第五章

傳熱第一節(jié)傳熱概述第二節(jié)熱傳導(dǎo)第三節(jié)對(duì)流傳熱第四節(jié)熱交換第五節(jié)輻射傳熱2022/11/30第五章

傳熱第一節(jié)傳熱概述2022/11/301第一節(jié)

傳熱概述一、傳熱的基本方式二、穩(wěn)態(tài)傳熱和非穩(wěn)態(tài)傳熱三、熱流量和熱阻四、熱交換2022/11/30第一節(jié)

傳熱概述一、傳熱的基本方式2022/11/302一、傳熱的三種基本方式熱傳導(dǎo)定義當(dāng)物體內(nèi)部或兩直接接觸的物體間存在溫度差時(shí)，溫度較高處的分子因振動(dòng)而與相鄰分子碰撞，將能量的一部分傳給對(duì)方，該種能量傳遞方式稱為熱傳導(dǎo)，或稱導(dǎo)熱。特點(diǎn)兩物質(zhì)之間必須直接接觸或存在媒介；在傳熱過程中，物質(zhì)間沒有空間位移。2022/11/30一、傳熱的三種基本方式熱傳導(dǎo)2022/11/30對(duì)流傳熱定義由流體質(zhì)點(diǎn)間發(fā)生相對(duì)位移而引起的熱量傳遞過程或者由流體微團(tuán)改變空間位置所引起的流體和固體壁面之間的熱量傳遞過程稱為對(duì)流傳熱。特點(diǎn)主要發(fā)生在流體內(nèi)部或固體和流體之間，在傳熱過程中，流體質(zhì)點(diǎn)或流體微團(tuán)發(fā)生空間位置改變。2022/11/30對(duì)流傳熱2022/11/30輻射傳熱定義依靠電磁波輻射實(shí)現(xiàn)熱冷物體之間熱量傳遞的過程稱為輻射傳熱。特點(diǎn)不僅是能量的傳遞，還伴隨著能量形式的轉(zhuǎn)化；是一種非接觸式傳熱，在真空中也能進(jìn)行。2022/11/30輻射傳熱2022/11/30二、穩(wěn)態(tài)傳熱和非穩(wěn)態(tài)傳熱穩(wěn)態(tài)傳熱在傳熱系統(tǒng)中，溫度分布不隨時(shí)間而改變的傳熱過程稱為穩(wěn)態(tài)傳熱。非穩(wěn)態(tài)傳熱在傳熱系統(tǒng)中，溫度分布隨時(shí)間而改變的傳熱過程稱為非穩(wěn)態(tài)傳熱。2022/11/30二、穩(wěn)態(tài)傳熱和非穩(wěn)態(tài)傳熱穩(wěn)態(tài)傳熱2022/11/30三、熱流量、熱流密度和熱阻熱流量熱流量為傳過一個(gè)熱流面的熱量與傳熱時(shí)間的比值，符號(hào)為Φ，單位為,用公式表示為：熱流密度熱流量Φ與傳熱面積之比，稱為熱流密度，又稱熱通量。用符號(hào)表示，單位為。2022/11/30三、熱流量、熱流密度和熱阻熱流量熱流密度2022/11/熱阻導(dǎo)熱過程的阻力稱為熱阻。熱阻為導(dǎo)熱體兩側(cè)溫差與熱流密度之比。單位為。2022/11/30熱阻2022/11/30四、熱交換兩個(gè)溫度不同的物體間進(jìn)行的傳熱過程稱為熱交換，也稱換熱。熱交換的結(jié)果是溫度高的物體的焓較小，溫度低的物體的焓增大。熱交換的基本原則是能量守恒原則，即熱交換所涉及的物質(zhì)的焓變的代數(shù)和為2022/11/30四、熱交換兩個(gè)溫度不同的物體間進(jìn)行的傳熱過程稱為熱交換，也稱第二節(jié)

熱傳導(dǎo)一、熱傳導(dǎo)相關(guān)概念二、傅立葉定律和熱導(dǎo)率三、通過平壁的穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱四、通過圓筒壁的穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱2022/11/30第二節(jié)

