化工原理 第四章 熱量傳遞基礎(chǔ)

1、1,第四章 熱量傳遞基礎(chǔ),4.1 概述 4.2 熱傳導(dǎo) 4.3 對流傳熱 4.4 冷凝與沸騰傳熱 4.5 輻射傳熱,2,4.1 概述,4.1.1 基本概念4.1.2 熱量傳遞的三種基本方式,3,4.1.1 基本概念,在化工生產(chǎn)中傳熱的應(yīng)用主要是兩個(gè)方面：（1）強(qiáng)化傳熱 為了使物料滿足所要求的操作溫度進(jìn)行的加熱或冷卻，希望熱量以所期望的速率進(jìn)行傳遞； （2）削弱傳熱 為了使物料或設(shè)備減少熱量散失，而對管道或

2、設(shè)備進(jìn)行保溫或保冷。,4,4.1.1 基本概念,1.傳熱速率與熱通量,傳熱速率Q 是指單位時(shí)間內(nèi)通過傳熱面的熱量，又稱熱流量，其單位是W。,——表征了傳熱過程進(jìn)行的快慢程度,,熱通量q 是指單位傳熱面積上的傳熱速率，又稱熱流密度，單位是W/m2。,熱通量與傳熱速率之間的關(guān)系為 ：,,5,4.1.1 基本概念,2.穩(wěn)態(tài)傳熱與非穩(wěn)態(tài)傳熱,熱量傳遞過程,穩(wěn)態(tài)傳熱,非穩(wěn)態(tài)傳熱,物體的溫度分布隨時(shí)間變化,物體中各點(diǎn)溫度不隨時(shí)間而改變,——連續(xù)生

3、產(chǎn)過程中的傳熱,——間歇操作的換熱設(shè)備和連續(xù)生產(chǎn)設(shè)備的啟動、停機(jī)過程以及變工況過程的熱量傳遞,,,,6,4.1.1 基本概念,3.溫度場與溫度梯度,物體內(nèi)各點(diǎn)溫度的集合稱為溫度場 ，一般地，物體內(nèi)任意點(diǎn)的溫度是時(shí)間和空間位置的函數(shù)，溫度場的數(shù)學(xué)表達(dá)式為,,——式中 t為溫度；x、y、z為空間坐標(biāo)；t為時(shí)間。,溫度場,穩(wěn)態(tài)溫度場,非穩(wěn)態(tài)溫度場,物體的溫度分布隨時(shí)間變化,物體中各點(diǎn)溫度與時(shí)間無關(guān),,,,7,4.1.1 基本概念,等溫面：,在

4、某一時(shí)刻，溫度場中溫度相同的點(diǎn)連成的面，等溫面不可能相交。,對于二維傳熱問題，物體中等溫面表現(xiàn)為等溫線，等溫線也不可能相交。,溫度隨空間位置的變化率以等溫面（線）的法線方向上為最大值，在等溫面（線）法線方向上的溫度變化率稱為溫度梯度，可表示為,,式中D n為法線n方向上的距離；grad（t）表示溫度梯度，是矢量，其方向垂直于等溫面（線），與等溫面（線）的法線方向一致，并以溫度增加的方向?yàn)檎较颉?等溫線：,8,4.1.2 熱量傳遞的三種

5、基本方式,1.熱傳導(dǎo) 物體各部分之間不發(fā)生相對位移時(shí)，依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子的熱運(yùn)動而產(chǎn)生的熱量傳遞稱為熱傳導(dǎo)，又稱導(dǎo)熱。,熱傳導(dǎo)現(xiàn)象可以用傅立葉(Fourier)定律來描述。,2.對流傳熱 對流僅發(fā)生于流體中，它是指由于流體的宏觀運(yùn)動使流體各部分之間發(fā)生相對位移而導(dǎo)致的熱量傳遞過程 。,9,4.1.2 熱量傳遞的三種基本方式,對流傳熱通常用牛頓冷卻定律來描述，即當(dāng)主體溫度為tf的

6、流體被溫度為tw的熱壁加熱時(shí)，單位面積上的加熱量可以表示為 ：,,當(dāng)主體溫度為tf的流體被溫度為tw的冷壁冷卻時(shí)，有,式中q為對流傳熱的熱通量，W/m2；a為比例系數(shù)，稱為對流傳熱系數(shù), W/(m2·℃)。牛頓冷卻公式表明，單位面積上的對流傳熱速率與溫差成正比關(guān)系。,10,4.1.2 熱量傳遞的三種基本方式,3.熱輻射,輻射是一種通過電磁波傳遞能量的過程。物體因各種原因發(fā)出輻射能，其中因熱的原因發(fā)出輻射能的現(xiàn)象稱為熱輻射。,與

7、熱傳導(dǎo)和對流傳熱不同，輻射傳熱無須借助中間介質(zhì)的存在來傳遞熱量，可以在真空中傳遞。,雖然物體可以熱輻射的方式進(jìn)行熱量傳遞，但一般只在高溫或低溫下才成為主要傳熱方式。,11,4.2 熱傳導(dǎo),4.2.1 熱傳導(dǎo)的基本定律—傅立葉定律4.2.2 導(dǎo)熱系數(shù)4.2.3 熱傳導(dǎo)微分方程及其定解條件4.2.4 穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)4.2.5 非穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)4.2.6 熱傳導(dǎo)問題的數(shù)值解法,12,4.2.1 熱傳導(dǎo)的基本定律—傅立葉定律,大量的實(shí)踐表明,

