化工原理第四章 傳熱導(dǎo)論

1、 t1 T1 T2 t 4.1概述概述 一、傳熱在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用一、傳熱在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用 (1)化學(xué)反應(yīng)（化學(xué)反應(yīng)（Reaction)； (2)單元操作單元操作(Unit operation)； 動(dòng)量傳遞（動(dòng)量傳遞（chapter1-2） 熱量傳遞（熱量傳遞（chapter4-5） 質(zhì)量傳遞質(zhì)量傳遞 化學(xué)工程化學(xué)工程 反應(yīng)工程反應(yīng)工程 三傳（化工原理）三傳（化工原理） 熱量傳遞熱量傳遞（傳熱）：由于熱量在空間位置上分布的不均勻，熱能夠（傳熱）：由于熱量在空間位置上分布的不均勻，熱能夠 自發(fā)地從高溫物體傳送到低溫物體自發(fā)地從高溫物體傳送到低溫物體 。 t1 T1 T2 t 4.1概述概述 二

2、、熱量傳遞的三種方式二、熱量傳遞的三種方式 熱傳導(dǎo)（熱傳導(dǎo)（conduction） 對(duì)流傳熱（對(duì)流傳熱（convection） 熱輻射（熱輻射（radiation） 實(shí)際傳熱過程中，這三種傳熱方式或單獨(dú)存在或同時(shí)存在實(shí)際傳熱過程中，這三種傳熱方式或單獨(dú)存在或同時(shí)存在 t1 T1 T2 t 熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo) 熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)(conduction)是由于物體中微觀粒子的是由于物體中微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)所致熱運(yùn)動(dòng)所致，在傳熱，在傳熱 過程中質(zhì)點(diǎn)過程中質(zhì)點(diǎn)沒有宏觀運(yùn)動(dòng)沒有宏觀運(yùn)動(dòng)。通常發(fā)生在相互接觸的流體之間和流體。通常發(fā)生在相互接觸的流體之間和流體 內(nèi)部。內(nèi)部。 對(duì)流傳熱對(duì)流傳熱是指流體各部分質(zhì)點(diǎn)發(fā)生是指流體

3、各部分質(zhì)點(diǎn)發(fā)生宏觀相對(duì)位移宏觀相對(duì)位移而引起的熱量傳遞而引起的熱量傳遞 過程，因而對(duì)流只能發(fā)生在流體中。過程，因而對(duì)流只能發(fā)生在流體中。 t1 T1 T2 t 對(duì)流傳熱對(duì)流傳熱 分類分類 自然對(duì)流自然對(duì)流傳熱傳熱- -因受熱而有因受熱而有密度密度的局部的局部變化變化，導(dǎo)致，導(dǎo)致 發(fā)生對(duì)流而傳熱發(fā)生對(duì)流而傳熱 強(qiáng)制對(duì)流強(qiáng)制對(duì)流傳熱傳熱- -用用機(jī)械能機(jī)械能使流體發(fā)生對(duì)流而傳熱使流體發(fā)生對(duì)流而傳熱 wf qtt() tw: 壁溫壁溫 tf：流體溫度：流體溫度 牛頓冷卻定律牛頓冷卻定律 對(duì)流傳熱對(duì)流傳熱 t1 T1 T2 t 輻射輻射是一種以是一種以電磁波形式電磁波形式傳播能量的現(xiàn)象，傳播能量的現(xiàn)象

4、，不需要任何介質(zhì)不需要任何介質(zhì)作媒介。作媒介。 在高溫情況下，輻射傳熱成為主要傳熱方式。在高溫情況下，輻射傳熱成為主要傳熱方式。 輻射傳熱輻射傳熱 t1 T1 T2 t 基本概念基本概念 dQ q dA 1、傳熱速率傳熱速率Q（熱流量）：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過傳熱面的熱量，單位（熱流量）：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過傳熱面的熱量，單位 W 傳熱速率傳熱推動(dòng)力（溫差）傳熱速率傳熱推動(dòng)力（溫差）/傳熱熱阻（阻力）傳熱熱阻（阻力） 2、熱通量熱通量q（熱流密度）：?jiǎn)挝粋鳠崦娣e上的傳熱速率，單位（熱流密度）：?jiǎn)挝粋鳠崦娣e上的傳熱速率，單位 W/m2 3、穩(wěn)態(tài)傳熱穩(wěn)態(tài)傳熱：物體中各點(diǎn)溫度不隨時(shí)間而改變得傳熱過程。：物體中各點(diǎn)

5、溫度不隨時(shí)間而改變得傳熱過程。 4、非穩(wěn)態(tài)傳熱非穩(wěn)態(tài)傳熱：物體的溫度分布隨時(shí)間而變化的傳熱過程。：物體的溫度分布隨時(shí)間而變化的傳熱過程。 5、溫度場(chǎng)溫度場(chǎng)：物體中各點(diǎn)的溫度隨時(shí)間和空間位置變化的函數(shù)。：物體中各點(diǎn)的溫度隨時(shí)間和空間位置變化的函數(shù)。 tf（x，y，z，）。）。 定態(tài)溫度場(chǎng)：物體內(nèi)溫度分布與時(shí)間無關(guān)。定態(tài)溫度場(chǎng)：物體內(nèi)溫度分布與時(shí)間無關(guān)。 非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)：物體內(nèi)各點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化。非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)：物體內(nèi)各點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化。 6、等溫面等溫面：溫度場(chǎng)中溫度相同的點(diǎn)連成的面。：溫度場(chǎng)中溫度相同的點(diǎn)連成的面。 等溫線：兩維坐標(biāo)中的等溫面。等溫線：兩維坐標(biāo)中的等溫面。 注意注意：溫度不同的：溫