熱傳導(dǎo)一、熱傳導(dǎo)相關(guān)概念2022/11/3010一、熱傳導(dǎo)相關(guān)概念溫度場(chǎng)某一時(shí)刻空間各點(diǎn)的溫度分布，稱為溫度場(chǎng)。對(duì)于不穩(wěn)定溫度場(chǎng)對(duì)于穩(wěn)定溫度場(chǎng)2022/11/30一、熱傳導(dǎo)相關(guān)概念對(duì)于穩(wěn)定溫度場(chǎng)2022/11/30等溫線和等溫面在某一時(shí)刻，將溫度場(chǎng)中具有相同溫度的點(diǎn)連接起來所形成的線或面稱為等溫線或等溫面。2022/11/30等溫線和等溫面2022/11/30三、傅立葉定律和熱導(dǎo)率傅立葉定律在溫度場(chǎng)中，由于導(dǎo)熱所形成的某點(diǎn)的熱流密度正比于該時(shí)刻某一點(diǎn)的溫度梯度，表達(dá)式為熱導(dǎo)率上式中的λ稱為熱導(dǎo)率，單位(·)。它的物理意義為某物質(zhì)在單位溫度梯度時(shí)所通過的熱流密度。2022/11/30三、傅立葉定律和熱導(dǎo)率熱導(dǎo)率2022/11/30四、通過平壁的穩(wěn)定傳熱通過單層平壁的穩(wěn)定傳熱因是穩(wěn)定傳熱，是常量，分離變量后積分積分后()()熱阻對(duì)于面積為的平壁2022/11/30四、通過平壁的穩(wěn)定傳熱因是穩(wěn)定傳熱，是常量，分離變量后積分積通過多層平壁的穩(wěn)定傳熱因是穩(wěn)定傳熱，通過各層的熱流密度相等，則推論到層平壁，則應(yīng)用加比定律，則()()2022/11/30通過多層平壁的穩(wěn)定傳熱因是穩(wěn)定傳熱，通過各層的熱流密度相等若各層的面積為，則總熱阻為2022/11/30若各層的面積為，則總熱阻為2022/11/30例：冷庫壁由兩層組成：外層為紅磚，厚，導(dǎo)熱率為(·)；內(nèi)層為軟水，厚，導(dǎo)熱率為(·)。軟木層的防水絕緣層熱阻可忽略不計(jì)。紅磚和軟木層的外表面溫度分別為℃和℃。試計(jì)算通過冷庫壁的熱流密度及兩層接觸面處的溫度。2022/11/30例：冷庫壁由兩層組成：外層為紅磚，厚，2022/11/30解：令外墻高溫側(cè)溫度為，內(nèi)墻低溫側(cè)溫度為,兩墻接觸面溫度為，則（℃）2022/11/30解：令外墻高溫側(cè)溫度為，內(nèi)墻低溫側(cè)溫度為,兩墻接觸（℃）2四、通過圓筒壁的穩(wěn)定傳熱通過單層圓筒壁的穩(wěn)定傳熱取半徑處厚度為的薄圓柱層，則積分結(jié)果為()分離變量積分得2022/11/30四、通過圓筒壁的穩(wěn)定傳熱取半徑處厚度為的薄圓柱層，則積分結(jié)果熱阻為令，則于是2022/11/30熱阻為令，則于是2022/11/30再令2022/11/30再令2022/11/30四、通過圓筒壁的穩(wěn)定傳熱通過多層圓筒壁的穩(wěn)定傳熱穩(wěn)定傳熱時(shí)，通過各層的熱流量相等，則2022/11/30四、通過圓筒壁的穩(wěn)定傳熱穩(wěn)定傳熱時(shí)，通過各層的熱流量相等，則推論到層圓筒壁，有()令則()2022/11/30推論到層圓筒壁，有()令則()2022/11/30例：直徑為Φ×的鋼管用厚的軟木包扎，其外又用厚的保溫灰包扎，以作為絕熱層?，F(xiàn)測(cè)得鋼管外壁面溫度為℃，絕熱層外表溫度為℃。已知軟木和保溫灰的平均熱導(dǎo)率分別為和(·)，試求每米管長的冷量損失量。2022/11/30例：直徑為Φ×的鋼管用厚的軟木包扎，其外又用厚的保溫灰包扎，解：2022/11/30解：2022/11/30第五章

流體流動(dòng)一、牛頓冷卻定律二、對(duì)流傳熱基本原理三、無相變的對(duì)流傳熱四、有相變的對(duì)流傳熱第三節(jié)

對(duì)流傳熱2022/11/30第五章

流體流動(dòng)一、牛頓冷卻定律第三節(jié)

26牛頓冷卻定律一、牛頓冷卻定律與對(duì)流傳熱的基本原理為表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)或傳熱膜系數(shù)。單位空氣自然對(duì)流，的范圍為空氣強(qiáng)制對(duì)流，的范圍為水自然對(duì)流，的范圍為的范圍為水強(qiáng)制對(duì)流，2022/11/30牛頓冷卻定律一、牛頓冷卻定律與對(duì)流傳熱的基本原理為表面?zhèn)鲗?duì)流傳熱的機(jī)理2022/11/30對(duì)流傳熱的機(jī)理2022/11/30各因素對(duì)對(duì)流傳熱系數(shù)影響的方程式2022/11/30各因素對(duì)對(duì)流傳熱系數(shù)影響的方程式2022/11/30努賽爾數(shù)，表征特點(diǎn)表明的傳熱系數(shù)雷諾數(shù)，表征流動(dòng)狀態(tài)的影響格拉曉夫數(shù)，表征物性的影響普朗特?cái)?shù)，表征自然對(duì)流的影響2022/11/30努賽爾數(shù)，表征特點(diǎn)表明的傳熱系數(shù)雷諾數(shù)，表征流動(dòng)狀態(tài)的影響格二、無相變的對(duì)流傳熱自然對(duì)流傳熱2022/11/30二、無相變的對(duì)流傳熱自然對(duì)流傳熱2022/11/302022/11/302022/11/30強(qiáng)制對(duì)流傳熱管內(nèi)層流2022/11/30強(qiáng)制對(duì)流傳熱管內(nèi)層流2022/11/30管內(nèi)湍流式中各物性參數(shù)查取所依定型溫度與層流相同。2022/11/30管內(nèi)湍流式中各物性參數(shù)查取所依定型溫度與層流相同。2022例題：將粗碎的番茄通過管子從溫度℃加熱到℃。管子內(nèi)徑為，內(nèi)表面溫度保持℃。番茄流量為。已知物料物性參數(shù)為ρ；(·);μ·(℃);μ·(℃);λ(·)。試求番茄與管子內(nèi)表面之間的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。2022/11/30例題：2022/11/30流體的流動(dòng)類型屬于管內(nèi)流動(dòng)，首先判斷是層流還是湍流流動(dòng)類型按湍流處理2022/11/30流體的流動(dòng)類型屬于管內(nèi)流動(dòng)，首先判斷是層流還是湍流流動(dòng)類型按2022/11/302022/11/30管外對(duì)流()單管2022/11/30管外對(duì)流()單管2022/11/30流體垂直流過單管的平均對(duì)流傳熱的特征數(shù)方程為：2022/11/30流體垂直流過單管的平均對(duì)流傳熱的特征數(shù)方程為：2022/11()管束2022/11/30()管束2022/11/302022/11/302022/11/302022/11/302022/11/30三、有相變的對(duì)流傳熱沸騰傳熱對(duì)于水的沸騰，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)可由下式計(jì)算工作壓力，熱流密度，2022/11/30三、有相變的對(duì)流傳熱沸騰傳熱對(duì)于水的沸騰，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)可由冷凝傳熱豎直管道，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)可由下式計(jì)算2022/11/30冷凝傳熱豎直管道，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)可由下式計(jì)算2022/11/水平管道，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)可由下式計(jì)算管子外徑，水平管在垂直列上的管子數(shù)2022/11/30水平管道，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)可由下式計(jì)算管子外徑，2022/11/第五章

