1、2021-6-14第五章 傳熱過程基礎1第五章第五章 傳熱過程基礎傳熱過程基礎the basis of heat transfer processthe basis of heat transfer process5.1 傳熱過程導論傳熱過程導論5.3 熱熱 傳傳 導導5.4 對流傳熱對流傳熱5.5 輻射傳熱輻射傳熱2021-6-14第五章 傳熱過程基礎25.1 傳熱過程導論傳熱過程導論物體或者系統內部由于溫度不同而使熱量發生轉物體或者系統內部由于溫度不同而使熱量發生轉移的過程，稱為熱量的傳遞，簡稱傳熱移的過程，稱為熱量的傳遞，簡稱傳熱。根據熱力根據熱力學第二定律，只要有溫度差就將有熱量自發地

2、從高學第二定律，只要有溫度差就將有熱量自發地從高溫處傳到低溫處溫處傳到低溫處The heat flow is always in the direction of the temperature decrease ，因此傳熱，因此傳熱是自然界和工程技術領域中普遍存在的一種物理現是自然界和工程技術領域中普遍存在的一種物理現象。象。 2021-6-14第五章 傳熱過程基礎35.1.1 傳熱在化工生產中的應用傳熱在化工生產中的應用傳熱是重要的化工單元操作之一，其應用主要包傳熱是重要的化工單元操作之一，其應用主要包括以下幾方面：括以下幾方面：1.加熱或冷卻流體加熱或冷卻流體，符合化學反應或單元操作的符

3、合化學反應或單元操作的需要需要2.對設備或管道進行保溫、隔熱對設備或管道進行保溫、隔熱，以減少熱量，以減少熱量(或或冷量冷量)損失。損失。 3.合理使用熱源合理使用熱源，進行熱量的綜合回收利用。，進行熱量的綜合回收利用。 2021-6-14第五章 傳熱過程基礎45.1.2 傳熱的基本方式傳熱的基本方式根據傳熱的機理不同，傳熱分為三種基本方式：根據傳熱的機理不同，傳熱分為三種基本方式：5.1.2.1.熱傳導熱傳導(導熱導熱) Conduction 定義：定義：熱量從物質中溫度較高的部分傳遞到溫度熱量從物質中溫度較高的部分傳遞到溫度較低的部分，或者從高溫物質傳遞到與之相鄰的低較低的部分，或者從高溫

4、物質傳遞到與之相鄰的低溫物質的熱量傳遞現象。溫物質的熱量傳遞現象。特點：特點：由于物質微觀粒子的熱運動而引起的熱量傳遞，由于物質微觀粒子的熱運動而引起的熱量傳遞，在傳熱方向上無物質的宏觀位移。在傳熱方向上無物質的宏觀位移。 存在于固體、靜止流體及滯流流體中。存在于固體、靜止流體及滯流流體中。發生熱傳導的條件是有溫度差存在，其結果是熱發生熱傳導的條件是有溫度差存在，其結果是熱量從高溫部分傳向低溫部分。量從高溫部分傳向低溫部分。2021-6-14第五章 傳熱過程基礎5從微觀角度看，氣體、液體、導電固體和非導電從微觀角度看，氣體、液體、導電固體和非導電固體的機理各不相同。固體的機理各不相同。氣體：是

5、氣體：是氣體分子做不規則熱運動時相互碰撞的氣體分子做不規則熱運動時相互碰撞的結果。結果。氣體分子的動能與其溫度有關，高溫區的分氣體分子的動能與其溫度有關，高溫區的分子運動速度比低溫區的大。熱量水平較高的分子與子運動速度比低溫區的大。熱量水平較高的分子與熱量水平較低的分子相互碰撞的結果，熱量就由高熱量水平較低的分子相互碰撞的結果，熱量就由高溫區傳遞到低溫區。溫區傳遞到低溫區。導電固體：有導電固體：有許多的自由分子在晶格之間運動，許多的自由分子在晶格之間運動，正如這些自由電子能傳導電能一樣，它們也能將熱正如這些自由電子能傳導電能一樣，它們也能將熱量從高溫處傳遞到低溫區。量從高溫處傳遞到低溫區。20

