傳熱過(guò)程基礎(chǔ)E

1、第第5 5章章 傳熱過(guò)程基礎(chǔ)傳熱過(guò)程基礎(chǔ)chapter 5 chapter 5 the basis of heat the basis of heat transfer processtransfer process5.1 傳熱過(guò)程導(dǎo)論傳熱過(guò)程導(dǎo)論5.3 熱熱 傳傳 導(dǎo)導(dǎo)5.4 對(duì)流傳熱對(duì)流傳熱5.5 輻射傳熱輻射傳熱2022年2月6日第5章 傳熱過(guò)程基礎(chǔ)2/1355.1 傳熱過(guò)程導(dǎo)論傳熱過(guò)程導(dǎo)論物體或者系統(tǒng)內(nèi)部由于溫度不同而使熱量發(fā)生轉(zhuǎn)物體或者系統(tǒng)內(nèi)部由于溫度不同而使熱量發(fā)生轉(zhuǎn)移的過(guò)程，稱(chēng)為熱量的傳遞，簡(jiǎn)稱(chēng)傳熱移的過(guò)程，稱(chēng)為熱量的傳遞，簡(jiǎn)稱(chēng)傳熱。根據(jù)熱力根據(jù)熱力學(xué)第二定律，只要有溫度差就將有

2、熱量自發(fā)地從高學(xué)第二定律，只要有溫度差就將有熱量自發(fā)地從高溫處傳到低溫處溫處傳到低溫處The heat flow is always in the direction of the temperature decrease ，因此傳熱，因此傳熱是自然界和工程技術(shù)領(lǐng)域中普遍存在的一種物理現(xiàn)是自然界和工程技術(shù)領(lǐng)域中普遍存在的一種物理現(xiàn)象。象。 2022年2月6日第5章 傳熱過(guò)程基礎(chǔ)3/1355.1.1 傳熱在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用傳熱在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用傳熱是重要的化工單元操作之一，其應(yīng)用主要包傳熱是重要的化工單元操作之一，其應(yīng)用主要包括以下幾方面：括以下幾方面：1.加熱或冷卻流體加熱或冷卻流體，符合化學(xué)

3、反應(yīng)或單元操作的符合化學(xué)反應(yīng)或單元操作的需要需要2.對(duì)設(shè)備或管道進(jìn)行保溫、隔熱對(duì)設(shè)備或管道進(jìn)行保溫、隔熱，以減少熱量，以減少熱量(或或冷量冷量)損失。損失。 3.合理使用熱源合理使用熱源，進(jìn)行熱量的綜合回收利用。，進(jìn)行熱量的綜合回收利用。 2022年2月6日第5章 傳熱過(guò)程基礎(chǔ)4/1355.1.2 傳熱的基本方式傳熱的基本方式根據(jù)傳熱的機(jī)理不同，傳熱分為三種基本方式：根據(jù)傳熱的機(jī)理不同，傳熱分為三種基本方式：5.1.2.1.熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)(導(dǎo)熱導(dǎo)熱) Conduction 定義：定義：熱量從物質(zhì)中溫度較高的部分傳遞到溫度熱量從物質(zhì)中溫度較高的部分傳遞到溫度較低的部分，或者從高溫物質(zhì)傳遞到與之相鄰

4、的低較低的部分，或者從高溫物質(zhì)傳遞到與之相鄰的低溫物質(zhì)的熱量傳遞現(xiàn)象。溫物質(zhì)的熱量傳遞現(xiàn)象。2022年2月6日第5章 傳熱過(guò)程基礎(chǔ)5/135熱傳導(dǎo)特點(diǎn)：熱傳導(dǎo)特點(diǎn)：由于物質(zhì)微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)而引起的熱量傳遞，由于物質(zhì)微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)而引起的熱量傳遞，在傳熱方向上無(wú)物質(zhì)的宏觀位移。在傳熱方向上無(wú)物質(zhì)的宏觀位移。 存在于固體、靜止流體及滯流流體中。存在于固體、靜止流體及滯流流體中。發(fā)生熱傳導(dǎo)的條件是有溫度差存在，其結(jié)果是熱發(fā)生熱傳導(dǎo)的條件是有溫度差存在，其結(jié)果是熱量從高溫部分傳向低溫部分。量從高溫部分傳向低溫部分。2022年2月6日第5章 傳熱過(guò)程基礎(chǔ)6/135從微觀角度看，氣體、液體、導(dǎo)電固體和非

5、導(dǎo)電從微觀角度看，氣體、液體、導(dǎo)電固體和非導(dǎo)電固體的機(jī)理各不相同。固體的機(jī)理各不相同。氣體：是氣體：是氣體分子做不規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)時(shí)相互碰撞的氣體分子做不規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)時(shí)相互碰撞的結(jié)果。結(jié)果。氣體分子的動(dòng)能與其溫度有關(guān)，高溫區(qū)的分氣體分子的動(dòng)能與其溫度有關(guān)，高溫區(qū)的分子運(yùn)動(dòng)速度比低溫區(qū)的大。熱量水平較高的分子與子運(yùn)動(dòng)速度比低溫區(qū)的大。熱量水平較高的分子與熱量水平較低的分子相互碰撞的結(jié)果，熱量就由高熱量水平較低的分子相互碰撞的結(jié)果，熱量就由高溫區(qū)傳遞到低溫區(qū)。溫區(qū)傳遞到低溫區(qū)。導(dǎo)電固體：有導(dǎo)電固體：有許多的自由分子在晶格之間運(yùn)動(dòng)，許多的自由分子在晶格之間運(yùn)動(dòng)，正如這些自由電子能傳導(dǎo)電能一樣，它們也能將熱正

6、如這些自由電子能傳導(dǎo)電能一樣，它們也能將熱量從高溫處傳遞到低溫區(qū)。量從高溫處傳遞到低溫區(qū)。2022年2月6日第5章 傳熱過(guò)程基礎(chǔ)7/135非導(dǎo)電固體：導(dǎo)熱是通過(guò)非導(dǎo)電固體：導(dǎo)熱是通過(guò)晶格結(jié)構(gòu)的振動(dòng)晶格結(jié)構(gòu)的振動(dòng)(即原即原子、分子在其平衡位置附近的振動(dòng)子、分子在其平衡位置附近的振動(dòng))來(lái)實(shí)現(xiàn)的。物來(lái)實(shí)現(xiàn)的。物體中溫度較高部分的分子，因振動(dòng)而與相鄰的分子體中溫度較高部分的分子，因振動(dòng)而與相鄰的分子相碰撞，并將熱能的一部分傳遞給后者。相碰撞，并將熱能的一部分傳遞給后者。一般，通過(guò)晶格振動(dòng)傳遞的熱量比依靠自由電子一般，通過(guò)晶格振動(dòng)傳遞的熱量比依靠自由電子遷移傳遞的熱量少，這就是良好的導(dǎo)電體也是良好遷移傳

7、遞的熱量少，這就是良好的導(dǎo)電體也是良好導(dǎo)熱體的原因。導(dǎo)熱體的原因。2022年2月6日第5章 傳熱過(guò)程基礎(chǔ)8/135液體：液體：v一種觀點(diǎn)認(rèn)為它定性地和氣體類(lèi)似，即依靠一種觀點(diǎn)認(rèn)為它定性地和氣體類(lèi)似，即依靠分子不規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)傳遞熱量，分子不規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)傳遞熱量，只是液體分子間只是液體分子間的距離比較近，分子間的作用力對(duì)碰撞過(guò)程的的距離比較近，分子間的作用力對(duì)碰撞過(guò)程的影響比氣體大得多，因而更復(fù)雜。影響比氣體大得多，因而更復(fù)雜。v另一種觀點(diǎn)認(rèn)為其導(dǎo)熱機(jī)理類(lèi)似于非導(dǎo)電固另一種觀點(diǎn)認(rèn)為其導(dǎo)熱機(jī)理類(lèi)似于非導(dǎo)電固體，即主要依靠原子、分子在其平衡位置附近體，即主要依靠原子、分子在其平衡位置附近的振動(dòng)，只是振動(dòng)的

