1、第二章第二章 傳傳 熱熱 Heat Transfer第一節(jié)第一節(jié) 概述概述一、傳熱一、傳熱 即熱的傳遞，是自然界和工程技術(shù)領(lǐng)域中即熱的傳遞，是自然界和工程技術(shù)領(lǐng)域中極普遍的一種傳遞過程，由熱力學(xué)第二定律知：凡極普遍的一種傳遞過程，由熱力學(xué)第二定律知：凡是有溫度差存在的地方就會有熱的傳遞，故在能源、是有溫度差存在的地方就會有熱的傳遞，故在能源、化工、冶金、機械等工業(yè)部門都涉及到傳熱的問題?；?、冶金、機械等工業(yè)部門都涉及到傳熱的問題。二、化工中的傳熱二、化工中的傳熱（1化學(xué)反應(yīng)在一定的溫度下進行，為了達到并保持化學(xué)反應(yīng)在一定的溫度下進行，為了達到并保持一定的溫度，就需向反應(yīng)器輸入和輸出熱量。一定

2、的溫度，就需向反應(yīng)器輸入和輸出熱量。（2在蒸發(fā)、蒸餾、干燥等單元操作中，也要輸入和在蒸發(fā)、蒸餾、干燥等單元操作中，也要輸入和輸出熱量。輸出熱量。（3化工設(shè)備的保溫、熱能的合理利用以及廢物的回化工設(shè)備的保溫、熱能的合理利用以及廢物的回收等。收等。三、兩種傳熱情況三、兩種傳熱情況（1強化傳熱，如各種換熱設(shè)備中的傳熱。強化傳熱，如各種換熱設(shè)備中的傳熱。（2削弱傳熱，對設(shè)備和管道的保溫，以減少熱損失。削弱傳熱，對設(shè)備和管道的保溫，以減少熱損失。四四 傳熱的三種基本方法傳熱的三種基本方法 熱的傳遞是由于熱的傳遞是由于T引起的，凈的熱流方向總是由引起的，凈的熱流方向總是由T高高T低，根據(jù)傳熱的機理不同，有

3、三種形式：傳導(dǎo)、對流、低，根據(jù)傳熱的機理不同，有三種形式：傳導(dǎo)、對流、輻射。輻射。一、熱傳導(dǎo)又稱導(dǎo)熱）一、熱傳導(dǎo)又稱導(dǎo)熱） 若物體上的兩部分間連續(xù)存在著溫度差，則熱將從若物體上的兩部分間連續(xù)存在著溫度差，則熱將從高溫部分自動流向低溫部分，直至整個物體的各部分高溫部分自動流向低溫部分，直至整個物體的各部分溫度相等為止，此種傳熱方式稱為熱傳導(dǎo)，又稱導(dǎo)熱。溫度相等為止，此種傳熱方式稱為熱傳導(dǎo)，又稱導(dǎo)熱。固體中熱的傳遞是典型的熱傳導(dǎo)。固體中熱的傳遞是典型的熱傳導(dǎo)。1、在金屬固體中，起因于自由電子的運動。、在金屬固體中，起因于自由電子的運動。2、在不良導(dǎo)體的固體和部分液體中，起因于個別電子的、在不良導(dǎo)體

4、的固體和部分液體中，起因于個別電子的動量傳遞。動量傳遞。3、在氣體中，熱傳導(dǎo)是由分子不規(guī)則運動而引起的。、在氣體中，熱傳導(dǎo)是由分子不規(guī)則運動而引起的。注意：在熱傳導(dǎo)時，物體內(nèi)的分子或質(zhì)點不發(fā)生宏觀運注意：在熱傳導(dǎo)時，物體內(nèi)的分子或質(zhì)點不發(fā)生宏觀運動。動。二、對流傳熱二、對流傳熱 對流傳熱是指流體中質(zhì)點發(fā)生相對位對流傳熱是指流體中質(zhì)點發(fā)生相對位移而引起的熱交換過程，因而對流只能移而引起的熱交換過程，因而對流只能發(fā)生在流體中。在化工生產(chǎn)中，流體流發(fā)生在流體中。在化工生產(chǎn)中，流體流過固體表面時，熱能由流體傳到固體壁過固體表面時，熱能由流體傳到固體壁面?；蛴晒腆w壁面?zhèn)鞯街車黧w，這一面?；蛴晒腆w壁面?zhèn)?/p>