流體流動(dòng)一、換熱器二、穩(wěn)態(tài)傳熱的計(jì)算三、非穩(wěn)態(tài)傳熱的計(jì)算第四節(jié)

熱交換2022/11/30第五章

流體流動(dòng)一、換熱器第四節(jié)

熱交換46一、換熱器管殼式換熱器結(jié)構(gòu)形式管殼式換熱器可分為固定管板式、形管式和浮頭式三種。2022/11/30一、換熱器管殼式換熱器結(jié)構(gòu)形式管殼式換熱器可2022/補(bǔ)償圈式列管換熱器2022/11/30補(bǔ)償圈式列管換熱器2022/11/30型管式列管換熱器2022/11/30型管式列管換熱器2022/11/30浮頭式列管換熱器2022/11/30浮頭式列管換熱器2022/11/302022/11/302022/11/30管程結(jié)構(gòu)管子采用小管徑的。常用的有φ×,φ×和φ×的無縫鋼管。管板將管束連接在一起，并將管程和殼程流體分隔開。管子與管板的連接可采用脹接和焊接。2022/11/30管程結(jié)構(gòu)管子采用小管徑的。常用的有φ×,φ×和殼徑較小采用封頭；殼徑較大時(shí)多采用管箱結(jié)構(gòu)。二者的作用是控制和分配管程流體。2022/11/30殼徑較小采用封頭；殼徑較大時(shí)多采用管箱結(jié)構(gòu)。二者的作用202殼程結(jié)構(gòu)殼程分為殼體和折流擋板兩部分。殼體為圓形，直徑小于厘米時(shí)，用鋼管制造；直徑大于厘米時(shí)，用鋼板卷焊。折流擋板以圓缺型和環(huán)盤型最為常見。2022/11/30殼程結(jié)構(gòu)殼程分為殼體和折流擋板兩部分。2022/11/30板式換熱器片式換熱器()總體結(jié)構(gòu)2022/11/30板式換熱器片式換熱器()總體結(jié)構(gòu)2022/11/30進(jìn)出流體管口在同側(cè)2022/11/30進(jìn)出流體管口在同側(cè)2022/11/30進(jìn)出流體管口在兩側(cè)2022/11/30進(jìn)出流體管口在兩側(cè)2022/11/30板式換熱器的換熱片2022/11/30板式換熱器的換熱片2022/11/30()流道形式2022/11/30()流道形式2022/11/302022/11/302022/11/302022/11/302022/11/30螺旋板式換熱器2022/11/30螺旋板式換熱器2022/11/30二、穩(wěn)定換熱的計(jì)算熱流體側(cè)熱流密度為：間壁導(dǎo)熱熱流密度為：冷流體側(cè)熱流密度為：換熱基本方程2022/11/30二、穩(wěn)定換熱的計(jì)算熱流體側(cè)熱流密度為：間壁導(dǎo)熱熱流密度為：冷將上述三式相加，消去壁表溫度，得令則即或2022/11/30將上述三式相加，消去壁表溫度，得令則即或2022/11/30總傳熱系數(shù)的計(jì)算對(duì)于多層平壁對(duì)于單層平壁2022/11/30總傳熱系數(shù)的計(jì)算對(duì)于多層平壁對(duì)于單層平壁2022/11/對(duì)于單層圓筒壁2022/11/30對(duì)于單層圓筒壁2022/11/30對(duì)于多層圓筒壁2022/11/30對(duì)于多層圓筒壁2022/11/30例：蘋果醬流經(jīng)長Φ×的不銹鋼管道，其溫度由℃加熱到℃，不銹鋼的熱導(dǎo)率為(?)，管外加熱蒸汽的表壓為，管外壁的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為(?),管內(nèi)壁的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為(?)。計(jì)算總傳熱系數(shù)及單位管長的熱流量。2022/11/30例：蘋果醬流經(jīng)長Φ×的不銹鋼管2022/11/30解：2022/11/30解：2022/11/30換熱平均溫差的計(jì)算2022/11/30換熱平均溫差的計(jì)算2022/11/30在換熱器中取一微元段為研究對(duì)象，其換熱面積為,在內(nèi)流體因放熱降溫，冷流體因吸熱升溫,而熱流量為Φ。