8、平衡位置間歇地發(fā)生移動(dòng)。的振動(dòng)，只是振動(dòng)的平衡位置間歇地發(fā)生移動(dòng)?？偟膩?lái)說(shuō)，關(guān)于導(dǎo)熱過(guò)程的微觀機(jī)理，目前仍不總的來(lái)說(shuō)，關(guān)于導(dǎo)熱過(guò)程的微觀機(jī)理，目前仍不很清楚。本章只討論導(dǎo)熱現(xiàn)象的宏觀規(guī)律。很清楚。本章只討論導(dǎo)熱現(xiàn)象的宏觀規(guī)律。2022年2月6日第5章 傳熱過(guò)程基礎(chǔ)9/1355.1.2.2.熱對(duì)流熱對(duì)流(對(duì)流對(duì)流) Convection定義：定義：由于流體質(zhì)點(diǎn)發(fā)生相對(duì)位移而引起的熱量由于流體質(zhì)點(diǎn)發(fā)生相對(duì)位移而引起的熱量傳遞過(guò)程傳遞過(guò)程特點(diǎn)：特點(diǎn)：熱對(duì)流只發(fā)生在流體中。熱對(duì)流只發(fā)生在流體中。流體各部分間產(chǎn)生相對(duì)位移流體各部分間產(chǎn)生相對(duì)位移 2022年2月6日第5章 傳熱過(guò)程基礎(chǔ)10/135產(chǎn)生對(duì)流

9、的原因產(chǎn)生對(duì)流的原因:由于流體內(nèi)部溫度不同形成密度的差異，在浮力由于流體內(nèi)部溫度不同形成密度的差異，在浮力的作用下產(chǎn)生流體質(zhì)點(diǎn)的相對(duì)位移，使輕者上浮，的作用下產(chǎn)生流體質(zhì)點(diǎn)的相對(duì)位移，使輕者上浮，重者下沉，稱(chēng)為自然對(duì)流重者下沉，稱(chēng)為自然對(duì)流natural convection ；由于泵、風(fēng)機(jī)或攪拌等外力作用而引起的質(zhì)點(diǎn)強(qiáng)由于泵、風(fēng)機(jī)或攪拌等外力作用而引起的質(zhì)點(diǎn)強(qiáng)制運(yùn)動(dòng)，稱(chēng)為強(qiáng)制對(duì)流制運(yùn)動(dòng)，稱(chēng)為強(qiáng)制對(duì)流force convection 。 流動(dòng)的原因不同，熱對(duì)流的規(guī)律也不同。在強(qiáng)制流動(dòng)的原因不同，熱對(duì)流的規(guī)律也不同。在強(qiáng)制對(duì)流的同時(shí)常常伴隨有自然對(duì)流。對(duì)流的同時(shí)常常伴隨有自然對(duì)流。2022年2月6

10、日第5章 傳熱過(guò)程基礎(chǔ)11/135化工生產(chǎn)中，常遇到的并非是單純的熱對(duì)流化工生產(chǎn)中，常遇到的并非是單純的熱對(duì)流方式，而是流體流過(guò)固體表面時(shí)發(fā)生的熱對(duì)流方式，而是流體流過(guò)固體表面時(shí)發(fā)生的熱對(duì)流和熱傳導(dǎo)聯(lián)合作用的傳熱過(guò)程，即和熱傳導(dǎo)聯(lián)合作用的傳熱過(guò)程，即熱由流體傳熱由流體傳遞到固體表面遞到固體表面(或反之或反之)的過(guò)程，通常將它稱(chēng)為的過(guò)程，通常將它稱(chēng)為對(duì)流傳熱對(duì)流傳熱(也稱(chēng)給熱也稱(chēng)給熱)。其特點(diǎn)是靠近固體壁面。其特點(diǎn)是靠近固體壁面附近的流體中依靠熱傳導(dǎo)方式傳熱，而在流體附近的流體中依靠熱傳導(dǎo)方式傳熱，而在流體主體中則主要依靠對(duì)流方式傳熱。主體中則主要依靠對(duì)流方式傳熱。可見(jiàn)，可見(jiàn)，對(duì)流傳熱與流體流動(dòng)

11、狀況密切相關(guān)對(duì)流傳熱與流體流動(dòng)狀況密切相關(guān)。2022年2月6日第5章 傳熱過(guò)程基礎(chǔ)12/1355.1.2.3.熱輻射熱輻射Radiation定義：定義：因熱的原因而產(chǎn)生的電磁波在空間的傳遞。因熱的原因而產(chǎn)生的電磁波在空間的傳遞。自然界中一切物體都在不停地發(fā)射輻射能，同時(shí)自然界中一切物體都在不停地發(fā)射輻射能，同時(shí)又不斷地吸收來(lái)自其它物體的輻射能，并將其轉(zhuǎn)化又不斷地吸收來(lái)自其它物體的輻射能，并將其轉(zhuǎn)化為熱能。為熱能。物體之間相互輻射和吸收能量的總結(jié)果，物體之間相互輻射和吸收能量的總結(jié)果，稱(chēng)為輻射傳熱稱(chēng)為輻射傳熱。由于高溫物體發(fā)射的能量比吸收的。由于高溫物體發(fā)射的能量比吸收的多，而低溫物體則相反，從

12、而使凈熱量從高溫物體多，而低溫物體則相反，從而使凈熱量從高溫物體傳遞向低溫物體。傳遞向低溫物體。特點(diǎn)：特點(diǎn)：可在真空中傳播可在真空中傳播能量傳遞同時(shí)伴隨有能量的轉(zhuǎn)換能量傳遞同時(shí)伴隨有能量的轉(zhuǎn)換2022年2月6日第5章 傳熱過(guò)程基礎(chǔ)13/135任何物體只要在絕對(duì)零度以上，都能發(fā)射輻射能，任何物體只要在絕對(duì)零度以上，都能發(fā)射輻射能，但是只有在物體溫度較高時(shí)，熱輻射才能成為主要但是只有在物體溫度較高時(shí)，熱輻射才能成為主要的傳熱方式。的傳熱方式。實(shí)際進(jìn)行的傳熱過(guò)程，往往不是上述三種基本方實(shí)際進(jìn)行的傳熱過(guò)程，往往不是上述三種基本方式單獨(dú)出現(xiàn)，而是兩種或三種傳熱的組合，而又以式單獨(dú)出現(xiàn)，而是兩種或三種傳熱

13、的組合，而又以其中一種或兩種方式為主。其中一種或兩種方式為主。 2022年2月6日第5章 傳熱過(guò)程基礎(chǔ)14/1355.1.3 典型的傳熱設(shè)備典型的傳熱設(shè)備實(shí)現(xiàn)兩流體換熱過(guò)程的設(shè)備稱(chēng)為換熱器實(shí)現(xiàn)兩流體換熱過(guò)程的設(shè)備稱(chēng)為換熱器 化工生產(chǎn)中遇到的多是兩流體間的熱交換。熱交化工生產(chǎn)中遇到的多是兩流體間的熱交換。熱交換是指熱流體經(jīng)固體壁面換是指熱流體經(jīng)固體壁面(間壁間壁)將熱量傳給冷流體將熱量傳給冷流體的過(guò)程。的過(guò)程。熱流方向間間壁壁熱流體冷流體對(duì)流對(duì)流導(dǎo)熱冷、熱流體被間壁隔開(kāi)，它們分冷、熱流體被間壁隔開(kāi)，它們分別在壁面兩側(cè)流動(dòng)。此壁面即構(gòu)別在壁面兩側(cè)流動(dòng)。此壁面即構(gòu)成間壁式換熱器。熱由熱流體以成間壁式

14、換熱器。熱由熱流體以對(duì)流方式傳遞到壁面一側(cè)，通過(guò)對(duì)流方式傳遞到壁面一側(cè)，通過(guò)間壁的導(dǎo)熱，在由壁面另一側(cè)以間壁的導(dǎo)熱，在由壁面另一側(cè)以對(duì)流形式傳遞到冷流體。對(duì)流形式傳遞到冷流體。2022年2月6日第5章 傳熱過(guò)程基礎(chǔ)15/135現(xiàn)討論典型的間壁式換熱器結(jié)構(gòu)及其操作原理現(xiàn)討論典型的間壁式換熱器結(jié)構(gòu)及其操作原理1.套管式換熱器套管式換熱器組成：內(nèi)管，外管組成：內(nèi)管，外管程：每段套管程：每段套管優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：采用標(biāo)準(zhǔn)管子與管件。構(gòu)造簡(jiǎn)單，加工方便，排數(shù)和采用標(biāo)準(zhǔn)管子與管件。構(gòu)造簡(jiǎn)單，加工方便，排數(shù)和程數(shù)可增減。兩流體可始終以逆流方向流動(dòng)。程數(shù)可增減。兩流體可始終以逆流方向流動(dòng)。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：接頭多易泄漏，

