热传导对流

第四章传热（heattransfer）4—1概述一、热交换在生产加工过程中的作用1、满足生产工艺要求2、废热的回收利用3、设备的保温（或保冷）二、热交换的基本方式和传热速率1.传热的基本方式(传导、对流、辐射)2.热交换的方式直接接触式、间壁式、蓄热式3.间壁式换热器中的传热过程壁面热流体冷流体Q传热过程为：热流体壁面另一侧壁面冷流体对流传导对流工业生产中常用的两类间壁式换热器板式换热器管式换热器4.传热速率（heattransferrate）传热速率（热流量）Q，单位：J/s（W）热流密度（热通量）q，单位：J/sm2q=dQ/dA三、传热的条件和方向1.传热的必要条件（温度差的存在）2.传热的方向自动进行高温低温本章主要内容：1、通过固体壁面的热传导2、对流给热3、间壁式传热计算*4、热交换器4—2热传导（conduction）一、基本概念和付立叶定律1、温度场(temperaturefield)系统中各点温度分布总和，可用以下函数式表示：t=f(x、y、z、τ)稳态温度场t=f(x、y、z)一维温度场t=f(x、τ)一维稳态温度场t=f(x)tt+Δt2、温度梯度(temperaturegradient)gradt=lim（Δt/Δn）gradtΔn0QΔn一维稳态热传导gradt=dt/dx3、付立叶定律（Fourier'slaw）据大量实验结果有q∝gradt对于一维稳态热传导有q∝dt/dx引入比例系数有q=-λdt/dx或Q=-λAdt/dx式中A—传热面面积，m2；λ—导热系数，W/mK（W/m℃）。4、导热系数（thermalconductivity）物理意义：影响因素：物质的组成、结构、密度、温度、压力物质的导热系数可由实验测定，通常，λ金属λ非金属λ液λ气(1)固体的导热系数λ金属=420——3W/m℃(或W/mK)λ非金属=1——0.02W/m℃（常温常压下）(A)对于大多数均质的固体λ=λ0(1+αt)式中λ--t温度下固体的导热系数,W/m℃;λ0--0℃下固体的导热系数,W/m℃;α--温度系数,1/℃;t--固体的温度,℃.（B）t↑λ金属↓，λ非金属↑；纯度↓λ金属及λ非金属↓（C）绝热材料的λ通常0.2W/m℃（D）热传导过程物质的导热系数通常按平均值计算(2)液体的导热系数λ非金属液体=0.09——0.9W/m℃λ水=0.6W/m℃（常温常压下）(3)气体的导热系数λ气=0.006——0.4W/m℃λ空气=0.02W/m℃（常温常压下）二、定态热传导特点：Q为定值。1、通过单层平壁的定态热传导①Q的计算根据Q=-λAdt/dx，当λ按常量计时，分离变量积分：∫dt=-（Q/λA）∫dx积分上下项为x=0，t=t1；x=δ，t=t20δxQt1t2则t1–t2ΔtQ=————=——δ/λAR式中：Δt—导热推动力；R=δ/（λA）—导热热阻。②平壁内的温度分布（t—x关系）当λ按常量计算时，有t=t1-（Q/λA）xt—x关系为线性关系2、通过多层平壁的定态热传导①Q的计算（三层平壁）根据Q=Q1=Q2=Q3有：t1–t2t2–t3t3–t4————=————=————δ1/λ1Aδ2/λ2Aδ3/λ3Aδ1δ2δ3t1t2t3t4Q根据加比定律有：t1–t4Q=—————————————δ1/λ1A+δ2/λ2A+δ3/λ3A同理可得，通过n层平壁的方程式为t1–tnQ=—————Σδi/λiA②多层平壁内的温度分布（t—x关系）当λ1、λ2、λ3按常量计算时，每一层中t—x呈线性关系，且热阻大的壁层，分配于该层的温度差亦大。3、通过单层圆筒壁的定态热传导①与平壁的区别：圆筒壁的传热面积不是常量，随半径而变，同时温度也随半径方向变化。②导热速率设：r1圆筒内径，r2圆筒外径，壁厚δ=r1-r2，L圆筒长度t1内壁温度，t2外壁温度，且t1t2，传热速率方向垂直于流体流动方向。