6、21-6-14第五章 傳熱過程基礎6非導電固體：導熱是通過非導電固體：導熱是通過晶格結構的振動晶格結構的振動(即原即原子、分子在其平衡位置附近的振動子、分子在其平衡位置附近的振動)來實現的。物來實現的。物體中溫度較高部分的分子，因振動而與相鄰的分子體中溫度較高部分的分子，因振動而與相鄰的分子相碰撞，并將熱能的一部分傳遞給后者。相碰撞，并將熱能的一部分傳遞給后者。一般，通過晶格振動傳遞的熱量比依靠自由電子一般，通過晶格振動傳遞的熱量比依靠自由電子遷移傳遞的熱量少，這就是良好的導電體也是良好遷移傳遞的熱量少，這就是良好的導電體也是良好導熱體的原因。導熱體的原因。2021-6-14第五章 傳熱過程基

7、礎7液體：液體：v一種觀點認為它定性地和氣體類似，即依靠一種觀點認為它定性地和氣體類似，即依靠分子不規則熱運動傳遞熱量，分子不規則熱運動傳遞熱量，只是液體分子間只是液體分子間的距離比較近，分子間的作用力對碰撞過程的的距離比較近，分子間的作用力對碰撞過程的影響比氣體大得多，因而更復雜。影響比氣體大得多，因而更復雜。v另一種觀點認為其導熱機理類似于非導電固另一種觀點認為其導熱機理類似于非導電固體，即主要依靠原子、分子在其平衡位置附近體，即主要依靠原子、分子在其平衡位置附近的振動，只是振動的平衡位置間歇地發生移動。的振動，只是振動的平衡位置間歇地發生移動?？偟膩碚f，關于導熱過程的微觀機理，目前仍不總

8、的來說，關于導熱過程的微觀機理，目前仍不很清楚。本章只討論導熱現象的宏觀規律。很清楚。本章只討論導熱現象的宏觀規律。2021-6-14第五章 傳熱過程基礎85.1.2.2.熱對流熱對流(對流對流) Convection定義：定義：由于流體質點發生相對位移而引起的熱量由于流體質點發生相對位移而引起的熱量傳遞過程傳遞過程特點：特點：熱對流只發生在流體中。熱對流只發生在流體中。流體各部分間產生相對位移流體各部分間產生相對位移 2021-6-14第五章 傳熱過程基礎9產生對流的原因產生對流的原因:由于流體內部溫度不同形成密度的差異，在浮力由于流體內部溫度不同形成密度的差異，在浮力的作用下產生流體質點的

9、相對位移，使輕者上浮，的作用下產生流體質點的相對位移，使輕者上浮，重者下沉，稱為自然對流重者下沉，稱為自然對流natural convection ；由于泵、風機或攪拌等外力作用而引起的質點強由于泵、風機或攪拌等外力作用而引起的質點強制運動，稱為強制對流制運動，稱為強制對流force convection 。 流動的原因不同，熱對流的規律也不同。在強制流動的原因不同，熱對流的規律也不同。在強制對流的同時常常伴隨有自然對流。對流的同時常常伴隨有自然對流。2021-6-14第五章 傳熱過程基礎10化工生產中，常遇到的并非是單純的熱對流化工生產中，常遇到的并非是單純的熱對流方式，而是流體流過固體表面

10、時發生的熱對流方式，而是流體流過固體表面時發生的熱對流和熱傳導聯合作用的傳熱過程，即和熱傳導聯合作用的傳熱過程，即熱由流體傳熱由流體傳遞到固體表面遞到固體表面(或反之或反之)的過程，通常將它稱為的過程，通常將它稱為對流傳熱對流傳熱(也稱給熱也稱給熱)。其特點是靠近固體壁面。其特點是靠近固體壁面附近的流體中依靠熱傳導方式傳熱，而在流體附近的流體中依靠熱傳導方式傳熱，而在流體主體中則主要依靠對流方式傳熱。主體中則主要依靠對流方式傳熱?？梢?，可見，對流傳熱與流體流動狀況密切相關對流傳熱與流體流動狀況密切相關。2021-6-14第五章 傳熱過程基礎115.1.2.3.熱輻射熱輻射Radiation定義

11、：定義：因熱的原因而產生的電磁波在空間的傳遞。因熱的原因而產生的電磁波在空間的傳遞。自然界中一切物體都在不停地發射輻射能，同時自然界中一切物體都在不停地發射輻射能，同時又不斷地吸收來自其它物體的輻射能，并將其轉化又不斷地吸收來自其它物體的輻射能，并將其轉化為熱能。為熱能。物體之間相互輻射和吸收能量的總結果，物體之間相互輻射和吸收能量的總結果，稱為輻射傳熱稱為輻射傳熱。由于高溫物體發射的能量比吸收的。由于高溫物體發射的能量比吸收的多，而低溫物體則相反，從而使凈熱量從高溫物體多，而低溫物體則相反，從而使凈熱量從高溫物體傳遞向低溫物體。傳遞向低溫物體。特點：特點：可在真空中傳播可在真空中傳播能量傳遞