由熱量衡算有:2022/11/30在換熱器中取一微元段為研究對(duì)象，其換熱面積為,在內(nèi)流體因放熱2022/11/302022/11/302022/11/302022/11/30方程的討論用并流推導(dǎo)，會(huì)得到相同的計(jì)算公式。若換熱器進(jìn)出口兩端兩流體溫差變化不大，當(dāng)時(shí)，可用算術(shù)平均值代替對(duì)數(shù)平均值。對(duì)于錯(cuò)流和折流換熱的計(jì)算，可在上述等式的右側(cè)乘以一個(gè)校正因數(shù)。2022/11/30方程的討論2022/11/30例：用刮板式換熱器對(duì)果醬進(jìn)行冷卻，蘋果醬質(zhì)量流量為，比定壓熱容為(?)，入口和出口溫度分別為℃和℃。套管環(huán)隙逆流通冷水，入口和出口溫度分別為℃和℃。總傳熱系數(shù)為(?)。求所需冷卻水流量。換熱平均溫差和換熱面積若改為并流，兩流體出入口溫度同前，求()項(xiàng)各值。2022/11/30例：用刮板式換熱器對(duì)果醬進(jìn)行冷卻，蘋果醬質(zhì)量流量為20解：()()2022/11/30解：()2022/11/30()2022/11/30()2022/11/30三、非穩(wěn)態(tài)換熱的計(jì)算四個(gè)重要的量綱一的參數(shù)時(shí)間比：溫度比：熱阻比：距離比：2022/11/30三、非穩(wěn)態(tài)換熱的計(jì)算四個(gè)重要的量綱一的參數(shù)時(shí)間比：溫度比：忽略內(nèi)阻的非穩(wěn)定換熱（>）換熱內(nèi)阻與外阻相比可以忽略。該情況適用于：金屬物體的加熱和冷卻；容器內(nèi)得到很好攪拌的食品的加熱和冷卻。2022/11/30忽略內(nèi)阻的非穩(wěn)定換熱（>）換熱內(nèi)阻與外阻相比可以忽略。該例：將密度、比定壓熱容(·)的番茄汁放入半徑為的半球形夾層鍋中加熱。番茄汁初溫為℃，在鍋內(nèi)充分?jǐn)嚢?。蒸汽夾套的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為(·)，蒸汽的溫度為℃。計(jì)算加熱后番茄汁的溫度。2022/11/30例：將密度、比定壓熱容(·)的番2022/11/30解：解得2022/11/30解：解得2022/11/30內(nèi)阻和外阻共存的非穩(wěn)定換熱（>>）大多數(shù)食品的加熱和冷卻都屬于該情況，通過查圖判斷參數(shù)、和之間的關(guān)系，從而對(duì)未知物理量進(jìn)行求取。特性尺寸對(duì)于大平板，為半厚度對(duì)于球體，為球半徑對(duì)于圓柱體，為柱體半徑2022/11/30內(nèi)阻和外阻共存的非穩(wěn)定換熱（>>）大多數(shù)食品的加熱和冷卻例：將直徑、初溫℃的蘋果放入℃的冷水流中，水對(duì)蘋果的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為(·)，蘋果熱導(dǎo)率(·)，比定壓熱容(·)，密度。求使蘋果中心溫度冷卻至℃所需的時(shí)間。2022/11/30例：將直徑、初溫℃的蘋果放入℃的冷水流2022/11/解：視蘋果為球體。查圖，得對(duì)應(yīng)。2022/11/30解：視蘋果為球體。查圖，得對(duì)應(yīng)。2022/11/302022/11/302022/11/302022/11/302022/11/30可忽略外阻的非穩(wěn)定換熱（<）灌裝食品的換熱多數(shù)屬于該情況，同樣通過查圖的方式對(duì)未知物理量進(jìn)行求取。例：將半徑為、高的豌豆?jié){罐頭在蒸汽中加熱殺菌，蒸汽溫度為℃，蒸汽對(duì)罐頭的傳熱膜系數(shù)α(·)，碗豆?jié){的熱導(dǎo)率為λ(·)，比定壓熱容(·)，密度為ρ，罐頭初溫℃。求加熱后，罐頭中心處的溫度。2022/11/30可忽略外阻的非穩(wěn)定換熱（<）灌裝食品的換熱多數(shù)屬于該情況，解：()計(jì)算長圓柱的溫度比。查圖的線，得。2022/11/30解：查圖的線，得。2022/11/30()計(jì)算大平板的溫度比。查圖的線，得。2022/11/30()計(jì)算大平板的溫度比。查圖的線，得。2022/11/3()作為有限圓柱體的罐頭，其溫度比2022/11/30()作為有限圓柱體的罐頭，其溫度比2022/11/30第五章