Q此时，付立叶定律可写成Q=-λAdt/dr=-λ2πrLdt/dr将上式分解变量积分得Q=λ2πL（t1–t2）/ln（r2/r1）可将上式整理成与平壁导热相类似的形式：设Am=2πL（r2-r1）/ln（r2/r1）=2πrmL则有t1–t2ΔtQ=————=——δ/λAmR式中:Am为对数平均面积。当A2/A12时，可取算术平均值。4、通过多层圆筒壁的定态热传导与多层平壁相似，对于n层圆筒壁，有t1–tnQ=———————Σδi/（λiAmi）5、接触热阻当两种以上的保温材料一起使用时，由于接触面不可能完全光滑，层与层之间总是存在着一定的空隙，即有一空气薄层存在。这一空气薄层产生的热阻，称为接触热阻。接触热阻对保温有利。①q=32.5w/m2②q'=17.9w/m2例有一单层平壁，δ=0.24m，λ=0.52w/m℃，A=1m2，t1=15℃，t2=0℃。①求q=?②将原单层分成两层δ1=δ3=0.12mm，δ2=9mm，λ1=λ3=0.52w/m℃，λ空气=0.024w/m℃，且内外壁温度不变，求q'=?4—3对流传热一、基本概念及牛顿冷却定律（一）对流传热过程分析冷流体QTTW（二）对流传热过程的分类流体无相变化的对流传热过程，强制对流传热自然对流传热发生相变化的对流传热过程蒸汽冷凝传热液体沸腾传热此外，根据流动情况又可分为层流与湍流。（三）牛顿冷却定律和对流传热系数工程上将对流传热的热流密度写成如下形式：流体被加热时q=α(tW-t)或Q=αA(tW-t)流体被冷却时q=α(T-TW)Q=αA(T-TW)式中α——对流传热系数，w/（m2℃）；tW、TW——壁面温度，℃；t、T——流体的平均温度，℃；A——传热面的面积，m2。以上两式称为牛顿冷却定律。注意：二、影响对流传热系数的因素及准数关系式流体无相变化时，影响因素有：①流体的物理性质ρ、μ、cp、λ和体积膨胀系数β等；②强制对流的流速，u；③自然对流的特征速度可用单位体积流体由于密度不同所产生的浮力gβΔt表征；④固体表面的特征尺寸，用L表示。则用函数形式表示为：α=f（u、L、ρ、μ、λ、cp、βgΔt）准数方程式（由无量纲量组成的准数关系式，由量纲分析得）Nu=AReaPrbGrc各准数的意义:Re雷诺数Re=duρ/μ表示流体的运动状态对对流传热的影响。Nu努塞尔数Nu=αL/λ表示对流使传热系数增大的倍数（相对于纯导）。Pr普朗特数Pr=cpμ/λ表示流体物性对对流传热的影响。Gr格拉斯霍夫数表示自然对流对对流传热的影响。以上准数关系式中的A、a、b、c需通过实验确定。使用实验方程式Nu=AReaPrbGrc（经验关联式）时应注意：1、适用范围2、定性温度3、特性尺寸三、无相变的对流传热系数的经验关联式（一）圆形直管内强制湍流的对流传热系数Nu=AReaPrb通过大量实验发现，在下列条件下：①Re10000；②0.7Pr160(一般流体都可满足，不适用于液体金属)；③流体是低粘度的（不大于水的粘度的两倍）；④管子长径比L/d30—40。上式中的A=0.023,a=0.8，当流体被加热时b=0.4，当流体被冷却时b=0.3，即Nu=0.023Re0.8Prb或α=0.023（λ/d）Re0.8Prb式α=0.023（λ/d）Re0.8Prb特性尺寸：管内径d，定性温度：流体进、出口温度的算术平均值。*1当流体一定、定性温度一定时u0.8α=B——d0.2*2u↑→α↑→Q↑d↓→α↑→Q↑*3如果以上所列条件得不到满足，对按上式计算所得的结果适当加以修正。（1）对于高粘度液体α=0.027（λ/d）Re0.8Pr0.33（μ/μw）0.14式中μ——液体在定性温度下的粘度；μw——液体在壁温下的粘度。适用范围是：Re10000；L/d30—40；Pr=0.5—100的各种液体（不适用于液体金属）。特性尺寸：管内径d；定性温度：除μw以外，其余都取液体进出口温度的平均值。