12、同時伴隨有能量的轉換能量傳遞同時伴隨有能量的轉換2021-6-14第五章 傳熱過程基礎12任何物體只要在絕對零度以上，都能發射輻射能，任何物體只要在絕對零度以上，都能發射輻射能，但是只有在物體溫度較高時，熱輻射才能成為主要但是只有在物體溫度較高時，熱輻射才能成為主要的傳熱方式。的傳熱方式。實際進行的傳熱過程，往往不是上述三種基本方實際進行的傳熱過程，往往不是上述三種基本方式單獨出現，而是兩種或三種傳熱的組合，而又以式單獨出現，而是兩種或三種傳熱的組合，而又以其中一種或兩種方式為主。其中一種或兩種方式為主。 2021-6-14第五章 傳熱過程基礎135.1.3 典型的傳熱設備典型的傳熱設備實現兩

13、流體換熱過程的設備稱為換熱器實現兩流體換熱過程的設備稱為換熱器 化工生產中遇到的多是兩流體間的熱交換。熱交化工生產中遇到的多是兩流體間的熱交換。熱交換是指熱流體經固體壁面換是指熱流體經固體壁面(間壁間壁)將熱量傳給冷流體將熱量傳給冷流體的過程。的過程。熱流方向間間壁壁熱流體冷流體對流對流導熱冷、熱流體被間壁隔開，它們分冷、熱流體被間壁隔開，它們分別在壁面兩側流動。此壁面即構別在壁面兩側流動。此壁面即構成間壁式換熱器。熱由熱流體以成間壁式換熱器。熱由熱流體以對流方式傳遞到壁面一側，通過對流方式傳遞到壁面一側，通過間壁的導熱，在由壁面另一側以間壁的導熱，在由壁面另一側以對流形式傳遞到冷流體。對流形

14、式傳遞到冷流體。2021-6-14第五章 傳熱過程基礎14現討論典型的間壁式換熱器結構及其操作原理現討論典型的間壁式換熱器結構及其操作原理1.套管式換熱器套管式換熱器由直徑不同的兩根圓管組成的同由直徑不同的兩根圓管組成的同心套管。一種流體在內管中流動，心套管。一種流體在內管中流動，另一種流體在套管的環隙中流動，另一種流體在套管的環隙中流動，兩流體是通過內管壁面進行換熱。兩流體是通過內管壁面進行換熱。 每一段套管稱一程。每一段套管稱一程。程與程之間一般是上下排列，固定在程與程之間一般是上下排列，固定在管架上。若所需傳熱面積較大，則可用數排并列，各排均管架上。若所需傳熱面積較大，則可用數排并列，各

15、排均與總管連接而并聯使用。與總管連接而并聯使用。優點：優點：采用標準管子與管件。構造簡單，加工方便，排數和采用標準管子與管件。構造簡單，加工方便，排數和程數伸縮性大，可距需要增減。適當地選擇內、外管的直徑，程數伸縮性大，可距需要增減。適當地選擇內、外管的直徑，可使兩種流體都達到較高流速，從而提高傳熱系數；兩流體可使兩種流體都達到較高流速，從而提高傳熱系數；兩流體可始終以逆流方向流動，平均溫度差最大?？墒冀K以逆流方向流動，平均溫度差最大。缺點：缺點：接頭多易泄漏，占地面積大，單位面積消耗金屬量大。接頭多易泄漏，占地面積大，單位面積消耗金屬量大。傳熱面積：傳熱面積：S=dL套管式換熱器.swf20

16、21-6-14第五章 傳熱過程基礎152.列管式換熱器列管式換熱器 列管1.swf組成：殼體、管束、管板和封組成：殼體、管束、管板和封頭等部分。頭等部分。 流體流經管束的過程，稱為流流體流經管束的過程，稱為流經管程，將該流體稱為管程經管程，將該流體稱為管程(管管方方)流體；流體；流體流經殼體環隙的過程，稱流體流經殼體環隙的過程，稱為流經殼程，將該流體稱為殼為流經殼程，將該流體稱為殼程程(殼方殼方)流體流體。 2021-6-14第五章 傳熱過程基礎16若流體只在管程內流過一次的，稱為單管程；只在殼程若流體只在管程內流過一次的，稱為單管程；只在殼程內流過一次的，稱為單殼程內流過一次的，稱為單殼程。

