SLX第章傳熱及氣體射流基本知識(shí)解析

1、輻射換熱、輻射換熱、對流換熱、對流換熱、熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)典型的傳熱設(shè)備典型的傳熱設(shè)備套管式換熱器典型的傳熱設(shè)備典型的傳熱設(shè)備單程列管式換熱器 典型的傳熱設(shè)備典型的傳熱設(shè)備1殼體2管束3擋板4隔板雙程列管式換熱器第一節(jié)第一節(jié) 傳熱學(xué)基本知識(shí)傳熱學(xué)基本知識(shí)一、導(dǎo)熱一、導(dǎo)熱(1)(1)定義：指溫度不同的物體各部分或溫度不同的兩物體間直接接觸時(shí)，依靠分子、原子及自由電子等定義：指溫度不同的物體各部分或溫度不同的兩物體間直接接觸時(shí)，依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子熱運(yùn)動(dòng)而進(jìn)行的熱量傳遞現(xiàn)象微觀粒子熱運(yùn)動(dòng)而進(jìn)行的熱量傳遞現(xiàn)象(2)(2)物質(zhì)的屬性：可以在固體、液體、氣體中發(fā)生物質(zhì)的屬性：可以在固體、液體、氣

2、體中發(fā)生 (3) (3)導(dǎo)熱的特點(diǎn)：導(dǎo)熱的特點(diǎn)：a a 必須有溫差；必須有溫差；b b 物體直接接觸；物體直接接觸；c c 傳熱依靠分子熱運(yùn)動(dòng)、原子及自由電子等微觀傳熱依靠分子熱運(yùn)動(dòng)、原子及自由電子等微觀粒子熱運(yùn)動(dòng)而傳遞熱量；粒子熱運(yùn)動(dòng)而傳遞熱量；d d 在引力場下單純的導(dǎo)熱只發(fā)生在密實(shí)固體中。在引力場下單純的導(dǎo)熱只發(fā)生在密實(shí)固體中。 (3) (3)導(dǎo)熱的特點(diǎn)：導(dǎo)熱的特點(diǎn)：1.1.氣體傳熱依靠分子熱運(yùn)動(dòng)分子運(yùn)動(dòng)速度增大，相互碰撞而傳遞熱量；氣體傳熱依靠分子熱運(yùn)動(dòng)分子運(yùn)動(dòng)速度增大，相互碰撞而傳遞熱量；2.2.絕緣體固體導(dǎo)熱主要依靠晶格的振動(dòng)傳遞熱量；絕緣體固體導(dǎo)熱主要依靠晶格的振動(dòng)傳遞熱量；3.

3、3.導(dǎo)體的導(dǎo)熱主要依靠自由電子熱運(yùn)動(dòng)而傳遞熱量；導(dǎo)體的導(dǎo)熱主要依靠自由電子熱運(yùn)動(dòng)而傳遞熱量；4.4.液體的導(dǎo)熱一種是依靠晶格的振動(dòng)傳遞熱量理論。液體的導(dǎo)熱一種是依靠晶格的振動(dòng)傳遞熱量理論。 另一種是依靠分子熱運(yùn)動(dòng)分子運(yùn)動(dòng)傳遞熱量理論。另一種是依靠分子熱運(yùn)動(dòng)分子運(yùn)動(dòng)傳遞熱量理論。導(dǎo)熱的基本定律：導(dǎo)熱的基本定律： W F21221mW Fq ：熱流量：單位時(shí)間通過某一面積傳遞的熱量：熱流量：單位時(shí)間通過某一面積傳遞的熱量WW；q q：熱流密度：單位時(shí)間通過單位面積傳遞的熱量；：熱流密度：單位時(shí)間通過單位面積傳遞的熱量；F F：垂直于導(dǎo)熱方向的截面積：垂直于導(dǎo)熱方向的截面積m2m2； ：導(dǎo)熱系數(shù)（熱