8、熱量以傳導(dǎo)形式傳遞時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)通過單位面積所傳遞的熱量與當(dāng)?shù)販囟忍荻瘸烧?。對于一維問題，可表示為,,——為x方向上的溫度梯度,℃/m或K/m；,——式中l(wèi)為比例系數(shù)，稱為導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃) 或W/(m·K)；,——q為熱通量, W/m2；,——負(fù)號表示熱量傳遞的方向指向溫度降低的方向。,,13,4.2.1 熱傳導(dǎo)的基本定律—傅立葉定律,當(dāng)物體溫度是三維空間坐標(biāo)的函數(shù)時(shí)，則熱通量矢量表示為,,——式中 為空

9、間某點(diǎn)的溫度梯度；,,—— 是通過該點(diǎn)的等溫線上的法向單位矢量，指 向溫度升高的方向。,14,4.2.2 導(dǎo)熱系數(shù),1.定義式,?的物理意義：表示溫度梯度為1K/m或1℃/m時(shí)，單位時(shí)間通過單位面積的熱量。即：單位溫度梯度下的熱通量。,說明：,（1）導(dǎo)熱系數(shù)越大，物體的導(dǎo)熱性能越好，即在相同的溫度梯度下傳熱速率越大。,（2） 各類物質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)的近似關(guān)系：,15,4.2.2 導(dǎo)熱系數(shù),2.影響因素,大多數(shù)均一的固體，其導(dǎo)熱系

10、數(shù)在一定溫度范圍內(nèi)與溫度近似成直線關(guān)系，可用下式表示：,,——式中l(wèi)0為固體在0℃時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)，k為溫度系數(shù)，1/℃, 對大多數(shù)金屬材料為負(fù)值，對大多數(shù)非金屬固體材料為正值。,有機(jī)均相混合液體的導(dǎo)熱系數(shù)可用下式估算,,有機(jī)水溶液的導(dǎo)熱系數(shù)的估算式為,,——式中wi為組分i的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，li為純組分i的導(dǎo)熱系數(shù)。,16,4.2.2 導(dǎo)熱系數(shù),氣體的導(dǎo)熱系數(shù)l與粘度m之間有以下簡單關(guān)系,,（單原子氣體）,（多原子氣體）,——式中R為通用氣體常

11、數(shù)，J/(kmol·K)；M為相對分子質(zhì)量，kg/kmol；cp為定壓比熱，J/(kg·K)；m的單位為Pa·s。,在相當(dāng)大的壓力范圍內(nèi)，氣體的導(dǎo)熱系數(shù)隨壓力的變化較小，可以忽略不計(jì)。只有在壓力極高（>200MPa）或極低（<2700Pa）的情況下，才須考慮壓力的影響，此時(shí)氣體的導(dǎo)熱系數(shù)隨壓力增加而增大。,17,4.2.3 熱傳導(dǎo)微分方程及其定解條件,,物體內(nèi)微元體的熱量衡算,1.直角坐標(biāo)系三

12、維物體導(dǎo)熱微分方程式,,18,4.2.3 熱傳導(dǎo)微分方程及其定解條件,(1)導(dǎo)熱系數(shù)為常數(shù)時(shí),,(2)導(dǎo)熱系數(shù)為常數(shù)且物體內(nèi)無內(nèi)熱源,,(3)常物性，穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo),,泊桑（Poisson）方程,19,4.2.3 熱傳導(dǎo)微分方程及其定解條件,(4)常物性，無內(nèi)熱源，穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo),,2.柱坐標(biāo)三維物體導(dǎo)熱微分方程式,,3.球坐標(biāo)三維物體導(dǎo)熱微分方程式,,,(4-1) 拉普拉斯（Laplace）方程,,(4-1a),20,4.2.3 熱傳導(dǎo)微分方

13、程及其定解條件,在物體邊界上，傳熱邊界條件可分為以下三類,(1)已知物體邊界壁面的溫度，稱為第一類邊界條件,t>0,,(2)已知物體邊界壁面的熱通量值，稱為第二類邊界條件,t>0,,物體邊界處絕熱 t>0,,21,4.2.3 熱傳導(dǎo)微分方程及其定解條件,(3)已知物體壁面處的對流傳熱條件，稱為第三類邊 界條件,物體被加熱 t>0,,,物體被冷卻 t>0,,,——式中a和tf都可以是時(shí)間的函數(shù)，此時(shí)物體

14、壁面的溫度是待求解的物理量。,22,4.2.4 穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo),1.通過平壁的熱傳導(dǎo),圖P175,熱傳導(dǎo)微分方程式（4-1）可得 :,,x=0時(shí),邊界條件為,x=b時(shí),,,對(4-2)連續(xù)積分兩次，得其通解為,（4-3）,,,積分常數(shù)由二個(gè)邊界條件確定 ,故有,——溫度分布為線性函數(shù),（4-2）,23,4.2.4 穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo),將式（4-3）代入傅立葉定律，得到熱通量的表達(dá)式,,對于導(dǎo)熱面積為A的平壁，熱傳導(dǎo)的速率為,,,可改寫為,,稱為熱阻

15、,Q是熱傳導(dǎo)過程中所傳遞的熱流量，它與過程的推動力Dt成正比，而與傳遞過程的阻力R成反比，熱阻越大，熱流量越小，傳熱速率越低。,24,4.2.4 穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo),在多層壁的熱傳導(dǎo)中,,圖P176,各層分界接觸面上的溫度可以利用式（4-4）依次計(jì)算出。,,,或,（4-4）,即,,,對n層平壁，有：,25,4.2.4 穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo),使用(4－4)式的幾個(gè)假設(shè)： 1. 平壁A大，b?。?2. 材料均勻，?=const； 3. 溫度僅沿 x 變

