1、5. 熱傳遞物理過程及設(shè)備,主講內(nèi)容 1. 熱量傳遞的基本方式 2換熱器設(shè)計 3加熱爐 (1) 管式加熱爐結(jié)構(gòu) (2)鍋爐結(jié)構(gòu)與計算,5.1 熱量傳遞的基本方式,自然界中熱量的傳遞有三種基本方式： 熱傳導(dǎo)、熱對流、熱輻射。,5.1.1熱傳導(dǎo)（導(dǎo)熱）,（1）熱傳導(dǎo)的基本概念 當(dāng)溫度不同的物體相互接觸或同一物體不同部位溫度不相同時，產(chǎn)生的熱量傳遞稱為熱傳導(dǎo)（或?qū)幔?從微觀角度來看，物質(zhì)的導(dǎo)熱本質(zhì)或機(jī)理與組成物質(zhì)的微觀粒子的運(yùn)動有密切的關(guān)系。,液體和氣體中，只有在消除熱對流的條件下，才能實現(xiàn)純導(dǎo)熱過程。,液體的導(dǎo)熱機(jī)理復(fù)雜，液體分子間碰撞或依靠晶格的振動來實現(xiàn)。,氣體分子相互作用或碰撞的結(jié)果。,

2、固體中，導(dǎo)熱是通過晶格的振動，即原子、分子在其平衡位置附近的振動來實現(xiàn)的,金屬中，導(dǎo)熱主要是通過自由電子的相互作用和碰撞來實現(xiàn)的。,（2）導(dǎo)熱基本定律,導(dǎo)熱的基本定律（又稱為傅里葉定律）：單位時間內(nèi)通過物體單位截面上熱量。 正比于法向溫度梯度，該方向上的溫度變化率為：,式中：Q 熱流量，單位為W； 材料的導(dǎo)熱系數(shù)，單位為W/(mK)； A 截面面積，單位為m2；,負(fù)號表示熱量的傳遞必須沿溫度降低的方向進(jìn)行,熱流密度表示 :,沿方向傳遞的熱流密度，單位為W/m2； 物體溫度沿方向的變化率。,物體三維狀態(tài)下的溫度的表達(dá)式 :,導(dǎo)熱微分方程 :,微元體熱能增量=導(dǎo)入導(dǎo)出微元體的凈熱量+微元體內(nèi)熱源的

3、發(fā)熱量,立體空間中取一個小的微元體，邊長分別為:,在 時間內(nèi)，沿軸 方向,微元體的凈熱量 : 沿 x 軸、y軸、z軸方向,（3）導(dǎo)熱系數(shù),導(dǎo)熱系數(shù)是表征材料導(dǎo)熱性能優(yōu)劣的參數(shù)，是物質(zhì)的物性參數(shù)，其單位為W/(mK)。,物體導(dǎo)熱系數(shù) ： 純銀：=418W/(mK)， 純銅：=387W/(mK)； 空氣：=0.0243W/(mK)， 氫氣：=0.175W/(mK)； 水：=0.552W/(mK)。,常數(shù)； 某個參考溫度時的導(dǎo)熱系數(shù),導(dǎo)熱系數(shù)：,（4）通過平壁的導(dǎo)熱,單層平壁兩個表面的溫度恒為 和 ，且 ，壁厚,溫度的分布為：,單層平壁熱流密度的表達(dá)式：,表面積為 A的熱流量 ：,多層平壁，由幾層不

4、同材料組成的平壁：,熱流密度的表達(dá)式：,熱流密度的計算公式為：,（1）單層圓筒壁導(dǎo)熱,如鍋爐管、冷凝器管、管殼式換熱器中的管子及一般管道等的導(dǎo)熱均屬于圓筒壁導(dǎo)熱。,內(nèi)半徑 ，外半徑 ，長度為 的圓筒壁，無內(nèi)熱源，圓筒內(nèi)、外表面溫度差 ，圓筒壁材料的導(dǎo)熱系數(shù) 為常數(shù)，,溫度分布：,熱流量：,例題1：有一 ,長為6m的鋼管，已知管的內(nèi)壁溫度為 100，外壁溫度為90，試求該管在單位時間內(nèi)的散熱量。,解: 本題屬于單層圓筒壁的熱傳導(dǎo)，,已知：,m，,L=6m，,，,散熱量 :,對具有n層的圓筒壁，穿過各層的導(dǎo)熱量的通式為：,(2) 多層圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo),總熱阻為各層熱阻之和，各層熱阻所用的傳熱面積