17、若列管換熱器的傳熱面積較大，而需要的管數很多時，若列管換熱器的傳熱面積較大，而需要的管數很多時，有時流體在管內的流速便較低，結果使流體的對流傳熱系有時流體在管內的流速便較低，結果使流體的對流傳熱系數減小。為了提高管程流速，可在換熱器封頭內設置隔板，數減小。為了提高管程流速，可在換熱器封頭內設置隔板，將全部管子平均分成若干組，流體在管束內來回流過多次將全部管子平均分成若干組，流體在管束內來回流過多次后排出，稱為多后排出，稱為多(管管)程列管式換熱器，如圖示。程列管式換熱器，如圖示。程數增多，雖然提高了管內流體的流速，增大了管內的程數增多，雖然提高了管內流體的流速，增大了管內的對流傳熱系數，但同時

18、也使流動阻力增大，平均溫度差降對流傳熱系數，但同時也使流動阻力增大，平均溫度差降低。此外，設置隔板后占去部分布管面積而減少了傳熱面低。此外，設置隔板后占去部分布管面積而減少了傳熱面積。因此，程數不宜過多，一般為雙程、四程、六程。積。因此，程數不宜過多，一般為雙程、四程、六程。 傳熱面積：傳熱面積：S=ndL固定管板式換熱器.swf2021-6-14第五章 傳熱過程基礎175.1.4 傳熱速率與熱通量傳熱速率與熱通量衡量傳熱的快慢用傳熱速率及熱通量表示。衡量傳熱的快慢用傳熱速率及熱通量表示。傳熱速率傳熱速率Rate of heat transfer Q：單位時間內通過傳熱面的熱單位時間內通過傳熱

19、面的熱量，量，W熱通量熱通量Heat flux Q/S：每單位面積的傳熱速率，每單位面積的傳熱速率，W/m2說明說明傳熱速率和熱通量是評價換熱器性能的重要指標。傳熱速率和熱通量是評價換熱器性能的重要指標。vq，換熱器性能愈好換熱器性能愈好由于傳熱面積具有不同的表示形式，因此同一傳熱速率所對由于傳熱面積具有不同的表示形式，因此同一傳熱速率所對應的熱通量的數值各不相同。計算時應標明選擇的基準面積。應的熱通量的數值各不相同。計算時應標明選擇的基準面積。對不同的傳熱方式，傳熱速率、熱通量的名稱略有差異。對不同的傳熱方式，傳熱速率、熱通量的名稱略有差異。傳熱方式傳熱速率Q熱通量Q/S導熱導熱導熱速率導熱

20、速率導熱熱通量導熱熱通量對流傳熱對流傳熱對流傳熱速率對流傳熱速率對流傳熱熱通量對流傳熱熱通量輻射傳熱輻射傳熱輻射傳熱速率輻射傳熱速率輻射傳熱熱通量輻射傳熱熱通量2021-6-14第五章 傳熱過程基礎185.1.5 穩態傳熱與非穩態傳熱穩態傳熱與非穩態傳熱穩態傳熱：溫度僅隨位置變化而不隨時間變化穩態傳熱：溫度僅隨位置變化而不隨時間變化的傳熱方式的傳熱方式。顯著顯著特點是傳熱速率特點是傳熱速率Q為常量為常量。連續傳熱過程屬于穩態傳熱。連續傳熱過程屬于穩態傳熱。非穩態傳熱：溫度既隨位置變化又隨時間變化非穩態傳熱：溫度既隨位置變化又隨時間變化的傳熱方式。的傳熱方式。顯著顯著特點是傳熱速率特點是傳熱速率

21、Q為變量為變量。間歇傳熱過程屬于非穩態傳熱。間歇傳熱過程屬于非穩態傳熱。2021-6-14第五章 傳熱過程基礎195.3 熱熱 傳傳 導導 5.3.1 熱傳導的基本概念熱傳導的基本概念 5.3.1.1 溫度場溫度場 一物體或系統內部，只要各點存在溫度差，熱就一物體或系統內部，只要各點存在溫度差，熱就可以從高溫點向低溫點傳導，即產生熱流。因此物可以從高溫點向低溫點傳導，即產生熱流。因此物體或系統內的溫度分布情況決定著由熱傳導方式引體或系統內的溫度分布情況決定著由熱傳導方式引起的傳熱速率起的傳熱速率(導熱速率導熱速率)溫度場：在任一瞬間，物體或系統內各點的溫度溫度場：在任一瞬間，物體或系統內各點的

