1、1第四章 傳 熱 通過本章學習，掌握傳熱的基本原理和規(guī)律，并運用這些原理和規(guī)律去分析和計算傳熱過程的有關(guān)問題。學習目的與要求23454.1 傳熱過程概述第四章 傳 熱6傳熱熱量從高溫度區(qū)向低溫度區(qū)移動的過程稱為熱量傳遞，簡稱傳熱。 一是強化傳熱過程，如各種換熱設備中的傳熱。二是削弱傳熱過程，如對設備或管道的保溫，以減少熱損失?；どa(chǎn)中對傳熱過程的要求概述熱傳導（熱傳導（Heat Conduction） 是指一個物體各部分之間或各物體之間存在溫差且無相對宏觀是指一個物體各部分之間或各物體之間存在溫差且無相對宏觀 運動時發(fā)生的熱量傳遞現(xiàn)象。運動時發(fā)生的熱量傳遞現(xiàn)象。熱對流（熱對流（Heat Co

2、nvection） 熱對流指流體中溫度不同的各部分物質(zhì)在空間發(fā)生宏觀相對運熱對流指流體中溫度不同的各部分物質(zhì)在空間發(fā)生宏觀相對運 動引起的熱量傳遞現(xiàn)象。對流分為自然對流和強制對流兩類。動引起的熱量傳遞現(xiàn)象。對流分為自然對流和強制對流兩類。 熱對流通常不能以獨立的方式傳遞熱量，它必然伴隨著熱傳導。熱對流通常不能以獨立的方式傳遞熱量，它必然伴隨著熱傳導。熱輻射（熱輻射（Heat Radiation） 由于溫度原因，物質(zhì)微觀粒子由于溫度原因，物質(zhì)微觀粒子(原子原子)內(nèi)部的電子受激和振動時，內(nèi)部的電子受激和振動時， 產(chǎn)生交替變化的電場和磁場，所發(fā)出電磁波向空間傳播。產(chǎn)生交替變化的電場和磁場，所發(fā)出電磁

3、波向空間傳播。熱量傳遞的基本方式熱量傳遞的基本方式84.1 傳熱過程概述4.1.1熱傳導及導熱系數(shù)第四章 傳 熱9一、熱傳導(導熱)熱傳導(導熱) 不依靠物體內(nèi)部各部分質(zhì)點的宏觀混合運動而借助于物體分子、原子、離子、自由電子等微觀粒子的熱運動產(chǎn)生的熱量傳遞稱為熱傳導，簡稱導熱。 10dQtdSn 描述熱傳導現(xiàn)象的物理定律為傅立葉定律（Fouriers Law），其表達式為傅立葉定律（Fouriers Law）溫度梯度導熱系數(shù)微分導熱通量熱通量與溫度梯度方向相反一、熱傳導(導熱)11二、導熱系數(shù)導熱系數(shù)dQ dStn 導熱系數(shù)表征了物質(zhì)熱傳導能力的大小，是物質(zhì)的基本物理性質(zhì)之一，其值與物質(zhì)的形態(tài)

4、、組成、密度、溫度等有關(guān)。 12導熱系數(shù)W/(m.oC)0.0060.060.10.70.23.0154200.0030.06氣體液體非導電固體金屬絕熱材料二、導熱系數(shù) 氣體氣體 分子做不規(guī)則熱運動時相互碰撞的結(jié)果分子做不規(guī)則熱運動時相互碰撞的結(jié)果 固體固體 導電體：自由電子在晶格間的運動導電體：自由電子在晶格間的運動 非導電體：通過晶格結(jié)構(gòu)的振動實現(xiàn)非導電體：通過晶格結(jié)構(gòu)的振動實現(xiàn) 液體液體 機理復雜機理復雜特點：靜止介質(zhì)中的傳熱，沒有物質(zhì)的宏觀位移特點：靜止介質(zhì)中的傳熱，沒有物質(zhì)的宏觀位移二、導熱系數(shù)144.1 傳熱過程概述4.1.1 熱傳導及導熱系數(shù)第四章 傳 熱4.1.2 對流15 對