4、導(dǎo)率）：導(dǎo)熱系數(shù)（熱導(dǎo)率）( m K)( m K)。圖圖2-1 2-1 一維穩(wěn)態(tài)平板內(nèi)導(dǎo)熱一維穩(wěn)態(tài)平板內(nèi)導(dǎo)熱0 0 x x dtdtQ Q導(dǎo)熱量導(dǎo)熱量12導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù) 固體固體液體液體氣體氣體 導(dǎo)電體導(dǎo)電體絕緣絕緣 工程中需要傳熱加強(qiáng)的例子工程中需要傳熱加強(qiáng)的例子: :暖氣片、空調(diào)風(fēng)機(jī)盤管，過水熱，各種熱水換熱設(shè)備。暖氣片、空調(diào)風(fēng)機(jī)盤管，過水熱，各種熱水換熱設(shè)備。工程中需要傳熱減弱的例子工程中需要傳熱減弱的例子: :管道保溫、墻體保溫，窗戶保溫，人體保暖。管道保溫、墻體保溫，窗戶保溫，人體保暖。保溫材料：國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，溫度低于保溫材料：國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，溫度低于350350度時(shí)熱導(dǎo)率小于度時(shí)熱

5、導(dǎo)率小于0.12() 0.12() 的材料（絕熱材料）的材料（絕熱材料）熱電比擬熱電比擬 為熱阻為熱阻傳熱可以用類似電路計(jì)算的方式進(jìn)行串并聯(lián)計(jì)算。傳熱可以用類似電路計(jì)算的方式進(jìn)行串并聯(lián)計(jì)算。無限大平板無限大平板)/( AttAAR熱阻溫度差/ttq單位面積的傳熱熱阻單位面積的傳熱熱阻電阻電壓差RURUUI2112312341231234FFF33221141則傳熱量為則傳熱量為(1)(1)多層平壁多層平壁例題例題例題例題 1-1 1-1 一塊厚度一塊厚度=50 =50 的平板，的平板， 兩側(cè)表面分別維持在兩側(cè)表面分別維持在.100,30021CtCtowow材料為銅，材料為銅，=375 ( )

6、;=375 ( );材料為鋼，材料為鋼， =36.4 ( );=36.4 ( );材料為鉻磚，材料為鉻磚， =2.32 ( )=2.32 ( )；材料為鉻藻土磚，材料為鉻藻土磚， =0.242 ( )=0.242 ( )。解：參見圖解：參見圖2-12-1。 及一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱公式有：及一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱公式有：例題例題2521mW1046. 105. 01003004 .36q2321mW1028. 905. 010030032. 2q鉻磚：鉻磚： 硅藻土磚：硅藻土磚：討論：由計(jì)算可見，討論：由計(jì)算可見， 由于銅與硅藻土磚導(dǎo)熱系數(shù)的巨大差別，由于銅與硅藻土磚導(dǎo)熱系數(shù)的巨大差別， 導(dǎo)致在相同的條件下通過銅

7、板的導(dǎo)熱量比通過導(dǎo)致在相同的條件下通過銅板的導(dǎo)熱量比通過硅藻土磚的導(dǎo)熱量大三個(gè)數(shù)量級(jí)。硅藻土磚的導(dǎo)熱量大三個(gè)數(shù)量級(jí)。 因而，銅是熱的良導(dǎo)體，因而，銅是熱的良導(dǎo)體， 而硅藻土磚則起到一定的隔熱作用而硅藻土磚則起到一定的隔熱作用2621mW105 . 105. 0100300375q銅：銅：鋼：鋼：2221mW1068. 905. 0100300242. 0q（2 2）單層非平行壁面導(dǎo)熱）單層非平行壁面導(dǎo)熱W 2)ln( 2211221RttlrrttrlqwwwwmW)ln(211221ddttlQqwwmW ln21W ln2111)1(111)1(1niiiinwwlniiiinwwrrtt

8、qrrLtt由不同材料構(gòu)成的多層圓筒壁，其導(dǎo)熱熱流量可按總溫差和總熱阻計(jì)算由不同材料構(gòu)成的多層圓筒壁，其導(dǎo)熱熱流量可按總溫差和總熱阻計(jì)算通過單位長度圓筒壁的熱流量通過單位長度圓筒壁的熱流量 熱電廠中有一直徑為熱電廠中有一直徑為0.2m0.2m的過熱蒸汽管道，鋼管壁厚為的過熱蒸汽管道，鋼管壁厚為8 ,8 ,鋼材的導(dǎo)熱系數(shù)為鋼材的導(dǎo)熱系數(shù)為451管外包有厚度為管外包有厚度為120.m m的保溫層，保溫材料的的保溫層，保溫材料的102. (mK) (mK)，管內(nèi)壁面溫度為，管內(nèi)壁面溫度為1wt300300，保溫層外壁面溫度為，保溫層外壁面溫度為3wt5050。試求單位。試求單位例題例題(mK)，導(dǎo)熱