6、度不同的等溫面（線）不能相交等溫面（線）不能相交。 等溫面（等溫線）的等溫面（等溫線）的切線切線方向上方向上沒有溫度變化沒有溫度變化，沒有沒有 熱量傳遞熱量傳遞。穿過等溫面的任何方向上均有溫度變化和熱量傳遞。穿過等溫面的任何方向上均有溫度變化和熱量傳遞。 7、溫度梯度：在等溫面（線）的法線方向上的溫度變化率稱為、溫度梯度：在等溫面（線）的法線方向上的溫度變化率稱為 溫度梯度。溫度梯度。 n tt grad t nn 0 lim t1 T1 T2 t 基本概念基本概念 t1 T1 T2 t 熱傳導(dǎo)的基本定律熱傳導(dǎo)的基本定律 傅立葉定律傅立葉定律：熱傳導(dǎo)速率與等溫面的法向溫度梯度及導(dǎo)熱面積成：熱傳

7、導(dǎo)速率與等溫面的法向溫度梯度及導(dǎo)熱面積成 正比。正比。 式中式中: dQ 熱傳導(dǎo)速率，熱傳導(dǎo)速率，W或或J/s； dA 導(dǎo)熱面積，導(dǎo)熱面積，m2； t/ n 溫度梯度，溫度梯度，/m或或K/m； 導(dǎo)熱系數(shù)，導(dǎo)熱系數(shù)， W/(m)或或W/(mK) 表征材料導(dǎo)熱性能的物性參數(shù)表征材料導(dǎo)熱性能的物性參數(shù) 越大，導(dǎo)熱性能越好越大，導(dǎo)熱性能越好 一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)：一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)： 熱通量來表示：熱通量來表示： t1 T1 T2 t 導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù) 1、導(dǎo)熱系數(shù)的物理意義、導(dǎo)熱系數(shù)的物理意義 物理意義：?jiǎn)挝粶囟忍荻认碌臒嵬课锢硪饬x：?jiǎn)挝粶囟忍荻认碌臒嵬?強(qiáng)化傳熱：選用強(qiáng)化傳熱：選用 大的材料；削弱傳熱

8、：選用大的材料；削弱傳熱：選用 小的材料。小的材料。 2 2、影響導(dǎo)熱系數(shù)的因素、影響導(dǎo)熱系數(shù)的因素 與分子運(yùn)動(dòng)和分子間相互作用力有關(guān)與分子運(yùn)動(dòng)和分子間相互作用力有關(guān) 數(shù)值大小取決于物質(zhì)的結(jié)構(gòu)及組成、溫度和壓力等因素。數(shù)值大小取決于物質(zhì)的結(jié)構(gòu)及組成、溫度和壓力等因素。 固體固體 液體液體 金屬液體導(dǎo)熱系數(shù)金屬液體導(dǎo)熱系數(shù) 非金屬液體的導(dǎo)熱系數(shù)非金屬液體的導(dǎo)熱系數(shù) 在非金屬液體中，水的導(dǎo)熱系數(shù)最大在非金屬液體中，水的導(dǎo)熱系數(shù)最大 純液體的純液體的 大于溶液大于溶液 絕大多數(shù)液體絕大多數(shù)液體t t， （除水和甘油等少量液體（除水和甘油等少量液體 ） 純金屬純金屬t， ，純金屬比合金的，純金屬比合金

9、的 大。大。 非金屬非金屬t， ，同樣溫度下，同樣溫度下， 越大，越大， 越大。越大。 氣體氣體 t， 。在通常壓力范圍內(nèi)，。在通常壓力范圍內(nèi)，p對(duì)對(duì) 的影響一般不考慮。的影響一般不考慮。 t1 T1 T2 t 影響導(dǎo)熱系數(shù)的因素影響導(dǎo)熱系數(shù)的因素 固體固體 液體液體 金屬液體導(dǎo)熱系數(shù)金屬液體導(dǎo)熱系數(shù) 非金屬液體的導(dǎo)熱系數(shù)非金屬液體的導(dǎo)熱系數(shù) 在非金屬液體中，水的導(dǎo)熱系數(shù)最大在非金屬液體中，水的導(dǎo)熱系數(shù)最大 純液體的純液體的 大于溶液大于溶液 絕大多數(shù)液體絕大多數(shù)液體t t， （除水和甘油等少量液體（除水和甘油等少量液體 ） 純金屬純金屬t， ，純金屬比合金的，純金屬比合金的 大。大。 非金屬

10、非金屬t， ，同樣溫度下，同樣溫度下， 越大，越大， 越大。越大。 氣體氣體 t， 。在通常壓力范圍內(nèi)，。在通常壓力范圍內(nèi)，p對(duì)對(duì) 的影響一般不考慮。的影響一般不考慮。 t1 T1 T2 t 影響導(dǎo)熱系數(shù)的因素影響導(dǎo)熱系數(shù)的因素 W/(mK) 金屬固體金屬固體 101102 建筑材料建筑材料10-1100 絕緣材料絕緣材料10-210-1 液體液體10-1 氣體氣體10-210-1 ( (金屬固體金屬固體) ) ( (非金屬固體非金屬固體) ) ( (液體液體) ) ( (氣體氣體) ) t1 T1 T2 t 固體絕緣材料固體絕緣材料( (軟木軟木, ,玻璃棉玻璃棉) )的導(dǎo)熱系數(shù)之所以小，是