（μ/μw）0.14可以按下式取值：液体被加热时（μ/μw）0.14=1.05液体被冷却时（μ/μw）0.14=0.95⑵当L/d30—40时由于管内流动尚未充分发展，流体扰动程度较大，热阻小，即α较大。用前式计算的对流传热系数偏低，需乘以校正系数εl加以修正。且εL=1+（d/L）0.7εL1⑶当Re=2000—10000时层流内层较厚，热阻大而α小，用前式计算的结果应乘以校正系数f，且f=1-6×105/Re1.8f1⑷对于弯管用前式计算的结果应乘以校正系数εR，且εR=1+1.77（d/R）εR1⑸非圆形直管对流传热系数非圆形直管对流传热系数的计算有两个途径。一是沿用圆形直管的计算公式，而将式中的定性尺寸用当量直径de代替。当量直径可按下式计算de=4A/ππ——为湿润周边的长度。该法比较简单，但准确性欠佳。另一方法是直接根据实验得到计算非圆形直管内强制对流传热系数的经验公式。（二）圆形直管内强制层流的对流传热系数Nu=1.86（RePrd/L）1/3（μ/μw）0.14适用范围：Re2300；Re·Pr·(d/L)10。特性尺寸：管内径d。定性温度：除μw以外，都取液体进出口温度的算术平均值。（三）管外强制对流的对流传热系数（P128—129）Nu=CεRenPr0.4C、ε、n值与管子数及管子排列方式有关。(四)大容积自然对流的对流传热系数四、冷凝传热与沸腾传热(一)冷凝传热1、冷凝传热过程膜状冷凝与滴状冷凝冷凝过程热阻2、冷凝传热系数①垂直圆管外的冷凝传热系数层流时的平均冷凝传热系数高度ρ2grλ3α=1.13（——————）1/4μLΔt特性尺寸：管长Lα定性温度：膜温（tS与tW的算术平均值），r取tS下的数值。湍流时冷凝传热系数ρ2grλ34LαΔtα=0.0077（—————）1/4（————）0.4μLΔtrμ②水平圆管外的冷凝传热系数ρ2grλ3α=0.725（—————）1/4μdΔt特性尺寸：定性温度：**水平圆管与垂直圆管的传热系数之比为α水平L———=0.64（——）1/4α垂直d③水平管束外的冷凝传热系数ρ2grλ3α=0.725（——————）1/4n2/3μdΔt式中n为管束在垂直方向上的管排数3、影响冷凝传热的因数及强化措施不凝性气体的影响蒸汽过热的影响蒸汽流速的影响冷凝传热过程的强化（二）沸腾传热1、沸腾传热过程2、沸腾传热系数3、影响沸腾传热的因素液体和蒸汽的性质加热表面的粗糙情况的表面物理性质操作压强和温差4、沸腾传热过程的强化从加热表面和沸腾液体两方面入手4—4稳态传热计算一、稳态传热过程及载热体1、稳态传热过程热流体壁面另一侧壁面冷流体2、载热体加热剂冷却剂二、稳态传热速率方程热流体冷流体TtQ1、平壁面根据Q=Q1=Q2=Q3有T-TwTw–tWtW-t————=————=————1/α1Aδ/λA1/α2A根据加比定律有：T-tQ=—————————————1/α1A+δ/λA+1/α2A上式可写成Q=KA（T-t）=KAΔTQ=KA（T-t）=KAΔT其中K—传热系数，W/m2K，1K=———————————1/α1+δ/λ+1/α2ΔT—热冷流体温度差，K。2、圆筒壁同理可得Q=KA（T-t）=KAΔT其中1KA=———————————————1/α1A1+δ/λAm+1/α2A2*相应的KA有KA1、KAm、KA2。Q=αA(tW–t)Q=KA（T–t）传热速率方程式与牛顿冷却定律比较可知：＊对流传热膜系数α同流体与壁面温差相联系，＊而传热系数K则同冷、热流体的温度差相联系。＊用传热速率方程式计算传热速率可以避开未知的壁温。三、稳态传热计算式Q=KA（T-t）=KAΔT的应用1、Q的确定（热量衡算）Q=Q放=Q吸Q=GC（h1-h2）=Gh（H1-H2）没有相变化的过程Q=GCCPC（t2-t1）=GhCPh（T1–T2）一侧有相变化的过程（饱和蒸汽加热物料）Q=GCCPC（t2-t1）=Ghr2、传热平均温度差ΔT的计算（1）根据壁面两侧流体的温度变化情况，可将传热分