15、占地面積大，單位面積消耗金屬量大。接頭多易泄漏，占地面積大，單位面積消耗金屬量大。傳熱面積：傳熱面積：S=dL套管式換熱器.swf.exe2022年2月6日第5章 傳熱過(guò)程基礎(chǔ)16/1352.列管式換熱器列管式換熱器 組成：殼體、管束、管板和封組成：殼體、管束、管板和封頭等部分。頭等部分。 流體流經(jīng)管束的過(guò)程，稱(chēng)為流流體流經(jīng)管束的過(guò)程，稱(chēng)為流經(jīng)管程，將該流體稱(chēng)為管程經(jīng)管程，將該流體稱(chēng)為管程(管管方方)流體；流體；流體流經(jīng)殼體環(huán)隙的過(guò)程，稱(chēng)流體流經(jīng)殼體環(huán)隙的過(guò)程，稱(chēng)為流經(jīng)殼程，將該流體稱(chēng)為殼為流經(jīng)殼程，將該流體稱(chēng)為殼程程(殼方殼方)流體流體。 列管1.swf.exe2022年2月6日第5章 傳熱

16、過(guò)程基礎(chǔ)17/135若流體只在管程內(nèi)流過(guò)一次的，稱(chēng)為單管程；只在殼程若流體只在管程內(nèi)流過(guò)一次的，稱(chēng)為單管程；只在殼程內(nèi)流過(guò)一次的，稱(chēng)為單殼程內(nèi)流過(guò)一次的，稱(chēng)為單殼程。若列管換熱器的傳熱面積較大，而需要的管數(shù)很多時(shí)，若列管換熱器的傳熱面積較大，而需要的管數(shù)很多時(shí)，有時(shí)流體在管內(nèi)的流速便較低，結(jié)果使流體的對(duì)流傳熱系有時(shí)流體在管內(nèi)的流速便較低，結(jié)果使流體的對(duì)流傳熱系數(shù)減小。為了提高管程流速，可在換熱器封頭內(nèi)設(shè)置隔板，數(shù)減小。為了提高管程流速，可在換熱器封頭內(nèi)設(shè)置隔板，將全部管子平均分成若干組，流體在管束內(nèi)來(lái)回流過(guò)多次將全部管子平均分成若干組，流體在管束內(nèi)來(lái)回流過(guò)多次后排出，稱(chēng)為多后排出，稱(chēng)為多(管管

17、)程列管式換熱器，如圖示。程列管式換熱器，如圖示。程數(shù)增多，雖然提高了管內(nèi)流體的流速，增大了管內(nèi)的程數(shù)增多，雖然提高了管內(nèi)流體的流速，增大了管內(nèi)的對(duì)流傳熱系數(shù)，但同時(shí)也使流動(dòng)阻力增大，平均溫度差降對(duì)流傳熱系數(shù)，但同時(shí)也使流動(dòng)阻力增大，平均溫度差降低。此外，設(shè)置隔板后占去部分布管面積而減少了傳熱面低。此外，設(shè)置隔板后占去部分布管面積而減少了傳熱面積。因此，程數(shù)不宜過(guò)多，一般為雙程、四程、六程。積。因此，程數(shù)不宜過(guò)多，一般為雙程、四程、六程。 傳熱面積：傳熱面積：S=ndL固定管板式換熱器.swf.exe2022年2月6日第5章 傳熱過(guò)程基礎(chǔ)18/1355.1.4 傳熱速率與熱通量傳熱速率與熱通量

18、衡量傳熱的快慢用傳熱速率及熱通量表示。衡量傳熱的快慢用傳熱速率及熱通量表示。傳熱速率傳熱速率Rate of heat transfer Q：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過(guò)傳熱面的熱單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)傳熱面的熱量，量，W熱通量熱通量Heat flux Q/S：每單位面積的傳熱速率，每單位面積的傳熱速率，W/m2說(shuō)明說(shuō)明傳熱速率和熱通量是評(píng)價(jià)換熱器性能的重要指標(biāo)。傳熱速率和熱通量是評(píng)價(jià)換熱器性能的重要指標(biāo)。vq，換熱器性能愈好換熱器性能愈好由于傳熱面積具有不同的表示形式，因此同一傳熱速率所對(duì)由于傳熱面積具有不同的表示形式，因此同一傳熱速率所對(duì)應(yīng)的熱通量的數(shù)值各不相同。計(jì)算時(shí)應(yīng)標(biāo)明選擇的基準(zhǔn)面積。應(yīng)的熱通量的數(shù)值各不相

19、同。計(jì)算時(shí)應(yīng)標(biāo)明選擇的基準(zhǔn)面積。對(duì)不同的傳熱方式，傳熱速率、熱通量的名稱(chēng)略有差異。對(duì)不同的傳熱方式，傳熱速率、熱通量的名稱(chēng)略有差異。傳熱方式傳熱速率Q熱通量Q/S導(dǎo)熱導(dǎo)熱導(dǎo)熱速率導(dǎo)熱速率導(dǎo)熱熱通量導(dǎo)熱熱通量對(duì)流傳熱對(duì)流傳熱對(duì)流傳熱速率對(duì)流傳熱速率對(duì)流傳熱熱通量對(duì)流傳熱熱通量輻射傳熱輻射傳熱輻射傳熱速率輻射傳熱速率輻射傳熱熱通量輻射傳熱熱通量2022年2月6日第5章 傳熱過(guò)程基礎(chǔ)19/1355.1.5 穩(wěn)態(tài)傳熱與非穩(wěn)態(tài)傳熱穩(wěn)態(tài)傳熱與非穩(wěn)態(tài)傳熱穩(wěn)態(tài)傳熱：溫度僅隨位置變化而不隨時(shí)間變化穩(wěn)態(tài)傳熱：溫度僅隨位置變化而不隨時(shí)間變化的傳熱方式的傳熱方式。顯著顯著特點(diǎn)是傳熱速率特點(diǎn)是傳熱速率Q為常量為常量。連

20、續(xù)傳熱過(guò)程屬于穩(wěn)態(tài)傳熱。連續(xù)傳熱過(guò)程屬于穩(wěn)態(tài)傳熱。非穩(wěn)態(tài)傳熱：溫度既隨位置變化又隨時(shí)間變化非穩(wěn)態(tài)傳熱：溫度既隨位置變化又隨時(shí)間變化的傳熱方式。的傳熱方式。顯著顯著特點(diǎn)是傳熱速率特點(diǎn)是傳熱速率Q為變量為變量。間歇傳熱過(guò)程屬于非穩(wěn)態(tài)傳熱。間歇傳熱過(guò)程屬于非穩(wěn)態(tài)傳熱。2022年2月6日第5章 傳熱過(guò)程基礎(chǔ)20/1355.3 熱熱 傳傳 導(dǎo)導(dǎo) 5.3.1 熱傳導(dǎo)的基本概念熱傳導(dǎo)的基本概念 5.3.1.1 溫度場(chǎng)溫度場(chǎng) 一物體或系統(tǒng)內(nèi)部，只要各點(diǎn)存在溫度差，熱就一物體或系統(tǒng)內(nèi)部，只要各點(diǎn)存在溫度差，熱就可以從高溫點(diǎn)向低溫點(diǎn)傳導(dǎo)，即產(chǎn)生熱流。因此物可以從高溫點(diǎn)向低溫點(diǎn)傳導(dǎo)，即產(chǎn)生熱流。因此物體或系統(tǒng)內(nèi)的溫

21、度分布情況決定著由熱傳導(dǎo)方式引體或系統(tǒng)內(nèi)的溫度分布情況決定著由熱傳導(dǎo)方式引起的傳熱速率起的傳熱速率(導(dǎo)熱速率導(dǎo)熱速率)溫度場(chǎng)：在任一瞬間，物體或系統(tǒng)內(nèi)各點(diǎn)的溫度溫度場(chǎng)：在任一瞬間，物體或系統(tǒng)內(nèi)各點(diǎn)的溫度分布總和。分布總和。因此：因此：t=f(x,y,z,) 2022年2月6日第5章 傳熱過(guò)程基礎(chǔ)21/135t=f(x,y,z,) 說(shuō)明說(shuō)明若溫度場(chǎng)內(nèi)各點(diǎn)的溫度隨時(shí)間變化，此溫度場(chǎng)為若溫度場(chǎng)內(nèi)各點(diǎn)的溫度隨時(shí)間變化，此溫度場(chǎng)為非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)，對(duì)應(yīng)于非穩(wěn)態(tài)的導(dǎo)熱狀態(tài)。非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)，對(duì)應(yīng)于非穩(wěn)態(tài)的導(dǎo)熱狀態(tài)。 t=f(x,y,z,) 若溫度場(chǎng)內(nèi)各點(diǎn)的溫度不隨時(shí)間變化，此溫度場(chǎng)若溫度場(chǎng)內(nèi)各點(diǎn)的溫度不隨時(shí)間變化