11、因?yàn)榈膶?dǎo)熱系數(shù)之所以小，是因?yàn)?其結(jié)構(gòu)呈纖維狀或多孔，其空隙率很大，孔隙中含有大量空其結(jié)構(gòu)呈纖維狀或多孔，其空隙率很大，孔隙中含有大量空 氣的緣故。氣的緣故。 影響導(dǎo)熱系數(shù)的因素影響導(dǎo)熱系數(shù)的因素 t1 T1 T2 t y qy+ dqy qz qx (x,y,z) qx+dqx dy dz qz+dqzdx qy x z 微元控制體微元控制體 累累積積速速率率 速速率率 輸輸出出熱熱量量 速速率率 輸輸入入熱熱量量 Sdxdydzdxdyqdxdzqdydzq zyx 速速率率 輸輸入入熱熱量量 dxdyqqdxdzqq dydzqq zzyy xx 速速率率 輸輸出出熱熱量量 tdxdyd

12、zc p 累積速率累積速率 熱傳導(dǎo)微分方程及其定解熱傳導(dǎo)微分方程及其定解 t1 T1 T2 t tcS dz q dy q dx q p z y x 于于是是： 若、cp為常數(shù)，則： t cS z q y q x q p z y x t cSq p 即 將傅立葉定律代入得： t cS z t zy t yx t x p 熱傳導(dǎo)微分方程及其定解熱傳導(dǎo)微分方程及其定解 t1 T1 T2 t t cS z t y t x t p 2 2 2 2 2 2 -直角坐標(biāo)系下的導(dǎo)熱微分方程 一一維維時(shí)時(shí) t cS x t x p I. C： =0 時(shí)時(shí)，t0=f（x，y，z） B.C：tw=常數(shù) 常數(shù) -第

13、一類第一類 B.C qw=常數(shù)常數(shù) -第二類第二類 B.C w w x t q （變量）（變量）-第三類第三類 B.C 若為常數(shù)，則： 定解條件：定解條件： 熱傳導(dǎo)微分方程及其定解熱傳導(dǎo)微分方程及其定解 由以上方程和邊界條件、初始條件可數(shù)值求解溫度場(chǎng)。由以上方程和邊界條件、初始條件可數(shù)值求解溫度場(chǎng)。 但是，下面我們將重新從熱量衡算出發(fā)求解一維導(dǎo)熱問題。但是，下面我們將重新從熱量衡算出發(fā)求解一維導(dǎo)熱問題。 t1 T1 T2 t 熱傳導(dǎo)微分方程及其定解熱傳導(dǎo)微分方程及其定解 t t1 t2 0 b x 常常數(shù)數(shù) 速速率率 輸輸出出熱熱量量 速速率率 輸輸入入熱熱量量 QQ 常數(shù)常數(shù) dx dt A

14、qAQ 熱熱阻阻 推推動(dòng)動(dòng)力力 Ab tt 21 qAQ dx 一、無限大單層平壁一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱一、無限大單層平壁一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱 一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱-單層平壁單層平壁( (薄殼衡算法薄殼衡算法) ) R A 2 1 0 bt t QdxAdt 12 0;xt t xbt t邊界條件：時(shí)， =時(shí)， = Fourier若 為常數(shù)，則定律式子可通 過分離變量 法積分： 不為常 數(shù)時(shí)溫度 分布？ t1 T1 T2 t t t2 t3 t4 t1 0 x b 顯然，通過每一層的 Q=常數(shù)或 q=常數(shù) 熱熱阻阻 推推動(dòng)動(dòng)力力 qAQ 23341214 3 112233 1 ii i tttttttt A

15、AA A 總推動(dòng)力 總熱阻 二、無限大多層平壁一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱二、無限大多層平壁一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱 一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱-多層平壁多層平壁 1 t 2 t 3 t 4 t 1 R 2 R 3 R Q t1 T1 T2 t 假設(shè)各層之間接觸良好，可以近似地認(rèn)為假設(shè)各層之間接觸良好，可以近似地認(rèn)為 接合面上各處的溫度相等接合面上各處的溫度相等 由熱阻分析法：由熱阻分析法： 11 1 n n i i i tt q 思考思考1 1：現(xiàn)在已經(jīng)知道了：現(xiàn)在已經(jīng)知道了q q，如何計(jì)算其中第，如何計(jì)算其中第 i i 層的右側(cè)壁溫？層的右側(cè)壁溫？ 第一層：第一層： 1 1 1221 1 1 )( qttttq 第二層

16、：第二層： 2 2 2332 2 2 )( qttttq 第第 i 層：層： i i iiii i i qttttq 111) ( 312 122334123 123 :.:.: .ttttttR R R AAA 思考思考2 2：各層的溫差比？：各層的溫差比？ )( 11 1 1 1 1 11 n n j j j i j j j i j j j i ttt qtt t1 T1 T2 t 一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱-多層平壁多層平壁 t t2 t3 t4 t1 0 x b A Ab tt Q ii i 1 3 1 01 總熱阻總熱阻 總推動(dòng)力總推動(dòng)力 21 ttAQ 牛牛頓頓冷冷卻卻定定律律： 思

17、考思考3：若上述平壁的右側(cè)溫度非固定，而是與環(huán)境進(jìn)行對(duì)流傳若上述平壁的右側(cè)溫度非固定，而是與環(huán)境進(jìn)行對(duì)流傳 熱，設(shè)環(huán)境溫度為熱，設(shè)環(huán)境溫度為t0、對(duì)流傳熱系數(shù)為、對(duì)流傳熱系數(shù)為 ，則傳熱量表達(dá)式如何？，則傳熱量表達(dá)式如何？ t1 T1 T2 t 一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱-多層平壁多層平壁 例題例題1 t1 T1 T2 t 某一冷庫的墻壁由三層材料筑成，內(nèi)層為軟木，厚度某一冷庫的墻壁由三層材料筑成，內(nèi)層為軟木，厚度12.7mm； 中層為松木，厚度中層為松木，厚度101.6mm；外層為混凝土，厚度；外層為混凝土，厚度76.2mm，現(xiàn)，現(xiàn) 側(cè)得冷庫的內(nèi)墻表面溫度為側(cè)得冷庫的內(nèi)墻表面溫度為255.4K

