，℃；hfnAGrPrReNu注：计算各物性参数的温度---称为定性温度，一般有以下三种取法：（1）流体平均温度t=(t1+t2)/2；（2）壁面的平均温度tW；（3）膜温—流体和壁面的平均温度tm=(t+tW)；（第二次课）四、流体无相变时的对流给热系数（一）管内强制对流1、流体在圆形直管内作强制湍流（自然对流忽略不计）式中n值：流体被加热时n=0.4；流体被冷却时n=0.3；应用范围：Re10000，0.7Pr120，低黏度（ρ2ρ水）,l/d60,光滑管。特征尺寸：L取管内径d；定性温度：取进、出口温度的算术平均温度其它情况：（1）过渡流2300Re10000时，先按湍流计算，然后乘以校正系数1Re1060.18.05f（2）短管由于管入口扰动增大，较大，乘上校正系数f。117.0ldf14.0318.0)(PrRe027.0WNusmAVuCsp/49.805.0)4/(360060697.010826.21096.11005Pr2252.08.0du445101037.21096.1093.149.805.0Redu8.08.02)'('uu9.615.35228.08.0（3）高黏度流体要考虑壁面温度变化引起粘度变化对的影响（是在tm下；而W是在tw下）。在实际中，由于壁温难以测得，工程上近似处理为：对于液体，加热时：05.1)(14.0w，冷却时：95.0)(14.0w例例44--1122已知常压下空气在套管换热器中被加热，t1=20ºC，V=60m3/h，t2=80ºC；套管换热器内管为