22、，此溫度場(chǎng)為穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)，對(duì)應(yīng)于穩(wěn)態(tài)的導(dǎo)熱狀態(tài)。為穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)，對(duì)應(yīng)于穩(wěn)態(tài)的導(dǎo)熱狀態(tài)。 t=f(x,y,z)若物體內(nèi)的溫度僅沿一個(gè)坐標(biāo)方向發(fā)生變化，且若物體內(nèi)的溫度僅沿一個(gè)坐標(biāo)方向發(fā)生變化，且不隨時(shí)間變化，此溫度場(chǎng)為一維穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)不隨時(shí)間變化，此溫度場(chǎng)為一維穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)t=f(x)2022年2月6日第5章 傳熱過(guò)程基礎(chǔ)22/1355.3.1.2 等溫面等溫面在同一時(shí)刻，具有相同溫度的各點(diǎn)組成的面稱(chēng)為在同一時(shí)刻，具有相同溫度的各點(diǎn)組成的面稱(chēng)為等溫面。等溫面。因?yàn)樵诳臻g同一點(diǎn)不可能同時(shí)有兩個(gè)不同因?yàn)樵诳臻g同一點(diǎn)不可能同時(shí)有兩個(gè)不同的溫度，所以的溫度，所以溫度不同的等溫面不會(huì)相交溫度不同的等溫面不會(huì)相交。

23、2022年2月6日第5章 傳熱過(guò)程基礎(chǔ)23/1355.3.1.3 溫度梯度溫度梯度從任一點(diǎn)起沿等溫面移動(dòng)，溫度無(wú)變化，故無(wú)熱量從任一點(diǎn)起沿等溫面移動(dòng)，溫度無(wú)變化，故無(wú)熱量傳遞；而沿和等溫面相交的任一方向移動(dòng)，溫度發(fā)生傳遞；而沿和等溫面相交的任一方向移動(dòng)，溫度發(fā)生變化，即有熱量傳遞。溫度隨距離的變化程度沿法向變化，即有熱量傳遞。溫度隨距離的變化程度沿法向最大。最大。溫度梯度：溫度梯度：相鄰兩等溫面間溫差相鄰兩等溫面間溫差t與其距離與其距離n之比之比的極限的極限：tgradntntn 0limt+ttt-tgrad tQn2022年2月6日第5章 傳熱過(guò)程基礎(chǔ)24/135說(shuō)明說(shuō)明溫度梯度為向量，其

24、正方向?yàn)闇囟仍黾拥姆较?，溫度梯度為向量，其正方向?yàn)闇囟仍黾拥姆较?，與傳熱方向相反。與傳熱方向相反。穩(wěn)定的一維溫度場(chǎng)，溫度梯度可表示為：穩(wěn)定的一維溫度場(chǎng)，溫度梯度可表示為： dxdttgrad 2022年2月6日第5章 傳熱過(guò)程基礎(chǔ)25/1355.3.2 熱傳導(dǎo)基本定律熱傳導(dǎo)基本定律 -傅立葉定律傅立葉定律Fourier law 物體或系統(tǒng)內(nèi)導(dǎo)熱速率的產(chǎn)生，是由于存在溫度梯度的物體或系統(tǒng)內(nèi)導(dǎo)熱速率的產(chǎn)生，是由于存在溫度梯度的結(jié)果，且熱流方向和溫度降低的方向一致，即與負(fù)的溫度結(jié)果，且熱流方向和溫度降低的方向一致，即與負(fù)的溫度梯度方向一致，后者稱(chēng)為溫度降度。梯度方向一致，后者稱(chēng)為溫度降度。傅立葉定律

25、是用以確定在物體各點(diǎn)存在溫度差時(shí)，傅立葉定律是用以確定在物體各點(diǎn)存在溫度差時(shí)，因熱傳導(dǎo)而產(chǎn)生的導(dǎo)熱速率大小的定律。因熱傳導(dǎo)而產(chǎn)生的導(dǎo)熱速率大小的定律。定義：通過(guò)等溫面導(dǎo)熱速率，與其等溫面的面積定義：通過(guò)等溫面導(dǎo)熱速率，與其等溫面的面積及溫度梯度成正比：及溫度梯度成正比： ntkdSdQntdSdQ 2022年2月6日第5章 傳熱過(guò)程基礎(chǔ)26/1355.3.3 熱導(dǎo)率熱導(dǎo)率(導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù)) 將傅立葉定律整理，得熱導(dǎo)率定義式：將傅立葉定律整理，得熱導(dǎo)率定義式：物理意義：熱導(dǎo)率在數(shù)值上等于單位溫度梯度下物理意義：熱導(dǎo)率在數(shù)值上等于單位溫度梯度下的熱通量。的熱通量。因此，熱導(dǎo)率表征物體導(dǎo)熱能力的大

26、小，因此，熱導(dǎo)率表征物體導(dǎo)熱能力的大小，是物質(zhì)的物性常數(shù)之一是物質(zhì)的物性常數(shù)之一。其大小取決于物質(zhì)的組成其大小取決于物質(zhì)的組成結(jié)構(gòu)、狀態(tài)、溫度和壓強(qiáng)等。結(jié)構(gòu)、狀態(tài)、溫度和壓強(qiáng)等。ntdSdqk 2022年2月6日第5章 傳熱過(guò)程基礎(chǔ)27/1355.3.3 熱導(dǎo)率熱導(dǎo)率 熱導(dǎo)率大小由實(shí)驗(yàn)測(cè)定，其數(shù)值隨狀態(tài)變化很大。熱導(dǎo)率大小由實(shí)驗(yàn)測(cè)定，其數(shù)值隨狀態(tài)變化很大。 k vary over a wide range. They are highest formetals and lowest for gases. 小小大大氣體氣體液體液體非金屬固體非金屬固體金屬金屬 2022年2月6日第5章 傳熱過(guò)程基

27、礎(chǔ)28/1355.3.3.1 固體的熱導(dǎo)率固體的熱導(dǎo)率 金屬：金屬：35420W/(m)，非金屬：非金屬：0.23.0W/ (m) 說(shuō)明說(shuō)明固體中，金屬是最好的導(dǎo)熱固體中，金屬是最好的導(dǎo)熱體。體。 k of metals are generally nearly constant or decrease slightly as the temperature is increased.The conductivity of alloys is less than that of pure metals.2022年2月6日第5章 傳熱過(guò)程基礎(chǔ)29/135 純金屬：純金屬：t，kv金屬：金屬： 純

28、度純度，k非金屬：非金屬：，t ，k對(duì)大多數(shù)固體，對(duì)大多數(shù)固體， k值與溫度大致成線性關(guān)系：值與溫度大致成線性關(guān)系：式中：式中： k、 k0 固體在溫度為固體在溫度為 t、 0時(shí)的熱導(dǎo)率，時(shí)的熱導(dǎo)率，W/(m) 溫度系數(shù)。溫度系數(shù)。v 大多數(shù)金屬：大多數(shù)金屬：0 )1(0tkk 2022年2月6日第5章 傳熱過(guò)程基礎(chǔ)30/135在熱傳導(dǎo)計(jì)算中，用物體的平均熱導(dǎo)率代替各點(diǎn)在熱傳導(dǎo)計(jì)算中，用物體的平均熱導(dǎo)率代替各點(diǎn)處的熱導(dǎo)率，以簡(jiǎn)化計(jì)算，引起的誤差很小。方法：處的熱導(dǎo)率，以簡(jiǎn)化計(jì)算，引起的誤差很小。方法：ktttkkkkkm 查圖表或手冊(cè)查圖表或手冊(cè)壁面兩側(cè)的導(dǎo)熱系數(shù)壁面兩側(cè)的導(dǎo)熱系數(shù)2,2212

29、1212022年2月6日第5章 傳熱過(guò)程基礎(chǔ)31/1355.3.3.2 液體的熱導(dǎo)率液體的熱導(dǎo)率液體熱導(dǎo)率：液體熱導(dǎo)率：0.070.7W/(m) t，k(水、甘油除外水、甘油除外)v金屬液體：其金屬液體：其k比一般液體高，其中純比一般液體高，其中純Na最最高高v非金屬液體：純液體的非金屬液體：純液體的k比其溶液的大比其溶液的大在缺乏實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)，溶液的熱導(dǎo)率可按經(jīng)驗(yàn)公式在缺乏實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)，溶液的熱導(dǎo)率可按經(jīng)驗(yàn)公式估算（見(jiàn)書(shū)）。估算（見(jiàn)書(shū)）。For most liquid k is lower than that for solids, with typical values of about 0.

