传热学-三种传热形式PPT演示课件.ppt

1,传 热 学,Heat Transfer,,2,课程特点,实践性很强的科学,常称工程传热学 是一门专业基础课，联系基础课与专业课的纽带与桥梁 先修课程：高等数学、大学物理、计算方法、工程热力学 、流体力学等,3,主要内容,1 传热学概述 2 热量传递的基本方式 3 传热过程 4 换热器,4,一、什么是传热学 研究热量传递规律的科学 热量传递的机理、规律、计算方法 热量传递过程的推动力：温差，有温差就会有传热 热力学第二定律：热量可以自发地由高温热源传给低温热源传热学概述,5,二、传热学的重要性和广泛性,自然界与生产过程到处存在温差传热很普遍 范围广泛，无处不在，无时不有,日常生活中的例子 若房间里气体的温度在夏天和冬天都保持25度，那么在冬天与夏天、人在房间里所穿的衣服能否一样？,冬天耳朵大的人为什么容易生冻疮？,泰坦尼克号男女主人公的的结局为何不同？,冬天树叶为什么向上的一面容易结霜？,6,在工程技术领域大量存在传热问题 动力、化工、制冷、建筑、环境、机械制造、新能源、微电子、核能、航空航天、微机电系统（MEMS）、新材料、军事科学与技术、生命科学与生物技术,7,三、传热学与工程热力学的关系 1.相同点：传热学以热力学第一定律和第二定律为基础（The First and Second Law of Thermodynamics） 即：热量 Q 传递始终是从高温物体向低温物体传递；在热量传递过程中若无能量形式的转换，则热量始终保持守恒。

8,2.不同点 a）定义： 工程热力学：热能的性质、热能与机械能及其他形式能量之间相互转换的规律 传热学：热量 Q 传递过程的规律 b）时间 工程热力学：不考虑热量传递过程的时间 传热学：时间是重要参数9,热量传递的基本方式,热量传递基本方式： 热传导、conduction 热对流、convection 热辐射 radiation 在不同场合下，三种方式可能单独存在，也可能产生不同的组合方式 太空飞船的传热/暖气片传热,10,一、热传导（导热）heat conduction,1.定义和特征 定义：指温度不同的物体各部分或温度不同的两物体间直接接触时，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而进行的热量传递现象 物质的属性：可以在固体、液体、气体中发生,11,导热的特点 必须有温差 物体直接接触 依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而传递热量 不发生宏观的相对位移,12,13,2.导热机理 气体：气体分子不规则热运动时相互碰撞的结果 导电固体：自由电子运动 非导电固体：晶格结构的振动 液体：很复杂14,温度场、等温线、等温面,三维非稳态温度场：,三维稳态温度场：,一维稳态温度场：,二维稳态温度场：,稳态温度场,非稳态温度场,15,等温面：同一时刻、温度场中所有温度相同的点所构成的面,(3) 等温线：用一个平面与各等温面相交，在这个平面上得到等温线簇，又称温度等值线。

图5-2,(4) 温度梯度：温度改变的强烈程度，沿等温面法线方向上的温度增量与法向距离比值的极限是向量；正向朝着温度增加的方向,,16,3 傅里叶公式:1822年，法国数学家Fourier：,：热流量，单位时间传递的热量W,q：热流密度，单位时间通过单位面积传递的热量,A：垂直于导热方向的截面积m2,：平壁两侧壁温之差,平壁的厚度m,17,Fourier定律：通用形式,,,热流量， 单位时间传递的热量W,热流密度， 单位时间通过单位面积传递的热量,热流密度与温度梯度成正比，传递方向与温度梯度方向相反18,导热热阻,Fourier定律,导热热阻,,热路图,19,热导率（导热系数）(Thermal conductivity), 具有单位温度差（1K）的单位厚度的物体(1m)，在它的单位面积上(1m2)、每单位时间(1s)的导热量(J),热导率表示材料导热能力大小；物性参数；实验确定,20,冬天在新建的房屋感到暖和还是在旧房感到暖和？,21,例题1-1 有三块分别由纯铜（热导率1=398W/(mK)）、碳钢（热导率2=40W/(mK)）和石棉（热导率3=0.15W/(mK)）制成的大平板，厚度都为10mm，两侧表面的温差都维持为tw1 tw2 = 50不变，试求通过每块平板的导热热流密度。