5、到周圍流體，這一過程稱為對流傳熱。過程稱為對流傳熱。1、強制對流傳熱：用機械能使流體發(fā)生、強制對流傳熱：用機械能使流體發(fā)生對流而傳熱。對流而傳熱。2、自然對流傳熱：若流體原來是靜止的，、自然對流傳熱：若流體原來是靜止的，因受熱而有密度的局部變化，導(dǎo)致對流因受熱而有密度的局部變化，導(dǎo)致對流而傳熱的。而傳熱的。三、輻射三、輻射 因熱的原因而產(chǎn)生的電磁波在空間的傳遞稱為熱因熱的原因而產(chǎn)生的電磁波在空間的傳遞稱為熱輻射。物體固體、液體和氣體都能將熱能以電磁波輻射。物體固體、液體和氣體都能將熱能以電磁波形式發(fā)射出去，而不需任何介質(zhì)。形式發(fā)射出去，而不需任何介質(zhì)。1、熱輻射不僅產(chǎn)生能量的傳遞，而且伴隨著能

6、量的轉(zhuǎn)換。、熱輻射不僅產(chǎn)生能量的傳遞，而且伴隨著能量的轉(zhuǎn)換。高溫物體輻射向低溫物體高溫物體輻射向低溫物體2、輻射傳熱是物體間相互輻射和吸收能量的結(jié)果。、輻射傳熱是物體間相互輻射和吸收能量的結(jié)果。3、任何物體只要在絕對零度以上都能發(fā)生輻射能，但是、任何物體只要在絕對零度以上都能發(fā)生輻射能，但是只有物體的溫度差別較大時，輻射傳熱才成為最主要的只有物體的溫度差別較大時，輻射傳熱才成為最主要的傳熱方式。傳熱方式。高溫物體高溫物體輻射能輻射能低溫物體低溫物體幾點說明：幾點說明： 上述三種傳熱方式，常常不是單獨出現(xiàn)的，傳熱過上述三種傳熱方式，常常不是單獨出現(xiàn)的，傳熱過程往往是兩種或三種基本傳熱方式的組合。

7、程往往是兩種或三種基本傳熱方式的組合。例如：生產(chǎn)中常遇到熱量從熱流體通過間壁多為管例如：生產(chǎn)中常遇到熱量從熱流體通過間壁多為管壁向冷流體傳遞的過程，稱為熱交換過程，它包壁向冷流體傳遞的過程，稱為熱交換過程，它包括通過間壁的熱傳導(dǎo)和間壁兩側(cè)的對流傳熱。括通過間壁的熱傳導(dǎo)和間壁兩側(cè)的對流傳熱。傳熱的基本物理量傳熱的基本物理量 1 熱量Q,單位J,1J=1Nm 2 傳熱速率,也稱熱流量,指單位時間傳遞的熱量. =Q/,單位w,1w=1Js-1 工程中常用傳熱速率單位是kcalh-1 換算:1cal=4.187J,1kcal=4187J 1w=1J/1s=(1/4187)/(1/3600)=0.860

8、 kcalh-1 3 熱流密度,指單位時間單位面積傳遞的熱量, q= /A=Q/A 4 比定壓熱容cp是指壓力恒定時單位質(zhì)量物質(zhì)溫度升高1度所需熱量,單位Jk-1kg-1,定壓摩爾熱容cp,m,單位Jk-1mol-1顯熱和潛熱mcpt在工程上稱為顯熱,當(dāng)物質(zhì)釋放出顯熱時,物質(zhì)溫度顯著降低.單位質(zhì)量物質(zhì)在發(fā)生相變時伴隨的熱量變化稱為潛熱,其值取決于物質(zhì)的本性,包括物質(zhì)的氣化熱,凝結(jié)熱,升華熱,溶(熔)解熱,結(jié)晶熱,稀釋熱等,其單位均為Jkg-1.摩爾相變熱的單位Jmol-1第二節(jié)第二節(jié) 傳導(dǎo)傳熱傳導(dǎo)傳熱 溫度場中同一時刻下相同溫度各點所組成的面稱為等溫面。因為空溫度場中同一時刻下相同溫度各點所組