30、17, and k decreases by 3 to 4 percent for a 10 C rise in temperature.2022年2月6日第5章 傳熱過(guò)程基礎(chǔ)32/1355.3.3.3 氣體的熱導(dǎo)率氣體的熱導(dǎo)率氣體的熱導(dǎo)率：氣體的熱導(dǎo)率：0.0060.6 7W/(m)溫度的影響：溫度的影響：t，k P的影響的影響v一般壓強(qiáng)范圍內(nèi)，一般壓強(qiáng)范圍內(nèi)，k隨壓強(qiáng)變化很小，可忽略隨壓強(qiáng)變化很小，可忽略v過(guò)高過(guò)高(2105kPa)、過(guò)低過(guò)低(b, 故從壁的邊緣處損失的熱量可忽略，故從壁的邊緣處損失的熱量可忽略，S為常量。為常量。SQbt1t22022年2月6日第5章 傳熱過(guò)程基礎(chǔ)34/1

31、35傅立葉定律可簡(jiǎn)化為：傅立葉定律可簡(jiǎn)化為： 積分限：積分限：x=0b，t=t1t2 積分積分txb0t1t2WmkbRWSkbRRtttbkSQRtttbkSQkSdtQdx2ttb/)()(2121021導(dǎo)熱熱阻，導(dǎo)熱熱阻，導(dǎo)熱熱阻，導(dǎo)熱熱阻，式中：式中：熱通量：熱通量： dxdtkSQ 2022年2月6日第5章 傳熱過(guò)程基礎(chǔ)35/135 )()(2121RtttbkSQRtttbkSQ說(shuō)明說(shuō)明推動(dòng)力為推動(dòng)力為t，阻力為阻力為R(R) Where R=b/Sk is thermal resistance between points 1 and 2.導(dǎo)熱速率與溫度差、傳熱面積、熱導(dǎo)率成正比

32、，而與平壁導(dǎo)熱速率與溫度差、傳熱面積、熱導(dǎo)率成正比，而與平壁厚度成反比。厚度成反比。k，R；Q常數(shù)時(shí)，常數(shù)時(shí)，tRk常數(shù)：常數(shù)：t=f(x)為直線；為直線；k=k0(1+t)：t=f(x)為曲線為曲線熱阻概念的應(yīng)用：熱阻概念的應(yīng)用：v計(jì)算界面溫度或物體內(nèi)溫度分布計(jì)算界面溫度或物體內(nèi)溫度分布v從溫度分布判斷各部分熱阻的大小從溫度分布判斷各部分熱阻的大小2022年2月6日第5章 傳熱過(guò)程基礎(chǔ)36/135例例 某平壁厚度為某平壁厚度為0.37m，內(nèi)表面溫度內(nèi)表面溫度t1為為1650，外表面溫度，外表面溫度t2為為300，平壁材料熱導(dǎo)率，平壁材料熱導(dǎo)率k=0.815+0.00076t(t的單位為的單位

33、為，k的的單位為單位為W/(m)。若將熱導(dǎo)率分別按常量和變量處理時(shí)，試求。若將熱導(dǎo)率分別按常量和變量處理時(shí)，試求平壁的溫度分布關(guān)系式和導(dǎo)熱熱通量。平壁的溫度分布關(guān)系式和導(dǎo)熱熱通量。解：解：(1)熱導(dǎo)率按常量處理熱導(dǎo)率按常量處理2/5677)3001650(37. 0556. 1)()/(556. 197500076. 0815. 000076. 0815. 0975230016502t2121mmwttbksQmwtkttm平均熱導(dǎo)率：平均溫度：結(jié)論：熱導(dǎo)率按常量處理時(shí)，溫度分布為直線結(jié)論：熱導(dǎo)率按常量處理時(shí)，溫度分布為直線txtt1t2bx0 xxksqxttttxksQ3649165055

34、6. 156771650)(11 2022年2月6日第5章 傳熱過(guò)程基礎(chǔ)37/135(2)熱導(dǎo)率按變量處理熱導(dǎo)率按變量處理222222121/5677)3001650(37. 0200076. 0)3001650(37. 0815. 0)(200076. 0)(815. 0)00076. 0815. 0()00076. 0815. 0(21mWsQttbttbsQdttdxsQdxdttdxdtksQb0tt 得：得：積分：積分：xttxtxttxttxsQ762222111049. 11041. 71072)1650(200076. 0)1650(815. 05677)(200076. 0)

35、(815. 0 整理得：整理得：結(jié)論：熱導(dǎo)率按變量處理時(shí)，溫度分布為曲線結(jié)論：熱導(dǎo)率按變量處理時(shí)，溫度分布為曲線txtt1t2bx02022年2月6日第5章 傳熱過(guò)程基礎(chǔ)38/1355.3.4.2 多層平壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)多層平壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo) 以三層平壁為例。以三層平壁為例。前提條件：前提條件：層間接觸良好，即相互接層間接觸良好，即相互接觸的兩表面溫度相同，且觸的兩表面溫度相同，且t1t2t3t4各層平壁面積均為各層平壁面積均為S，厚度厚度分別為分別為b1，b2，b3Qt1t2t3t4b1b2b3各層熱導(dǎo)率為常數(shù)，分別為各層熱導(dǎo)率為常數(shù)，分別為k1、k2、k3 傳熱為穩(wěn)態(tài)一維熱傳導(dǎo)：傳熱為穩(wěn)態(tài)一維

36、熱傳導(dǎo)：Q1=Q2=Q3=Q據(jù)此，由傅立葉定律，得：據(jù)此，由傅立葉定律，得：2022年2月6日第5章 傳熱過(guò)程基礎(chǔ)39/1353213213322114133221132141333432223211121)(:)3()2()1()3()2()1(RRRtttSkbSkbSkbttQSkbSkbSkbQtttttSbQtttSbQtttSbQttt 整理，得：整理，得： QSkbttSkbttSkbtt 3343223211212022年2月6日第5章 傳熱過(guò)程基礎(chǔ)40/135 說(shuō)明說(shuō)明多層平壁熱傳導(dǎo)的總推動(dòng)力為各層溫度差之和，即多層平壁熱傳導(dǎo)的總推動(dòng)力為各層溫度差之和，即總溫度差；總熱阻為各

37、層熱阻之和。總溫度差；總熱阻為各層熱阻之和。Q計(jì)計(jì)Q測(cè)測(cè)：(t1-tn+1)一定，一定，Q，R。說(shuō)明實(shí)際情況層說(shuō)明實(shí)際情況層間接觸不良，存在附加的熱阻間接觸不良，存在附加的熱阻t1tn+1，Q0，熱量損失熱量損失 t1tn+1，Qt2，在在圓筒壁半徑圓筒壁半徑r處沿半徑方向取微處沿半徑方向取微元厚度元厚度dr的圓筒壁，其傳熱面積：的圓筒壁，其傳熱面積：S=2rL圓筒很長(zhǎng)，沿軸向散失熱量可圓筒很長(zhǎng)，沿軸向散失熱量可以忽略，溫度僅沿半徑方向變化，以忽略，溫度僅沿半徑方向變化，為一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)。為一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)。圓筒壁材質(zhì)均勻，熱導(dǎo)率圓筒壁材質(zhì)均勻，熱導(dǎo)率k為為常數(shù)常數(shù) 2022年2月6日第5章 傳

38、熱過(guò)程基礎(chǔ)47n)(22t ,22121rrttLkQLdtkrdrQttrrrdrdtrLkdrdtkSQttrr 整理，得：整理，得：積分：積分：積分限：積分限：傅立葉定律：傅立葉定律：21212m1212121221m21mmlnS mlnr-r2ln)r-r (2r-r)(Sb)(S12積，積，圓筒壁的對(duì)數(shù)平均面圓筒壁的對(duì)數(shù)平均面徑，徑，圓筒壁的對(duì)數(shù)平均半圓筒壁的對(duì)數(shù)平均半其中：其中：速率方程類(lèi)似的形式：速率方程類(lèi)似的形式：將此式寫(xiě)成與平壁導(dǎo)熱將此式寫(xiě)成與平壁導(dǎo)熱SSSSrrrLrLSttkttkQmmrrm 單層圓筒壁導(dǎo)單層圓筒壁導(dǎo)熱速率計(jì)算式熱速率計(jì)算式2