18、，外墻面為，外墻面為297.1K。 已知已知 松木的導(dǎo)熱系數(shù)松木的導(dǎo)熱系數(shù)1=0.151W/mK； 軟木的軟木的2=0.0433W/mK； 混凝土的混凝土的3=0.762W/mK。 （1）試求每平方米墻面的散熱量）試求每平方米墻面的散熱量W/m2； （2）各層接觸面上的溫度；）各層接觸面上的溫度； （3）若去掉中間松木層，內(nèi)外表面溫度不變，）若去掉中間松木層，內(nèi)外表面溫度不變， 則每平方米墻面的散熱量又為多少？則每平方米墻面的散熱量又為多少？ 1414 123112233 / tttt q RRR 255.4297.1 0.0127/0.1510.1016/0.04330.0762/0.762

19、 2 41.7 16.48W/m 0.08412.3460.1 負(fù)號(hào)說明熱量是從外側(cè)傳向內(nèi)側(cè)，即此時(shí)是冷量損失。 2（ ）各接觸面的溫度為： 1121 tttqR16.48(0.0841)1.39 21 1.39255.4 1.39256.8Ktt 解：(1) t t2 t3 t4 t1 0 x b t1 T1 T2 t 例題例題1 2232 32 16.48(2.346)38.67 38.67295.5K tttqR tt 1414 131133 (3) / tttt q RR 2 41.7 226.51W/m 0.08410.1 當(dāng)少了熱阻最大的軟木層，冷量損失更大 t t2 t3 t4

20、t1 0 x b t1 T1 T2 t 例題例題1 b ttt Q R A 12 單層平壁單層平壁 多層平壁多層平壁 t1 T1 T2 t 一維平壁穩(wěn)態(tài)熱傳一維平壁穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)導(dǎo) n i i n ii i n R t A b tt Q 11 11 常常數(shù)數(shù) dr dt AqAQ 常數(shù)常數(shù)但但 q 常數(shù)常數(shù) dr dt rLqAQ 2 dr rL Q dt r r t t 112 L rr tt Q 2 1 1 ln t t1 r 1 r 2 t2 0 r b QQ dr 薄殼衡算法 若若 為常數(shù)，則：為常數(shù)，則： -可見溫度分布可見溫度分布 為對(duì)數(shù)關(guān)系為對(duì)數(shù)關(guān)系 一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱-單層圓

21、筒壁單層圓筒壁 t1 T1 T2 t 1212 12 21 12 21 22rrrrL rr tt L rr tt Q ln ln 12 12 lnrr rr rm 令令 -對(duì)數(shù)平均半徑 當(dāng)2 1 2 r r 時(shí)，可用算術(shù)平均代替 mm A b tt rL b tt Q 2121 2 于于是是 t t1 r 1 r 2 t2 0 r b QQ dr 薄殼衡算法 熱熱阻阻 推推動(dòng)動(dòng)力力 對(duì)對(duì)照照：平平壁壁： Ab tt Q 21 t1 T1 T2 t 一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱-單層圓筒壁單層圓筒壁 熱阻熱阻 推動(dòng)力推動(dòng)力 qAQ t t1 t2 t3 t4 r1 r2 t2 0 r b1 b2

22、b3 總熱阻總熱阻 總推動(dòng)力總推動(dòng)力 miii i mmm Ab tt Ab tt Ab tt Ab tt 3 1 41 333 43 222 32 111 21 Q=常數(shù)常數(shù)，但，但 q 常數(shù)常數(shù) t1 T1 T2 t 一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱-多層圓筒壁多層圓筒壁 思考思考1： 氣溫下降，應(yīng)添加衣服，應(yīng)把保暖性好的衣服穿在氣溫下降，應(yīng)添加衣服，應(yīng)把保暖性好的衣服穿在 里面好，還是穿在外面好？里面好，還是穿在外面好？ 思考思考2：圓管保溫層越厚，保溫效果越好嗎？圓管保溫層越厚，保溫效果越好嗎？ t1 T1 T2 t 一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱-多層圓筒壁多層圓筒壁 1221 221131 2

23、2211 221131 2211 31 22 2 11 1 31 22 2 11 1 31 1 2 2 ) 11 1 ( 2 22 rr rr L b tt Q rr rr L b tt rrL b tt rL b rL b tt A b A b tt Q )()()( 212112212211 rrrrrr 21 21 rr 假設(shè)： 21 QQ 保溫性能好的放在內(nèi)層保溫性能好的放在內(nèi)層 t1 T1 T2 t 思考題思考題1 2 12 01 2 1 2LrL rr tt Q ln 總總熱熱阻阻 總總推推動(dòng)動(dòng)力力 0 2 dr dQ 令令 t1 t2 t0 則 2 r 0 0 2 2 2 2 d