解：,这是通过大平壁的一维稳态导热问题，对于纯铜板，,22,对于黄铜板,对于石棉板,23,平壁和圆筒壁的一维稳态导热,一、通过平壁的一维稳态导热,,边界条件：,x = 0时，t = t1；x= 时，t=t2；,,,,,,温压或温差,,平壁导热的面积热阻(m2K/W),单位时间内，通过截面积A的热流量：,,24,二、通过n层平壁的一维稳态导热,,,,n 层平壁的总温压（或K）,第i 层平壁的厚度（m）,第i 层平壁材料的导热系数，W/(mK),第i 层平壁的导热面积热阻，(m2K)/W,,,,,,,25,各层接触面上的温度,第一层：,第二层：,第j层：,26,二、通过圆筒壁的一维稳态导热,1. 微元圆筒壁的热流量,,,,2. 单位管长的热流量,,3. 每米长度单层圆筒壁的热阻,,热流密度 与半径 r 成反比！,27,4. 圆筒壁内温度分布：,,,,,,,28,5. n层圆筒壁,导热热流量可按总温差和总热阻计算,通过单位长度圆筒壁的热流量,,各层接触面上的温度,,29,例 锅炉炉墙由三层材料组成：内层为耐火砖，厚度230mm， 导热系数为1.1W/(mK)；中间层为石棉隔热层，厚度为60mm， 导热系数为0.1W/(mK)；外层为红砖，厚度为240mm，导热系数 0.58W/(mK)；已知炉墙内、外表面的温度分别为500和50， 试求通过炉墙的热流密度和各层接触面处的温度。

解：,,,,,,30,,,=50 0 -368.9 W/m20.21=422.5 ,,=500-368.9W/m2(0.21+0.60) =201.2,讨论： 斜率的大小与热导率的关系？？？,31,例 蒸汽管道的内径为160mm，外径为170mm管外覆有两 层保温材料，第一层的厚度1=30mm，第二层厚度2=50mm 设钢管和两层保温材料的导热系数分别为1=50W/(mK)、2= 0.15W/(mK)和3=0.08W/(mK)若已知蒸汽管内表面温度t1= 300，第二层保温材料的外表面温度t4=50，试求每米长蒸汽 管的散热损失和各层接触面上的温度解： 由d1=0.16m、d2=0.17m d3= d2+21=0.23m， d4= d3+22=0.33m,每米长管道的热流量,,,32,各层接触面上的温度,,,,,结果表明，由于钢管壁的导热热阻极小因此两侧表面 温度差很小，相对于绝热层，薄金属壁的热阻常可忽略不计33,导热的增强与削弱,,,,,在导热温差一定的情况下，增加或者减小导热热阻是增强和削弱导热的根本途径强化导热：换热器,冷凝器采用金属质管,削弱导热：保温材料，压力容器的保温，蒸汽管道的保温管道,34,不稳定导热,,,,,实际过程都是不稳定过程,锻工：将铸铁放入火焰中加热的过程,35,热对流(convection)与对流换热,36,1. 热对流 定义与特征 定义：流体中（气体或液体）温度不同的各部分之间，由于发生相对的宏观运动而把热量由一处传递到另一处的现象。

流体中有温差 热对流必然同时伴随着热传导，自然界不存在单一的热对流,对流换热：流动的流体与温度不同的固体壁间接触时的热量交换过程 Convection heat transfer,37,对流换热的特点 对流换热与热对流不同，既有热对流，也有导热；是导热与热对流同时存在的复杂热传递过程 必须有直接接触（流体与壁面）和宏观运动； 也必须有温差,38,对流换热分类,39,流动边界层和热边界层,流动边界层概念：当粘性流体流过物体表面时，会形成速度梯度很大的流动边界层；,由于粘性作用，流体流速在靠近壁面处随离壁面的距离的缩短而逐渐降低；在贴壁处被滞止层流边界层：壁面与流体间的热流传递主要靠流体的导热 紊流边界层：层流底层内热流传递主要靠导热，在紊流区，靠热对流，热阻主要集中在层流底层 减薄边界层，减小对流换热热阻，增强换热,流体外掠平板时的流动边界层,40,, 边界层厚度,定义：u/u=0.99 处离壁的距离 为边界层厚度,1. 小：空气外掠平板，u=10m/s：,2.边界层内：平均速度梯度很大；y=0处的速度梯度最大,特征:,3. 流场可以划分为两个区：边界层区与主流区,41,热边界层,当壁面与流体间有温差时，会产生温度梯度很大的温度边界层（热边界层）,Tw,厚度t 范围 热边界层,与t 不一定相等,流动边界层与热边界层的状况决定了热量传递过程和边界层内的温度分布,42,对流换热的基本计算公式牛顿冷却公式,对流换热量的大小与壁面面积、 流体与壁面间的温差成正比。