39、022年2月6日第5章 傳熱過(guò)程基礎(chǔ)48/135說(shuō)明說(shuō)明當(dāng)圓筒壁兩側(cè)溫度不變時(shí)，傳熱速率當(dāng)圓筒壁兩側(cè)溫度不變時(shí)，傳熱速率Q為常量，為常量，但由于但由于S與與r有關(guān)，故熱通量有關(guān)，故熱通量Q/S不再是常量，而不再是常量，而Q/L保持常量；保持常量；在任一半徑在任一半徑r處，溫度表示為處，溫度表示為:表明溫度沿表明溫度沿r方向?yàn)閷?duì)數(shù)曲線分布；方向?yàn)閷?duì)數(shù)曲線分布；11ln2rrkLQtt 1221ln)(2rrttLkQ 2022年2月6日第5章 傳熱過(guò)程基礎(chǔ)49/135 表明導(dǎo)熱速率與推動(dòng)力表明導(dǎo)熱速率與推動(dòng)力t成正比，而與導(dǎo)熱熱成正比，而與導(dǎo)熱熱阻阻R成反比。成反比。 誤差不超過(guò)誤差不超過(guò)4，工

40、程上允許。，工程上允許。RtkSbRm Q，稱(chēng)導(dǎo)熱熱阻，則，稱(chēng)導(dǎo)熱熱阻，則若令若令2S 2S212 2r2121122112SSSrrrrmm 時(shí)，時(shí)，當(dāng)當(dāng)時(shí)，時(shí)，當(dāng)當(dāng)2022年2月6日第5章 傳熱過(guò)程基礎(chǔ)50/135單層圓筒壁導(dǎo)熱計(jì)算舉例單層圓筒壁導(dǎo)熱計(jì)算舉例例例4-2 在外徑為在外徑為133mm的蒸汽管道外包扎一層石棉保溫材的蒸汽管道外包扎一層石棉保溫材料，熱導(dǎo)率為料，熱導(dǎo)率為0.2W/(m)，蒸汽管外壁溫度為蒸汽管外壁溫度為160，要，要求保溫層外側(cè)溫度求保溫層外側(cè)溫度40，若每米管長(zhǎng)熱損失控制在，若每米管長(zhǎng)熱損失控制在240W/m下，求保溫層厚度。下，求保溫層厚度。解：?jiǎn)螌訄A筒壁熱傳導(dǎo)

41、速率方程解：?jiǎn)螌訄A筒壁熱傳導(dǎo)速率方程故保溫層厚度故保溫層厚度b=r2-r10.125-0.06650.058 m meerrrrttLkQLQttk125. 00665. 0ln)(2240)40160(2 . 02/)(212122121 2022年2月6日第5章 傳熱過(guò)程基礎(chǔ)51/1355.3.5.2 多層圓筒壁穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)多層圓筒壁穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo) 以三層為例。以三層為例。前提條件：前提條件：各層間接觸良好各層間接觸良好各層熱導(dǎo)率各層熱導(dǎo)率k1、k2、k3均為均為常數(shù)常數(shù)一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)據(jù)多層平壁熱傳導(dǎo)計(jì)算公式：據(jù)多層平壁熱傳導(dǎo)計(jì)算公式：321321RRRtttQ 2022年2月6日

42、第5章 傳熱過(guò)程基礎(chǔ)52/1353432321214132132134333334332322222322121121121111211ln1ln1ln1)(2ln21 ln21 ln21ln)(2 12rrkrrkrrkttLRRRtttQrrLkSkbRtttrrLkSkbRtttrrLkrrLkrrSkbRtttmmrrm 式中：式中： niiiniiiinRtrrkttLQ1n1i1111ln1)(2n 程程式式為為：層層圓圓筒筒壁壁，導(dǎo)導(dǎo)熱熱速速率率方方推推廣廣到到2022年2月6日第5章 傳熱過(guò)程基礎(chǔ)53/135說(shuō)明說(shuō)明多層圓筒壁熱傳導(dǎo)的總推動(dòng)力為各層溫度差之和，多層圓筒壁熱傳導(dǎo)的

43、總推動(dòng)力為各層溫度差之和，總熱阻為各層熱阻之和?？偀嶙铻楦鲗訜嶙柚??？偟膶?dǎo)熱速率與總推動(dòng)力成正比，而和總阻力成總的導(dǎo)熱速率與總推動(dòng)力成正比，而和總阻力成反比。對(duì)各層，同樣有溫差與熱阻成正比。反比。對(duì)各層，同樣有溫差與熱阻成正比。不論圓筒壁由多少層組成，通過(guò)各層導(dǎo)熱速率不論圓筒壁由多少層組成，通過(guò)各層導(dǎo)熱速率Q和和Q/L為常量，但為常量，但Q/S不為常量；不為常量；其中每一層的溫度分布為曲線，但各層分布曲線其中每一層的溫度分布為曲線，但各層分布曲線不同；不同； 2S 2S212 2r2111i11i iimiiiimiiSSSrrrr時(shí)，時(shí)，當(dāng)當(dāng)時(shí)，時(shí)，當(dāng)當(dāng)2022年2月6日第5章 傳熱過(guò)程基

44、礎(chǔ)54/1355.4 對(duì)流傳熱對(duì)流傳熱 5.4.1 對(duì)流傳熱機(jī)理對(duì)流傳熱機(jī)理 對(duì)流傳熱，指流體與固體壁面直接接觸時(shí)的傳熱對(duì)流傳熱，指流體與固體壁面直接接觸時(shí)的傳熱，是流體的對(duì)流與導(dǎo)熱兩者共同作用的結(jié)果。其傳熱是流體的對(duì)流與導(dǎo)熱兩者共同作用的結(jié)果。其傳熱速率與流動(dòng)狀況有密切關(guān)系。速率與流動(dòng)狀況有密切關(guān)系。 考察湍流流體：考察湍流流體：流體流過(guò)固體壁面時(shí)，由于流體流體流過(guò)固體壁面時(shí)，由于流體的粘性作用，使的粘性作用，使靠近固體壁面附近靠近固體壁面附近存在一薄滯流底層存在一薄滯流底層。在此薄層內(nèi)，。在此薄層內(nèi)，沿壁面的法線方向沒(méi)有熱對(duì)流，該沿壁面的法線方向沒(méi)有熱對(duì)流，該方向上熱的傳遞僅為熱傳導(dǎo)。由于

45、方向上熱的傳遞僅為熱傳導(dǎo)。由于流體的熱導(dǎo)率較低，使滯流底層中流體的熱導(dǎo)率較低，使滯流底層中的導(dǎo)熱熱阻很大，因此該層中溫度的導(dǎo)熱熱阻很大，因此該層中溫度差較大，即差較大，即溫度梯度較大溫度梯度較大。在在湍流主體湍流主體中，由于流體質(zhì)中，由于流體質(zhì)點(diǎn)的劇烈混合并充滿(mǎn)漩渦，因點(diǎn)的劇烈混合并充滿(mǎn)漩渦，因此湍流主體中溫度差及溫度梯此湍流主體中溫度差及溫度梯度極小，熱量主要以熱對(duì)流的度極小，熱量主要以熱對(duì)流的方式傳遞，方式傳遞，各處的溫度基本相各處的溫度基本相同同。在湍流主體與滯流底層的在湍流主體與滯流底層的過(guò)過(guò)渡層中渡層中，熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流均起，熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流均起作用，在該層內(nèi)作用，在該層內(nèi)溫度發(fā)生了緩溫

46、度發(fā)生了緩慢的變化慢的變化。2022年2月6日第5章 傳熱過(guò)程基礎(chǔ)55/135在熱流體的湍流主體中，在熱流體的湍流主體中，由于流體質(zhì)點(diǎn)充分混合，由于流體質(zhì)點(diǎn)充分混合，溫度基本一致，即圖中溫度基本一致，即圖中T；在過(guò)渡層中，溫度由在過(guò)渡層中，溫度由T緩慢下降至緩慢下降至Tw；在滯流底層中，由于熱在滯流底層中，由于熱阻較大，溫度由阻較大，溫度由Tw急劇急劇下降至下降至Ts，再往右，通過(guò)再往右，通過(guò)管壁，因其材料為金屬，管壁，因其材料為金屬，熱阻較小，因此，管壁熱阻較小，因此，管壁兩側(cè)的溫度兩側(cè)的溫度Ts和和ts相差很相差很小。小。此后，在冷流體中，又此后，在冷流體中，又順序通過(guò)滯流底層、過(guò)順序通過(guò)