5、流是由流體內(nèi)部各部分質(zhì)點發(fā)生宏觀運動和混合而引起的熱量傳遞過程 對流對流傳熱 在化工生產(chǎn)中特指流體與固體壁面之間的熱量傳遞過程。 對流 自然對流：自然對流：由于流體內(nèi)溫度不同造成的浮升力由于流體內(nèi)溫度不同造成的浮升力 引起的流動。引起的流動。 強制對流：強制對流：流體受外力作用而引起的流動。流體受外力作用而引起的流動。特點：流動介質(zhì)中的傳熱，流體作宏觀運動特點：流動介質(zhì)中的傳熱，流體作宏觀運動對流17對流傳熱速率可由牛頓冷卻定律描述 dQtdS溫度差對流傳熱系數(shù)微分對流傳熱通量對流184.1 傳熱過程概述4.1.1 熱傳導及導熱系數(shù)4.1.2 對流第四章 傳 熱4.1.3 熱輻射19熱輻射 因

6、熱的原因而產(chǎn)生的電磁波在空間的傳遞稱為熱輻射。 熱輻射1.可以在完全真空的地方傳遞而無需任何介質(zhì)。 2.不僅產(chǎn)生能量的轉(zhuǎn)移，而且還伴隨著能量形式的轉(zhuǎn)換。 3.任何物體只要在絕對零度以上，都能發(fā)射輻射能，但僅當物體的溫度較高、物體間的溫度差較大時，輻射傳熱才能成為主要的傳熱方式。 204.1 傳熱過程概述4.1.1 熱傳導及導熱系數(shù)4.1.2 對流4.1.3 熱輻射第四章 傳 熱4.1.4 冷熱流體（接觸）通過間壁式換熱和間壁式換熱器21圖4-1 套管式換熱器1-內(nèi)管 2-外管冷熱流體（接觸）熱交換方式及換熱器T1T2t1t222圖4-2 單程管殼式換熱器1-外殼,2-管束,3、4-接管,5-封

7、頭,6-管板,7-擋板,8-泄水池 冷熱流體（接觸）熱交換方式及換熱器傳熱速率傳熱速率Q（熱流量）：單位時間內(nèi)通過換熱器的（熱流量）：單位時間內(nèi)通過換熱器的整個傳熱面?zhèn)鬟f的熱量，單位整個傳熱面?zhèn)鬟f的熱量，單位 J/s或或W。熱流密度熱流密度q （熱通量）（熱通量） ：單位時間內(nèi)通過單位傳：單位時間內(nèi)通過單位傳熱面積傳遞的熱量，單位熱面積傳遞的熱量，單位 J/(s. m2)或或W/m2。傳熱速率與熱流密度傳熱速率與熱流密度AQq 非穩(wěn)態(tài)傳熱非穩(wěn)態(tài)傳熱 ,zyxftqQ 穩(wěn)態(tài)與非穩(wěn)態(tài)與非穩(wěn)穩(wěn)態(tài)傳熱態(tài)傳熱 穩(wěn)態(tài)傳熱穩(wěn)態(tài)傳熱 zyxftqQ, 0 t25間壁式換熱器內(nèi)冷、熱流體間的傳熱過程包括以下三個

8、步驟：（1）熱流體以對流方式將熱量傳遞給管壁；（2）熱量以熱傳導方式由管壁的一側(cè)傳遞至另一側(cè)；（3）傳遞至另一側(cè)的熱量又以對流方式傳遞給冷流體。冷熱流體（接觸）熱交換方式及換熱器管壁內(nèi)側(cè)管壁內(nèi)側(cè)熱流體熱流體對流對流)(1)1(Q兩流體通過間壁的傳熱過程兩流體通過間壁的傳熱過程t2t1T1T2對流對流對流對流 傳導傳導冷冷流流體體Q熱熱流流體體管壁外側(cè)管壁外側(cè)管壁內(nèi)側(cè)管壁內(nèi)側(cè)熱傳導熱傳導)(2)2(Q冷冷流流體體管管壁壁外外側(cè)側(cè)對對流流)(3)3(Q穩(wěn)態(tài)傳熱：穩(wěn)態(tài)傳熱：QQQQ 321式中式中 tm兩流體的平均溫度差，兩流體的平均溫度差，或或K； A傳熱面積，傳熱面積，m2； K總傳熱系數(shù)，總傳