9、成的面稱為等溫面。因為空間任一點不能同時有兩個不同的溫度，所以溫度不同的等溫面不會相間任一點不能同時有兩個不同的溫度，所以溫度不同的等溫面不會相交。交。 等溫面無熱量傳遞等溫面無熱量傳遞, 而沿與等溫面相交的任何方向移動，溫度都發(fā)而沿與等溫面相交的任何方向移動，溫度都發(fā)生變化，即有熱量傳遞。這種溫度隨距離的變化率以沿等溫面垂直的生變化，即有熱量傳遞。這種溫度隨距離的變化率以沿等溫面垂直的方向最大。方向最大。 兩等溫面間的溫度差兩等溫面間的溫度差t與其間的垂直距離與其間的垂直距離n之比在之比在n趨于零時的極限，趨于零時的極限，稱為溫度梯度，即：稱為溫度梯度，即： 溫度梯度是矢量，既有大小，又有方

10、向正法線方向，即指向溫度增加的溫度梯度是矢量，既有大小，又有方向正法線方向，即指向溫度增加的方向）方向） 三、傅立葉定律三、傅立葉定律 Fouriers Law 物體內(nèi)熱流的產(chǎn)生是由于存在溫度梯度的結(jié)果，且熱流的方向永遠與溫物體內(nèi)熱流的產(chǎn)生是由于存在溫度梯度的結(jié)果，且熱流的方向永遠與溫度降低的方向一致，即與溫度梯度方向相反。度降低的方向一致，即與溫度梯度方向相反。1822年，法國數(shù)學(xué)家年，法國數(shù)學(xué)家Fourier對導(dǎo)熱數(shù)據(jù)和實踐經(jīng)驗的提煉，將導(dǎo)熱規(guī)律總結(jié)對導(dǎo)熱數(shù)據(jù)和實踐經(jīng)驗的提煉，將導(dǎo)熱規(guī)律總結(jié)為傅立葉定律。即通過等溫面的導(dǎo)熱速率與溫度梯度及傳熱面積成正比為傅立葉定律。即通過等溫面的導(dǎo)熱速率與

11、溫度梯度及傳熱面積成正比 。傅立葉定律對定態(tài)傳熱和非定態(tài)傳熱都適用傅立葉定律對定態(tài)傳熱和非定態(tài)傳熱都適用.溫度梯度相反。負號表示傳熱的方向與度增加的正方向。量，其方向是沿溫度梯溫度梯度，它是個矢；系數(shù)比例系數(shù)，稱為導(dǎo)熱截面積。；即垂直于熱流方向的導(dǎo)熱面積，；傳熱速率，式中：或或tKmWmAWtdAdtdAdQtdAQd1122.4 導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù) 由傅立葉定律可知：由傅立葉定律可知： 在數(shù)值上等于單位溫度梯度下，單位導(dǎo)熱面積上在數(shù)值上等于單位溫度梯度下，單位導(dǎo)熱面積上的導(dǎo)熱速率的導(dǎo)熱速率,單位單位wm-1k-1。它表征物質(zhì)導(dǎo)熱能力的。它表征物質(zhì)導(dǎo)熱能力的大小，是物質(zhì)的物理性質(zhì)之一，大小，是物

12、質(zhì)的物理性質(zhì)之一，通常用實驗測定。通常用實驗測定。金屬的金屬的值最大值最大,非金屬次之非金屬次之,液體的液體的較小，氣體的較小，氣體的最小，最小，常見的常見的值可從手冊中查得。值可從手冊中查得。tdAd一、固體的導(dǎo)熱系數(shù)一、固體的導(dǎo)熱系數(shù) 固體的導(dǎo)熱系數(shù)大多與溫度有關(guān)，對于大多數(shù)均質(zhì)固體，固體的導(dǎo)熱系數(shù)大多與溫度有關(guān)，對于大多數(shù)均質(zhì)固體，其其值與溫度大致呈線性關(guān)系值與溫度大致呈線性關(guān)系: 0 (1t), 0為為0時固體的時固體的導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù). 同種金屬材料在不同溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)可在化工手冊中查同種金屬材料在不同溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)可在化工手冊中查到，當(dāng)溫度變化范圍不大時，一般采用該溫度范圍內(nèi)的