47、滯流底層、過(guò)渡層而到達(dá)湍流主體，渡層而到達(dá)湍流主體，溫度由溫度由ts經(jīng)經(jīng)tw下降至下降至t。湍流流體中的溫度分布湍流流體中的溫度分布由以上分析可知，由以上分析可知，對(duì)流對(duì)流傳熱的熱阻主要集中在滯傳熱的熱阻主要集中在滯流底層中，因此，流底層中，因此，減薄滯減薄滯流底層的厚度是強(qiáng)化對(duì)流流底層的厚度是強(qiáng)化對(duì)流傳熱的重要途徑傳熱的重要途徑。TTWTSttWtS熱流體熱流體冷流體冷流體2022年2月6日第5章 傳熱過(guò)程基礎(chǔ)56/1355.4.2對(duì)流傳熱系數(shù)對(duì)流傳熱系數(shù)據(jù)前分析，對(duì)流傳熱是一復(fù)雜的過(guò)程，包括流體中的熱傳導(dǎo)、熱對(duì)據(jù)前分析，對(duì)流傳熱是一復(fù)雜的過(guò)程，包括流體中的熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流及壁面的熱傳導(dǎo)過(guò)程，

48、因而影響對(duì)流傳熱速率的因素很多。由于過(guò)流及壁面的熱傳導(dǎo)過(guò)程，因而影響對(duì)流傳熱速率的因素很多。由于過(guò)程復(fù)雜，進(jìn)行純理論計(jì)算是相當(dāng)困難的，故目前工程上采用半經(jīng)驗(yàn)方程復(fù)雜，進(jìn)行純理論計(jì)算是相當(dāng)困難的，故目前工程上采用半經(jīng)驗(yàn)方法處理，將許多復(fù)雜影響因素歸納到比例系數(shù)法處理，將許多復(fù)雜影響因素歸納到比例系數(shù)h內(nèi)。內(nèi)。5.4.2.1 對(duì)流傳熱速率方程對(duì)流傳熱速率方程將湍流主體區(qū)和滯流底層的溫度梯度將湍流主體區(qū)和滯流底層的溫度梯度曲線延長(zhǎng)，其交點(diǎn)與壁面距離為曲線延長(zhǎng)，其交點(diǎn)與壁面距離為，此此膜層稱(chēng)為虛擬膜或有效膜。膜層稱(chēng)為虛擬膜或有效膜。 湍流主體區(qū) 過(guò)渡區(qū)滯流底層虛擬膜 說(shuō)明這是一集中了全部傳熱溫差以導(dǎo)說(shuō)

49、明這是一集中了全部傳熱溫差以導(dǎo)熱方式傳熱的膜層，其溫度梯度為熱方式傳熱的膜層，其溫度梯度為 t,-,dsdQktdskdydtdskdQtdydt則：令代入傅立葉定律，得牛頓冷卻定律式中：dQ 局部對(duì)流傳熱速率，W；dS微分傳熱面積；m2；t 換熱器任一截面上流體的傳熱溫度差，； 局部對(duì)流傳熱系數(shù)，W/(m2 )。 2022年2月6日第5章 傳熱過(guò)程基礎(chǔ)57/135說(shuō)明說(shuō)明1.h取平均值取平均值在換熱器中，局部對(duì)流傳熱系數(shù)在換熱器中，局部對(duì)流傳熱系數(shù)h隨管長(zhǎng)而變化，隨管長(zhǎng)而變化，但在工程計(jì)算中，常使用平均對(duì)流傳熱系數(shù)，一般但在工程計(jì)算中，常使用平均對(duì)流傳熱系數(shù)，一般也用也用表示，此時(shí)牛頓冷卻定

50、律可表示為：表示，此時(shí)牛頓冷卻定律可表示為： Q=hSt式中：式中： Q 對(duì)流傳熱速率，對(duì)流傳熱速率，W； S 總總傳熱面積；傳熱面積；m2； t 流體與壁面流體與壁面(或反之或反之)間溫度差平均值，間溫度差平均值，； 平均對(duì)流傳熱系數(shù)，平均對(duì)流傳熱系數(shù)，W/(m2 ) 。 2022年2月6日第5章 傳熱過(guò)程基礎(chǔ)58/1352.牛頓冷卻定律的具體表達(dá)方式與實(shí)際換熱情況牛頓冷卻定律的具體表達(dá)方式與實(shí)際換熱情況有關(guān)有關(guān)換熱器的傳熱面積有不同的表示方法，流體的流換熱器的傳熱面積有不同的表示方法，流體的流動(dòng)位置不同，牛頓冷卻定律有不同的寫(xiě)法。如：動(dòng)位置不同，牛頓冷卻定律有不同的寫(xiě)法。如：熱流體、管程：

51、熱流體、管程：dQ=i(Tb-Ts)dSi熱流體、殼程：熱流體、殼程：dQ=o(Tb-Ts)dSo冷流體、管程：冷流體、管程：dQ=i(ts-tb)dSi冷流體、殼程：冷流體、殼程：dQ=o(ts-tb)dSo可見(jiàn)，對(duì)流傳熱系數(shù)是和傳熱面積及溫度差相對(duì)可見(jiàn)，對(duì)流傳熱系數(shù)是和傳熱面積及溫度差相對(duì)應(yīng)的應(yīng)的Tb，tb：熱、：熱、冷流體的主體冷流體的主體溫度或平均溫溫度或平均溫度，度，2022年2月6日第5章 傳熱過(guò)程基礎(chǔ)59/1355.4.2.2 對(duì)流傳熱系數(shù)對(duì)流傳熱系數(shù)定義式一：定義式一：據(jù)牛頓冷卻定律得據(jù)牛頓冷卻定律得tdSdQ即：即：在單位溫度差下，對(duì)流傳熱系數(shù)在數(shù)值上等于由對(duì)流在單位溫度差下

52、，對(duì)流傳熱系數(shù)在數(shù)值上等于由對(duì)流傳熱參數(shù)的熱通量傳熱參數(shù)的熱通量。但該式并未揭示出影響對(duì)流傳熱系數(shù)或?qū)α鱾鳠崴俾实囊虻撌讲⑽唇沂境鲇绊憣?duì)流傳熱系數(shù)或?qū)α鱾鳠崴俾实囊蛩?，所以無(wú)法通過(guò)此式計(jì)算對(duì)流傳熱系數(shù)素，所以無(wú)法通過(guò)此式計(jì)算對(duì)流傳熱系數(shù)。dSdQt時(shí)，物理意義：當(dāng)12022年2月6日第5章 傳熱過(guò)程基礎(chǔ)60/135定義式二：定義式二：據(jù)前述，在壁面附近的滯流底層中，據(jù)前述，在壁面附近的滯流底層中，傳熱方式只有熱傳導(dǎo)，故傳熱速率方程可以用傅立傳熱方式只有熱傳導(dǎo)，故傳熱速率方程可以用傅立葉定律表示，即：葉定律表示，即：上式作用上式作用對(duì)于一定的流體和溫度差，只要知道壁面附近流對(duì)于一定的流體和溫度

53、差，只要知道壁面附近流體層的溫度梯度，就能求得體層的溫度梯度，就能求得?？梢?jiàn)，此式是在理可見(jiàn)，此式是在理論上分析和計(jì)算論上分析和計(jì)算的基礎(chǔ)。的基礎(chǔ)。tdydtktdsdQdSdydtkdQss)()(，得：聯(lián)立：2022年2月6日第5章 傳熱過(guò)程基礎(chǔ)61/135說(shuō)明說(shuō)明熱邊界層的厚薄，影響層內(nèi)的溫度分布，因而影熱邊界層的厚薄，影響層內(nèi)的溫度分布，因而影響溫度梯度。響溫度梯度。當(dāng)熱邊界層內(nèi)、外側(cè)溫度差一定時(shí)：當(dāng)熱邊界層內(nèi)、外側(cè)溫度差一定時(shí)：ststdydtdydt)()(而熱邊界層的厚薄，受流動(dòng)邊界層的劇烈影響。而熱邊界層的厚薄，受流動(dòng)邊界層的劇烈影響。結(jié)論結(jié)論減薄熱邊界層的厚度，有利于對(duì)流傳熱