24、r dQ r dr dQ r 時(shí)，時(shí)，當(dāng)當(dāng) 時(shí)，時(shí)，當(dāng)當(dāng) Q rcr2 -臨界半徑 rc 故 Q 有極大值 思考題思考題2-保溫層的臨界厚度保溫層的臨界厚度 t1 T1 T2 t 影響因素影響因素： 接觸材料的種類及硬度，接觸材料的種類及硬度， 接觸面的粗糙程度，接觸面的粗糙程度， 接觸面的壓緊力，接觸面的壓緊力， 空隙內(nèi)的流體性質(zhì)。空隙內(nèi)的流體性質(zhì)。 接觸熱阻一般通過實(shí)驗(yàn)測(cè)定或憑經(jīng)驗(yàn)估接觸熱阻一般通過實(shí)驗(yàn)測(cè)定或憑經(jīng)驗(yàn)估 計(jì)計(jì) 接觸熱阻接觸熱阻 t1 T1 T2 t 例題例題2 505的不銹鋼管，導(dǎo)熱系數(shù)的不銹鋼管，導(dǎo)熱系數(shù)1為為16 W/mK，外包厚，外包厚30mm的的 石棉，導(dǎo)熱系數(shù)石棉，

25、導(dǎo)熱系數(shù)2為為0.2 W/mK。若管內(nèi)壁溫為。若管內(nèi)壁溫為350，保溫層，保溫層 外壁溫度為外壁溫度為100，試計(jì)算每米管長(zhǎng)的熱損失。，試計(jì)算每米管長(zhǎng)的熱損失。 20mm 25mm 55mm 1=16W/mK1=0.2W/mK 100350 t1 T1 T2 t 解：鋼管層的平均面積計(jì)算 12 (50 5 2)/220mm,50/225mmrr 不銹鋼管內(nèi)徑外半徑 21 /2rr 可按算術(shù)平均算每米管長(zhǎng)的平均面積 2 11 212(0.0250.02)/2 10.141m mm Ar 20mm 25mm 55mm 1=16W/mK1=0.2W/mK 100350 例題例題2 t1 T1 T2

26、t 石棉層的平均面積計(jì)算 23 25mm,55mmrr石棉層內(nèi)徑外半徑 需按對(duì)數(shù)平均算每米導(dǎo)熱面積 21 2 21 0.0550.025 0.038m ln(/ )ln(0.055/0.025) m rr r rr 2 12 2120.038 10.239m mm Ar 32 /2rr 20mm 25mm 55mm 1=16W/mK1=0.2W/mK 100350 例題例題2 t1 T1 T2 t 故每米管長(zhǎng)的熱損失為： 12 1122 350 100 0.0050.03 16 0.1410.2 0.239 mm Qt bb L AA 250250 397 W/m 0.00220.62740.

27、6296 20mm 25mm 55mm 1=16W/mK1=0.2W/mK 100350 例題例題2 t1 T1 T2 t nn iii ii imi n i tt Q br AL t r 1 11 11 ln() 2 mimi Ar L2 m rr r r r 21 21 ln() 對(duì)數(shù)平均半徑對(duì)數(shù)平均半徑 t1 T1 T2 t 一維圓筒壁穩(wěn)態(tài)熱傳一維圓筒壁穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)導(dǎo) 對(duì)數(shù)平均面積對(duì)數(shù)平均面積 傳熱數(shù)率傳熱數(shù)率 t1 T1 T2 t 間壁兩側(cè)流體熱交換過程間壁兩側(cè)流體熱交換過程 影響對(duì)流傳熱系數(shù)的因素影響對(duì)流傳熱系數(shù)的因素 獲得對(duì)流傳熱系數(shù)的方法獲得對(duì)流傳熱系數(shù)的方法 對(duì)流傳熱對(duì)流傳熱 t

28、1 T1 T2 t 間壁兩側(cè)流體熱交換過程間壁兩側(cè)流體熱交換過程 1、間壁式換熱器、間壁式換熱器2、列管式換熱器、列管式換熱器 一、間壁式換熱器一、間壁式換熱器 t1 T1 T2 t 二、傳熱數(shù)率二、傳熱數(shù)率 三、兩流體通過間壁的傳熱過程分析三、兩流體通過間壁的傳熱過程分析 間壁兩側(cè)流體熱交換過程間壁兩側(cè)流體熱交換過程 t1 T1 T2 t 第一步：熱流體將第一步：熱流體將 熱量傳至固體壁面熱量傳至固體壁面 的熱側(cè)（對(duì)流傳熱）的熱側(cè)（對(duì)流傳熱） 第二步：熱量從壁第二步：熱量從壁 面的熱側(cè)傳至壁面面的熱側(cè)傳至壁面 的冷側(cè)（導(dǎo)熱）的冷側(cè)（導(dǎo)熱） 第三步、熱量從壁第三步、熱量從壁 面的冷側(cè)傳至冷流面

29、的冷側(cè)傳至冷流 體（對(duì)流傳熱）體（對(duì)流傳熱） 間壁兩側(cè)流體熱交換過程間壁兩側(cè)流體熱交換過程 熱熱阻熱熱阻間壁與冷流體的對(duì)流傳間壁與冷流體的對(duì)流傳間壁的導(dǎo)熱熱阻間壁的導(dǎo)熱熱阻傳熱熱阻傳熱熱阻熱流體與間壁間的對(duì)流熱流體與間壁間的對(duì)流 冷流體溫度冷流體溫度熱流體溫度熱流體溫度 Q 兩流體通過間壁的傳熱速率：兩流體通過間壁的傳熱速率： t1 T1 T2 t A b 間壁兩側(cè)流體熱交換過程間壁兩側(cè)流體熱交換過程 ？ 四、對(duì)流傳熱系數(shù)（四、對(duì)流傳熱系數(shù)（？） t1 T1 T2 t 當(dāng)流體為湍流流動(dòng)時(shí)，對(duì)當(dāng)流體為湍流流動(dòng)時(shí)，對(duì) 流傳熱的邊界層可分為三流傳熱的邊界層可分為三 個(gè)區(qū)域：個(gè)區(qū)域： 湍流核心湍流核心