43, 当流体与壁面温度相差1度时、每单位壁面面积上、单位时间内所传递的热量,影响h因素：流速、流体物性、壁面形状大小等,对流换热系数(表面传热系数),对流换热热阻：,44,一些对流换热的表面传热系数数值范围,45,(2) 流动状态/边界层,(3) 流体有无相变,(1) 流动起因,自然对流：流体因各部分温度不同而引起的密度差异所产 生的流动,影响对流换热系数的因素,强制对流：由外力（如：泵、风机、水压头）作用所产生的流动,46,(4) 换热表面的几何因素：,内部流动对流换热：管内或槽内,外部流动对流换热：外掠平板、圆管、管束,47,流体内部和流体与壁面导热热阻减小,单位体积能携带更多能量,粘性阻碍流动,增强自然对流,48,流体无相变时的对流换热,1 自然对流换热,热阻:层流边界层、 层流底层,49,2 强制对流换热,a)管内流体纵向流动强制对流换热 b)管外流体横行流动强制对流换热,a)管内流体纵向流动强制对流换热,1)主要影响因素：流体的流动状态、流体物性、管道尺寸 2)其它影响因素：入口效应、弯管影响、热流方向的影响,50,热流方向及流体热物性变化对换热的影响,对于液体： 主要是粘性随温度而变化,流体平均温度相同的条件下，液体被加热时的表面传热系数高于液体被冷却加热时的值,对于气体： 除了粘性，还有密度 和热导率等,51,弯管效应,二次环流,离心力,换热增强,,,52,管壁粗糙度的影响,粗糙管：铸造管、冷拔管等,湍流：粗糙度 层流底层厚度 时: 换热增强,层流：影响不大,粗糙度 <层流底层厚度 时: 影响不大,有时利用粗糙表面强化换热强化表面,53,b)管外流体横向流动强制对流换热,主要影响因素：流体的流动状态、流体物性、几何因素。

1）横掠单管：脱体绕流,流体在管外的流动方向与管子轴向方向垂直,54,b）横掠管束换热,影响横掠管束对流换热的因素：1)排列方式：叉排和顺排, 2)管子排数;3)管间距(s1 和s2) 55,流体有相变时的对流换热,1 液体沸腾换热 a)大容器沸腾换热 b)管内沸腾换热,2 蒸汽凝结换热 a)膜状凝结换热 b)珠状凝结换热,加热表面,56,主要特点：,大容器沸腾换热,a 沸腾：工质内部形成大量气泡并由液态转换到气态的一种剧烈的汽化过程 b 沸腾换热：指工质通过气泡运动带走热量，并使其冷却的一种传热方式,汽泡的产生和运动是沸腾换热的主要特点,大容器沸腾,加热面上产生的汽泡能自由上升，并在上升过程中不受液体流动的影响，液体的运动只是由自燃对流和汽泡的扰动引起加热表面,57,大容器饱和沸腾曲线： 4个不同阶段： 自然对流、 核态沸腾、 过渡沸腾、 稳定膜态沸腾,CHF, Critical Heat Flux：工程意义Departure from Nucleate Boiling,58,说明： （1）热流密度的峰值qmax 称为临界热流密度或临界热通量（CHF） ，亦称烧毁点一般用核态沸腾转折点DNB作为监视接近qmax的警戒。

这一点对热流密度可控和温度可控的两种情况都非常重要 （2）对稳定膜态沸腾，因为热量必须穿过的是。