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1、热热传导传导热热对流对流传热过程计算传热过程计算热热辐射辐射换热设备换热设备传传 热热热量传递的三种基本方式n分析室内热量传给室外的热传递过程(1)室内内墙:对流换热,热辐射(2)内墙外墙:导热(3)外墙大气:对流换热,热辐射三种热量传递方式:导热,对流和热辐射1.导热(热传导)conductionheattransfern(1)定义:物体各部分之间不发生相对位移时,依靠分子,原子及自由电子等微观粒子的热运动而产生的热量传递.(2)特征:a.物体间无相对位移;b.物体间必须相互接触;b.没有能量形式的转化.2.热对流(convectionheattransfer)n(1)热对流:流体的各部分之
2、间由于相对宏观位移而引起的热量传递.(2)对流换热:流体流过与之温度不同的固体壁面时引起的热量传递.(3)特征:有相对位移;一定伴随着流体的导热;没有能量形式之间的转换;流体和固体壁面相互接触.(4)牛顿冷却公式3.热辐射(radiationheattransfer)n(1)定义:由于温度的原因而导致的能量辐射.(2)特征:有能量形式间的转化:热能-辐射能-热能不需直接接触T0就有能量辐射与绝对温度呈4次方关系载体的选择n1）必须选择适当温位的载热体加热时，温度要求愈高，价格愈贵n冷却时，温度要求愈低，价格愈贵n2）温度易于调节n3）饱和气压低，不易分解n4）毒性小，尽量不用易燃、易爆及腐蚀性
3、介质n5）价格便宜，来源方便热传导1.热传导和傅立叶定律傅立叶定律导热系数2.平壁热传导单层/多层平壁3.圆筒壁热传导单层/多层圆筒壁傅立叶定律(1)假设：(1)平壁面积A远大于壁厚，壁边缘处Q散失=0。(2)温度 t只沿着垂直于壁面的x方向变化，等温面是垂直于x轴的平面。(3)壁面两侧的温度t1、t2不随时间而变化。.傅立叶定律(2)单位时间内通过平板传导的热量dQ与温度梯度dt/dx及垂直于热流方向的导热面积A正比，即：dQ/d=-Sdt/dx稳定传热时，故上式可写为q=Q/=-S(dt/dx)温度梯度温度梯度导热系数物质名称导热系数W/m.K金属5-420建筑材料0.5-2绝热材料0.0
4、1-04水0.6其他液体0.09-0.7气体0.007-0.17导热系数公式式中 固体在温度t时的导热系数，w/（m2）o固体在温度0时的导热系数，w/（m2）a温度系数，1；对于大多数金属材料为负值，而对大多数非金属材料为正值。热传导-平壁热传导公式推导得：得：由傅立叶定律例1 有一燃烧炉，炉壁由三种材料组成。最内层是耐火砖，中间为保温砖，最外层为建筑砖。已知 耐火砖 b1=150mm 1=1.06W/m 保温砖 b2=310mm 2=0.15W/m 建筑砖 b3=240mm 3=0.69W/m 今测得炉的内壁温度为1000，耐火砖与保温砖之间界面处的温度为946。试求：(a)单位面积的热损
5、失；(b)保温砖与建筑砖之间界面的温度；(c)建筑砖外侧温度。例题o b b btt1 t2t3t4图 3-3 多层平壁稳态热传导1 1）画示意图；）画示意图；2 2）判断范围；）判断范围；3 3）列公式；）列公式；4 4）分析已知）分析已知-未知关系；未知关系；5 5）求解；）求解；6 6）验算。）验算。思路解 用下标1表示耐火砖，2表示保温砖，3表示建筑砖。t3为保温砖与建筑砖的界面温度，t4为建筑砖的外侧温度。(a)热损失q q=Q/=1/b1(t1-t2)=1.06/0.15(1000-946)=381.6W/m2解题过程(b)保温砖与建筑砖的界面温度t3因系稳定热传导，所以 q1=q
6、2=q3=qq=2/b2(t2-t3)381.6=0.15/0.31(946-t3)解得 t3=157.3 n(c)建筑砖外侧温度t4n同理 q=3/b3(t3-t4)381.6=0.69/0.24(157.3-t4)n解得 t4=24.6热传导-单/多层圆筒壁热传导n公式推导：t1t2t1t2等温面Q对于的圆筒壁，以算术平均值代替对数平均值导致的误差4%。作为工程计算，这一误差可以接受，此时。n若在热交换器里的一根钢管，管内径是25毫米，管壁厚度3.25mm，管长5.0m，管内壁温度是373K,管外壁温度是371K。己知钢的导热系数=49W/mK，这根钢管传递热量为多少？n解 己知 r1=2