30、 緩沖層緩沖層 層流底層層流底層 影響對(duì)流傳熱系數(shù)的因素影響對(duì)流傳熱系數(shù)的因素 t1 T1 T2 t 湍流核心湍流核心 (turbulent (turbulent core)core) 流體質(zhì)點(diǎn)劇烈運(yùn)動(dòng)，其傳流體質(zhì)點(diǎn)劇烈運(yùn)動(dòng)，其傳 熱阻力很小，故溫度梯度較熱阻力很小，故溫度梯度較 小。小。 影響對(duì)流傳熱系數(shù)的因素影響對(duì)流傳熱系數(shù)的因素 t1 T1 T2 t 層流底層層流底層（Buffer layer） 緊靠壁面，其熱量傳遞以導(dǎo)熱緊靠壁面，其熱量傳遞以導(dǎo)熱 方式為主。由于大多數(shù)流體的導(dǎo)方式為主。由于大多數(shù)流體的導(dǎo) 熱系數(shù)較小，故該層熱阻較大。熱系數(shù)較小，故該層熱阻較大。 影響對(duì)流傳熱系數(shù)的因素影

31、響對(duì)流傳熱系數(shù)的因素 t1 T1 T2 t 緩沖層緩沖層 (Buffer layer) 熱量傳遞由傳導(dǎo)和對(duì)流共同作熱量傳遞由傳導(dǎo)和對(duì)流共同作 用，溫度逐漸而平緩地變化。用，溫度逐漸而平緩地變化。 影響對(duì)流傳熱系數(shù)的因素影響對(duì)流傳熱系數(shù)的因素 溫差：溫差：T-Tw 熱阻：熱阻：三個(gè)區(qū)域三個(gè)區(qū)域 t1 T1 T2 t 湍流核心湍流核心 過渡層過渡層 層流底層層流底層 熱阻之和熱阻之和 影響對(duì)流傳熱系數(shù)的因素影響對(duì)流傳熱系數(shù)的因素 t1 T1 T2 t 假設(shè)在靠近壁面處存在一層假設(shè)在靠近壁面處存在一層虛擬膜虛擬膜， 也稱有效膜（也稱有效膜（effective film),該膜內(nèi)集該膜內(nèi)集 中了全部傳

32、熱溫差、全部熱阻，并以中了全部傳熱溫差、全部熱阻，并以 導(dǎo)熱方式傳熱。導(dǎo)熱方式傳熱。 w w tt tt 99% 這個(gè)膜區(qū)稱為這個(gè)膜區(qū)稱為熱邊界層熱邊界層。 膜厚的決定膜厚的決定： 溫度溫度t t滿足滿足 熱邊界層熱邊界層 t t W t 影響對(duì)流傳熱系數(shù)的因素影響對(duì)流傳熱系數(shù)的因素 熱流體側(cè)的傳熱量：熱流體側(cè)的傳熱量： 冷流體側(cè)的傳熱量：冷流體側(cè)的傳熱量： t1 T1 T2 t t t W t 對(duì)流傳熱系數(shù)對(duì)流傳熱系數(shù) )( W TTAQ 對(duì)流傳熱速率對(duì)流傳熱速率? 因次分析因次分析 影響對(duì)流傳熱系數(shù)的因素影響對(duì)流傳熱系數(shù)的因素 t1 T1 T2 t 因次分析在對(duì)流傳熱中的應(yīng)用因次分析在對(duì)流

33、傳熱中的應(yīng)用 1 1、把影響、把影響的因素歸納為幾個(gè)準(zhǔn)數(shù)的因素歸納為幾個(gè)準(zhǔn)數(shù)( (參照第一章參照第一章) ) 2 2、用實(shí)驗(yàn)方法確定這些準(zhǔn)數(shù)對(duì)、用實(shí)驗(yàn)方法確定這些準(zhǔn)數(shù)對(duì)的影響的影響 因次分析：因次分析： 通過因次分析得到：通過因次分析得到： 無相變對(duì)流傳熱無相變對(duì)流傳熱:Nu=f(Re，Pr，Gr) 在某些情況下在某些情況下,上式可簡(jiǎn)化如下上式可簡(jiǎn)化如下: 自然對(duì)流自然對(duì)流Nu=f(Pr，Gr) 強(qiáng)制對(duì)流強(qiáng)制對(duì)流Nu=f(Re，Pr） 準(zhǔn)數(shù)的符號(hào)和意義準(zhǔn)數(shù)的符號(hào)和意義 努塞爾特準(zhǔn)數(shù)努塞爾特準(zhǔn)數(shù) (Nusselt) Nu 表示對(duì)流傳熱系數(shù)的準(zhǔn)數(shù)表示對(duì)流傳熱系數(shù)的準(zhǔn)數(shù) 是導(dǎo)熱熱阻與對(duì)流熱阻之比是導(dǎo)