流體流動(dòng)一、熱輻射的基本概念二、熱輻射基本定律三、熱輻射相關(guān)計(jì)算四、微波加熱第五節(jié)

輻射傳熱2022/11/30第五章

流體流動(dòng)一、熱輻射的基本概念第五節(jié)91一、輻射的基本概念和性質(zhì)熱輻射的定義僅因自身溫度原因而發(fā)出的輻射成為熱輻射。熱輻射的性質(zhì)不需要介質(zhì)以光速傳播具有波動(dòng)性，波長為微米，具有粒子性，2022/11/30一、輻射的基本概念和性質(zhì)熱輻射的定義僅因自身溫度原因而發(fā)出吸收率、反射率和透過率吸收率反射率透過率2022/11/30吸收率、反射率和透過率吸收率反射率透過率2022/11/3黑體、白體與透熱體黑體透熱體鏡體2022/11/30黑體、白體與透熱體黑體透熱體鏡體2022/11/30輻射功率和輻射流率輻射功率物體在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射出的輻射能，稱為輻射功率輻能流率單位面積上發(fā)射出的輻射功率，稱為輻能流率2022/11/30輻射功率和輻射流率輻射功率輻能流率2022/11/30二、輻射定律普朗克定律黑體在波長的單色輻能流率，波長，熱力學(xué)溫度第一輻射常量，×?第二輻射常量×?2022/11/30二、輻射定律普朗克定律黑體在波長的單色輻能流率，波長，斯特藩玻爾茲曼定律對(duì)于灰體，其黑度因此，對(duì)于灰體2022/11/30斯特藩玻爾茲曼定律對(duì)于灰體，其黑度因此，對(duì)于灰體2022/基爾霍夫定律上兩式相除，對(duì)于灰體對(duì)于黑體因?yàn)閷?duì)于灰體，所以對(duì)于灰體2022/11/30基爾霍夫定律上兩式相除，對(duì)于灰體對(duì)于黑體因?yàn)閷?duì)于灰體，所二、輻射傳熱相關(guān)計(jì)算極大兩平行板間的輻射換熱2022/11/30二、輻射傳熱相關(guān)計(jì)算極大兩平行板間的輻射換熱2022/11一物體被另一物體包圍時(shí)的傳熱2022/11/30一物體被另一物體包圍時(shí)的傳熱2022/11/30面積有限的兩平行板間的輻射傳熱2022/11/30面積有限的兩平行板間的輻射傳熱2022/11/302022/11/302022/11/30例：烤爐內(nèi)一塊面包的黑度為，表面積為，表面溫度為℃。已知面包表面積與爐壁面積比很小，爐壁溫度為℃。求面包接受的輻射熱流量。2022/11/30例：烤爐內(nèi)一塊面包的黑度為，表面積為2022/11/30解：令面包的面積為，爐壁面積為,由于面包表面積與爐壁面積比很小，因此，故負(fù)號(hào)表示熱輻射的方向是從爐壁向面包2022/11/30解：令面包的面積為，爐壁面積為,由于面包表面積與爐壁面積比例：兩個(gè)大的平行板黑度分別為和，其溫度分別維持在℃和℃。求：兩平板間的熱流密度。若在兩平板間放一個(gè)兩面黑度皆為的輻射遮熱板，求在穩(wěn)定傳熱情況下熱流密度和遮熱板的溫度。2022/11/30例：兩個(gè)大的平行板黑度分別為和，其溫度分2022/11/3解：()熱流密度在本節(jié)即為2022/11/30解：()熱流密度在本節(jié)即為2022/11/30解：設(shè)高溫板為1板，低溫版為2板，遮熱板為0板；令遮熱板的溫度為T0，則2022/11/30解：設(shè)高溫板為1板，低溫版為2板，遮熱板為0板；令遮熱板20第五章

傳熱第一節(jié)傳熱概述第二節(jié)熱傳導(dǎo)第三節(jié)對(duì)流傳熱第四節(jié)熱交換第五節(jié)輻射傳熱2022/11/30第五章

傳熱第一節(jié)傳熱概述2022/11/30108第一節(jié)

傳熱概述一、傳熱的基本方式二、穩(wěn)態(tài)傳熱和非穩(wěn)態(tài)傳熱三、熱流量和熱阻四、熱交換2022/11/30第一節(jié)

傳熱概述一、傳熱的基本方式2022/11/30109一、傳熱的三種基本方式熱傳導(dǎo)定義當(dāng)物體內(nèi)部或兩直接接觸的物體間存在溫度差時(shí)，溫度較高處的分子因振動(dòng)而與相鄰分子碰撞，將能量的一部分傳給對(duì)方，該種能量傳遞方式稱為熱傳導(dǎo)，或稱導(dǎo)熱。特點(diǎn)兩物質(zhì)之間必須直接接觸或存在媒介；在傳熱過程中，物質(zhì)間沒有空間位移。2022/11/30一、傳熱的三種基本方式熱傳導(dǎo)2022/11/30對(duì)流傳熱定義由流體質(zhì)點(diǎn)間發(fā)生相對(duì)位移而引起的熱量傳遞過程或者由流體微團(tuán)改變空間位置所引起的流體和固體壁面之間的熱量傳遞過程稱為對(duì)流傳熱。特點(diǎn)主要發(fā)生在流體內(nèi)部或固體和流體之間，在傳熱過程中，流體質(zhì)點(diǎn)或流體微團(tuán)發(fā)生空間位置改變。2022/11/30對(duì)流傳熱2022/11/30輻射傳熱定義依靠電磁波輻射實(shí)現(xiàn)熱冷物體之間熱量傳遞的過程稱為輻射傳熱。特點(diǎn)不僅是能量的傳遞，還伴隨著能量形式的轉(zhuǎn)化；是一種非接觸式傳熱，在真空中也能進(jìn)行。2022/11/30輻射傳熱2022/11/30二、穩(wěn)態(tài)傳熱和非穩(wěn)態(tài)傳熱穩(wěn)態(tài)傳熱在傳熱系統(tǒng)中，溫度分布不隨時(shí)間而改變的傳熱過程稱為穩(wěn)態(tài)傳熱。非穩(wěn)態(tài)傳熱在傳熱系統(tǒng)中，溫度分布隨時(shí)間而改變的傳熱過程稱為非穩(wěn)態(tài)傳熱。2022/11/30二、穩(wěn)態(tài)傳熱和非穩(wěn)態(tài)傳熱穩(wěn)態(tài)傳熱2022/11/30三、熱流量、熱流密度和熱阻熱流量熱流量為傳過一個(gè)熱流面的熱量與傳熱時(shí)間的比值，符號(hào)為Φ，單位為,用公式表示為：熱流密度熱流量Φ與傳熱面積之比，稱為熱流密度，又稱熱通量。用符號(hào)表示，單位為。2022/11/30三、熱流量、熱流密度和熱阻熱流量熱流密度2022/11/熱阻導(dǎo)熱過程的阻力稱為熱阻。熱阻為導(dǎo)熱體兩側(cè)溫差與熱流密度之比。單位為。2022/11/30熱阻2022/11/30四、熱交換兩個(gè)溫度不同的物體間進(jìn)行的傳熱過程稱為熱交換，也稱換熱。熱交換的結(jié)果是溫度高的物體的焓較小，溫度低的物體的焓增大。熱交換的基本原則是能量守恒原則，即熱交換所涉及的物質(zhì)的焓變的代數(shù)和為2022/11/30四、熱交換兩個(gè)溫度不同的物體間進(jìn)行的傳熱過程稱為熱交換，也稱第二節(jié)