13、平均值。到，當(dāng)溫度變化范圍不大時，一般采用該溫度范圍內(nèi)的平均值。 二、液體的導(dǎo)熱系數(shù)二、液體的導(dǎo)熱系數(shù) 液態(tài)金屬的導(dǎo)熱系數(shù)比一般液體要高，而且大多數(shù)液態(tài)金液態(tài)金屬的導(dǎo)熱系數(shù)比一般液體要高，而且大多數(shù)液態(tài)金屬的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的升高而減小。在非金屬液體中，水的導(dǎo)熱屬的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的升高而減小。在非金屬液體中，水的導(dǎo)熱系數(shù)最大。除水和甘油外，絕大多數(shù)液體的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的升系數(shù)最大。除水和甘油外，絕大多數(shù)液體的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的升高而略有減小。一般說來純液體的導(dǎo)熱系數(shù)比其溶液的要大。高而略有減小。一般說來純液體的導(dǎo)熱系數(shù)比其溶液的要大。 三、氣體的導(dǎo)熱系數(shù)三、氣體的導(dǎo)熱系數(shù) 氣體的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的升

14、高而增大。在相當(dāng)大壓強范圍內(nèi)，氣體的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的升高而增大。在相當(dāng)大壓強范圍內(nèi)，氣體的導(dǎo)熱系數(shù)與壓強幾乎無關(guān)。由于氣體的導(dǎo)熱系數(shù)太小，因氣體的導(dǎo)熱系數(shù)與壓強幾乎無關(guān)。由于氣體的導(dǎo)熱系數(shù)太小，因而不利于導(dǎo)熱，但有利于保溫和絕熱。工業(yè)上的保溫材料，例如而不利于導(dǎo)熱，但有利于保溫和絕熱。工業(yè)上的保溫材料，例如玻璃棉等，就是因為其空隙中有氣體，所以導(dǎo)熱系數(shù)低，適用于玻璃棉等，就是因為其空隙中有氣體，所以導(dǎo)熱系數(shù)低，適用于保溫隔熱。保溫隔熱。 2.5 平面壁的定態(tài)熱傳導(dǎo)平面壁的定態(tài)熱傳導(dǎo) 導(dǎo)熱在穩(wěn)定的溫度場中進行導(dǎo)熱在穩(wěn)定的溫度場中進行,則物體內(nèi)各點溫度則物體內(nèi)各點溫度t只只是位置的函數(shù)是位置的函數(shù)

15、,不隨時間而變不隨時間而變.對材料均勻的平壁對材料均勻的平壁,經(jīng)過任意一個微元經(jīng)過任意一個微元dA,單位時間傳遞的熱量為單位時間傳遞的熱量為d, 則則d / dA為定值，記為為定值，記為 / A，于是傅立葉定，于是傅立葉定律為：律為： 在本節(jié)里，我們將討論傅立葉定律在單層平壁在本節(jié)里，我們將討論傅立葉定律在單層平壁和多層平壁中的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)。和多層平壁中的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)。tA一、單層平壁的穩(wěn)定熱傳一、單層平壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)導(dǎo)1、數(shù)學(xué)模型的三個假設(shè)、數(shù)學(xué)模型的三個假設(shè)（1導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù)為定值為定值（2無限平壁無限平壁 平壁面積與厚度之比很大，故平壁面積與厚度之比很大，故從平壁邊緣處的熱損可以忽略。從平

16、壁邊緣處的熱損可以忽略。（3一維穩(wěn)定導(dǎo)熱一維穩(wěn)定導(dǎo)熱 平壁的溫度變化僅沿垂直平壁的溫度變化僅沿垂直壁面的壁面的x方向變化。于是等溫面是垂直于方向變化。于是等溫面是垂直于x軸的軸的平面。平面。 即：即：dxdtt2、推導(dǎo)、推導(dǎo))()()(/,;,021212102121ttAAttttAdtdxAAttxttxdtdxAdtdxAdxdtAtt為定值，則有：及因為：定積分需確定邊界條件，分離變量并積分：傅立葉定律可轉(zhuǎn)化為：3、討論、討論,;1;,;,)()()1(2121bbAtttttA過程阻力過程推動力過程傳遞的速率：傳遞過程的普遍關(guān)系為故可歸納到自然界中，的形式是完全類似的，相比較，可以看