9、系數(shù)為導(dǎo)熱系數(shù)為管長的散熱損失。管長的散熱損失。 2321213w1wln21ln21ddddttql m216. 0m)12. 02216. 0(ln)Km/(W1 . 021m2 . 0m)008. 022 . 0(ln)Km/(W4521K)50300(3 .210/)189. 110272. 0(2503WKmK 解：這是一個(gè)通過二層圓筒壁的穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題。解：這是一個(gè)通過二層圓筒壁的穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題。鋼管壁的導(dǎo)熱熱阻與保溫層鋼管壁的導(dǎo)熱熱阻與保溫層的導(dǎo)熱熱阻相比非常小，可的導(dǎo)熱熱阻相比非常小，可以忽略以忽略例題例題二、熱對流和對流換熱二、熱對流和對流換熱 流體中（氣體或液體）溫度不同的各部

10、分之間，由流體中（氣體或液體）溫度不同的各部分之間，由于發(fā)生相對的宏觀運(yùn)動(dòng)而把熱量由一處傳遞到另一處的于發(fā)生相對的宏觀運(yùn)動(dòng)而把熱量由一處傳遞到另一處的現(xiàn)象?，F(xiàn)象。熱對流熱對流 當(dāng)流體流過一個(gè)物體表面時(shí)的熱量傳遞過程，它與單純的對流不同，具有如下特點(diǎn)：當(dāng)流體流過一個(gè)物體表面時(shí)的熱量傳遞過程，它與單純的對流不同，具有如下特點(diǎn)： a a 導(dǎo)熱與熱對流同時(shí)存在的復(fù)雜熱傳遞過程導(dǎo)熱與熱對流同時(shí)存在的復(fù)雜熱傳遞過程 b b 必須有直接接觸（流體與壁面）和宏觀運(yùn)動(dòng)；也必須有溫差必須有直接接觸（流體與壁面）和宏觀運(yùn)動(dòng)；也必須有溫差 c c 壁面處會(huì)形成速度梯度很大的邊界層壁面處會(huì)形成速度梯度很大的邊界層 對流

11、換熱對流換熱牛頓冷卻定律牛頓冷卻定律為對流傳熱熱阻為對流傳熱熱阻如：如：wtft冷卻公式加熱公式wffwttttttthqhAttAhqA1hAR1對流換熱的計(jì)算對流換熱的計(jì)算 表0-1 一些表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的數(shù)值范圍 h W /( m2K) 110 501000 20100 100015000 250035000 500035000三、熱輻射及輻射三、熱輻射及輻射 換熱換熱(1)(1)定義：有熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的，以電磁波形式傳遞能量的現(xiàn)象定義：有熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的，以電磁波形式傳遞能量的現(xiàn)象熱輻射熱輻射(2) (2) 特點(diǎn)：特點(diǎn)：a a 任何物體，只要溫度高于任何物體，只要溫度高于0 K0 K，就會(huì)不停地向

12、周圍空間發(fā)出熱輻射；，就會(huì)不停地向周圍空間發(fā)出熱輻射；b b 可以在真空中傳播；可以在真空中傳播；c c 伴隨伴隨能量形式的轉(zhuǎn)變；能量形式的轉(zhuǎn)變；d d 具有強(qiáng)烈的方向性；具有強(qiáng)烈的方向性；e e 輻射能與溫度和波長均有關(guān)；輻射能與溫度和波長均有關(guān)；f f 發(fā)射輻射取決于溫度的發(fā)射輻射取決于溫度的4 4次方。次方。 (3) (3) 生活中的例子：生活中的例子： a a 當(dāng)你靠近火的時(shí)候，會(huì)感到面向火的一面比背面熱；當(dāng)你靠近火的時(shí)候，會(huì)感到面向火的一面比背面熱； b b 冬天的夜晚，呆在有窗簾的屋子內(nèi)會(huì)感到比沒有窗簾時(shí)要舒服；冬天的夜晚，呆在有窗簾的屋子內(nèi)會(huì)感到比沒有窗簾時(shí)要舒服； c c 太陽