熱傳導(dǎo)一、熱傳導(dǎo)相關(guān)概念二、傅立葉定律和熱導(dǎo)率三、通過平壁的穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱四、通過圓筒壁的穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱2022/11/30第二節(jié)

熱傳導(dǎo)一、熱傳導(dǎo)相關(guān)概念2022/11/30117一、熱傳導(dǎo)相關(guān)概念溫度場(chǎng)某一時(shí)刻空間各點(diǎn)的溫度分布，稱為溫度場(chǎng)。對(duì)于不穩(wěn)定溫度場(chǎng)對(duì)于穩(wěn)定溫度場(chǎng)2022/11/30一、熱傳導(dǎo)相關(guān)概念對(duì)于穩(wěn)定溫度場(chǎng)2022/11/30等溫線和等溫面在某一時(shí)刻，將溫度場(chǎng)中具有相同溫度的點(diǎn)連接起來所形成的線或面稱為等溫線或等溫面。2022/11/30等溫線和等溫面2022/11/30三、傅立葉定律和熱導(dǎo)率傅立葉定律在溫度場(chǎng)中，由于導(dǎo)熱所形成的某點(diǎn)的熱流密度正比于該時(shí)刻某一點(diǎn)的溫度梯度，表達(dá)式為熱導(dǎo)率上式中的λ稱為熱導(dǎo)率，單位(·)。它的物理意義為某物質(zhì)在單位溫度梯度時(shí)所通過的熱流密度。2022/11/30三、傅立葉定律和熱導(dǎo)率熱導(dǎo)率2022/11/30四、通過平壁的穩(wěn)定傳熱通過單層平壁的穩(wěn)定傳熱因是穩(wěn)定傳熱，是常量，分離變量后積分積分后()()熱阻對(duì)于面積為的平壁2022/11/30四、通過平壁的穩(wěn)定傳熱因是穩(wěn)定傳熱，是常量，分離變量后積分積通過多層平壁的穩(wěn)定傳熱因是穩(wěn)定傳熱，通過各層的熱流密度相等，則推論到層平壁，則應(yīng)用加比定律，則()()2022/11/30通過多層平壁的穩(wěn)定傳熱因是穩(wěn)定傳熱，通過各層的熱流密度相等若各層的面積為，則總熱阻為2022/11/30若各層的面積為，則總熱阻為2022/11/30例：冷庫壁由兩層組成：外層為紅磚，厚，導(dǎo)熱率為(·)；內(nèi)層為軟水，厚，導(dǎo)熱率為(·)。軟木層的防水絕緣層熱阻可忽略不計(jì)。紅磚和軟木層的外表面溫度分別為℃和℃。試計(jì)算通過冷庫壁的熱流密度及兩層接觸面處的溫度。2022/11/30例：冷庫壁由兩層組成：外層為紅磚，厚，2022/11/30解：令外墻高溫側(cè)溫度為，內(nèi)墻低溫側(cè)溫度為,兩墻接觸面溫度為，則（℃）2022/11/30解：令外墻高溫側(cè)溫度為，內(nèi)墻低溫側(cè)溫度為,兩墻接觸（℃）2四、通過圓筒壁的穩(wěn)定傳熱通過單層圓筒壁的穩(wěn)定傳熱取半徑處厚度為的薄圓柱層，則積分結(jié)果為()分離變量積分得2022/11/30四、通過圓筒壁的穩(wěn)定傳熱取半徑處厚度為的薄圓柱層，則積分結(jié)果熱阻為令，則于是2022/11/30熱阻為令，則于是2022/11/30再令2022/11/30再令2022/11/30四、通過圓筒壁的穩(wěn)定傳熱通過多層圓筒壁的穩(wěn)定傳熱穩(wěn)定傳熱時(shí)，通過各層的熱流量相等，則2022/11/30四、通過圓筒壁的穩(wěn)定傳熱穩(wěn)定傳熱時(shí)，通過各層的熱流量相等，則推論到層圓筒壁，有()令則()2022/11/30推論到層圓筒壁，有()令則()2022/11/30例：直徑為Φ×的鋼管用厚的軟木包扎，其外又用厚的保溫灰包扎，以作為絕熱層?，F(xiàn)測(cè)得鋼管外壁面溫度為℃，絕熱層外表溫度為℃。已知軟木和保溫灰的平均熱導(dǎo)率分別為和(·)，試求每米管長的冷量損失量。2022/11/30例：直徑為Φ×的鋼管用厚的軟木包扎，其外又用厚的保溫灰包扎，解：2022/11/30解：2022/11/30第五章

流體流動(dòng)一、牛頓冷卻定律二、對(duì)流傳熱基本原理三、無相變的對(duì)流傳熱四、有相變的對(duì)流傳熱第三節(jié)

對(duì)流傳熱2022/11/30第五章

流體流動(dòng)一、牛頓冷卻定律第三節(jié)