16、化，且不隨 時(shí)間變化； 4. 各層接觸良好，且接觸面 兩側(cè)溫度相同； 5. 熱量損失可以忽略。,26,4.2.4 穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo),2.通過圓筒壁的熱傳導(dǎo),圖P177,圓筒壁上的熱傳導(dǎo)滿足圓柱坐標(biāo)系下的熱傳導(dǎo)微分方程式（4-1a）,經(jīng)過簡化，得到,邊界條件為,r=r1時(shí),r=r2時(shí),對(4-5)連續(xù)積分兩次，得其通解為,（4-5）,,27,4.2.4 穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo),式中的積分常數(shù)由邊界條件確定?？傻脠A筒壁內(nèi)的溫度分布為,

17、,將式（4-6）代入傅立葉定律，即可求得通過圓筒壁的熱通量,——溫度分布為對數(shù)函數(shù)形式,（4-6）,,,,為熱阻,（4-7）,28,4.2.4 穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo),式（4-7）還可改寫為,,式中， ，為圓筒壁的厚度； ，為平均傳熱面積，其中 ，稱為對數(shù)平均半徑。,對于n層圓筒壁,,圖P178,29,4.2.4 穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo),例4-1 為了減少熱損失和保證安全工作條件，在外徑為159mm的蒸汽管道

18、上包覆保溫層。蒸汽管道外壁的溫度為300℃。保溫材料為水泥珍珠巖制品，水泥珍珠巖制品的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的變化關(guān)系為。要求包覆保溫層后外壁的溫度不超過50℃，并要求將每米長度上的熱損失控制在300W/m，則保溫層的厚度為多少？,30,4.2.4 穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo),3.通過球殼壁的熱傳導(dǎo),,在球殼壁內(nèi)的溫度分布、熱流量和熱傳導(dǎo)熱阻的計(jì)算式分別為,對于多層球殼壁熱傳導(dǎo)問題可仿多層圓筒壁的計(jì)算方法寫出。,31,4.2.5 非穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo),由于物體內(nèi)溫度場

19、隨時(shí)間變化，物體內(nèi)的熱流量也隨時(shí)間發(fā)生變化，因此非穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)問題比穩(wěn)態(tài)問題的計(jì)算復(fù)雜。,（1）集總參數(shù)法的簡化分析,（2）半無限大物體的非穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo),（3）有限厚度平板的非穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo),32,4.2.6 熱傳導(dǎo)問題的數(shù)值解法,1.有限差分法的一般步驟與基本概念,①有限差分方法的應(yīng)用一般可以分為五個(gè)步驟進(jìn)行，即,（1）建立物理問題的控制方程及定解條件；,（2）控制區(qū)域的離散化；,（3）建立離散節(jié)點(diǎn)上物理量的代數(shù)方程；,（4）求解代數(shù)方程組；

20、,（5）計(jì)算結(jié)果的分析。,33,4.2.6 熱傳導(dǎo)問題的數(shù)值解法,圖P186,如圖所示的矩形物體的熱傳導(dǎo)問題，屬于無內(nèi)熱源、常物性的二維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)，其控制方程可采用拉普拉斯方程描述：,,34,4.2.6 熱傳導(dǎo)問題的數(shù)值解法,在直角坐標(biāo)系中，用一系列與坐標(biāo)軸平行的網(wǎng)格線將求解區(qū)域劃分為許多子區(qū)域，以網(wǎng)格線的交點(diǎn)作為確定待求溫度值的空間位置，稱為節(jié)點(diǎn)（或結(jié)點(diǎn)）。,處于物體內(nèi)部的節(jié)點(diǎn)稱為內(nèi)節(jié)點(diǎn)，而網(wǎng)格線與物體邊界線的交點(diǎn)，稱為邊界節(jié)點(diǎn)。相鄰

21、兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的距離稱為步長，分別以Dx、Dy表示。在兩個(gè)坐標(biāo)方向上的步長可以等值，稱為均分網(wǎng)格；也可以取不同的值，稱為非均分網(wǎng)格。,每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以看作以它為中心的一個(gè)小區(qū)域的代表，圖中陰影部分所包括的區(qū)域即是節(jié)點(diǎn)（m，n）所代表的區(qū)域，它由相鄰兩節(jié)點(diǎn)連線的中垂線構(gòu)成。我們將這個(gè)節(jié)點(diǎn)所代表的小區(qū)域稱為元體（或控制容積）。,②一些基本概念,35,4.2.6 熱傳導(dǎo)問題的數(shù)值解法,2.內(nèi)節(jié)點(diǎn)離散方程建立,建立內(nèi)節(jié)點(diǎn)離散方程的方法有泰勒級數(shù)展

22、開法和熱平衡法兩種，控制容積熱平衡法是對節(jié)點(diǎn)所屬控制容積進(jìn)行能量平衡，利用傅立葉定律得到離散方程的方法。,,,,當(dāng) ，上式簡化為,,圖P187,36,4.2.6 熱傳導(dǎo)問題的數(shù)值解法,3.邊界條件的處理與方程的求解,（1）平直邊界上的節(jié)點(diǎn),,當(dāng) ，上式簡化為,,圖P188,（4－8a）,(4－8b),37,4.2.6 熱傳導(dǎo)問題的數(shù)值解法,（2）外部角點(diǎn),,當(dāng) ，上式簡化為,（3）內(nèi)部角點(diǎn),,當(dāng)

