化工原理課件：第六章 傳熱01

第六章傳熱

6.1概述6.1.1概述一、工業(yè)傳熱的目的

1．加熱或冷卻，使物料達(dá)到所需要的溫度

2．回收熱量或冷量，減少工業(yè)能耗

3．保溫，以減少熱量或冷量的損失二、冷熱流體的接觸方式

1．直接接觸式傳熱：冷熱流體直接接觸

2．蓄熱式傳熱：冷熱流體交替進(jìn)入換熱設(shè)備完成傳熱過程3．間壁式傳熱：冷熱流體以固體壁面為媒介，完成傳熱過程

三、載熱體及其選擇用以供給熱量或移走熱量的流體通稱為載熱體。前者稱為加熱劑，后者稱冷卻劑載熱劑的選擇應(yīng)在技術(shù)上許可的前提下，使經(jīng)濟(jì)上合理6.1.2傳熱過程一、傳熱速率1．熱流量2．熱流密度與換熱器的大小無關(guān)，反映了傳熱過程的本質(zhì)特征定態(tài)下，換熱器的熱流量為：二、非定態(tài)傳熱過程

三、傳熱機(jī)理1．熱傳導(dǎo)：在傳熱方向上，流體質(zhì)點(diǎn)無宏觀運(yùn)動，傳熱靠分子微觀運(yùn)動完成2．對流：流體在宏觀運(yùn)動的條件下，靠微團(tuán)的遷移完成傳熱過程3．輻射：靠電磁波的輻射將熱量轉(zhuǎn)移

6.2熱傳導(dǎo)6.2.1傅立葉定律和導(dǎo)熱系數(shù)一、傅立葉定律熱傳導(dǎo)的宏觀規(guī)律可用傅立葉定律加以描述

物理含義：導(dǎo)熱過程的熱流密度與法向溫度梯度成正比，熱流方向與溫度梯度方向相反二、熱導(dǎo)率是表征材料導(dǎo)熱性能的參數(shù),大導(dǎo)熱性能好1、固體金屬建筑材料絕熱材料固體材料的近似滿足:

一般情況：金屬,非金屬2、液體液體的較小，但比固體絕熱材料大除水和甘油外，常見液體的隨溫度而3、氣體氣體的約為液體的1/10

，對影響很小6.2.2通過平壁的定態(tài)導(dǎo)熱過程一、過程數(shù)學(xué)描述平壁內(nèi)傳熱系定態(tài)一維熱傳導(dǎo)

即——過程特征方程二、平壁內(nèi)的溫度分布若，則，即平壁內(nèi)溫度沿傳熱方向?yàn)榫€性分布三、熱流量將式積分得

6.2.3通過圓筒壁的定態(tài)導(dǎo)熱過程一、過程數(shù)學(xué)描述圓筒壁內(nèi)的傳熱系定態(tài)一維熱傳導(dǎo)對薄層圓筒作熱量衡算：過程特征方程為二、溫度分布由得即圓筒壁內(nèi)的溫度按對數(shù)曲線變化三、熱流量將邊界條件代入上式，可求得：又可寫成:討論:

平壁圓筒壁球壁6.2.4通過多層壁的定態(tài)導(dǎo)熱一、推動力和阻力的加和性

對于定態(tài)一維熱傳導(dǎo)，熱量在平壁內(nèi)沒有積累。數(shù)量相等的熱量依次通過各層平壁。即：或若為多層圓筒壁，則二、各層的溫差由上式可知：即：在整個(gè)壁厚內(nèi)溫差有個(gè)確定的分配，哪層熱阻大，哪層溫差也大。三、接觸熱阻當(dāng)接觸面非理想光滑時(shí)，兩層間存在一層靜止流體層，增加了傳熱阻力，稱接觸熱阻，以表示。:接觸系數(shù)由于的存在，交界面兩側(cè)的溫度不再相等思考題（1）如圖所示的多層平壁中，

,試畫出溫度分布圖（2）如圖所示的圓筒壁，，試畫出溫度分布曲線6.3對流給熱流體流過固體表面時(shí)與該表面發(fā)生熱量交換6.3.1對流給熱過程分析一、流動對傳熱的貢獻(xiàn)1、流體靜止：熱傳導(dǎo)流體對壁面的溫度分布：直線2、流體流動：

流體對壁面的在相同溫差下，流體流動增加了增加了壁面處的

結(jié)論：對流給熱是對流與熱傳導(dǎo)聯(lián)合作用的結(jié)果，流體對壁面的熱流密度因流動而增大二、對流給熱過程的分類無相變：強(qiáng)制對流給熱、自然對流給熱有相變：蒸汽冷凝給熱、液體沸騰給熱三、強(qiáng)制對流與自然對流1、強(qiáng)制對流：流體在外力作用下產(chǎn)生的宏觀流動2、自然對流：因流體冷熱部分密度不同而引起的流動