34、熱熱阻與對(duì)流熱阻之比 雷諾準(zhǔn)數(shù)雷諾準(zhǔn)數(shù) (Reynolds) Re 確定流動(dòng)狀態(tài)的準(zhǔn)數(shù)確定流動(dòng)狀態(tài)的準(zhǔn)數(shù) 普蘭特準(zhǔn)數(shù)普蘭特準(zhǔn)數(shù) (Prandtl) Pr 表示物性影響的準(zhǔn)數(shù)表示物性影響的準(zhǔn)數(shù) 一般，氣體一般，氣體Pr1 格拉斯霍夫準(zhǔn)數(shù)格拉斯霍夫準(zhǔn)數(shù) (Grashof) Gr 表示自然對(duì)流影響的準(zhǔn)數(shù)表示自然對(duì)流影響的準(zhǔn)數(shù) 各準(zhǔn)數(shù)中物理量的意義為各準(zhǔn)數(shù)中物理量的意義為: -對(duì)流傳熱系數(shù)對(duì)流傳熱系數(shù), W/( m2 )； u-流速流速, m/s； -流體的密度流體的密度, kg/ m3 ； l-傳熱面的特征尺寸傳熱面的特征尺寸,可以是管內(nèi)徑或外徑可以是管內(nèi)徑或外徑,或平板高度等或平板高度等, m；

35、-流體的導(dǎo)熱系數(shù)流體的導(dǎo)熱系數(shù),W/(m)； -流體的粘度流體的粘度, kg(ms)； Cp-流體的定壓比熱流體的定壓比熱, kJ（kg）；）；t-流體與壁面間的溫度差流體與壁面間的溫度差, ； -流體的體積膨脹系數(shù)流體的體積膨脹系數(shù), 1； g-重力加速度重力加速度, m/ s2 。 2 23 tlg p c lu l t1 T1 T2 t 傳熱過程中的幾個(gè)準(zhǔn)數(shù)傳熱過程中的幾個(gè)準(zhǔn)數(shù) t1 T1 T2 t 使用由實(shí)驗(yàn)整理得到的使用由實(shí)驗(yàn)整理得到的關(guān)聯(lián)式時(shí)關(guān)聯(lián)式時(shí),應(yīng)應(yīng)注意注意以下幾點(diǎn)以下幾點(diǎn): (1) 應(yīng)用范圍應(yīng)用范圍關(guān)聯(lián)式中關(guān)聯(lián)式中Re,Pr等準(zhǔn)數(shù)的數(shù)值范圍等。等準(zhǔn)數(shù)的數(shù)值范圍等。 (2)

36、特征尺寸特征尺寸Nu、Pr等準(zhǔn)數(shù)中等準(zhǔn)數(shù)中l(wèi)應(yīng)如何取定。應(yīng)如何取定。 (3) 定性溫度定性溫度各準(zhǔn)數(shù)中流體的物性應(yīng)按什么溫度查定。各準(zhǔn)數(shù)中流體的物性應(yīng)按什么溫度查定。 使用使用關(guān)聯(lián)式時(shí)的注意點(diǎn)關(guān)聯(lián)式時(shí)的注意點(diǎn) 管管內(nèi)內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流傳熱傳熱系數(shù)的計(jì)算強(qiáng)制對(duì)流傳熱傳熱系數(shù)的計(jì)算 t1 T1 T2 t 一、流體在圓形直管內(nèi)強(qiáng)制層流一、流體在圓形直管內(nèi)強(qiáng)制層流 二、過渡狀態(tài)下的對(duì)流傳熱系數(shù)二、過渡狀態(tài)下的對(duì)流傳熱系數(shù) 三、流體在圓形直管內(nèi)強(qiáng)制湍流三、流體在圓形直管內(nèi)強(qiáng)制湍流 四、流體在彎曲管道內(nèi)流動(dòng)四、流體在彎曲管道內(nèi)流動(dòng) 五、流體在非圓形直管內(nèi)強(qiáng)制湍流五、流體在非圓形直管內(nèi)強(qiáng)制湍流 流體在圓形直流體在圓

37、形直管內(nèi)管內(nèi)強(qiáng)制強(qiáng)制層流層流 t1 T1 T2 t t1 T1 T2 t ) 31 015. 01(8 . 025000 14. 0 )( 31 )( 31 Pr 31 Re86. 125000 GrGr W l dd Gr 時(shí)時(shí)， 時(shí)時(shí)， 定性溫度定性溫度 定性尺寸定性尺寸 使用范圍使用范圍 教科書教科書P198 （考慮自然對(duì)流的影響）（考慮自然對(duì)流的影響） t1 T1 T2 t 過渡過渡狀態(tài)下的對(duì)流傳熱系數(shù)狀態(tài)下的對(duì)流傳熱系數(shù) 湍流湍流 ) Re 106 1( 8 . 1 5 流體在圓形直流體在圓形直管內(nèi)管內(nèi)強(qiáng)制強(qiáng)制湍湍流流 流體被加熱時(shí)，流體被加熱時(shí)，n=0.4；被冷卻時(shí)，；被冷卻時(shí)，n

38、=0.3 t1 T1 T2 t 1、流體在圓形直管內(nèi)強(qiáng)制湍流、流體在圓形直管內(nèi)強(qiáng)制湍流 n NuPrRe023. 0 8 . 0 應(yīng)用范圍應(yīng)用范圍Re1.01041.2105 0.7Pr120 管長(zhǎng)與管徑比管長(zhǎng)與管徑比 流體與管壁流體與管壁溫差不大溫差不大的場(chǎng)合的場(chǎng)合 或或 特征尺寸特征尺寸Re、Nu等準(zhǔn)數(shù)中的等準(zhǔn)數(shù)中的l取為管內(nèi)徑取為管內(nèi)徑di。 定性溫度定性溫度取為流體進(jìn)、出口溫度的算術(shù)平均值。取為流體進(jìn)、出口溫度的算術(shù)平均值。 i l d 60 對(duì)于水，溫差不大于對(duì)于水，溫差不大于2030 對(duì)于氣體，溫差不超過對(duì)于氣體，溫差不超過50 W 2 t1 T1 T2 t w Nu 0.81 0