17、出它們介紹的歐姆定律與普通物理中的電學(xué)所即為推動力。（）為溫度差，導(dǎo)熱熱阻，RUIKtWKRRtAbtt/ )(,)/()2(21二、多層平壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)二、多層平壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo) 在許多化工過程中，遇到的是多層平壁的熱傳導(dǎo)問題，如在許多化工過程中，遇到的是多層平壁的熱傳導(dǎo)問題，如爐壁由三層組成：耐火磚、保溫磚、建筑磚，如下圖所示。爐壁由三層組成：耐火磚、保溫磚、建筑磚，如下圖所示。1、數(shù)學(xué)模型的四個假設(shè)、數(shù)學(xué)模型的四個假設(shè)（1）、（）、（2）、（）、（3與單層平壁的假設(shè)相同。與單層平壁的假設(shè)相同。（4相接觸的兩表面溫度相同層與層接觸良相接觸的兩表面溫度相同層與層接觸良好好t1t2t3t42、推

18、導(dǎo)、推導(dǎo)在穩(wěn)定導(dǎo)熱中，通過各層的導(dǎo)熱速率是否相等：在穩(wěn)定導(dǎo)熱中，通過各層的導(dǎo)熱速率是否相等： =1=2= 3？還是？還是=1+2+3？niiinniinnnAttRttRtRRRtttnRRRttAAAttAAAtttQAttAttAttAttAttAtt11111121213214133221141332211321334322321121334332232211211.)/()/()/()/()/()/()/()/()/()/(,)/(,)/(即：層平壁：推至根據(jù)等比定理有：3、結(jié)論與討論、結(jié)論與討論（1多層平壁導(dǎo)熱是一種串聯(lián)的傳熱過程，串聯(lián)傳熱的推動力多層平壁導(dǎo)熱是一種串聯(lián)的傳熱過程，串

19、聯(lián)傳熱的推動力總溫度差為各分過程的溫差之和，總熱阻為各分過程的熱阻總溫度差為各分過程的溫差之和，總熱阻為各分過程的熱阻之和之和 串聯(lián)熱阻疊加原則，它和物理學(xué)中串聯(lián)電阻的歐姆定律串聯(lián)熱阻疊加原則，它和物理學(xué)中串聯(lián)電阻的歐姆定律相似。穩(wěn)定的串聯(lián)傳熱過程的溫差與熱阻成正比，當(dāng)總溫差一定相似。穩(wěn)定的串聯(lián)傳熱過程的溫差與熱阻成正比，當(dāng)總溫差一定時，傳熱速率取決于總熱阻。時，傳熱速率取決于總熱阻。（2圖示法圖示法,),(,),(;, 0 ,:/)(321212133421112231112111211122111xxAttxxAttxxAttAttAttttA則有56 圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)

20、 圓筒壁與平壁的熱傳圓筒壁與平壁的熱傳導(dǎo)的不同處在于圓筒壁的導(dǎo)的不同處在于圓筒壁的傳熱面積不是常量，隨半傳熱面積不是常量，隨半徑而變，同時溫度也隨半徑而變，同時溫度也隨半徑而變。徑而變。 如右圖所示，設(shè)圓筒的內(nèi)如右圖所示，設(shè)圓筒的內(nèi)半徑為半徑為r1，外半徑為，外半徑為r2，長度為長度為L，圓筒內(nèi)，外壁面，圓筒內(nèi)，外壁面的溫度分別為的溫度分別為t1和和t2，且，且t1 t2 。推導(dǎo)推導(dǎo) 現(xiàn)討論在半徑為現(xiàn)討論在半徑為r r，厚度為，厚度為drdr的薄壁圓筒，其傳熱面積可視為常量，薄的薄壁圓筒，其傳熱面積可視為常量，薄壁圓筒溫差為壁圓筒溫差為dtdt，則沿半徑方向的導(dǎo)熱速率，則沿半徑方向的導(dǎo)熱速率d