23、 ，上式簡化為,,（4－9b）,（4－9a）,（4－10a）,（4－10b）,38,4.2.6 熱傳導(dǎo)問題的數(shù)值解法,qw的三種形式,①絕熱邊界條件,對于式（4-8）～（4-10）中令qw等于零即可,②給定邊界上的qw,將給定常數(shù)qw的代入方程式（4-9）～（4-10）中即可,③對流傳熱邊界,39,4.2.6 熱傳導(dǎo)問題的數(shù)值解法,平直邊界,外部角點(diǎn),內(nèi)部角點(diǎn),,,40,4.2.6 熱傳導(dǎo)問題的數(shù)值解法,代數(shù)方程組的求解方法,

24、直接解法,迭代法,如矩陣求逆、高斯消去法等，其缺點(diǎn)是計(jì)算中需要的內(nèi)存量較大，當(dāng)代數(shù)方程組龐大時(shí)，計(jì)算不便。,常用的迭代法有高斯-賽德爾迭代法、牛頓-拉夫森迭代法等。迭代法的一般步驟是：先假定代數(shù)方程的初始解，在迭代計(jì)算中不斷地改進(jìn)初始解，直到計(jì)算前的假定值與計(jì)算后的結(jié)果相差小于允許值為止，此時(shí)稱迭代計(jì)算收斂。,41,4.3 對流傳熱,4.3.1 對流傳熱概述4.3.2 層流流動對流傳熱的近似分析解法4.3.3 因次分析法在對流傳熱中

25、的應(yīng)用4.3.4 管內(nèi)強(qiáng)制對流傳熱4.3.5 管外強(qiáng)制對流傳熱4.3.6 自然對流傳熱,42,4.3.1 對流傳熱概述,同溫度的流體各部分之間，或流體與固體壁面之間作整體相對位移時(shí)所發(fā)生的熱量傳遞過程，稱為對流傳熱。對流傳熱過程的傳熱速率可以用牛頓冷卻公式計(jì)算，即,,,或,,常見對流傳熱的分類方法如右圖所示：,43,4.3.1 對流傳熱概述,影響對流傳熱的因素,①流體的集態(tài)變化,②引起流動的原因,③流體的流動型態(tài),④流體的物理性質(zhì)

26、,⑤傳熱面的幾何因素,單相流動,有相變的流動,強(qiáng)制對流,自然對流,層流,湍流,比熱、導(dǎo)熱系數(shù)、密度和粘度等,傳熱表面的形狀、大小、流體與傳熱面作相對運(yùn)動的位置和方向以及傳熱面的表面狀況,,,,,,44,4.3.1 對流傳熱概述,表4-1 對流傳熱系數(shù)數(shù)值的范圍,下表給出了幾種對流傳熱條件下，對流傳熱系數(shù)的大致范圍,45,4.3.1 對流傳熱概述,研究對流傳熱的主要目的是要揭示對流傳熱的各種影響因素及其內(nèi)在聯(lián)系，以及確定對流傳熱系數(shù)a的具

27、體計(jì)算式。目前，獲得對流傳熱系數(shù)的表達(dá)式的方法有以下四種：,①分析法,②實(shí)驗(yàn)法,③類比法,④數(shù)值法,對流傳熱問題的偏微分方程及其定解條件進(jìn)行數(shù)學(xué)求解，?速度場和溫度場?對流傳熱系數(shù)和傳熱速率的分析解。,采用實(shí)驗(yàn)法獲得對流傳熱系數(shù)的計(jì)算式應(yīng)當(dāng)在相似原理或因次分析法的指導(dǎo)下進(jìn)行 。,類比法是通過研究動量傳遞與熱量傳遞的類似性，以建立對流傳熱系數(shù)與流動的阻力系數(shù)之間相互關(guān)系的方法。,將對流傳熱的偏微分控制方程用離散方程替代， ?用代數(shù)方法進(jìn)行

28、求解?對流傳熱系數(shù)和傳熱速率。,46,4.3.2 層流流動對流傳熱的近似分析解法,流體流過平板時(shí)的對流傳熱也可以分為兩個(gè)區(qū)域：熱邊界層區(qū)和主流區(qū)。在主流區(qū)，流體的溫度變化率接近于零，不發(fā)生熱量傳遞，故熱量傳遞主要集中在熱邊界層內(nèi)。,圖P194,圖4-16表示出溫度邊界層與速度邊界層的示意圖。,47,4.3.2 層流流動對流傳熱的近似分析解法,應(yīng)用邊界層積分方程求解對流傳熱問題的基本思想：,（1）不要求守恒定律對邊界層內(nèi)的每一個(gè)微元體都成

29、立，而只是對包括固體邊界及邊界層外緣在內(nèi)的有限大小的控制容積建立能量衡算的表達(dá)式，即邊界層的積分方程。,（2）對邊界層中速度分布和溫度分布的函數(shù)形式作出假設(shè)，在這些函數(shù)形式中包含有速度邊界層厚度、熱邊界層厚度和一些待定常數(shù)。,（3）利用壁面和邊界層外緣處的傳熱邊界條件確定這些待定常數(shù)，解出溫度邊界層厚度的表達(dá)式，進(jìn)而確定邊界層內(nèi)的溫度分布。,（4）根據(jù)溫度分布的表達(dá)式計(jì)算壁面處的溫度梯度，利用傅立葉定律計(jì)算熱傳遞速率。一般將計(jì)算結(jié)果整理