9、熱系數(shù)，W/(m2)或或W/(m2K)?？偪偀釤嶙枳杩偪倐鱾鳠釤嵬仆苿觿恿α?KAttKAQ/1mm總傳熱速率方程總傳熱速率方程28第四章 傳 熱4.2 熱傳導4.2.1 傅里葉定律傅立葉定律傅立葉定律溫度場：某時刻，物體或空間各點的溫度分布。溫度場：某時刻，物體或空間各點的溫度分布。 （一）溫度場和等溫面（一）溫度場和等溫面非穩(wěn)態(tài)溫度場非穩(wěn)態(tài)溫度場 ,zyxft 穩(wěn)態(tài)溫度場穩(wěn)態(tài)溫度場 zyxft,等溫面：在同一時刻，溫度場中所有溫度相同的點等溫面：在同一時刻，溫度場中所有溫度相同的點 組成的面。組成的面。 不同溫度的等溫面不相交不同溫度的等溫面不相交。（二）溫度梯度（二）溫度梯度 ntntt

10、gradn 0limn n xt+ ttxnt Q 方向：法線方向，以溫度增加的方向為正。方向：法線方向，以溫度增加的方向為正。傅立葉定律傅立葉定律（三）傅立葉定律（三）傅立葉定律ntAQ dd 式中式中 dQ 熱傳導速率，熱傳導速率，W或或J/s； dA 導熱面積，導熱面積，m2； t/ n 溫度梯度，溫度梯度，/m或或K/m； 導熱系數(shù)，導熱系數(shù)，W/(m)或或W/(mK)。 負號表示傳熱方向與溫度梯度方向相反負號表示傳熱方向與溫度梯度方向相反熱導率熱導率 ntqntdAdQ / 在數(shù)值上等于單位溫度梯度下的熱通量在數(shù)值上等于單位溫度梯度下的熱通量 = f(結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu), 組成組成, 密度密度

11、, 溫度溫度, 壓力）壓力） 金屬固體金屬固體 非金屬固體非金屬固體 液體液體 氣體氣體 表征材料導熱性能的物性參數(shù)表征材料導熱性能的物性參數(shù)1.1.固體熱導率固體熱導率 金屬材料金屬材料 10102 W/(mK) 建筑材料建筑材料 10-110 W/(mK) 絕熱材料絕熱材料 10-210-1 W/(mK)1(0at 在一定溫度范圍內(nèi)：在一定溫度范圍內(nèi)：對大多數(shù)金屬材料對大多數(shù)金屬材料a 0 ， t 2.2.液體熱導率液體熱導率 金屬液體金屬液體 較高，非金屬液體較高，非金屬液體 低；低； 非金屬液體水的非金屬液體水的 最大；最大； 水和甘油：水和甘油：t ， 其它液體：其它液體：t ，0.

12、090.6 W/(mK)3.3.氣體熱導率氣體熱導率 t ， 一般情況下，一般情況下， 隨隨p的變化可忽略；的變化可忽略； 氣體不利于導熱，有利于保溫或隔熱。氣體不利于導熱，有利于保溫或隔熱。0.0060.4 W/(mK)36第四章 傳 熱4.2 熱傳導4.2.1 傅里葉定律4.2.2 平壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導37一、單層平壁一維穩(wěn)態(tài)熱傳導假設：1.導熱系數(shù)不隨溫度變化，或可取平均值；2.一維穩(wěn)態(tài)3.忽略熱損失。 圖4-3 單層平壁熱傳導38對平壁一維穩(wěn)態(tài)熱傳導 dtQSdx 積分并整理得12()SQttb微分式 積分式 一、單層平壁一維穩(wěn)態(tài)熱傳導3912tttQbRS12ttQtqbSR熱傳導推動力熱傳導速率熱傳導熱阻導熱熱阻一、單層平壁一維穩(wěn)態(tài)熱傳導40二、多層平壁的一維穩(wěn)態(tài)熱傳導圖4-4 三層平壁熱傳導假設：1.導熱系數(shù)不隨溫度變化，或可取