13、能傳遞到地面太陽能傳遞到地面(5) (5) 輻射換熱的特點(diǎn)輻射換熱的特點(diǎn)a a 不需要冷熱物體的直接接觸；即：不需要介質(zhì)的存在，在真空中就可以傳遞能量不需要冷熱物體的直接接觸；即：不需要介質(zhì)的存在，在真空中就可以傳遞能量b b 在輻射換熱過程中伴隨著能量形式的轉(zhuǎn)換在輻射換熱過程中伴隨著能量形式的轉(zhuǎn)換 物體熱能物體熱能 電磁波能電磁波能 物體熱能物體熱能c c 無論溫度高低，物體都在不停地相互發(fā)射電磁無論溫度高低，物體都在不停地相互發(fā)射電磁 波能、相互輻射能量；高溫物體輻射給低溫物體的能波能、相互輻射能量；高溫物體輻射給低溫物體的能量大于低溫物體輻射給高溫物體的能量；總的結(jié)果是熱由高溫傳到低溫量

14、大于低溫物體輻射給高溫物體的能量；總的結(jié)果是熱由高溫傳到低溫(4) (4) 輻射換熱：物體間靠熱輻射進(jìn)行的熱量傳遞，它與單純的熱輻射不同，就像對流和對流換熱一樣，輻射換熱：物體間靠熱輻射進(jìn)行的熱量傳遞，它與單純的熱輻射不同，就像對流和對流換熱一樣，1 1、 輻射換熱的研究方法：假設(shè)一種黑體，它只關(guān)心熱輻射的共性規(guī)律，忽略其他因素，然后，真實(shí)輻射換熱的研究方法：假設(shè)一種黑體，它只關(guān)心熱輻射的共性規(guī)律，忽略其他因素，然后，真實(shí)物體的輻射則與黑體進(jìn)行比較和修正，通過實(shí)驗(yàn)獲得修正系數(shù)，從而獲得真實(shí)物體的熱輻射規(guī)律物體的輻射則與黑體進(jìn)行比較和修正，通過實(shí)驗(yàn)獲得修正系數(shù)，從而獲得真實(shí)物體的熱輻射規(guī)律2 2

15、、 黑體的定義：能吸收投入到其表面上的所有熱輻射的物體，包括所有方向和所有波長，因此黑體的定義：能吸收投入到其表面上的所有熱輻射的物體，包括所有方向和所有波長，因此, ,相同相同溫度下，黑體的吸收能力最強(qiáng)溫度下，黑體的吸收能力最強(qiáng). . )(424121TTq42T1T2T圖圖2-3 2-3 兩黑體表面間的輻射換熱兩黑體表面間的輻射換熱41T3 3、 定律定律 ，4TA4Tq，4TA真實(shí)物體則為：真實(shí)物體則為： 4 4、 兩黑體表面間的輻射換熱兩黑體表面間的輻射換熱)(4241TTA第二節(jié)第二節(jié) 傳熱過程和傳熱系數(shù)傳熱過程和傳熱系數(shù)1 1 傳熱過程的定義：兩流體間通過固體壁面進(jìn)行的換熱傳熱過程

16、的定義：兩流體間通過固體壁面進(jìn)行的換熱2 2 傳熱過程包含的傳熱方式：傳熱過程包含的傳熱方式：導(dǎo)熱、對流、熱輻射導(dǎo)熱、對流、熱輻射輻射換熱、輻射換熱、對流換熱、對流換熱、熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)穩(wěn)定傳熱方程穩(wěn)定傳熱方程3 3 一維穩(wěn)態(tài)傳熱過程中的熱量傳遞一維穩(wěn)態(tài)傳熱過程中的熱量傳遞忽略熱輻射換熱，則忽略熱輻射換熱，則左側(cè)對流換熱熱阻左側(cè)對流換熱熱阻111AhRh固體的導(dǎo)熱熱阻固體的導(dǎo)熱熱阻右側(cè)對流換熱熱阻右側(cè)對流換熱熱阻111AhRhAR 上面?zhèn)鳠徇^程中傳遞的熱量為：上面?zhèn)鳠徇^程中傳遞的熱量為：2121212111)()(AhAAhttRRRttffhhfftAkttAkff)(21傳熱系數(shù)傳熱系數(shù) ，是