30、成對流傳熱系數(shù)的形式。,48,4.3.2 層流流動對流傳熱的近似分析解法,,對控制容積A-B-C-D-A進(jìn)行熱量衡算，通過AB，CD,BC和DA面進(jìn)入控制容積的傳熱速率分別為,,,,,在穩(wěn)態(tài)條件下，對控制容積作熱量衡算，即,,49,4.3.2 層流流動對流傳熱的近似分析解法,將上述各個(gè)分量的表達(dá)式代入上式，經(jīng)整理和化簡后，得,,——邊界層的積分能量方程,上式適用于層流或湍流，但僅適用于流體粘性和流速均不是很高的場合。,50,4.3.3

31、因次分析法在對流傳熱中的應(yīng)用,對流傳熱系數(shù)可以表示為,,對流傳熱系數(shù)a可以用一個(gè)簡單的指數(shù)函數(shù)表示,,,式中：流體的流速u、傳熱設(shè)備的特征長度L、流體的粘度m、導(dǎo)熱系數(shù)l、密度r、比熱cp和浮升力gbDt等。,,,無因次準(zhǔn)數(shù)的函數(shù)形式,51,4.3.3 因次分析法在對流傳熱中的應(yīng)用,1.努塞爾準(zhǔn)數(shù)（Nusselt）， Nu :,2.雷諾準(zhǔn)數(shù)（Reynold）， Re :,,,,,準(zhǔn)數(shù)的定義與物理意義,對流傳熱與厚度為L的流體層內(nèi)的熱傳導(dǎo)

32、之比。努塞爾數(shù)越大，對流傳熱的傳熱強(qiáng)度也越大。它反映了固體壁面處的無因次溫度梯度的大小。,慣性力與粘性力之比。雷諾數(shù)小，表示流體的粘性力起控制作用，抑制流層的擾動，隨著雷諾數(shù)的增大，流體中流體微團(tuán)的擾動加劇，壁面處的溫度梯度增大，對流傳熱系數(shù)增大。,52,4.3.3 因次分析法在對流傳熱中的應(yīng)用,3.普朗特準(zhǔn)數(shù)（Prandtl）， Pr :,4.格拉曉夫準(zhǔn)數(shù)（Grashof）， Gr :,動量擴(kuò)散與熱量擴(kuò)散之比。它表征了流體的動量

33、傳遞能力與熱量傳遞能力的相對強(qiáng)弱。普朗特?cái)?shù)越小，流體的傳熱能力越強(qiáng)；反之，則流體的傳熱能力越差。,浮升力與粘性力之比 。它反映了由于流體中溫度差引起密度差所導(dǎo)致的浮升力對對流傳熱的影響。它在自然對流中的作用與強(qiáng)制對流中雷諾數(shù)的作用相當(dāng)。,53,4.3.3 因次分析法在對流傳熱中的應(yīng)用,對于不同的傳熱情況，準(zhǔn)數(shù)方程還可以簡化：,對于湍流強(qiáng)制對流傳熱，自然對流的影響可以忽略，準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式變?yōu)?,對于自然對流傳熱，可以忽略慣性力的影響而將準(zhǔn)則

34、方程寫為,,對于層流和過渡流區(qū)的強(qiáng)制對流傳熱，浮升力的影響不能忽略，準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式仍表示為式,54,4.3.4 管內(nèi)強(qiáng)制對流傳熱,1.流體在圓形直管內(nèi)作湍流時(shí)的對流傳熱系數(shù),由于流體呈湍流時(shí)有利于傳熱，故工業(yè)上一般使對流傳熱過程在湍流條件下進(jìn)行。,,,或,★適用范圍：Re>104；0.7<Pr<120；?<2mPa·s(低粘度)；l/d≥60,定性溫度取 ，特征尺

35、寸為管內(nèi)徑di 流體被加熱時(shí)，n＝0.4；被冷卻時(shí)，n＝0.3。,① 對于低粘度流體：,55,4.3.4 管內(nèi)強(qiáng)制對流傳熱,? u?,??u0.8? ? ? d?, ??1/d0.2 ? ? ? 流體物性的影響，選?、ρ較大或μ較小的流體? ? ?,強(qiáng)化對流傳熱的措施：,② 對高粘度流體?的修正式：,適用范圍： Re>104,0.7<Pr<160,l/d≥60;定性溫度取 tm，特征尺寸為di，

36、 μW取壁溫下的粘度。,56,4.3.4 管內(nèi)強(qiáng)制對流傳熱,③對于短管（管長與管徑之比 ）內(nèi)的強(qiáng)制對流傳熱計(jì)算對流傳熱系數(shù)時(shí)應(yīng)進(jìn)行入口效應(yīng)的修正，即,,,57,4.3.4 管內(nèi)強(qiáng)制對流傳熱,2.流體在圓形直管內(nèi)呈過渡流時(shí)的對流傳熱系數(shù) （2300<Re<104 ）,,對流傳熱系數(shù)可先用湍流時(shí)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式計(jì)算，然后將計(jì)算所得到的對流傳熱系數(shù)再乘以小于1的修正系數(shù)，即,還可以采用格尼林斯基公式計(jì)算，該式既適用于