,,產(chǎn)生環(huán)流，其強(qiáng)度除與溫差有關(guān)外，還與流體的物性、設(shè)備結(jié)構(gòu)、加熱面位置有關(guān)。例：加熱面上部有利于產(chǎn)生較大的自然對流冷卻面下部有利于產(chǎn)生較大的自然對流6.3.2對流給熱的數(shù)學(xué)描述一、牛頓冷卻定律流體被加熱時(shí):

流體被冷卻時(shí)：

討論：1、：給熱熱阻

2、牛頓冷卻定律僅是數(shù)學(xué)上的一種描述，本質(zhì)上不一定正比于二、獲得給熱系數(shù)的方法

1、理論推導(dǎo)的方法2、數(shù)學(xué)模型法

3、量綱分析法4、直接實(shí)驗(yàn)法三、對流給熱的量綱分析對無相變對流給熱，其影響因素：

1、流體物性：

2、設(shè)備特征尺寸：

3、強(qiáng)制對流的流速：

4、自然對流的特征速度：經(jīng)無量綱化后得：四、無量綱數(shù)群的物理意義

1.：慣性力和黏性力之比反映了強(qiáng)制對流對給熱系數(shù)的影響2.

反映了對流使給熱系數(shù)增加的倍數(shù)3.反映了物性對給熱系數(shù)的影響4.

反映了自然對流對給熱系數(shù)的影響五、定性溫度取流體主體的平均溫度六、定性尺寸圓管內(nèi)強(qiáng)制對流：

非圓管：

大容積自然對流：加熱（冷卻）表面的垂直高度6.3.3無相變的對流給熱系數(shù)經(jīng)驗(yàn)式一、圓管內(nèi)強(qiáng)制湍流的給熱系數(shù)高度湍流時(shí)自然對流的影響可忽略當(dāng)實(shí)驗(yàn)得：整理得：流體被加熱：流體被冷卻：定性溫度：流體進(jìn)、出口溫度的算術(shù)平均值特征尺寸：管內(nèi)徑；對幾何形狀與圓管相近的非圓形管，可用代替討論：1．由可知：湍動愈激烈，愈大2．將上式變形，得A．物性的影響：實(shí)際操作中，同一流體的物性變化較小B．流速的影響:

增大管內(nèi)流速是提高的方法之一C．設(shè)備參數(shù)的影響：

一定時(shí)：

，但流體通過換熱設(shè)備的阻力二、大容積自然對流的給熱系數(shù)不存在強(qiáng)制對流實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)或式中值由實(shí)驗(yàn)求得定性溫度：膜溫定性尺寸：水平管：垂直管、板：垂直高度當(dāng)時(shí)，b＝1/3,與設(shè)備尺寸無關(guān)，該區(qū)域稱自動模化區(qū)6.4沸騰和冷凝給熱6.4.1沸騰給熱一、大容積飽和沸騰依設(shè)備尺寸和形狀可分：大容積沸騰、管內(nèi)沸騰依液體主體溫度是否達(dá)到飽和溫度可分：過冷沸騰、飽和沸騰本節(jié)討論：大容積飽和沸騰二、氣泡形成的條件

1．過熱度（必要條件）

2．汽化核心氣泡首先在粗糙表面凹縫中產(chǎn)生表面功小、對氣泡有依托作用、存在氣泡胚胎試驗(yàn)表明：氣泡的生成和脫離會產(chǎn)生強(qiáng)烈的擾動，使熱阻大為降低沸騰給熱強(qiáng)度高于無相變對流給熱三、大容積飽和沸騰曲線

：臨界溫差：臨界熱負(fù)荷工業(yè)操作應(yīng)控制在核狀沸騰階段因?yàn)椋焊?、壁溫低四、沸騰給熱系數(shù)可見可見6.4.2沸騰給熱過程的強(qiáng)化一、提供粗糙表面二、加入添加劑，改變氣液界面張力6.4.3蒸汽冷凝給熱一、冷凝給熱的熱阻飽和蒸汽冷凝給熱的熱阻幾乎全部集中于冷凝液膜中。工業(yè)上常使用飽和蒸汽作為加熱介質(zhì)因?yàn)椋簻囟群愣?、大二、膜狀冷凝和滴狀冷凝冷凝液在壁面上存在和流動方式有兩種：膜狀，滴狀。滴狀冷凝的大工業(yè)冷凝器的設(shè)計(jì)均按膜狀冷凝考慮，因?yàn)榈螤罾淠荒艹志?.4.4冷凝給熱系數(shù)一、液膜流動與局部不同傳熱面位置上，由于液膜厚度、流動型態(tài)不同，其值也不同。故需尋找整個(gè)壁面的平均二、層流時(shí)的平均給熱系數(shù)采用數(shù)學(xué)模型法物理模型為：a.液膜在重力作用下勻速運(yùn)動b.平均給熱系數(shù)1．垂直壁或管外的冷凝給熱系數(shù)單位寬度壁面的總冷凝液量若整個(gè)壁面的熱流量為,則三式聯(lián)列：實(shí)驗(yàn)測得,同時(shí)檢驗(yàn)了模型的正確性2．水平管外平均給熱系數(shù)