5、不相等，所以應(yīng)采用各層各自的平均面積。,例題5-2： 在一 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)， 外層為20mm的石棉層， 其平均導(dǎo)熱 ?，F(xiàn)在用熱電偶測得 內(nèi)壁溫度為500，最外層表溫溫度為80，管壁的 導(dǎo)熱系數(shù) 。 試求:每米管長的熱損失及兩層保溫層界面的溫度。,解：由式,保溫層界面溫度,解得：,物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的變化而變化，工程計算中可取平均溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)值。 平壁，當(dāng)視導(dǎo)熱系數(shù)為常數(shù)時，圓筒壁，當(dāng)視導(dǎo)熱系數(shù)為常數(shù)時，壁中溫度分布為對數(shù)曲線。 (2) 從多層平壁或多層圓筒壁的熱傳導(dǎo)計算公式可見，在穩(wěn)定導(dǎo)熱過程中，通過各層的導(dǎo)熱量相等。,熱傳導(dǎo)注意以下兩

6、個問題：,保溫層的外徑dCr（臨界絕熱直徑）,5.1.2 對流換熱,（1） 基本概念和定義 定義：當(dāng)流體發(fā)生宏觀位移的改變時，把熱量由一處傳遞到另一處的現(xiàn)象，稱為對流。 對流僅發(fā)生在流體中，熱量的傳遞與介質(zhì)本身的移動密切相關(guān)。,對流換熱分為自然對流和強(qiáng)制對流兩類： （1）自然對流是由于流體各部分的密度不同引起的。如暖氣片 表面的散熱。 （2）若流體的流動是由于風(fēng)機(jī)、泵等壓差作用所造成的，這種 對流換熱稱為強(qiáng)制對流。,蒸氣遇冷凝結(jié)、液體遇熱沸騰也屬于對流換熱范圍，但它們在對流換熱的過程中伴隨著相變。,（2） 對流換熱基本原理,灼熱的金屬板置于風(fēng)扇下比在靜止空氣中要冷卻得更快。我們說對流將熱帶走了

7、，并且把這一過程稱為對流換熱。 流過平板的空氣速度顯然會影響換熱量的大小。,加熱平壁上，平壁溫度為 ， 流體的溫度為,溫度梯度取決于流體以多大的速率將熱帶走，流體速度高將產(chǎn)生大的溫度梯度。,牛頓冷卻定律：,流體被冷卻時：,流體被加熱時：,式中： ， 分別為壁面溫度和流體溫度，K； 換熱表面的面積，m2； 表面對流換熱系數(shù)，單位為W/(m2K)。,對流換熱與流體的粘度有關(guān)，與流體的熱物性(導(dǎo)熱系數(shù)、比熱、密度)及換熱表面的形狀、大小與布置等因素有關(guān)。,（3） 對流換熱的影響因素,對流換熱是流體流過固體壁時的熱量傳遞。影響因素分流動因素及流體本身的熱物理性質(zhì)。,（1）流動的起因。同一流體的強(qiáng)迫對流

8、換熱系數(shù)比自然對流 換熱系數(shù)大。,（2）流動狀態(tài)。層流和湍流兩種流動狀態(tài)，湍流時對流換熱系 數(shù)一般要大于層流時的對流換熱系數(shù)。,（3）流體有無相變。有相變時對流換熱系數(shù)比無相變時大。,（4）換熱壁面的幾何因素。換熱壁面的形狀、大小、流動方向的位置及換熱表面的狀況（粗糙程度）等均為換熱壁面的幾何因素。,（5）流體的熱物理性質(zhì)。包括：導(dǎo)熱系數(shù)、比熱、密度、粘度等。導(dǎo)熱系數(shù)越大，換熱就越強(qiáng)。比熱與密度大的流體，單位體積能攜帶更多的熱量。粘度大，有礙流體的流動，對對流換熱不利。,對流換熱系數(shù) ：,確定對流換熱系數(shù)的方法主要有三種，即數(shù)學(xué)分析法、實驗法和類比法。 簡單工況可以用分析法計算，在復(fù)雜的情況下

9、必須用實驗方法確定值。,5.1.3 輻射換熱,（1） 基本概念,輻射： 物體通過電磁波來傳遞能量的方式稱為輻射。 熱輻射： 物體因熱的原因發(fā)出輻射能的現(xiàn)象稱為熱輻射。,物體的溫度只要高于絕對零度，便向外發(fā)出熱輻射，物體的溫度越高則發(fā)射的輻射能量越多。同時，物體也不斷地吸收周圍物體投射到它上面去的熱輻射，把它變成熱能。輻射換熱是物體間相互輻射和吸收的總效果。,熱輻射是不依賴任何介質(zhì)、用電磁波來傳遞熱能的一種熱傳遞方式，輻射換熱是可以在真空中以光速進(jìn)行的熱傳遞過程。,輻射能投射到物體表面上時， 被吸收部分能量 被反射部分能量 穿透物體能量,根據(jù)能量守恒定律，輻射的總能量：,或：,物體的吸收比：,物

