传热原理课件

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1、第二章 传热原理1本章节主要内容：n传热的基本概念n传导传热n对流换热n辐射传热2传热学概述 传热学是研究热量传递规律的学科，其基础为热力学第一定律和热力学第二定律。在材料技术领域大量存在传热问题3在材料技术领域存在节能问题42.1 传热基本概念2.1.1 传热基本条件传热热量传递的过程基本条件物体间存在温度差低温端高温端5特点：物体各部位不发生宏观相对位移热量从铁丝的高温端传 递到低温端，但铁丝外观未 变化。 2.1.2 传热的基本方式（1） 传导传热：依靠物体微观粒子的热运动而传递热量。6导热机理： 气体分子不规则运动时相互碰撞； 导电固体自由电子； 非导电固体晶格振动产生的弹性波； 液体

2、兼有气体和非导电固体的机理。 7（2）对流传热：依靠流体质点的宏观位移而传热。火焰通过周围气体的运动对流能将热量从周围向其它地方传递单纯对流传热发生于流体内、流体之间流体与固体表面之间的传热对流换热8（3）辐射传热：不借助于媒介物，热量以热射线形式从高温物体传向低温物体太阳能以辐射形式透过广阔真空，传递到地球，不需要媒介。9导热、对流、辐射的评述 导热、对流两种热量传递方式，只在有物质存在的条件下，才能实现，而热辐射不需中间介质，可以在真空中传递，而且在真空中辐射能的传递最有效。 在辐射换热过程中，不仅有能量的转换，而且伴随有能量形式的转化。 10在辐射时，辐射体内热能 辐射能；在吸收时，辐射

3、能 受射体内热能，因此，辐射换热过程是一种能量互变过程。 辐射换热是一种双向热流同时存在的换热过程，即不仅高温物体向低温物体辐射热能，而且低温物体向高温物体辐射热能。 11辐射换热不需要中间介质，在真空中即可进行，而且在真空中辐射能的传递最有效。因此，又称其为非接触性传热。 热辐射现象仍是微观粒子性态的一种宏观表象。 物体的辐射能力与其温度性质有关。这是热辐射区别于导热，对流的基本特点。 12稳定温度场：t=f(x,y,z)热量从高温面向其对面传递2.1.3 温度场 等温面 等温线 温度梯度（1）温度场定义：传热过程中，物体内部所有点的温度分布情况。不稳定温度场：t=f(x,y,z,) 类型一

4、维稳定温度场：t=f(x)13热量从高温面向侧面、对面传递二维稳定温度场：t=f(x,y)14热量从高温面向两侧面、对面、上下底面传递三维稳定温度场：t=f(x,y,z)15等温面被平面所切产生等温线定义：温度场中所有温度相同的点构成的面。（2）等温面 （3）等温线定义：用一个平面与各等温面相交，在这个平面上得到一个等温线 簇。 16等温面与等温线的特点： （1）温度不同的等温面或等温线，彼此不能相交。 （2）在连续的温度场中，等温面或等温线不会中断，它们或者是物体中完全封闭的曲面（曲线），或者就终止与物体的边界上。（3）同一等温面、线上无热流，不同的等温面、线之间存在热流。（4）若温度间隔相

5、等时，等温线的疏密可反映出不同区域导热热流密度的大小。17（4）温度梯度定义：温度场中，两等温面间温度差与其法线方向两等温面间距离比值的极限。(/m)(/m) 注意：温度梯度方向 指向温度升高方向， 与热流方向相反数学表达式：单向稳定温度场：tt-tt+t182.1.4 热流 传热量温度场内有温度差存在时，热量将从高温流向低温。热流 定义：单位时间内，通过单位面积传递的热量称为热流，用q 表示，单位W/m2。热流是矢量，与温度梯度方向相反。传热量：单位时间内，通过总传热面积F传递的热量，用Q表示。（W）192.1.5 稳定传热与不稳定传热稳定传热稳定温度场内的传热 传热量不随时间变化 不稳定传