21、rdtrldrdtA2)/ln(/)(2)(/2lnln/2:,;,0:/2/21221211221221121rrttlttlrrdtlrdrlttrttrdtlrdxdtlrdrttrr則有為定值及因為定積分需確定邊界條件，分離變量并積分：mmrlttrrrrrrrrrttrrrrlrrrrttrrlrrttl)2/()(,)/ln()()()()/ln()(2)/ln()()(2)/ln()(22112121212211212121221121221則有：圓筒壁的厚度對數(shù)平均直徑，令3、討論、討論（1在化工中經(jīng)常用到對數(shù)平均值，假設(shè)在化工中經(jīng)常用到對數(shù)平均值，假設(shè) 當(dāng)當(dāng) ，可用算術(shù)平均半

22、徑，可用算術(shù)平均半徑 代替對數(shù)平均半徑代替對數(shù)平均半徑,兩者相差小于兩者相差小于4%。（2與分析多層平壁導(dǎo)熱類似，應(yīng)用串聯(lián)與分析多層平壁導(dǎo)熱類似，應(yīng)用串聯(lián)熱阻疊加的概念同樣可以分析通過多層圓熱阻疊加的概念同樣可以分析通過多層圓筒壁的熱傳導(dǎo)。筒壁的熱傳導(dǎo)。 對于三層圓筒壁，如右圖示，假定層與對于三層圓筒壁，如右圖示，假定層與層之間接觸良好，各層的導(dǎo)熱系數(shù)分別為層之間接觸良好，各層的導(dǎo)熱系數(shù)分別為1 、2 、3均為常數(shù)，根據(jù)串聯(lián)的熱阻均為常數(shù)，根據(jù)串聯(lián)的熱阻疊加、推動力疊加原理，通過三層圓筒壁疊加、推動力疊加原理，通過三層圓筒壁熱傳導(dǎo)的熱流量為：熱傳導(dǎo)的熱流量為： 同理，對第二層，可以得到： 23

23、2321212123232ln12ln12ln12rrttLrrttLQrrttLQ利用數(shù)學(xué)中的合比定律得 推廣到n層圓筒的傳熱速率公式為 2321213221ln1ln122rrrrttlttlninnnninnrrttl1111ln12（3穩(wěn)定傳熱時，穩(wěn)定傳熱時， 為定值，為定值，q是否為定值？是否為定值？ 顯然，通過各層的顯然，通過各層的相同，但相同，但332211332211222,qrqrqrlqrlqrlqrAq圓筒壁導(dǎo)熱計算舉例 【例2-1】 在一603.5mm的鋼管外包有兩層絕熱材料,里層為40mm的氧化鎂粉,平均導(dǎo)熱系數(shù)=0.07W. m-1K-1,外層為20mm的石棉層,其

24、平均導(dǎo)熱系數(shù)=0.15 W. m-1K-1 .現(xiàn)用熱電偶測得管內(nèi)壁的溫度為500,最外層表面溫度為80,管壁的導(dǎo)熱系數(shù)=45 W. m-1K-1 .試求每米管長的熱損失及保溫層界面的溫度.(類似P109:例4-3)CttrrrrttqtbmWqmrmrrmrrrrrrrttqa13203.007.0ln07.010265.003.0ln451)500(14.32191ln1ln12)(/19107.009.0ln15.0103.007.0ln07.010265.003.0ln451)80500(14.3209.002.007.007.004.003.003.00035.00265.00265.

25、03053.0ln1ln1ln12)(33232121311314321343232121411解得：保溫層界面溫度，此處，每米管長的熱損失解：第三節(jié) 對流傳熱 我們坐在教室里，手臉都不感覺得冷，如果開啟電扇，扇起風(fēng)來，就感覺冷了，這是為什么？因為空氣流速加大，空氣將人體表面的熱量帶走的速率加大，人體內(nèi)部熱量補充不上，所以感覺冷。一杯熱牛奶，用均勻攪拌比不攪拌要涼得快，邊攪拌邊吹風(fēng)，則涼得更快。前者利用牛奶對流，后者再加上空氣對流。對流給熱的定義是，通過流體內(nèi)分子的定向流動和混合而導(dǎo)致熱量的傳遞。 對流給熱的機理 如圖2-9所示。固體壁面溫度為tw高溫端），流體湍流主體的溫度為t。在固體壁面存