37、過渡流狀態(tài)也適用于湍流狀態(tài),,58,4.3.4 管內(nèi)強(qiáng)制對流傳熱,,,,,,對于液體,對于氣體,式中,式中以流體平均溫度作為定性溫度，下標(biāo)w表示以壁面溫度為定性溫度，T的單位為K。關(guān)聯(lián)式的應(yīng)用范圍為：Re=2300～106，Pr=0.6～105。注意，格尼林斯基公式中已包含了入口效應(yīng)的修正系數(shù)，在應(yīng)用于短管的計(jì)算時(shí)不需要再乘入口修正系數(shù)。,59,4.3.4 管內(nèi)強(qiáng)制對流傳熱,特點(diǎn)： ① 物性(特別是粘度)受管內(nèi)溫度不均勻

38、性的影響，導(dǎo)致速度分布受熱流方向影響； ② 因受熱而產(chǎn)生的自然對流對層流的?影響大，使得對流傳熱系數(shù)提高； ③ 層流要求的進(jìn)口段長度長，實(shí)際進(jìn)口段長度小時(shí)，對流傳熱系數(shù)提高。,熱流方向?qū)恿魉俣确植嫉挠绊?3.流體在圓形直管內(nèi)作層流時(shí)的對流傳熱系數(shù),,關(guān)聯(lián)式：,60,4.3.4 管內(nèi)強(qiáng)制對流傳熱,定性溫度均取流體的平均溫度，特征長度為管內(nèi)徑d。上式的適用范圍為：,,,,,61,4.3.4 管內(nèi)強(qiáng)制對流傳熱

39、,4.流體在圓形彎管內(nèi)的流動,可先按圓形直管的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式計(jì)算對流傳熱系數(shù)a，然后再乘以大于1的修正系數(shù)，即可得在彎管中的對流傳熱系數(shù)a'，即,,62,4.3.4 管內(nèi)強(qiáng)制對流傳熱,5.流體在非圓形管內(nèi)的流動,① 當(dāng)量直徑法,② 直接實(shí)驗(yàn)法,例如對套管環(huán)隙：水-空氣系統(tǒng),水-空氣系統(tǒng)的套管環(huán)隙；12000<Re<220000；d2/d1=1.65~17 其中 d1為內(nèi)管外徑，d2為外管內(nèi)徑，de=d2-d1為套管環(huán)隙中

40、流通截面的當(dāng)量直徑 。,用de代替圓管內(nèi)徑di計(jì)算，但u求解時(shí)不用de直接計(jì)算，而要用實(shí)際的流通面積計(jì)算。,適用范圍：,,63,4.3.5 管外強(qiáng)制對流傳熱,1.流體橫向流過管束,流體在橫向流過管束時(shí)，每一排管上的平均對流傳熱系數(shù)可用以下關(guān)聯(lián)式計(jì)算,,對整個(gè)管束：,適用范圍：,定性溫度：,特征尺寸：管的外徑do,64,4.3.5 管外強(qiáng)制對流傳熱,在整個(gè)管束上的平均對流傳熱系數(shù)可由下式計(jì)算,,i=1，…，n,式中ai為第i排管子的平均對

41、流傳熱系數(shù)，Ai為第i排管子的總傳熱面積。,65,4.3.5 管外強(qiáng)制對流傳熱,2.流體在管殼間的對流傳熱,對于裝有弓形折流擋板的列管式換熱器，可以采用以下關(guān)聯(lián)式計(jì)算管殼間的對流傳熱系數(shù),,定性溫度：,特征尺寸：當(dāng)量直徑de,適用范圍Re=2×103～106,66,4.3.5 管外強(qiáng)制對流傳熱,正方形排列：,正三角形排列：,特征速度按流體通過管束間的最大流通截面積A,,——s為兩相鄰折流擋板之間的距離，D為換熱器殼體的內(nèi)徑。

42、,67,4.3.6 自然對流傳熱,由于流體內(nèi)部存在溫度差導(dǎo)致流體中質(zhì)量力分布不均勻所引起的流動，稱為自然對流。自然對流傳熱可分為大空間自然對流傳熱和有限空間自然對流傳熱兩類。,自然對流的對流傳熱系數(shù)僅與Gr數(shù)和Pr數(shù)有關(guān),,,或,定性溫度：特征尺寸：垂直的管或板為高度，水平管為管外徑,適用范圍：,注意： c、n與傳熱面的形狀（管或板）、傳熱面的放置位置（垂直、水平）有關(guān)， 式中Δt = tw-t。,68,4.4 冷凝與沸騰傳熱,4.

43、4.1 冷凝傳熱 4.4.2 影響冷凝傳熱的因素和冷凝傳熱的強(qiáng)化 4.4.3 沸騰傳熱過程 4.4.4 影響沸騰傳熱的因素及強(qiáng)化途徑,69,4.4.1 冷凝傳熱,蒸汽與低于飽和溫度的壁面接觸時(shí)有兩種不同的冷凝形式。如下圖所示。,膜狀冷凝,珠狀冷凝,70,4.4.1 冷凝傳熱,1.純蒸汽在豎壁上進(jìn)行膜狀冷凝時(shí)的對流傳熱系數(shù),湍流(Re>1800)時(shí)：,層流(Re<1800)時(shí) ：,,,特征尺寸L：管或板高H；定性

44、溫度：膜溫,適用范圍：,71,4.4.1 冷凝傳熱,2.水平單管和管束外的冷凝傳熱,,,適用范圍：,,式中：n——水平管束在垂直列上的管子數(shù)； r——汽化潛熱（ts下），kJ/kg。,特征尺寸l：水平管外徑do,定性溫度：膜溫,72,4.4.2 影響冷凝傳熱的因素和冷凝傳熱的強(qiáng)化,,① 流體物性：冷凝液?? 、??、??? ?? ；潛熱r? → ?? ② 溫差：液膜層流流動時(shí)，?t=ts－tW?，??,