17、表征傳熱過程強(qiáng)烈程度的標(biāo)尺，不是物性參數(shù)，與過程有關(guān)。，是表征傳熱過程強(qiáng)烈程度的標(biāo)尺，不是物性參數(shù)，與過程有關(guān)。KmW2 2.4.2 2.4.2 傳熱系數(shù)傳熱系數(shù)21211111hhrrrhhk單位熱阻或面積熱阻單位熱阻或面積熱阻a k a k 越大，傳熱越好。若要增大越大，傳熱越好。若要增大 k k，可增大，可增大或減小21 , ,hhc h1c h1、h2h2的計(jì)算方法及增加的計(jì)算方法及增加k k值的措施是本課程的重要內(nèi)容值的措施是本課程的重要內(nèi)容注意：注意：b b 非穩(wěn)態(tài)傳熱過程以及有內(nèi)熱源時(shí)，不能用熱阻分析法非穩(wěn)態(tài)傳熱過程以及有內(nèi)熱源時(shí)，不能用熱阻分析法1 1 冬天，經(jīng)過在白天太陽底下

18、曬過的棉被，晚上蓋起來感到很暖和，并且經(jīng)過拍打以后，效果更冬天，經(jīng)過在白天太陽底下曬過的棉被，晚上蓋起來感到很暖和，并且經(jīng)過拍打以后，效果更加明顯。試解釋原因。加明顯。試解釋原因。 解：棉被經(jīng)過晾曬以后，可使棉花的空隙里進(jìn)入更多的空氣。而空氣在狹小的棉絮空間里的熱量傳遞解：棉被經(jīng)過晾曬以后，可使棉花的空隙里進(jìn)入更多的空氣。而空氣在狹小的棉絮空間里的熱量傳遞方式主要是導(dǎo)熱，由于空氣的導(dǎo)熱系數(shù)較?。ǚ绞街饕菍?dǎo)熱，由于空氣的導(dǎo)熱系數(shù)較小（2020，1.013251.01325105105時(shí)，空氣導(dǎo)熱系數(shù)為時(shí)，空氣導(dǎo)熱系數(shù)為0.0259K0.0259K），具有良好的保溫性能。而經(jīng)過拍打的棉被可以讓更

19、多的空氣進(jìn)入，因而效果更明顯。），具有良好的保溫性能。而經(jīng)過拍打的棉被可以讓更多的空氣進(jìn)入，因而效果更明顯。思思 考考 題題2 2 冬天，在相同的室外溫度條件下，為什么有風(fēng)比無風(fēng)時(shí)感到更冷些？冬天，在相同的室外溫度條件下，為什么有風(fēng)比無風(fēng)時(shí)感到更冷些？思思 考考 題題解：假定人體表面溫度相同時(shí)，人體的散熱在有風(fēng)時(shí)相當(dāng)于強(qiáng)制對流換熱，而在無風(fēng)時(shí)屬自然對流換解：假定人體表面溫度相同時(shí)，人體的散熱在有風(fēng)時(shí)相當(dāng)于強(qiáng)制對流換熱，而在無風(fēng)時(shí)屬自然對流換熱（不考慮熱輻射或假定輻射換熱量相同時(shí)）。而空氣的強(qiáng)制對流換熱強(qiáng)度要比自然對流強(qiáng)烈。因而熱（不考慮熱輻射或假定輻射換熱量相同時(shí)）。而空氣的強(qiáng)制對流換熱強(qiáng)度要比自然對流強(qiáng)烈。因而在有風(fēng)時(shí)從人體帶走的熱量更多，所以感到更冷一些。在有風(fēng)時(shí)從人體帶走的熱量更多，所以感到更冷一些。解：當(dāng)其他條件相同時(shí)，冰箱的結(jié)霜相當(dāng)于在冰箱蒸發(fā)器和冰箱冷凍室（或冷藏室）之間增加了一解：當(dāng)其他條件相同時(shí)，冰箱的結(jié)霜相當(dāng)于在冰箱蒸發(fā)器和冰箱冷凍室（或冷藏室）之間增加了一個(gè)附加熱阻，因此要達(dá)到相同的制