26、在層流層，然后是過渡層，再是湍流層。在層流層，熱量靠熱傳導(dǎo)的方式傳遞，在過渡層和湍流層，熱量靠分子的流動和混合來傳遞。直接按熱傳導(dǎo)的方式處理，顯然不行，因為湍流層不能按導(dǎo)熱處理。于是人們嘗試，虛擬一個傳熱邊界層，使得層流、過渡流、湍流的全部傳熱阻力集中在內(nèi)。于是可以按平壁導(dǎo)熱處理得：Attw由于上式中的傳熱邊界層是難以測定的，所以仍無法進行計算。于是令則上式為：即為牛頓冷卻定律的數(shù)學(xué)表達式。就是：固體對流體的給熱傳熱速率,與壁面積成正比，與壁面和流體間的溫度差成正比比例系數(shù)，亦稱傳熱膜系數(shù)，其單位是: tttAw122KmWKmttAw傳熱膜系數(shù)計算 與許多因素有關(guān)，所以不是物質(zhì)特有性質(zhì)(與不

27、同).的求取十分復(fù)雜，目前主要通過因次分析法，在大量實驗的基礎(chǔ)上，得到一些經(jīng)驗的應(yīng)用范圍受限制的準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式。 例如圓管內(nèi)湍流給熱系數(shù)用Dittus公式： 低粘度流體： 當(dāng)流體被加熱時，n=0.4，流體被冷卻時，n=0.3 ndPrRe023. 08 . 0 高粘度流體： 式中，若流體為氣體，那么 若流體被加熱，那么 若流體被冷卻，那么 14. 033. 08 . 0027. 0wpCdu0 . 114. 0w05. 114. 0w95. 014. 0w值的大致范圍一般情況下，值的大致范圍如下：空氣自然對流，525 ；空氣強制對流，30300 ；水蒸汽冷凝，10008000 ；水沸騰，15003

28、0000 ； 12KmW12KmW12KmW12KmWproblem P142: Exercises no.3,no.4第四節(jié)第四節(jié) 總傳熱方程總傳熱方程確切的講是導(dǎo)熱與給熱的聯(lián)合傳熱速率方程。我們以簡單的并流套管式換熱器為例，導(dǎo)出綜合傳熱速率方程。 在此種間壁式換熱器中，熱量傳遞要經(jīng)歷下列三個階段：熱流體對管內(nèi)壁對流給熱；管壁面間的導(dǎo)熱；管外壁對冷流體的對流給熱。單一的導(dǎo)熱定律與對流給熱定律，無法解決這個問題。另外，冷、熱流體的溫度差，沿軸向變化著，但對任一管截面，冷熱流體的溫度差不隨時間而變，所以仍然是穩(wěn)定傳熱過程，稱為穩(wěn)定的變溫傳熱。此時，熱推動力溫度差和傳熱系數(shù)如何表達呢？ 取內(nèi)管一微

29、元管段B，其傳熱過程如圖2-11所示。管段B傳熱面積為dAm2；此截面處熱、冷流體的溫度為T和tK；管壁溫度分別為tw1和tw2K；通過該微元段的傳熱速率為dJs-1；下面列出該微元管段的傳熱速率方程。管壁內(nèi)外的對流傳熱系數(shù)分別為1和2Wm-2K-1；管內(nèi)徑、外徑分別為d1、dm、d2m；管壁厚度為bm。 熱流體對內(nèi)管壁的對流給熱速率為：管壁面間的導(dǎo)熱速率為： 11111111dAtTtTdAdwwmwwdAbttd212管外壁對冷流體的給熱速率為：穩(wěn)定傳熱，即，根據(jù)比例定律中的合比定律得， 22231dAttdw 311121111111111122112212122121112211221

30、12211dAdAbdAdAtTdAddAdAbdAdAtTdAddAdAdAdAbtTdAddAdAbdAtTdAdAbdAtttttTdmmmmmmmwwww若為平壁，即 ，那么：K稱為總傳熱系數(shù)，它是表示導(dǎo)熱系數(shù)與給熱系數(shù)的綜合傳熱指標(biāo) .當(dāng)間壁為復(fù)合壁時,AAAAm21tKAbK21111tKAbK21111圓筒壁傳熱速率方程若為圓筒壁半徑的對數(shù)平均值或,ln/ )(11)(21ln11)(212122211221211rrrrrrrrtTlrrrrtTlmm傳熱平均溫度差 根據(jù)兩流體沿傳熱壁面流動時各點溫度的變化，可分為恒溫傳熱與變溫傳熱兩種情況 1、恒溫傳熱 若兩側(cè)流體皆為恒溫，此