22、溫度分布總和。分布總和。因此：因此：t=f(x,y,z,) 2021-6-14第五章 傳熱過程基礎20t=f(x,y,z,) 說明說明若溫度場內各點的溫度隨時間變化，此溫度場為若溫度場內各點的溫度隨時間變化，此溫度場為非穩態溫度場，對應于非穩態的導熱狀態。非穩態溫度場，對應于非穩態的導熱狀態。 t=f(x,y,z,) 若溫度場內各點的溫度不隨時間變化，此溫度場若溫度場內各點的溫度不隨時間變化，此溫度場為穩態溫度場，對應于穩態的導熱狀態。為穩態溫度場，對應于穩態的導熱狀態。 t=f(x,y,z)若物體內的溫度僅沿一個坐標方向發生變化，且若物體內的溫度僅沿一個坐標方向發生變化，且不隨時間變化，此溫

23、度場為一維穩態溫度場不隨時間變化，此溫度場為一維穩態溫度場t=f(x)2021-6-14第五章 傳熱過程基礎215.3.1.2 等溫面等溫面在同一時刻，具有相同溫度的各點組成的面稱為在同一時刻，具有相同溫度的各點組成的面稱為等溫面。等溫面。因為在空間同一點不可能同時有兩個不同因為在空間同一點不可能同時有兩個不同的溫度，所以的溫度，所以溫度不同的等溫面不會相交溫度不同的等溫面不會相交。2021-6-14第五章 傳熱過程基礎225.3.1.3 溫度梯度溫度梯度從任一點起沿等溫面移動，溫度無變化，故無熱量從任一點起沿等溫面移動，溫度無變化，故無熱量傳遞；而沿和等溫面相交的任一方向移動，溫度發生傳遞；

24、而沿和等溫面相交的任一方向移動，溫度發生變化，即有熱量傳遞。溫度隨距離的變化程度沿法向變化，即有熱量傳遞。溫度隨距離的變化程度沿法向最大。最大。溫度梯度：溫度梯度：相鄰兩等溫面間溫差相鄰兩等溫面間溫差t與其距離與其距離n之比之比的極限的極限：tgradntntn 0limt+ttt-tgrad tQn2021-6-14第五章 傳熱過程基礎23說明說明溫度梯度為向量，其正方向為溫度增加的方向，溫度梯度為向量，其正方向為溫度增加的方向，與傳熱方向相反。與傳熱方向相反。穩定的一維溫度場，溫度梯度可表示為：穩定的一維溫度場，溫度梯度可表示為： dxdttgrad 2021-6-14第五章 傳熱過程基礎

25、245.3.2 熱傳導基本定律熱傳導基本定律 -傅立葉定律傅立葉定律Fourier law 物體或系統內導熱速率的產生，是由于存在溫度梯度的物體或系統內導熱速率的產生，是由于存在溫度梯度的結果，且熱流方向和溫度降低的方向一致，即與負的溫度結果，且熱流方向和溫度降低的方向一致，即與負的溫度梯度方向一致，后者稱為溫度降度。梯度方向一致，后者稱為溫度降度。傅立葉定律是用以確定在物體各點存在溫度差時，傅立葉定律是用以確定在物體各點存在溫度差時，因熱傳導而產生的導熱速率大小的定律。因熱傳導而產生的導熱速率大小的定律。定義：通過等溫面導熱速率，與其等溫面的面積定義：通過等溫面導熱速率，與其等溫面的面積及溫

26、度梯度成正比：及溫度梯度成正比： ntkdSdQntdSdQ 2021-6-14第五章 傳熱過程基礎255.3.3 導熱系數導熱系數 將傅立葉定律整理，得導熱系數定義式：將傅立葉定律整理，得導熱系數定義式：物理意義：導熱系數在數值上等于單位溫度梯度物理意義：導熱系數在數值上等于單位溫度梯度下的熱通量。下的熱通量。因此，導熱系數表征物體導熱能力的因此，導熱系數表征物體導熱能力的大小，是物質的物性常數之一大小，是物質的物性常數之一。其大小取決于物質其大小取決于物質的組成結構、狀態、溫度和壓強等。的組成結構、狀態、溫度和壓強等。ntdSdqk 2021-6-14第五章 傳熱過程基礎265.3.3 導