6、热不稳定温度场内的传热 传热量随时间变化 202.2 传导传热 2.2.1导热的基本定律（傅立叶定律）数学表达式热流的方向 与温度梯度相反（w/m2）导热系数单位时间、单位面积上通过的热量与温度梯度成正比。内容21应用傅立叶定律时注意点：1、负号“”表示热量传递指向温度降低的方向，n是通过该点的等温线上法向单位矢量，指向温度升高的方向；2、热流方向总是与等温线（面）垂直；3、物体中某处的温度梯度是引起物体内部及物体间热量传递的根本原因；4、傅立叶定律是实验定律，是普遍适用的，即不论是否变物性，不论是否有内热源，不论物体的几何形状如何，不论是否非稳态，也不论物质的形态（固、液、气），傅立叶定律都

7、是适用的。222.2.2 导热系数(w/m.）物体内温度梯度为1 / m时，单位时间、单位面积上的传热量。2.2.2.1 气体导热系数大小：0.00580.58 W/m.特点：（1）t, （2）在不太大的压力下,可以认为与压力无关（3）混合气体的导热系数不遵循加和法则。232.2.2.2 液体的导热系数 =0.0930.7 W/m.特点：除水、甘油外，一般液体t, 2.2.2.3 固体导热系数（1）金属=2.3418 W/m.，纯银最大，纯铜次之特点：t, 合金109 时，自然对流边界层就会失去稳定而从层流状态转变为湍流状态。86工程中广泛使用的是下面的关联式： 式中：定性温度采用 定性长度的

8、选择：竖壁和竖圆柱取高度，横圆柱取外径。 8788【例】有一根水平放置的 高压水蒸气管道，绝热层外径d583mm，外壁温度 tw =48，周围空气温度 tf =23，试计算每米蒸汽管道上通过自然对流的散热量。【解】每米管道上的对流散热量关键：求出 先计算Gr以判别流态。根据流态性质查表26求出相关参数89有些自然对流换热过程受到固体表面的限制而形成受限空间中的自然对流换热。靠近热面流体受热上升，靠近冷面流体冷却下降。特点：流体的受热和冷却发生在近邻地方。为计算简便，引入当量导热系数2.3.6.2 有限空间中的自然对流换热90对流换热量：（W/m2）相当于对流 换热 Nu查表2-7所得 。91（

9、1） 竖夹层恒壁温条件下空气在竖夹层的准则关系式为：公式准则的定性温度为： tm=(tw1+tw2)/2 92（2）水平夹层水平夹层中在恒壁温情况下的 空气自然对流换热计算公式为：93【例】试求平板间空气夹层的当量导热系数和对流换热量。已知夹层厚 度为25.0mm，高为200mm，热表面温度为150，冷表面温度为50。【解】先计算夹层中空气的平均温度：查附录五得100空气的物性参数：W/(m )m2/s计算Grf：94查表27中的计算式，求W/(m ) 计算对流还热量为：W/m2952.3.7 流体强制流动时的对流换热2.3.7.1 管内强制对流 2.3.7.1.1 管内强制对流流动和换热的特

10、征 （1）流动有层流和湍流之分。无论是层流还是湍流，都存在 入口段，且入口处的换热很强。 层流： Re 10496（2）入口段的热边界层薄，表面传热系数高。 管内流动换热示意图97表面传热系数随边界层发展的变化情况： 从入口处的最大值逐渐下降，最后趋于一个稳定值。(a) 层 流 (b) 湍 流98（3）热边界条件有均匀壁温和均匀热流两种 湍流：两种边界条件影响可忽略不计，即换热的Nu一样。层流：两种边界条件下的换热系数差别明显（Nu有差别)。99（4）特征速度及定性温度的确定 特征速度：计算Re数时用到的流速，一般多取截面平均流速。 定性温度：计算物性的定性温度多为截面上流体的平均温度（或进出

11、口截面平均温度）。 100（一）湍流对流换热DittusBoelter迪贝公式： 式中：定性温度为管道进、出口两个截面处流体平均温度的算术平均值，特征流速为馆内平均流速，特征长度为管内径。当管子为非园截面时，取当量直径：2.3.7.1.2 管内强制对流换热 加热流体时 n=0.4 冷却流体时 n=0.3F通道截面积U润湿周长101公式适用范围：1）l/d60的水力光滑管。此时入口段的影响可忽略不 计；2）流体与壁面具有中等以下温差，一般气体不超过50 ，水不超过2030，油不超过10；3）Ref=1041.2105,Prf=0.7120;4）对恒壁温和恒热流边界条件均适用；5）不适用于Pr数很