133牛頓冷卻定律一、牛頓冷卻定律與對(duì)流傳熱的基本原理為表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)或傳熱膜系數(shù)。單位空氣自然對(duì)流，的范圍為空氣強(qiáng)制對(duì)流，的范圍為水自然對(duì)流，的范圍為的范圍為水強(qiáng)制對(duì)流，2022/11/30牛頓冷卻定律一、牛頓冷卻定律與對(duì)流傳熱的基本原理為表面?zhèn)鲗?duì)流傳熱的機(jī)理2022/11/30對(duì)流傳熱的機(jī)理2022/11/30各因素對(duì)對(duì)流傳熱系數(shù)影響的方程式2022/11/30各因素對(duì)對(duì)流傳熱系數(shù)影響的方程式2022/11/30努賽爾數(shù)，表征特點(diǎn)表明的傳熱系數(shù)雷諾數(shù)，表征流動(dòng)狀態(tài)的影響格拉曉夫數(shù)，表征物性的影響普朗特?cái)?shù)，表征自然對(duì)流的影響2022/11/30努賽爾數(shù)，表征特點(diǎn)表明的傳熱系數(shù)雷諾數(shù)，表征流動(dòng)狀態(tài)的影響格二、無相變的對(duì)流傳熱自然對(duì)流傳熱2022/11/30二、無相變的對(duì)流傳熱自然對(duì)流傳熱2022/11/302022/11/302022/11/30強(qiáng)制對(duì)流傳熱管內(nèi)層流2022/11/30強(qiáng)制對(duì)流傳熱管內(nèi)層流2022/11/30管內(nèi)湍流式中各物性參數(shù)查取所依定型溫度與層流相同。2022/11/30管內(nèi)湍流式中各物性參數(shù)查取所依定型溫度與層流相同。2022例題：將粗碎的番茄通過管子從溫度℃加熱到℃。管子內(nèi)徑為，內(nèi)表面溫度保持℃。番茄流量為。已知物料物性參數(shù)為ρ；(·);μ·(℃);μ·(℃);λ(·)。試求番茄與管子內(nèi)表面之間的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。2022/11/30例題：2022/11/30流體的流動(dòng)類型屬于管內(nèi)流動(dòng)，首先判斷是層流還是湍流流動(dòng)類型按湍流處理2022/11/30流體的流動(dòng)類型屬于管內(nèi)流動(dòng)，首先判斷是層流還是湍流流動(dòng)類型按2022/11/302022/11/30管外對(duì)流()單管2022/11/30管外對(duì)流()單管2022/11/30流體垂直流過單管的平均對(duì)流傳熱的特征數(shù)方程為：2022/11/30流體垂直流過單管的平均對(duì)流傳熱的特征數(shù)方程為：2022/11()管束2022/11/30()管束2022/11/302022/11/302022/11/302022/11/302022/11/30三、有相變的對(duì)流傳熱沸騰傳熱對(duì)于水的沸騰，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)可由下式計(jì)算工作壓力，熱流密度，2022/11/30三、有相變的對(duì)流傳熱沸騰傳熱對(duì)于水的沸騰，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)可由冷凝傳熱豎直管道，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)可由下式計(jì)算2022/11/30冷凝傳熱豎直管道，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)可由下式計(jì)算2022/11/水平管道，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)可由下式計(jì)算管子外徑，水平管在垂直列上的管子數(shù)2022/11/30水平管道，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)可由下式計(jì)算管子外徑，2022/11/第五章

流體流動(dòng)一、換熱器二、穩(wěn)態(tài)傳熱的計(jì)算三、非穩(wěn)態(tài)傳熱的計(jì)算第四節(jié)

熱交換2022/11/30第五章

流體流動(dòng)一、換熱器第四節(jié)