27、熱系數導熱系數 導熱系數大小由實驗測定，其數值隨狀態變化很導熱系數大小由實驗測定，其數值隨狀態變化很大。大。 k vary over a wide range. They are highest formetals and lowest for gases. 小小大大氣氣體體液液體體非非金金屬屬固固體體金金屬屬 2021-6-14第五章 傳熱過程基礎275.3.3.1 固體的導熱系數固體的導熱系數 金屬：金屬：35420W/(m)，非金屬：非金屬：0.23.0W/ (m) 說明說明固體中，金屬是最好的導熱體。固體中，金屬是最好的導熱體。 k of metals are generally ne

28、arly constant or decrease slightly as the temperature is increased.The conductivity of alloys is less than that of pure metals.純金屬：純金屬：t，kv金屬：金屬： 純度純度，k非金屬：非金屬：，t ，k對大多數固體，對大多數固體， k值與溫度大致成線性關系：值與溫度大致成線性關系：式中：式中： k、 k0 固體在溫度為固體在溫度為 t、 0時的導熱系數，時的導熱系數，W/(m) 溫度系數。溫度系數。v 大多數金屬：大多數金屬：0 )1(0tkk 2021-6-14第五

29、章 傳熱過程基礎28在熱傳導計算中，用物體的平均導熱系數代替各點處的在熱傳導計算中，用物體的平均導熱系數代替各點處的導熱系數，以簡化計算，引起的誤差很小。方法：導熱系數，以簡化計算，引起的誤差很小。方法：5.3.3.2 液體的導熱系數液體的導熱系數液體導熱系數：液體導熱系數：0.070.7W/(m) t，k(水、甘油除外水、甘油除外)v金屬液體：其金屬液體：其k比一般液體高，其中純比一般液體高，其中純Na最高最高v非金屬液體：純液體的非金屬液體：純液體的k比其溶液的大比其溶液的大在缺乏實驗數據時，溶液的導熱系數可按經驗公式估算在缺乏實驗數據時，溶液的導熱系數可按經驗公式估算（見書）。（見書）。

30、For most liquid k is lower than that for solids, with typical values of about 0.17, and k decreases by 3 to 4 percent for a 10 C rise in temperature.ktttkkkkkm 查圖表或手冊查圖表或手冊壁面兩側的導熱系數壁面兩側的導熱系數2,22121212021-6-14第五章 傳熱過程基礎295.3.3.3 氣體的導熱系數氣體的導熱系數氣體的導熱系數：氣體的導熱系數：0.0060.6 7W/(m)溫度的影響：溫度的影響：t，k P的影響的影響v一般壓

31、強范圍內，一般壓強范圍內，k隨壓強變化很小，可忽略隨壓強變化很小，可忽略v過高過高(2105kPa)、過低過低(b, 故從壁的邊緣處損失的熱量可忽略，故從壁的邊緣處損失的熱量可忽略，S為常量。為常量。SQbt1t22021-6-14第五章 傳熱過程基礎31傅立葉定律可簡化為：傅立葉定律可簡化為： 積分限：積分限：x=0b，t=t1t2 積分積分txb0t1t2WmkbRWSkbRRtttbkSQRtttbkSQkSdtQdx2ttb/)()(2121021導熱熱阻，導熱熱阻，導熱熱阻，導熱熱阻，式中：式中：熱通量：熱通量： dxdtkSQ 2021-6-14第五章 傳熱過程基礎32 )()(2

32、121RtttbkSQRtttbkSQ說明說明推動力為推動力為t，阻力為阻力為R(R) Where R=b/Sk is thermal resistance between points 1 and 2.導熱速率與溫度差、傳熱面積、導熱系數成正比，而與平導熱速率與溫度差、傳熱面積、導熱系數成正比，而與平壁厚度成反比。壁厚度成反比。k，R；Q常數時，常數時，tRk常數：常數：t=f(x)為直線；為直線；k=k0(1+t)：t=f(x)為曲線為曲線熱阻概念的應用：熱阻概念的應用：v計算界面溫度或物體內溫度分布計算界面溫度或物體內溫度分布v從溫度分布判斷各部分熱阻的大小從溫度分布判斷各部分熱阻的大小

