第4章传热过程.

1第4章传热过程4.1概述4.2热传导4.3对流传热（重点）4.4热辐射4.5传热过程计算（重点）24.1概述传热速率与推动力4.1.1热传导4.1.2对流传热4.1.3热辐射3传热速率•传热过程与传热速率密切相关。•定义传热量Q：通过整个换热面积传过的热量。J或kJ（或通过单位换热面积传递的热量，J/m2)•定义传热速率q：单位时间通过整个换热面积传过的热量。J/s（或单位时间通过单位换热面积传递的热量，W/m2)4传热的推动力•传热过程自发地由高温向低温进行。•因此，温度差=传热推动力•传热推动力越大，传热速率越大。54.1.1热传导热量从物体内温度较高的部分传递到温度较低的部分，或传递到与之接触的另一物体的过程称为热传导，又称导热。特点：没有物质的宏观位移。64.1.2对流传热流体内部质点发生相对位移，将热量由一处向另一处传递的过程，叫对流传热。•自然对流温度不同密度不同•强制对流外力作用对流74.1.3热辐射物体因自身温度，而以电磁波的形式发出辐射能的过程称为热辐射。•能量转移能量形式的转化•不需要任何物质媒介唯一传热方式透过真空的84.2热传导4.2.1傅立叶定律及导热系数4.2.2定态热传导94.2.1傅立叶定律及导热系数xtAddQq式中q──热传导速率，W或J/s；A──导热面积，m2；t/x──温度梯度，℃/m或K/m；──导热系数，W/(m·℃)或W/(m·K)。Q──传递的热量，Jτ──时间4.2.1.1傅立叶定律10•负号表示传热方向与温度梯度方向相反。•表征材料导热性能的物性参数；越大，说明导热性能越好。dxdtAq•对一维稳定热传导11(2)是分子微观运动的宏观表现。4.2.1.2导热系数dxdtAq(1)物理意义：单位温度梯度下，单位时间通过单位传热面积传过的热量。越大，传热速率越大。=f(结构，组成，密度，温度，压力）(3)各种物质的导热系数金属固体非金属固体液体气体mKsmJsKmJKmW212)1(0at在一定温度范围内：式中0,──0℃,t℃时的导热系数，W/(m·K)；a──温度系数。t——℃对大多数金属材料a0，t,对大多数非金属材料a0，t,1)固体金属数量级101-102W/(m·K)•金属：纯金属合金铜：384W/(m·K),碳钢：45,不锈钢：16•非金属：同样温度下，越大，越大。132)液体数量级10-1W/(m·K)•金属液体较高，非金属液体低，水的最大。•t（水和甘油除外）3)气体数量级10-2W/(m·K)•一般来说，纯液体的大于溶液•t•气体不利用导热，但可用来保温或隔热。14对于稳定温度场0t傅立叶定律：dxdtλAdτdQq边界条件为：11ttxx时，22ttxx时，dtAdxq4.2.2定态热传导2121ttxxdtAdxq15一、通过单层平壁的稳定热传导假设：(1)A大，b小；(2)材料均匀；(3)温度仅沿x变化，且不随时间变化。即一维稳定传热。t1t2btxdxQxQx+dx16取dx的薄层，作热量衡算：对于稳定温度场0tconstQQQdxxxAbtxxttAq1221)(dtAdxq17讨论：1．分析平壁内的温度分布，对于任意位置x处，积分上限由2ttbx时，ttxx时，xAQtt1改为xttdxAQdt01不随t变化时，t～x成呈线形关系。)at1(0若随t变化关系为：则t～x呈抛物线关系。t1t2btxdxQxQx+dx182．当随t变化时，221如：1～t1，2～t2热阻推动力RtQ)tt(t21AbR3．推动力：热阻：Abtt)tt(AbQ2121可表示为19二、通过单层圆筒壁的稳定热传导假定：(1)稳定温度场；(2)一维温度场。特点：(1)等温面为圆柱面；(2)r不同，A不同；(3)r不同，单位时间总传热量Q相等，但单位面积传热量q不相等。20取dr同心薄层圆筒，作热量衡算：对于稳定温度场constQQQdrrr傅立叶定律rtAqdddtlrq2drlrA2边界条件11ttrr时，22ttrr时，设不随t而变得：21212ttrrdtlrdrq2112211221ln12ln2rrttlrrttlq式中q──热流量或传热速率，W或J/s；──导热系数，W/(m·℃)或W/(m·K)；t1,t2──圆筒壁两侧的温度，℃；r1,r2──圆筒壁内外半径，m。21122lnttlrrq22讨论：1．上式可以写为热阻推动力RtAbtrrrrrrttlqlm12121221ln)())((21212/lnAAAAAml——对数平均面积2．2rr122AAA21m——算术平均面积233．圆筒壁内的温度分布1111ln22lnrrlqttttlrrqt～r呈对数曲线变化(假设不随t变化)ttrrdtlrdrq11211ttrr时，ttrr时，24三、通过单层球壁的稳定热传导gmAbttq2121AAAgm——几何平均面积25四、通过多层平壁的稳定热传导假设：(1)A大，b小；(2)材料均匀；(3)温度仅沿x变化，且不随时间变化。(4)各层接触良好，接触面两侧温度相同。t1t2b11txb2b323t2t4t3q26AbttAbttAbttq334322321121对于稳定热传导过程，通过各层的传热速率相等。