7、5/2=12.5mm=0.0125mnr2=12.5+3.25=15.75mm=0.01575mnb=3.25mm=0.00325m L=5.00m =49W/mKnt1=373K t2=371Kn =n n =1.33104 W热对流：主要内容1.对流传热分析2.热对流基本概念常见类型速率方程传热系数3.对流传热系数关联式对流传热分析湍流主体 缓冲层 滞流内层 层流底层）牛顿冷却定律平均对流传热系数，w/(m2)S总传热面积，m2；t流体与壁面（或反之）间温度差的平均值，；对流传热热阻。对流传热系数对流传热系数定义式：物理意义：对流传热系数是表示在单位温差下，单位传热面积的对流传热速率；其值
8、反映了对流传热的效果。，对流传热越快。对流传热系数关联式1）影响因素2）因次分析3）具体应用的简化无相变强制对流,自然对流有相变蒸汽冷凝,液体沸腾对流传热系数关联式因次分析1)确定相关因素2)写成幂指数的形式3)写出各项的基本量纲式子左右量纲指数相等4）式子左右量纲指数相等（公斤,s,t,m）5）按指数相同合并得：=f(u,L,de,Cp,g t)=kua Lb defCph(g t)i=W/m2/K=Nm/s/m2/K=kg/s3/K几种常用的准数准数名称准数名称准数名称符号符号准数式准数式意义意义努塞尔特准数（给热努塞尔特准数（给热准数）准数）NuNu表表示示对对流流传传热热系系数数的准数
9、的准数雷诺准数（流型准数）雷诺准数（流型准数）ReRe确确定定流流动动状状态态的的准准数数普兰特准数（物性准普兰特准数（物性准数）数）PrPr表表示示物物性性影影响响的的准准数数格拉斯霍夫准数（升格拉斯霍夫准数（升力准数）力准数）GrGr表表示示自自然然对对流流影影响响的准数的准数使用使用经验关联式时应注意的问题经验关联式时应注意的问题a)应用范围：关联式中Re、Pr、Gr的数值范围。b)?特征尺寸：Nu、Re、Gr等准数中如何选取。c)定性温度：各准数中流体的物性应按什么温度确定。有一列管式换热器，由有一列管式换热器，由3838根根25mm2.5mm25mm2.5mm的无缝钢管组的无缝钢管组
10、成。苯在管内流动，由成。苯在管内流动，由2020被加热至被加热至8080，苯的流量为，苯的流量为8.328.32kg/skg/s。外壳中通入水蒸气进行加热。试求管壁对苯外壳中通入水蒸气进行加热。试求管壁对苯的传热系数。当苯的流量提高一倍，传热系数有何变化。的传热系数。当苯的流量提高一倍，传热系数有何变化。解：苯在平均温度下的物性可由附录查得：密度=860kg/m3；比热容cp=1.80kJ/（公斤）；粘度=0.45mPas；导热系数=0.14W/（m）。加热管内苯的流速为 m/s =1272W/（m2）若忽略定性温度的变化，当苯的流量增加一倍时，给热系数为 W/（m2）辐射传热-基本概念n1）
11、热辐射(定义)：n2）吸收(率)、反射(率)和透过(率)nQ=QA+QR+QDn1=+R+Dn3）假想物体n黑体：n白体/镜体：n透热体：n灰体：QQDQAQR物体以电磁波形式传递能量的过程。物体以电磁波形式传递能量的过程。能全部吸收辐射能的物体。能全部吸收辐射能的物体。能以相同的吸收率且部分地吸收能以相同的吸收率且部分地吸收0所有波长所有波长范围的辐射能的物体。范围的辐射能的物体。能透过全部辐射能的物体。能透过全部辐射能的物体。能全部反射辐射能的物体。能全部反射辐射能的物体。黑度黑度：灰体的辐射能力与同温度的黑体的辐射能力之比。灰体的辐射能力与同温度的黑体的辐射能力之比。几种假想物体假想物体