12、小的液态金属。102按上式求出Nu及对流换热系数，即可按下式 求出热流量q或Q：103温度超过以上 幅度时，可用公式：其中，Prf用壁温作为定性温度，其余均采用流体平均温度为定性温度。管内径作为定性尺寸。适用范围：Ref=1045106, Prf=0.62500104对于短管（l/d50），其准数关系式为：需乘以修正系数。迪贝公式也可简化为：W流体在管道内的流速；d管道内径或内当量直径；An与流体种类有关的系数，查表29所得。105（二）层流换热 SiederTate公式： 适用范围为： Ref2300，Prf0.6，RefPrf(d/l) 10定性温度为流体平均温度tf （w按壁温tw确定）

13、，管内径为特 征长度。 106（三）过渡流区换热豪森公式：107外部流动：换热壁面上的流动边界层与热边界层能自由发展，不会受到邻近壁面存在的限制。横掠单管：流体沿着垂直于管子轴线的方向流过管子表面。流动具有边界层特征，还会发生绕流脱体。2.3.7.2 外部流动强制对流换热108109准则关系式：适用范围：1Ref1000适用范围：1000Ref2105上两式中，定性尺寸为管外径。对于气体，修正项一 般可以略去。110边界层的成长和 脱体决定了外掠 圆管换热的特征 。 右图为横掠圆管 局部换热系数的 变化111横掠管束换热v外掠管束在换热器中最为常见。 v通常管子有叉排和顺排两种排列方式。叉排换

14、热强、阻力损失大并难于清洗。影响管束换热的因素除 数外，还有： 叉排或顺排；管间距；管束排数等。 112叉排和顺排排列方式:113后排管受前排管尾流的扰动作用对平均表面传热系数的影响直到10排以上的管子才能消失。 这种情况下，先给出不考虑排数影响的关联式，再采用管束排数的因素作为修正系数。（参见表2-10） 114准则关系式：式中，x1 和 x2 分别为垂直于流动方向和沿着流动方向上的管子之间的距离，而z为管排数目的修正系数。此公式考虑了管子排列和管排数目对换热的影响。z准则关系式的特征尺寸为管外直径，特征流速为管排流道中最窄处的流速，定性温度为流体平均温度。115当排数大于10时，管簇的平均

15、换热系数参照表211 公式计算。若流体横向掠过管面的冲击角小于90时，换热系数 会减小，因乘以修正系数（参照表212）116流体沿平壁表面流动时的对流换热当Ref105当Ref105117【例】空气以10m/s的速度流过直径为50mm、长为1.75m的管道，管壁温度为150，如果空气的平均温度为100，求空气对管道内壁的对流换热系数。118【解】（1）空气在100的物性参数：（2）计算Re，判断流动状态：（3）代入公式计算：为湍流119（4）计算对流换热系数：（5）故还需乘以修正系数，查表2-8W/（m2）120【例】一水平封闭夹层，上下表面间距 ，夹层内冲面压力为1.013105Pa的空气。

16、一个表面温度为80，另一个表面温度为40。试计算热表面在冷表面之上及在冷表面之下两种情形通过单位面积夹层的传热量之比。121【解】本题为有限空间自然对流换热问题。定性温度：空气物性参数：当热表面在上时，夹层内无自然对流，仅有导热：W/mm2/s122当热面在下时，夹层中有自然对流：查表2-7中的计算式，求1232.3 辐射换热1241 定义： 由热运动产生的，以电磁波形式向外传递能量的过程。任何物 体的温度只要高于“绝对零度”，便会不停地向外发射电磁 波。2.3.1 热辐射的基本概念125由于热的原因而发生的辐射 热辐射取决于温度 能被物体吸收并转变成热能的部分电磁波 热射线辐射传热物体之间相互辐射