33、2021-6-14第五章 傳熱過程基礎33例例 某平壁厚度為某平壁厚度為0.37m，內表面溫度內表面溫度t1為為1650，外表面溫度，外表面溫度t2為為300，平壁材料導熱系數，平壁材料導熱系數k=0.815+0.00076t(t的單位為的單位為，k的單位為的單位為W/(m)。若將導熱系數分別按常量和變量處理時，。若將導熱系數分別按常量和變量處理時，試求平壁的溫度分布關系式和導熱熱通量。試求平壁的溫度分布關系式和導熱熱通量。解：解：(1)導熱系數按常量處理導熱系數按常量處理2/5677)3001650(37. 0556. 1)()/(556. 197500076. 0815. 000076.

34、0815. 09752300165022121mwttbksQmwtktttmm 平均導熱系數：平均導熱系數：平均溫度：平均溫度：結論：導熱系數按常量處理時，溫度分布為直線結論：導熱系數按常量處理時，溫度分布為直線txtt1t2bx0 xxksqxttttxksQ36491650556. 156771650)(11 2021-6-14第五章 傳熱過程基礎34(2)導熱系數按變量處理導熱系數按變量處理222222121/5677)3001650(37. 0200076. 0)3001650(37. 0815. 0)(200076. 0)(815. 0)00076. 0815. 0()00076.

35、 0815. 0(21mWsQttbttbsQdttdxsQdxdttdxdtksQb0tt 得：得：積分：積分：xttxtxttxttxsQ762222111049. 11041. 71072)1650(200076. 0)1650(815. 05677)(200076. 0)(815. 0 整理得：整理得：結論：導熱系數按變量處理時，溫度分布為曲線結論：導熱系數按變量處理時，溫度分布為曲線txtt1t2bx02021-6-14第五章 傳熱過程基礎355.3.4.2 多層平壁的穩態熱傳導多層平壁的穩態熱傳導 以三層平壁為例。以三層平壁為例。前提條件：前提條件：層間接觸良好，即相互接層間接觸良

36、好，即相互接觸的兩表面溫度相同，且觸的兩表面溫度相同，且t1t2t3t4各層平壁面積均為各層平壁面積均為S，厚度厚度分別為分別為b1，b2，b3Qt1t2t3t4b1b2b3各層導熱系數為常數，分別為各層導熱系數為常數，分別為k1、k2、k3 傳熱為穩態一維熱傳導：傳熱為穩態一維熱傳導：Q1=Q2=Q3=Q據此，由傅立葉定律，得：據此，由傅立葉定律，得：2021-6-14第五章 傳熱過程基礎363213213322114133221132141333432223211121)(:)3()2()1()3()2()1(RRRtttSkbSkbSkbttQSkbSkbSkbQtttttSbQtttS

37、bQtttSbQttt 整理，得：整理，得： QSkbttSkbttSkbtt 3343223211212021-6-14第五章 傳熱過程基礎37 說明說明多層平壁熱傳導的總推動力為各層溫度差之和，多層平壁熱傳導的總推動力為各層溫度差之和，即總溫度差；總熱阻為各層熱阻之和。即總溫度差；總熱阻為各層熱阻之和。Q計計Q測測：(t1-tn+1)一定，一定，Q，R。說明實際情說明實際情況層間接觸不良，存在附加的熱阻況層間接觸不良，存在附加的熱阻t1tn+1，Q0，熱量損失熱量損失 t1tn+1，Qt2，在在圓筒壁半徑圓筒壁半徑r處沿半徑方向取微處沿半徑方向取微元厚度元厚度dr的圓筒壁，其傳熱面積：的圓

38、筒壁，其傳熱面積：S=2rL圓筒很長，沿軸向散失熱量可圓筒很長，沿軸向散失熱量可以忽略，溫度僅沿半徑方向變化，以忽略，溫度僅沿半徑方向變化，為一維穩態熱傳導。為一維穩態熱傳導。圓筒壁材質均勻，導熱系數圓筒壁材質均勻，導熱系數k為常數為常數 2021-6-14第五章 傳熱過程基礎4212212121ln)(22t ,22121rrttLkQLdtkrdrQttrrrdrdtrLkdrdtkSQttrr 整整理理，得得：積積分分：積積分分限限：傅傅立立葉葉定定律律：21212m1212121221m21mmlnS mlnr-r2ln)r-r (2r-r)(Sb)(S12積，積，圓筒壁的對數平均面圓