45、?? ③ 不凝氣體：不凝氣體的存在會導(dǎo)致???（1%不凝氣可使??60%），所以應(yīng)該定期排放,④ 蒸汽流速與流向(u>10m/s)： 蒸汽與液膜同向時(shí)u????,??；反向時(shí)u????,??；u??時(shí) ??(無論方向)。因此蒸汽進(jìn)口一般設(shè)在換熱器上部，以避免蒸 汽與液膜逆向流動使??。,⑤ 蒸汽過熱：包括冷卻和冷凝兩個(gè)過程。,⑥ 冷凝面的形狀和位置：以減少冷凝液膜的厚度并??作為目的。垂直板或管

46、：可開縱向溝槽；水平管束：可采用錯列,73,4.4.3 沸騰傳熱過程,液體與高溫壁面接觸被加熱汽化并產(chǎn)生氣泡的過程稱為沸騰傳熱。,大容積沸騰：加熱面沉浸在無宏觀流速的液體表面下所產(chǎn)生的沸騰 強(qiáng)制對流沸騰 ：液體以一定流速在加熱管管內(nèi)（或其他形狀截面通道內(nèi)）流動時(shí)的沸騰,沸騰分類,,1.大容器沸騰傳熱機(jī)理,液體內(nèi)部不斷地產(chǎn)生汽泡是沸騰過程最主要的特征。,汽化核心?生成汽泡?長大?脫離壁面?新汽泡形成?攪動液層,74,4.4.3 沸騰傳

47、熱過程,沸騰曲線,①自然對流階段(Ⅰ區(qū))② 核狀沸騰階段(Ⅱ區(qū))③ 不穩(wěn)定膜狀沸騰(Ⅲ區(qū)左)④ 穩(wěn)定膜狀沸騰(Ⅲ區(qū)右),將由核狀沸騰→膜狀沸騰的轉(zhuǎn)變點(diǎn)稱為臨界點(diǎn)或燒毀點(diǎn)。,75,4.4.3 沸騰傳熱過程,2.大容器沸騰的傳熱關(guān)系式,①大容器飽和核態(tài)沸騰,羅森諾提出以下實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式用于計(jì)算沸騰熱流通量q或壁面上沸騰溫差Dt：,,,式中 為沸騰溫差，℃；q為熱流通量，W/m2；cpl為飽和液體的定壓比熱，J/（kg．K）；P

48、rl為飽和液體的普朗特?cái)?shù)；rl、rv分別為飽和液體和飽和氣體的密度，kg/m3；r為飽和溫度下的汽化潛熱，J/kg；s為液體-蒸汽界面上的表面張力，N/m；n為液相普朗特?cái)?shù)的指數(shù)；Cwl為取決于加熱表面與液體組合情況的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。僅適用于單組分飽和液體在清潔表面上的核態(tài)沸騰 。,76,4.4.3 沸騰傳熱過程,②大容器沸騰的臨界熱通量,沸騰傳熱臨界熱通量的經(jīng)驗(yàn)方程可以表示為,,77,4.4.4 影響沸騰傳熱的因素及強(qiáng)化途徑,強(qiáng)化措施：加表

49、面活性劑（乙醇、丙酮等）,③ 操作壓強(qiáng)：,① 液體的性質(zhì)：,② 溫差：,在核狀沸騰階段溫差提高，??,④ 加熱面：,新的、潔凈的、粗糙的加熱面，?大； 強(qiáng)化措施：將表面腐蝕，燒結(jié)金屬粒。,對于水在105~4×106Pa下，有：,78,4.5 輻射傳熱,4.5.1 熱輻射的基本概念4.5.2 輻射基本定律4.5.3 固體間的輻射傳熱4.5.4 氣體的熱輻射4.5.5對流與輻射的復(fù)合傳熱,79,4.5.

50、1 熱輻射的基本概念,1. 輻射：物體通過電磁波來傳遞能量的過程。,2. 熱輻射：物體由于熱的原因以電磁波的形式向外發(fā)射能量的過程。,1. 輻射與熱輻射,電磁波的波長范圍極廣，但是在工業(yè)中所遇到的溫度范圍內(nèi)，能夠被物體吸收而轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿妮椛渲饕羌t外線（0.76～100?m）和可見光(0.38～0.76 ?m)兩部分 。紅外線和可見光統(tǒng)稱為熱射線 。,特點(diǎn)： 能量傳遞的同時(shí)還伴隨著能量形式的轉(zhuǎn)換； 不需要任何介質(zhì)，可在真空中傳播。,

51、80,4.5.1 熱輻射的基本概念,如圖4-35所示，熱輻射的能量投射到物體表面時(shí)，在入射的總輻射能量Q中，有Qa的能量被吸收，Qr的能量被反射，其余Qt的能量穿透了物體。根據(jù)能量守恒定律，得,,圖4-35 輻射能的吸收、反射和穿透,,,或,,,吸收率,反射率,穿透率,令,則,2.熱輻射對物體的作用,81,4.5.1 熱輻射的基本概念,3.輻射體的分類,①若a=1，則表示投射到物體表面上的輻射能可以全部被物體所吸收。這種物體稱為絕對黑體