10、體的反射比：,物體的穿透比：,物體叫做絕對黑體（簡稱黑體）； 物體叫做絕對白體（簡稱白體）； 物體叫做絕對透明體（簡稱透明體）。,輻射力的概念： E 即物體每單位表面積在單位時間內(nèi)所放射出去的一切波長的輻射總能量稱為輻射力，用E 表示， 單位為：W/m2。,光譜輻射力： 物體每單位表面積在單位時間內(nèi)所放射出去的包含的單位波長范圍內(nèi)的輻射能，稱為光譜輻射力，單位為W/m3。,輻射力和光譜輻射力之間關(guān)系：,：輻射波單位波長。,（3） 物體間的輻射換熱,兩個黑體表面間的輻射換熱量 :,為兩物體的輻射面積。,輻射能量中落到上的百分?jǐn)?shù)，,黑體輻射力的計算公式，即著名的波爾茲曼定律：,兩黑體的輻射力。,黑

11、體的輻射系數(shù),兩物體的投入輻射力,兩種灰體組成封閉系統(tǒng)時，在三種情形下的換熱計算公式：,（1）表面1為平面或凸面時：,兩個灰體表面在封閉系統(tǒng)時，它們之間的輻射換熱量：,（2）當(dāng)兩表面積和相差很小，即1時 ：,（3）當(dāng)表面積比大很多，即0時,5.2 換熱器設(shè)計,傳熱過程： 熱流體與壁面對流換熱間壁導(dǎo)熱冷流體與壁面對流換熱的串聯(lián)過程。,（1） 通過平壁的傳熱過程,三個環(huán)節(jié)的熱流量表達(dá)式 ：,對流換熱,導(dǎo)熱,對流換熱,三式整理后，得到如下方程：,或：,傳熱系數(shù)的表達(dá)式：,式中： 稱為傳熱系數(shù)，單位為W/(m2K)； 分別為熱、冷流體的對流換熱系數(shù)； 平壁材料的導(dǎo)熱系數(shù)； 分別為熱、冷兩種流體的溫度；

12、 壁面的內(nèi)、外溫度； 平壁的厚度； 平壁的面積。,（2） 通過圓管的傳熱過程,圓管內(nèi)徑和外徑分別為,管長為,圖5-7 通過圓管的傳熱過程,管內(nèi)壁流體與內(nèi)壁的對流換熱、內(nèi)壁到外壁的導(dǎo)熱、外壁與外壁流體的對流換熱,對流換熱,對流換熱,導(dǎo)熱,三式整理得到：,傳熱系數(shù)的表達(dá)式 ：,5.2.2 換熱器的種類,（1） 按換熱原理和實現(xiàn)熱交換的方式分類 混合式、蓄熱式和間壁式。 （2） 按傳熱面的形狀和結(jié)構(gòu)分類 管式換熱器。如管殼式（列管式）換熱器、蛇管式換熱器、 套管式換熱器、螺旋管式換熱器、翅片管式換熱器等。 板式換熱器。包括板式換熱器、螺旋板式換熱器、板殼式換 熱器、平板式換熱器、翅片板式換熱、石墨板

13、式換熱器、 及夾套式換熱器等。 擴(kuò)展表面式換熱器。如板翅式、管翅式、熱管等。 按使用目的分類。為冷卻器；加熱器；冷凝器；汽化器(或再 沸器)和分凝器等。 按材科分類。為金屬類換熱器；非金屬類換熱器，如石墨、塑 料、玻璃、陶瓷等。,圖5-30 全焊接板殼式換熱器,熱管換熱器,圖5-42 玻璃換熱器,5.2.4 管殼式換熱器的設(shè)計 管殼式換熱器的設(shè)計可分為兩類： 設(shè)計計算：決定換熱面積、選擇合適的材料，從 而決定換熱器的類型和結(jié)構(gòu)。 校核計算：對目前運(yùn)行的換熱器進(jìn)行檢驗，在確 定目前運(yùn)行參數(shù)的情況下，判斷換熱器的 使用條件。,管殼式換熱器的設(shè)計過程 （1）根據(jù)設(shè)計任務(wù)的要求確定出冷熱兩種流體的基 本物性參數(shù)。并根據(jù)冷、熱流體的流量及進(jìn) 出口溫度，通過試差計算來確定換熱量。 （2）選取管徑和管內(nèi)流速，并初步選定流體流動方 式，計算出平均溫度差。 （3）根據(jù)已知數(shù)據(jù)初步估算總傳熱系數(shù)k，并估算 傳熱面積。 （4）根據(jù)傳熱面積