熱交換153一、換熱器管殼式換熱器結(jié)構(gòu)形式管殼式換熱器可分為固定管板式、形管式和浮頭式三種。2022/11/30一、換熱器管殼式換熱器結(jié)構(gòu)形式管殼式換熱器可2022/補(bǔ)償圈式列管換熱器2022/11/30補(bǔ)償圈式列管換熱器2022/11/30型管式列管換熱器2022/11/30型管式列管換熱器2022/11/30浮頭式列管換熱器2022/11/30浮頭式列管換熱器2022/11/302022/11/302022/11/30管程結(jié)構(gòu)管子采用小管徑的。常用的有φ×,φ×和φ×的無縫鋼管。管板將管束連接在一起，并將管程和殼程流體分隔開。管子與管板的連接可采用脹接和焊接。2022/11/30管程結(jié)構(gòu)管子采用小管徑的。常用的有φ×,φ×和殼徑較小采用封頭；殼徑較大時(shí)多采用管箱結(jié)構(gòu)。二者的作用是控制和分配管程流體。2022/11/30殼徑較小采用封頭；殼徑較大時(shí)多采用管箱結(jié)構(gòu)。二者的作用202殼程結(jié)構(gòu)殼程分為殼體和折流擋板兩部分。殼體為圓形，直徑小于厘米時(shí)，用鋼管制造；直徑大于厘米時(shí)，用鋼板卷焊。折流擋板以圓缺型和環(huán)盤型最為常見。2022/11/30殼程結(jié)構(gòu)殼程分為殼體和折流擋板兩部分。2022/11/30板式換熱器片式換熱器()總體結(jié)構(gòu)2022/11/30板式換熱器片式換熱器()總體結(jié)構(gòu)2022/11/30進(jìn)出流體管口在同側(cè)2022/11/30進(jìn)出流體管口在同側(cè)2022/11/30進(jìn)出流體管口在兩側(cè)2022/11/30進(jìn)出流體管口在兩側(cè)2022/11/30板式換熱器的換熱片2022/11/30板式換熱器的換熱片2022/11/30()流道形式2022/11/30()流道形式2022/11/302022/11/302022/11/302022/11/302022/11/30螺旋板式換熱器2022/11/30螺旋板式換熱器2022/11/30二、穩(wěn)定換熱的計(jì)算熱流體側(cè)熱流密度為：間壁導(dǎo)熱熱流密度為：冷流體側(cè)熱流密度為：換熱基本方程2022/11/30二、穩(wěn)定換熱的計(jì)算熱流體側(cè)熱流密度為：間壁導(dǎo)熱熱流密度為：冷將上述三式相加，消去壁表溫度，得令則即或2022/11/30將上述三式相加，消去壁表溫度，得令則即或2022/11/30總傳熱系數(shù)的計(jì)算對(duì)于多層平壁對(duì)于單層平壁2022/11/30總傳熱系數(shù)的計(jì)算對(duì)于多層平壁對(duì)于單層平壁2022/11/對(duì)于單層圓筒壁2022/11/30對(duì)于單層圓筒壁2022/11/30對(duì)于多層圓筒壁2022/11/30對(duì)于多層圓筒壁2022/11/30例：蘋果醬流經(jīng)長Φ×的不銹鋼管道，其溫度由℃加熱到℃，不銹鋼的熱導(dǎo)率為(?)，管外加熱蒸汽的表壓為，管外壁的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為(?),管內(nèi)壁的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為(?)。計(jì)算總傳熱系數(shù)及單位管長的熱流量。2022/11/30例：蘋果醬流經(jīng)長Φ×的不銹鋼管2022/11/30解：2022/11/30解：2022/11/30換熱平均溫差的計(jì)算2022/11/30換熱平均溫差的計(jì)算2022/11/30在換熱器中取一微元段為研究對(duì)象，其換熱面積為,在內(nèi)流體因放熱降溫，冷流體因吸熱升溫,而熱流量為Φ。由熱量衡算有:2022/11/30在換熱器中取一微元段為研究對(duì)象，其換熱面積為,在內(nèi)流體因放熱2022/11/302022/11/302022/11/302022/11/30方程的討論用并流推導(dǎo)，會(huì)得到相同的計(jì)算公式。若換熱器進(jìn)出口兩端兩流體溫差變化不大，當(dāng)時(shí)，可用算術(shù)平均值代替對(duì)數(shù)平均值。對(duì)于錯(cuò)流和折流換熱的計(jì)算，可在上述等式的右側(cè)乘以一個(gè)校正因數(shù)。2022/11/30方程的討論2022/11/30例：用刮板式換熱器對(duì)果醬進(jìn)行冷卻，蘋果醬質(zhì)量流量為，比定壓熱容為(?)，入口和出口溫度分別為℃和℃。套管環(huán)隙逆流通冷水，入口和出口溫度分別為℃和℃?？倐鳠嵯禂?shù)為(?)。求所需冷卻水流量。換熱平均溫差和換熱面積若改為并流，兩流體出入口溫度同前，求()項(xiàng)各值。2022/11/30例：用刮板式換熱器對(duì)果醬進(jìn)行冷卻，蘋果醬質(zhì)量流量為20解：()()2022/11/30解：()2022/11/30()2022/11/30()2022/11/30三、非穩(wěn)態(tài)換熱的計(jì)算四個(gè)重要的量綱一的參數(shù)時(shí)間比：溫度比：熱阻比：距離比：2022/11/30三、非穩(wěn)態(tài)換熱的計(jì)算四個(gè)重要的量綱一的參數(shù)時(shí)間比：溫度比：忽略內(nèi)阻的非穩(wěn)定換熱（>）換熱內(nèi)阻與外阻相比可以忽略。該情況適用于：金屬物體的加熱和冷卻；容器內(nèi)得到很好攪拌的食品的加熱和冷卻。2022/11/30忽略內(nèi)阻的非穩(wěn)定換熱（>）換熱內(nèi)阻與外阻相比可以忽略。該例：將密度、比定壓熱容(·)的番茄汁放入半徑為的半球形夾層鍋中加熱。番茄汁初溫為℃，在鍋內(nèi)充分?jǐn)嚢?。蒸汽夾套的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為(·)，蒸汽的溫度為℃。計(jì)算加熱后番茄汁的溫度。2022/11/30例：將密度、比定壓熱容(·)的番2022/11/30解：解得2022/11/30解：解得2022/11/30內(nèi)阻和外阻共存的非穩(wěn)定換熱（>>）大多數(shù)食品的加熱和冷卻都屬于該情況，通過查圖判斷參數(shù)、和之間的關(guān)系，從而對(duì)未知物理量進(jìn)行求取。特性尺寸對(duì)于大平板，為半厚度對(duì)于球體，為球半徑對(duì)于圓柱體，為柱體半徑2022/11/30內(nèi)阻和外阻共存的非穩(wěn)定換熱（>>）大多數(shù)食品的加熱和冷卻例：將直徑、初溫℃的蘋果放入℃的冷水流中，水對(duì)蘋果的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為(·)，蘋果熱導(dǎo)率(·)，比定壓熱容(·)，密度。求使蘋果中心溫度冷卻至℃所需的時(shí)間。2022/11/30例：將直徑、初溫℃的蘋果放入℃的冷水流2022/11/解：視蘋果為球體。查圖，得對(duì)應(yīng)。2022/11/30解：視蘋果為球體。查圖，得對(duì)應(yīng)。2022/11/302022/11/302022/11/302022/11/302022/11/30可忽略外阻的非穩(wěn)定換熱（<）灌裝食品的換熱多數(shù)屬于該情況，同樣通過查圖的方式對(duì)未知物理量進(jìn)行求取。例：將半徑為、高的豌豆?jié){罐頭在蒸汽中加熱殺菌，蒸汽溫度為℃，蒸汽對(duì)罐頭的傳熱膜系數(shù)α(·)，碗豆?jié){的熱導(dǎo)率為λ(·)，比定壓熱