4.1热传导

4.传热1、本章学习的知识点傅立叶定律；平壁和圆筒壁定常热传导的计算；传热推动力与热阻的概念；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；传热效率与传热单元数；强制对流、自然对流、冷凝和沸腾给热系数的计算；热辐射基本概念；波尔兹曼定律；克希霍夫定律；固体间热辐射；传热的设计型和操作型问题定量计算；传热操作型问题定性分析；壁温的计算；列管换热器的结构、特点、工艺计算与选型；换热器优化设计概念；强化传热过程的途径；其他各种类型传热器的结构与特点。4.传热2、本章学习的重点傅立叶定律；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；传热的设计型和操作型问题定量计算；传热操作型问题定性分析；换热器优化设计概念；强化传热过程的途径；列管换热器结构、工艺计算与选型。3、本章学习的难点总传热系数；传热操作型问题的定量计算与定性分析；强化传热过程的途径。4、本章学习的新知识点传热操作型问题的定性分析；换热器优化设计概念。4.2热传导内容概要热传导基本概念傅立叶定律平壁圆筒壁应用4.2热传导基本概念返回热传导：依靠分子，原子，电子振动碰撞位移而发生的能量传递。特点：温差、直接接触、不发生宏观的相对位移、不能在真空中发生。工业应用：锅炉的耐火砖导热，保温层生活应用：双层窗，保温杯，羽绒服温度场：物体（或空间）各点温度在时空中的分布总和。t=f（x，y，z，θ）等温面：温度相同的点所组成的面稳态温度场：各点温度不随时间而变化，只和空间有关非稳态温度场：各点温度值随时间而变化。温度梯度：沿等温面法线方向上的温度变化率（温度增加的方向），和温度传播的方向相反。nqttttt图5-1温度梯度与热流方向的关系nttgradn0lim对于一维温度场dndttgrat4.2.1傅立叶定律和导热系数一、傅立叶定律和导热系数4.传热ntqntdAdQtgratdAdQq4.2.1傅立叶定律和导热系数二、导热系数4.传热聚集状态等压强湿度温度结构材料的组成，，，，，1、导热系数的定义ntdq导热系数是表征物质导热性能的一个物性参数，越大，导热越快，在数值上等于单位温度梯度下的热通量q。2、的数量级（w/m.℃）金属：10~102；建筑材料：10-1~10；绝热材料：10-2~10-1；液体：10-1~10；气体：10-2~10-1的影响因素外因：温度，湿度，压强内因：材料，结构非金4.2.1傅立叶定律和导热系数一般：4.传热气液固非金，3、温度对的影响t固体金多数均质固体t10金0非金0液体气体lg返回4.2.2热传导过程的数学描述4.传热（1）单层平壁稳定热传导一高度和宽度均很大的平壁，厚度为b，两侧表面温度保持均匀恒定，分别为t1及t2，且t1t2，若t1、t2不随时间而变，壁内的传热属于沿厚度x方向的一维定态热传导过程（见图5-5）。此时傅立叶定律可写成txxdxt1t2单层平壁的稳定热传导bQntqdd积分上式21dd0ttbtxqbttbttq21214.2.2热传导过程的数学描述4.传热传热速率（单位时间通过面积A上的传热量）为：AbttQ21阻力推动力RtAbttQ21b↑或A↓或λ↓，R↑。上式λ为常数，所以平壁内的温度分布为一直线；若导热系数与温度有关，则温度分布又是怎样的？txxdxt1t2t1t24.2.2热传导过程的数学描述4.传热/btAQq热阻推动力RtAbtQ/说明：1、热流量Q正比于推动力，反比于热阻tAbR2、由可得，AbRR，A，b3、当，的导热系数。即：t221ttt，mm是取AbtQm/返回（2）多层平壁稳定热传导t2txt1123t3t41b2b3b多层平壁的热传导AttAttAttQ33432232112131313141iiiiiiiRtAbttQ总阻力总推动力应用合比定律，得推广到n层平壁niiniiniiinRtAbttQ11111总阻力总推动力从上式可以看出，通过多层壁的定态热传导，传热推动力和热阻是可以加和的；总推动力等于各层推动力之和，总热阻等于各层热阻之和。321332211433221::::::RRRAbAbAbtttttt此式说明，在多层壁导热过程中，哪层热阻大，哪层温差就大；反之，哪层温差大，哪层热阻一定大。niiniiniiinRtAbttQ11111总阻力总推动力将上式写成热通量的形式为niiinbttq111niiniiniiinRtAbttQ11111总阻力总推动力(3)通过单层圆筒壁的定态导热过程4.传热有内、外半径分别为r1、r2的圆筒，内、外表面分别维持恒定的温度t1、t2，且管长l足够大，圆筒壁内的导热属于沿径向的一维定态热传导，傅立叶定律可写成trdrt1r1r2t1t2圆筒壁的热传导rtqddrtrlrtAQdd2dd积分2121d2drrttrrlQt2121d2drrttrrlQt12212rrttlQln阻力推动力RttlrrttQ2112212lnm21m2121m1221121222ln2AbttlrbttbttlrrrttrrlrrQm21AbttQ1212mlnrrrrr式中b=r2-r1，为圆筒壁的厚度。平均面积Am=2πlrm，而称为对数平均半径。当r2/r12时，可以改用算术平均值，即取rm=（r2+r1）/2。