52、，或簡稱黑體。均勻溫度封閉空腔上小孔的輻射特性接近于黑體。,②若r=1，則表示投射到物體表面上的輻射能可以全部被物體所反射出去。這種物體稱為絕對白體或鏡體。,③若t=1，則表示投射到物體表面上的輻射能可以全部穿透物體。這種物體稱為絕對透明體，或透熱體。,,④ 能以相同吸收率吸收所有波長的輻射能的物體。是一種理想化的物體，屬于不透體，稱為灰體。 t=0,82,4.5.2 輻射基本定律,1.輻射能力與斯蒂芬—波爾茨曼定律,

53、① 輻射能力E：指物體在一定溫度下，單位表面積在單位時(shí)間內(nèi)所發(fā)射的全部輻射能（波長從0到?），以E表示，W/m2。,② 物體的黑度?：指同溫度下物體與黑體輻射能力之比。,因同一溫度下，實(shí)際物體的輻射能力恒小于同溫度下黑體的輻射能力，故ε(<1)是物體輻射能力接近黑體輻射能力的程度。,ε與物體種類、表面溫度、表面狀況、波長有關(guān)，是物體的一種性質(zhì)，只與物體本身狀況有關(guān)，與外界因素?zé)o關(guān)。,③ 黑度?的影響因素：,83,4.5.2 輻

54、射基本定律,④斯蒂芬—波爾茨曼定律,式中 ?0──黑體輻射常數(shù)，=5.67× 10-8W/(m2 .K4)； C0──黑體輻射系數(shù)，=5.67W/(m2 .K4),由于多數(shù)工程材料在波長范圍內(nèi)的吸收率隨波長變化不大，可把這些物體視為灰體。其輻射能力為：,式中C——灰體的輻射系數(shù)， C=5.669?W/(m2.K4),84,4.5.2 輻射基本定律,2.克?；舴蚨?,圖4-36 平行平

55、壁間的輻射傳熱,T1=T2,,,,對任意物體：,則,兩個(gè)壁面溫度相等時(shí) ：,——克?；舴蚨?克?；舴蚨杀砻?，物體的吸收率越大，其發(fā)射能力也越強(qiáng)，也就是說善于吸收的物體必然善于發(fā)射。因而，在所有物體中，黑體的輻射能力最強(qiáng)。,,85,4.5.3 固體間的輻射傳熱,1.角系數(shù),角系數(shù)表示物體i的表面輻射總能量落到另一物體j上的份額，即,,——它與物體的形狀、大小、相互位置以及兩物體之間的距離等幾何因素有關(guān)，因而又稱為幾何因子。,86,4.

56、5.3 固體間的輻射傳熱,,理論上可以證明，對于任意兩物體壁面之間的輻射，如圖4-38所示，其角系數(shù)可以表示為,,圖4-38 任意兩個(gè)表面間輻射的幾何關(guān)系,,,——式中 和 為輻射射線與壁面微元法線之間的夾角；和為兩任意物體壁面的面積；r為兩壁面微元面積之間的距離。,87,4.5.3 固體間的輻射傳熱,2.角系數(shù)的性質(zhì),角系數(shù)的相對性,,角系數(shù)的完整性,,角系數(shù)的可加性,88,4.5.3 固體間的輻射傳熱,3.灰體間的輻射傳熱,任意

57、兩個(gè)壁面A1和A2作相互輻射傳熱時(shí)，壁面A1與壁面A2的凈輻射傳熱量Q12可以表示為,,——式中J1、J2分別表示壁面A1與壁面A2的有效輻射,,由角系數(shù)的相對性，可得：,,定義 為壁面輻射的空間熱阻?？臻g熱阻僅與角系數(shù)和壁面的表面積有關(guān)。,89,4.5.3 固體間的輻射傳熱,對于輻射傳熱計(jì)算，可以采用與電路中電流計(jì)算相類似的方法來計(jì)算輻射傳熱量。這種將輻射熱阻類比為等效電阻從而通過等效網(wǎng)絡(luò)圖來求解輻射傳熱的方法，稱為輻射

58、傳熱的網(wǎng)絡(luò)法。,輻射傳熱的網(wǎng)絡(luò)法,如兩個(gè)灰體表面間的輻射傳熱,,,,由兩個(gè)灰體表面組成的封閉腔,輻射傳熱等效網(wǎng)絡(luò),90,4.5.4 氣體的熱輻射,與固體間輻射傳熱相比，氣體的熱輻射具有以下兩個(gè)主要特點(diǎn)：,1．氣體的輻射和吸收對波長具有強(qiáng)烈的選擇性,氣體只能輻射或吸收某些波長范圍內(nèi)的輻射能，通常把這種有輻射或吸收能力的波長范圍稱為光帶。,如：,由于氣體輻射對波長具有選擇性的特點(diǎn)，氣體不是灰體！,91,4.5.4 氣體的熱輻射,2．氣體的輻

59、射和吸收是在整個(gè)容積內(nèi)進(jìn)行,固體或液體的輻射都是在物體的表面上進(jìn)行，而氣體的輻射和吸收是在整個(gè)容積內(nèi)進(jìn)行。氣體的輻射和吸收與氣體層的形狀和容積大小有關(guān)。,雖然氣體的輻射能力不遵從四次方定律，但在工程上，為了計(jì)算方便，氣體的輻射能力仍寫成四次方定律的形式,,平均射線行程的概念,——將計(jì)算誤差歸結(jié)到氣體的黑度中進(jìn)行修正,92,4.5.5對流與輻射的復(fù)合傳熱,由對流傳熱而散失的熱量為,,由輻射而散失的熱量為,,為了計(jì)算方便，常將輻射傳熱的傳熱