31、時傳熱平均溫度差就顯得十分簡單，即為兩流體溫度之差: tm=T-t這種情況是很特殊的，它只是在間壁兩側(cè)的流體均發(fā)生相變的情況才出現(xiàn)。例如傳熱壁的一側(cè)飽和蒸汽冷凝另一側(cè)則是液體沸騰氣化，在化工中在蒸發(fā)和蒸餾中就會有這種恒溫傳熱的例子。 2、變溫傳熱 間壁兩側(cè)流體的溫度隨傳熱面位置而變，這種情況稱為變溫傳熱，這是熱交換中較為常見的情形。變溫傳熱時，兩流體的溫度差t也是沿傳熱壁面不斷變化的。因而，傳熱計算中應(yīng)使用平均溫度差tm， tm是指整個傳熱壁面的溫度差的平均值。 tm計算方法不僅與冷熱流體的進出口溫度有關(guān)，還與熱交換器中冷熱流體的相對流動方向有關(guān)。生產(chǎn)中常見的流體流向有四種類型，如圖3-16所

32、示。 （1并流 參與熱交換的兩流體流向相同，如圖3-16A)所示。（2逆流 參與熱交換的兩流體流向相反，如圖3-16B)所示。（3錯流 參與熱交換的兩流體流向相互垂直如圖3-16C)所示。（4折流 分簡單折流和復(fù)雜折流兩種情況。在熱交換器中，一種流體沿一個方向流動，另一種流體先以同向或反射流動，然后折回180度流動，也可以反復(fù)多次折回流動，這是簡單折流，如圖3-16D)所示。若兩流體均作折回流動，則稱復(fù)雜折流。在折流過程中，兩流體既并流，又逆流。 錯流和折流的情況比較復(fù)雜，本課程不予討論，僅討論并流和逆流傳熱平均溫度差的計算。 套管式熱交換器，內(nèi)管走冷流體，溫度由t1升至t2,套管環(huán)隙走熱流體

33、，與冷流體呈逆流，溫度由T1降至T2,圖3-172也是套管式熱交換器，不同的是冷熱流體呈并流流動。假設(shè)熱交換器沒有熱損失，則傳熱總系數(shù)K是一個常數(shù)。若將熱平衡方程寫成微分式得： d=-mcdT=mcdt 若以t=T-t代表某一截面上熱、冷流體之間的溫度差如圖3-18所示）.t=T-t由于d=KdAt,代入上式得 11)(cmcmtTdd 11)()(cmcmtTddAtTK 代入邊界條件，將上式積分得 2211)() 11(0tTtTAtTtTddAcmcmK2211ln) 11(tTtTAcmcmK d=-mcdT=mcdt 與總傳熱方程3-20比較，得： 稱為對數(shù)平均溫差, 和 分別為進口

34、溫差和出口溫差)()( 112211tTtTcmcmmtKAtTtTtTtTKA22112211ln)()(mt2t1t 在tm的計算中，取熱交換器兩端t數(shù)值較大的作為t1，較小的作為t2，可使計算較為簡便。當(dāng)t1 / t2 2時，用算術(shù)平均值 （ t1 + t2 ）/2 來計算 tm,所引起的誤差4%，這在工程計算中是允許的。 例 在套管式換熱器中，冷熱流體進行熱交換，熱流體溫度從120降到70，冷流體溫度由20升到60，試比較并流與逆流的傳熱平均溫度差。 解：并流傳熱時：t1=120-20=100120-70 t2=70-60=1020- 60 tm=(10010)/ln(100/10)=39.1 逆流傳熱時：120-70 t1=120-60=6060-20 t2=70-20=50 tm=(60-50)/ln(60/50)=54.9 計算結(jié)果表明，采用逆流換熱比并流換熱時的傳熱平均溫度差要大。故工廠在條件允許的情況下盡量采用逆流換熱。 第五節(jié) 強化傳熱的途徑 所謂強化傳熱的途徑，就是要想法提高傳熱速率Q。提高K，A，tm中的任何一個，都可以傳熱強化。), 2 , 1(mitAKQmii21211ln1tttttdddbdddKmiiim