Abqtt1121Abqtt2232Abqtt3343AbAbAbqtt33221141AbAbAbttq33221141＝27总热阻总推动力iiiiiiiRttAbttAbtq413141推广至n层：niinniiinRttAbttq111111＝＝28各层的温差321332211433221R:R:RAb:Ab:Abtt:tt:tt思考：厚度相同的三层平壁传热，温度分布如图所示，哪一层热阻最大，说明各层的大小排列。t1t2t3t431229五、通过多层圆筒壁的稳定热传导31141343432323212121ln1)(2ln1)(2ln1)(2ln1)(2iiiirrttLrrttLrrttLrrttLq＝30对于n层圆筒壁：niinniiiinniiiinRttAbttrrttLq1111m111111ln1)(2＝＝31例4.1P32样题210双层相同砖1=0.6W/mK。现t1=500ºC，t2=120ºC.内层砖厚度为：b1=240mm，现要求在保持热流强度不变的前提下，增加一层砖，使这层砖外温度为47ºC求：外层砖厚度.WAbtt95016.024.0120500Q(1)解1121mbbAbtt0461.016.047120950Q2)(22123232mmxx1.4647120240120500与壁厚呈正比。流强度不变，即温差导热系数不变，同时热另解：此题命题不够合理，增加砖壁厚度就是为了减少热损失，本题意为由增加的砖壁代替原120ºC砖壁的对流热阻。33AbttAbttAbttQ334322321121耐火砖热阻占总热阻的比例344.3对流传热4.3.1概述---对流传热过程分析4.3.2对流传热系数4.3.2.1传热膜系数4.3.2.2总传热系数4.3.2.3传热膜系数求解法4.3.2.4对流传热膜系数经验关联式4.3.2.5无相变时对流传热系数4.3.2.6有相变时对流传热系数354.3.1对流传热过程分析dAt2G1，T1G2，t1T2宏观分析36流体与壁面的对流传热过程可以分为以下三个区：•层流底层温度梯度大，热传导•湍流核心温度梯度小，对流传热•过渡区域温度梯度较小，热传导和对流传热兼有dt1传热壁冷流体热流体A2A1tWtTWTdddt2374.3.2对流传热系数4.3.2.1传热膜系数建立膜模型，其要点主要有：1.将层流内层δ以外的热阻全部集中在厚为δe的虚拟层流内层中，因此总对流传热热阻相当于厚为δt=δ+δe的层流内层热阻；δt称为传热边界层；式中dt──总有效膜厚度；de──湍流区虚拟膜厚度；d──层流底层膜厚度。dddetTTWtWdt2tdt138膜模型，要点之二、三：2.传热边界层外的流体中无传热热阻。即热阻=0，温差=0；3.传热边界层中以热传导为主，因此有：wttwTTAATTq111111dd111td令wTTA11wTTAq11牛顿冷却定律39热流体侧牛顿冷却定律：式中q──对流传热速率，W；──对流传热系数，W/(m2·℃)；T──热流体平均温度，℃；Tw──热流体侧壁温，℃；t──冷流体平均温度，℃；tw──冷流体侧壁温，℃；A──传热面积，m2。wTTAq11冷流体侧牛顿冷却定律：ttAqw22404.3.2.3传热膜系数的求解1.引起流动的原因:自然对流：由于流体内部密度差而引起流体的流动。强制对流：由于外力和压差而引起的流动。强自2.流体的物性:，，，cpd,,duRet3.流动形态:层流、湍流湍层一、传热膜系数的影响因素：415.流体的相态及是否发生相变:液气蒸汽冷凝、液体沸腾相变无相变4.传热面的形状，大小和位置:•形状：如管、板、管束等；•大小：如管径和管长等；•位置：如管子的排列方式（管束有正四方形和三角形排列）；管或板是垂直放置还是水平放置。42lNuduRepcPr223tlgGrgkpatlgcduCl223Nusselt，待定准数Reynolds，流动型态对对流传热的影响Prandtl，流体物性对对流传热的影响Grashof，自然对流对对流传热的影响gkaGrPrReCNu--体积膨胀系数43定性温度的取法：二、定性温度、特性尺寸的确定2．特性尺寸取对流动与换热有主要影响的某一几何尺寸。2)1(21tttm2)2(mWtt膜温3．准数关联式的适用范围。1．确定物性参数数值的温度称为定性温度。44一、流体在管内的强制对流n.PrRe.Nu800230np.cdud.800230适用范围：Re10000，0.7Pr160，2mPa.s，l/d604.3.2.5无相变对流传热系数1．圆形直管内的强制湍流：厘泊cp45•特征尺寸为管内径di•流体被加热时，n＝0.4；被冷却时，n＝0.3。注意事项：•定性温度取221tttmnp.cdud.80023046强化对流传热的措施：•u,u0.8•d,1/d0.2•流体物性的影响：选大的流体8.018.02.08.08.0023.0023.0kkkpkpcducdud：W/(m2·℃)47特殊场合对公式的修正：(1)高粘度14031800270.w.PrRe.Nu