39、.1 3 4 0.027RePr w 0.14 1.05 w 0.14 0.95 1)高粘度流體在圓形直管內(nèi)做湍流：（高粘度流體在圓形直管內(nèi)做湍流：（ ) 工程計(jì)算中近似為：工程計(jì)算中近似為： 當(dāng)液體被加熱當(dāng)液體被加熱 當(dāng)液體被冷卻：當(dāng)液體被冷卻： W 2 2)圓形短直管圓形短直管( ) 50 dl )(1 7 . 0 l d t1 T1 T2 t 3)非圓形直管的流動(dòng)非圓形直管的流動(dòng) 4)圓形彎管的流動(dòng)圓形彎管的流動(dòng) )77. 11( R d 經(jīng)驗(yàn)式同圓形直管經(jīng)驗(yàn)式同圓形直管 特征尺寸：管徑特征尺寸：管徑di用當(dāng)量直徑用當(dāng)量直徑de代替代替 思考題：思考題： 1、為什么流體被加熱時(shí)，、為什么

40、流體被加熱時(shí)，n0.4；而流體被冷卻時(shí)，；而流體被冷卻時(shí)，n0.3？ 2、與流速與流速u、管徑、管徑d之間的關(guān)系？之間的關(guān)系？ 3、為什么將換熱器設(shè)計(jì)成短管換熱器可以強(qiáng)化換熱過程？將換熱器設(shè)計(jì)成短管換熱器可以強(qiáng)化換熱過程？ 4、為什么彎管內(nèi)的對(duì)流傳熱系數(shù)比直管內(nèi)大？、為什么彎管內(nèi)的對(duì)流傳熱系數(shù)比直管內(nèi)大？ t1 T1 T2 t 管管外外強(qiáng)制對(duì)流傳熱強(qiáng)制對(duì)流傳熱 t1 T1 T2 t 1、流體橫向流過單管傳熱、流體橫向流過單管傳熱 見：見：p200，圖，圖4-23 2、流體橫向流過管束傳熱、流體橫向流過管束傳熱 見：見：p201，式，式4-82、4-83 3、流體在管殼間的對(duì)流傳熱、流體在管殼間

41、的對(duì)流傳熱 見：見：p202，式，式4-84 14. 0 )( 31 Pr 55. 0 Re36. 0 W d Nu e 并排并排 錯(cuò)排錯(cuò)排 并排并排錯(cuò)排錯(cuò)排 影響自然對(duì)流傳熱系數(shù)的因素：影響自然對(duì)流傳熱系數(shù)的因素： 流體的物理性質(zhì)流體的物理性質(zhì) 傳熱面的大小、形狀、位置傳熱面的大小、形狀、位置 傳熱面與流體間的溫度差都有關(guān)系傳熱面與流體間的溫度差都有關(guān)系 n NuC Gr(Pr) t1 T1 T2 t 自然對(duì)流自然對(duì)流時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù) 大空間中的自然對(duì)流大空間中的自然對(duì)流 c和和n值列于值列于表表44（p204）中。中。 定性溫度定性溫度 取膜的平均溫度取膜的平均溫度tf，即

42、壁面溫度，即壁面溫度tw和流體平均溫度和流體平均溫度tm 的算術(shù)平均值。的算術(shù)平均值。 特征長(zhǎng)度特征長(zhǎng)度L：對(duì)于豎板或豎管，：對(duì)于豎板或豎管，L為垂直高度為垂直高度 對(duì)于水平管，對(duì)于水平管，L為外徑為外徑do 熱流方向 蒸汽 ts 熱流方向 蒸汽 ts 膜膜滴滴 豎直壁面：豎直壁面： 層流：層流：P207P207式式4-904-90，4-944-94 湍流：湍流： P208P208式式4-954-95 t1 T1 T2 t 冷凝與沸騰傳熱冷凝與沸騰傳熱 一、冷凝傳熱一、冷凝傳熱 冷凝傳熱冷凝傳熱 膜狀冷凝（工業(yè)設(shè)計(jì)）膜狀冷凝（工業(yè)設(shè)計(jì)） 滴狀冷凝滴狀冷凝 膜狀冷凝膜狀冷凝 當(dāng)當(dāng)ReRe值增加時(shí)

43、值增加時(shí), , 層流層流值減少；值減少； 湍流湍流值增大值增大 水平圓管外：水平圓管外： 單根水平管外層流：?jiǎn)胃焦芡鈱恿鳎篜208P208，式，式4-964-96 水平管束外冷凝，水平管束外冷凝，P209P209，式，式4-984-98 膜狀冷凝膜狀冷凝 sw rg d tt 23 1 4 0.725() () sw rg nd tt 23 1 4 2 3 0.725() () t1 T1 T2 t 冷凝與沸騰傳熱冷凝與沸騰傳熱 n - 水平管束在垂直列上的管排數(shù)水平管束在垂直列上的管排數(shù) 思考題思考題：水平管外的冷凝傳熱系數(shù)與豎直管外的冷凝傳熱系數(shù)：水平管外的冷凝傳熱系數(shù)與豎直管外的冷凝傳熱系數(shù) 哪個(gè)大，為什么？哪個(gè)大，為什么？ 影響冷凝傳熱的因素及強(qiáng)化措施影響冷凝傳熱的因素及強(qiáng)化措施 t1 T1 T2 t 熱阻熱阻集中在冷凝液集中在冷凝液膜內(nèi)膜內(nèi) 液膜的厚度及其流動(dòng)狀況液膜的厚度及其流動(dòng)狀況是影響冷凝傳熱的關(guān)