热阻为：m122lnAblrrR（4）多层圆筒壁稳定热传导t2t1123t3t41b2b3b多层圆筒壁的热传导r1r2r3r41m11211AbttQ2m22322AbttQ3m33433AbttQ3m332m221m1141AbAbAbttQniiiinninlrrttAbttQ111111m11112)ln(推广到n层圆筒壁思考：分析保温瓶的保温措施有哪些？讨论：①对平壁一维稳定热传导在传热方向上处处传热速率Q与热通量q相等；②对圆筒壁一维稳定热传导在传热方向上其传热速率Q处处相等，但由于各处传热面积不同，故其热通量不等；③对平壁求单位面积的传热量或热损失即求热通量q；对圆筒壁求单位长度的传热量或热损失，即求Q/l；④热导率λ小，不利于导热，但有利于保温；⑤多层材料间应紧密接触，若有空隙则其总的导热能力下降，因为其间隙充满气体，气体的热导率小于固体；⑥采用多层保温措施时，热导率小的材料置于内层有利于保温；⑦热损失与保温层厚度有图所示的关系，为什么会有两种不同的情况？⑧当保温层厚度大于临界厚度的情况下，是否厚度增加就有利？0.00.10.20.30.40.50501001502002503004321Q/L(w/m)b(m)4.3对流给热4.传热返回内容概要对流传热牛顿冷却定律因次分析的计算概念•对流传热：特指流体与固体壁面之间的热量传递过程。•特点：质点的相对位移和混合完成，与流体的流动状况密切相关。定义对流传热无相变有相变自然对流强制对流饱和蒸汽冷凝液体沸腾外部强制内部强制大容器沸腾管内沸腾大空间有限空间分类•强制对流：流体在外加能量的作用下处于流动状态•自然对流:流体只由于内部密度差而流动。（温度的变化引起密度的变化）•蒸汽冷凝：气体在传热过程中全部或部分冷凝成液体的过程。•液体沸腾：液体在传热过程中沸腾，部分液体转变成气体。•给热过程（对流传热过程）：流体流过与流体平均温度不同的固体壁面时二者之间发生热交换的过程，在工程上称为“给热过程”，必然包含热传导。4.3.1对流传热机理分析流动的流体传热的阻力主要集中在层流底层，所以要强化传热，主要的措施是破坏层流底层，降低层流底层的厚度。TTWtWt热流体冷流体δt金属壁δt图5-12热、冷流体通过间壁传热过程示意t'T'tbTb2、湍流•层流底层温度梯度大，热传导方式•湍流核心温度梯度小，对流方式•过渡区域热传导和对流方式1、层流流动主要依靠热传导方式来进行热量传递4.3.2对流给热过程的数学描述假设把过渡区和湍流主体热阻全部叠加到层流底层，构成一厚度为的流体膜（有效膜），膜内为层流，膜外为湍流，所有热阻集中到有效膜内。TTWttWtet总有效膜厚度层流底层膜厚度湍流区虚拟膜厚度t1、有效膜模型对流传热速率与许多因素有关，目前采用牛顿冷却定律来表示：2、牛顿冷却定律流体被冷却：流体被加热：w()QAttTTWtWtt1.─对流传热系数，W/(m2·℃)2.牛顿冷却定律是一种推论，假设Q∝t。3.复杂问题简单化表示。)(wTTAQ3、的分析•由于是稳态热传递，那么在有效膜内的传导热速率和牛顿冷却定律表示的传热速率相等，即ATTTTAtww/tTTWtWtt•牛顿冷却定律使复杂的对流传热问题用简单的关系式表示，实际的复杂体现在。•不是物性，和流动状态有关系（与导热系数的不同之处），可查可测可实验。•大小：强制对流自然对流；有相变无相变；液体气体•引起对流的原因：强制对流u，自然对流•流体流动形态：层流、湍流、过渡区•流体的物理性质•传热面的几何因素——特征尺寸l或d(或de)•液体有无相态变化：气、液、蒸汽、是否有相变4、的影响因素,,,pc自然对流4.传热abTTTT)()(ab所以，ab之间形成压差：TTgLgLgLp1在这压差的推动下，造成环流环流速度：TgLu12112ttVVV量纲分析(遵循π定理)5、对流传热系数经验式建立方法π定理:当一物理现象可由n个物理量的函数关系来描述，而这些物理量包括有m种基本因次时，则可以用因次分析的方法获得(n-m)个无因次数群。而这个现象的特征可以用这(n-m)个无因次数群的关系形式来表示。)c,,tg,,l,,u(fp采用无因次化方法将上式转化成无因次形式：以4个有关特征数来表示8个物理量，4个基本因次：长度L,质量M，时间t，温度T4.3.2对流给热过程的数学描述4.传热cbaGrPrAReNu或),,(223ptLgcLufl注：因次分析的结果无法得到最终的表达式，只能用实验的方法得到参数的具体值，也称为半理论、半经验的方法。努塞尔(Nusselt)数雷诺数(Reynolds)数普朗特(Prandtl)数格拉晓夫(Grashof)数4.3.2对流给热过程的数学描述各无因次数群的物理意义1、努塞尔（Nusselt）准数4.传热llNu以纯导热方式进行的给热系数Nu准数反映的是对流使给热系数增大的倍数。2、雷诺（Reynolds）准数粘性力惯性力luuluRe24.3.2对流给热过程的数学描述雷诺（Reynolds）准数即反映流体所受的惯性力与粘性力之比，表征流体的运动状态对对流传热的影响。3、格拉晓夫（Grashof）准数4.传热22222223)Re(lutlgGrnntlgun自然对流的特征速度格拉晓夫（Grashof）准数是雷诺准数的一种变形，它表征着自然对流的流动状态。4、普兰特（Prandtl）准数pcPr反映流体物性对对流传热的影响。4.3.2对流给热过程的数学描述气体：，液体：。4.传热1Pr1Pr五、定性温度,,,pc取什么温度查取所