54、過(guò)程的進(jìn)行減薄熱邊界層的厚度，有利于對(duì)流傳熱過(guò)程的進(jìn)行。2022年2月6日第5章 傳熱過(guò)程基礎(chǔ)62/1355.4.4 對(duì)流傳熱過(guò)程的量綱分析對(duì)流傳熱過(guò)程的量綱分析5.4.4.1 對(duì)流傳熱系數(shù)的影響因素對(duì)流傳熱系數(shù)的影響因素對(duì)流傳熱是流體在外界條件作用下，在一定幾何對(duì)流傳熱是流體在外界條件作用下，在一定幾何形狀、尺寸的設(shè)備中流動(dòng)時(shí)與固體壁面之間的傳熱形狀、尺寸的設(shè)備中流動(dòng)時(shí)與固體壁面之間的傳熱過(guò)程，因此影響過(guò)程，因此影響的主要因素是：的主要因素是：1.流體的種類(lèi)和相變化情況流體的種類(lèi)和相變化情況氣體氣體無(wú)相變無(wú)相變2022年2月6日第5章 傳熱過(guò)程基礎(chǔ)63/1352.流體的物性流體的物性對(duì)對(duì)h影

55、響較大的流體物性有熱導(dǎo)率影響較大的流體物性有熱導(dǎo)率k、粘度粘度、比比熱熱Cp、密度密度及對(duì)自然對(duì)流影響較大的體積膨脹系及對(duì)自然對(duì)流影響較大的體積膨脹系數(shù)數(shù)。具體地：具體地： k、Cp 、 、 3.流體的溫度流體的溫度流體溫度對(duì)對(duì)流傳熱的影響表現(xiàn)在流體溫度與壁流體溫度對(duì)對(duì)流傳熱的影響表現(xiàn)在流體溫度與壁面溫度之差面溫度之差t，流體物性隨溫度變化程度及附加自流體物性隨溫度變化程度及附加自然對(duì)流等方面的綜合影響。故計(jì)算中要修正溫度對(duì)然對(duì)流等方面的綜合影響。故計(jì)算中要修正溫度對(duì)物性的影響。在傳熱計(jì)算過(guò)程中，當(dāng)溫度發(fā)生變化物性的影響。在傳熱計(jì)算過(guò)程中，當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)用以確定物性所規(guī)定的溫度稱(chēng)為定性溫度。

56、時(shí)用以確定物性所規(guī)定的溫度稱(chēng)為定性溫度。2022年2月6日第5章 傳熱過(guò)程基礎(chǔ)64/1354.流體的流動(dòng)狀態(tài)流體的流動(dòng)狀態(tài)流體呈湍流時(shí)，隨著流體呈湍流時(shí)，隨著Re的增加，滯流底層的厚度的增加，滯流底層的厚度減薄，阻力降低，減薄，阻力降低，增大。流體呈滯流時(shí)，流體在增大。流體呈滯流時(shí)，流體在熱流方向上基本沒(méi)有混雜作用，故熱流方向上基本沒(méi)有混雜作用，故較湍流時(shí)小。較湍流時(shí)小。即：即： 滯流滯流湍流湍流 5.流體流動(dòng)的原因流體流動(dòng)的原因自然對(duì)流：由于流體內(nèi)部存在溫度差，因而各部自然對(duì)流：由于流體內(nèi)部存在溫度差，因而各部分的流體密度不同，引起流體質(zhì)點(diǎn)的相對(duì)位移。分的流體密度不同，引起流體質(zhì)點(diǎn)的相對(duì)位移

57、。強(qiáng)制對(duì)流：由于外來(lái)的作用，迫使流體流動(dòng)。強(qiáng)制對(duì)流：由于外來(lái)的作用，迫使流體流動(dòng)。 自然對(duì)流自然對(duì)流強(qiáng)制對(duì)流強(qiáng)制對(duì)流 2022年2月6日第5章 傳熱過(guò)程基礎(chǔ)65/1356.傳熱面的形狀、位置和大小傳熱面的形狀、位置和大小傳熱壁面的幾何因素對(duì)流體沿壁面的流動(dòng)狀態(tài)、傳熱壁面的幾何因素對(duì)流體沿壁面的流動(dòng)狀態(tài)、速度分布和溫度分布都有較大影響，從而影響對(duì)流速度分布和溫度分布都有較大影響，從而影響對(duì)流傳熱。如流體流過(guò)平板與管內(nèi)的流動(dòng)就不同，在自傳熱。如流體流過(guò)平板與管內(nèi)的流動(dòng)就不同，在自然對(duì)流時(shí)垂直熱表面?zhèn)鹊牧黧w就比水平熱表面下面然對(duì)流時(shí)垂直熱表面?zhèn)鹊牧黧w就比水平熱表面下面的流體自然對(duì)流條件要好。因此必須

58、考慮傳熱面的的流體自然對(duì)流條件要好。因此必須考慮傳熱面的特定幾何條件對(duì)傳熱的影響，一般采用對(duì)對(duì)流傳熱特定幾何條件對(duì)傳熱的影響，一般采用對(duì)對(duì)流傳熱有決定性影響的特征尺寸作為計(jì)算依據(jù)，稱(chēng)為定性有決定性影響的特征尺寸作為計(jì)算依據(jù)，稱(chēng)為定性尺寸。尺寸。 2022年2月6日第5章 傳熱過(guò)程基礎(chǔ)66/1355.4.4.2 對(duì)流傳熱過(guò)程的量綱分析對(duì)流傳熱過(guò)程的量綱分析由于影響對(duì)流傳熱系數(shù)的因素眾多而復(fù)雜，因此由于影響對(duì)流傳熱系數(shù)的因素眾多而復(fù)雜，因此不可能用一個(gè)通式來(lái)描述，為此首先進(jìn)行理論分析，不可能用一個(gè)通式來(lái)描述，為此首先進(jìn)行理論分析，將眾多的影響因素組合成若干無(wú)量綱數(shù)群將眾多的影響因素組合成若干無(wú)量綱

59、數(shù)群(準(zhǔn)數(shù)準(zhǔn)數(shù))，然后用實(shí)驗(yàn)的方法確定這些準(zhǔn)數(shù)間關(guān)系，從而建立然后用實(shí)驗(yàn)的方法確定這些準(zhǔn)數(shù)間關(guān)系，從而建立相應(yīng)的關(guān)聯(lián)式相應(yīng)的關(guān)聯(lián)式 。 本節(jié)采用白金漢法處理對(duì)流傳熱問(wèn)題，適用于變本節(jié)采用白金漢法處理對(duì)流傳熱問(wèn)題，適用于變量較多的情況。量較多的情況。5.4.4.2.1 流體無(wú)相變時(shí)的強(qiáng)制對(duì)流傳熱過(guò)程步驟流體無(wú)相變時(shí)的強(qiáng)制對(duì)流傳熱過(guò)程步驟：1.列出影響該過(guò)程的物理量列出影響該過(guò)程的物理量據(jù)理論分析及實(shí)驗(yàn)研究，知影響據(jù)理論分析及實(shí)驗(yàn)研究，知影響的因素有：定性的因素有：定性尺寸尺寸l，流體的密度流體的密度，粘度粘度，比熱比熱Cp，熱導(dǎo)率熱導(dǎo)率k，流速流速u(mài)，可將其表示為：可將其表示為：f(l, ，Cp

60、，k，u)2022年2月6日第5章 傳熱過(guò)程基礎(chǔ)67/1352.確定準(zhǔn)數(shù)數(shù)目確定準(zhǔn)數(shù)數(shù)目 定理：任何一個(gè)量綱一致的物理方程都可表示定理：任何一個(gè)量綱一致的物理方程都可表示成一個(gè)隱函數(shù)的形式，即：成一個(gè)隱函數(shù)的形式，即： f(1, 2, 3， ，i)=0其中：其中：i=j-m i無(wú)量綱準(zhǔn)數(shù)的數(shù)目無(wú)量綱準(zhǔn)數(shù)的數(shù)目 j變量數(shù)變量數(shù) m基本量綱數(shù)基本量綱數(shù)(長(zhǎng)度長(zhǎng)度L、質(zhì)量質(zhì)量M、時(shí)間時(shí)間、溫度溫度T) i=7-4=3 有三個(gè)準(zhǔn)數(shù)有三個(gè)準(zhǔn)數(shù)2022年2月6日第5章 傳熱過(guò)程基礎(chǔ)68/1353.確定各準(zhǔn)數(shù)的形式確定各準(zhǔn)數(shù)的形式(1)列出各物理量的量綱列出各物理量的量綱(2)選擇選擇m(即即4)個(gè)共同物理