12、定义ARD较接近的实物黑体能全部吸收辐射能的物体100表面粗糙红砖白/镜体能全部反射辐射能的物体010表面磨光的铜透热体能透过全部辐射能的物体001单原子/对称双原子气体灰体能以相同的吸收率且部分地吸收0所有波长范围的辐射能的物体1-0一般固、液体辐射传热定律n1)普朗克定律n辐射能力E,W/m2n单色辐射能力：n黑体辐射能力：n不同温度下E关系nP199图4-29辐射传热定律n2）斯蒂芬-波尔兹曼定律n黑体的辐射能力E0nE0=C0(T/100)4，其中C0=5.67W/(m2K4)n例1000K黑体的辐射能力E0=？辐射传热定律n3）克希霍夫定律n推导nE1+（1-）E0=E0n又：E1=
13、E0n表达式nA=E/E0TTE1（1-）E0E0两固体间的辐射传热nQ1-2=C1-2S(T1/100)4-(T2/100)4n角系数与总辐射系数C1-2的确定E1E2举例已知：A=4.5m2求：1）QR=？2）炉前0.04m处放一铝板，QR=?分析：分析：分析：分析：Q1-2=C1-2?(T1/100)4-(T2/100)4 1）直接代入直接代入 求解，得求解，得:Q1-2=44kW2）利用利用Q1-2=Q1-3=Q3-2,求得求得:Q1-2=4.34 kW,减少减少90.2%.联合给热系数的表达n辐射联合传热系数n对流-辐射联合传热系数n设备热损失的估算n估算公式传热计算换热器的传热速率
14、方程n1）总传热速率方程Q=KS(Tt)n2）总传热系数换热器的传热速率方程-总传热系数nn推导：不同基准的总传热系数例例4-9：K0的求的求算算平均温度差的推导nn并流传热的tmndQ=WcCp,cdtndQ=WhCp,hdTndt/dQ=1/WcCp,cndT/dQ=1/WhCp,hnd(t)/dQ=d(T-t)/dQdQtt1t2T1T2平均温度差n恒温传热：tm=(Tt)n变温传热n逆流n并流n折流n错流2t2tL2t2tL有一碳钢制造的套管换热器，内管直径为89mm3.5mm，流量为2000kg/h的苯在内管中从80冷却到50。冷却水在环隙从15升到35。苯的对流传热系数h=230W
15、/（m2K），水的对流传热系数c=290W/（m2K）。忽略污垢热阻。试求：冷却水消耗量；并流操作时所需传热面积；假设总传热系数随温度的变化忽略不计。例题解 苯的平均温度，比热容cph=1.86103J/（公斤K）苯的流量Wh=2000kg/h，水的平均温度，比热容cpc=4.178103J/（公斤K）。热量衡算式为 （忽略热损失）热负荷 W冷却水消耗量 公斤/h解题过程以内表面积Si为基准的总传热系数为Ki，碳钢的导热系数=45W/（mK）=4.35103+7.46105+3.18103=7.54103m2K/WKi=133W/（m2K），本题管壁热阻与其它传热阻力相比很小，可忽略不计。并流
16、操作 传热面积m2换热器的分类换热器的分类换热器的分类换热器的分类一、根据换热器的用途可分为：一、根据换热器的用途可分为：加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器、分凝器和再沸器等。二、根据换热器的传热原理可分为：二、根据换热器的传热原理可分为：混合式换热器、蓄热式换热器、间壁式换热器。三、根据换热器所用材料可分为：三、根据换热器所用材料可分为：金属材料换热器、非金属材料换热器。换热器传热过程的强化换热器传热过程的强化一、一、尽可能增大传热平均温度差尽可能增大传热平均温度差 t tm mn1两侧流体变温传热时，尽量采用逆流操作tm；n2提高加热剂T的温度（如用蒸汽加热，可提高蒸汽的压力）；降低冷却剂的进
17、口温度，tm。n二、二、尽可能增大单位体积的总传热面积尽可能增大单位体积的总传热面积n1.直接接触传热可使传热面积S，提高传热速率。n2.改进换热器的结构，采用高效新型换热器。各种高效新型换热器，结构紧凑，单位体积换热器的传热面积较大。n可采取提高流体的流速，增加流体的扰动，在流体中加固体颗粒，改用短管换热器，定期清洗等具体措施。n1尽可能利用有相变的热载体（相变无相变）增加值；可使K值增加。n2用较大的热载体，可使增加。n3在强度允许范围内，减小管壁厚度b，使管壁导热热阻减小。n4换热器定期清洗，减小管壁两侧的污垢热阻。n5当两流体的值相差较大时，设法提高较小一侧流体的值。n三、尽可能增大传热系三、尽可能增大传热系数数K K