39、筒壁的對數平均面徑，徑，圓筒壁的對數平均半圓筒壁的對數平均半其中：其中：速率方程類似的形式：速率方程類似的形式：將此式寫成與平壁導熱將此式寫成與平壁導熱SSSSrrrLrLSttkttkQmmrrm 單層圓筒壁導單層圓筒壁導熱速率計算式熱速率計算式2021-6-14第五章 傳熱過程基礎43說明說明當圓筒壁兩側溫度不變時，傳熱速率當圓筒壁兩側溫度不變時，傳熱速率Q為常量，為常量，但由于但由于S與與r有關，故熱通量有關，故熱通量Q/S不再是常量，而不再是常量，而Q/L保持常量；保持常量；在任一半徑在任一半徑r處，溫度表示為處，溫度表示為:表明溫度沿表明溫度沿r方向為對數曲線分布；方向為對數曲線分布

40、；11ln2rrkLQtt 1221ln)(2rrttLkQ 2021-6-14第五章 傳熱過程基礎44 表明導熱速率與推動力表明導熱速率與推動力t成正比，而與導熱熱成正比，而與導熱熱阻阻R成反比。成反比。 誤差不超過誤差不超過4，工程上允許。，工程上允許。RtkSbRm Q，稱導熱熱阻，則，稱導熱熱阻，則若令若令2S 2S212 2r2121122112SSSrrrrmm 時，時，當當時，時，當當2021-6-14第五章 傳熱過程基礎45單層圓筒壁導熱計算舉例單層圓筒壁導熱計算舉例例例4-2 在外徑為在外徑為133mm的蒸汽管道外包扎一層石棉保溫材的蒸汽管道外包扎一層石棉保溫材料，導熱系數為

41、料，導熱系數為0.2W/(m)，蒸汽管外壁溫度為蒸汽管外壁溫度為160，要求保溫層外側溫度要求保溫層外側溫度40，若每米管長熱損失控制在，若每米管長熱損失控制在240W/m下，求保溫層厚度。下，求保溫層厚度。解：單層圓筒壁熱傳導速率方程解：單層圓筒壁熱傳導速率方程故保溫層厚度故保溫層厚度b=r2-r10.125-0.06650.058 m meerrrrttLkQLQttk125. 00665. 0ln)(2240)40160(2 . 02/)(212122121 2021-6-14第五章 傳熱過程基礎465.3.5.2 多層圓筒壁穩態熱傳導多層圓筒壁穩態熱傳導 以三層為例。以三層為例。前提條

42、件：前提條件：各層間接觸良好各層間接觸良好各層導熱系數各層導熱系數k1、k2、k3均均為常數為常數一維穩態熱傳導一維穩態熱傳導據多層平壁熱傳導計算公式：據多層平壁熱傳導計算公式：321321RRRtttQ 2021-6-14第五章 傳熱過程基礎473432321214132132134333334332322222322121121121111211ln1ln1ln1)(2ln21 ln21 ln21ln)(2 12rrkrrkrrkttLRRRtttQrrLkSkbRtttrrLkSkbRtttrrLkrrLkrrSkbRtttmmrrm 式中：式中： niiiniiiinRtrrkttLQ

43、1n1i1111ln1)(2n 程程式式為為：層層圓圓筒筒壁壁，導導熱熱速速率率方方推推廣廣到到2021-6-14第五章 傳熱過程基礎48說明說明多層圓筒壁熱傳導的總推動力為各層溫度差之和，多層圓筒壁熱傳導的總推動力為各層溫度差之和，總熱阻為各層熱阻之和?？偀嶙铻楦鲗訜嶙柚??？偟膶崴俾逝c總推動力成正比，而和總阻力成總的導熱速率與總推動力成正比，而和總阻力成反比。對各層，同樣有溫差與熱阻成正比。反比。對各層，同樣有溫差與熱阻成正比。不論圓筒壁由多少層組成，通過各層導熱速率不論圓筒壁由多少層組成，通過各層導熱速率Q和和Q/L為常量，但為常量，但Q/S不為常量；不為常量；其中每一層的溫度分布為曲

44、線，但各層分布曲線其中每一層的溫度分布為曲線，但各層分布曲線不同；不同； 2S 2S212 2r2111i11i iimiiiimiiSSSrrrr時，時，當當時，時，當當2021-6-14第五章 傳熱過程基礎495.4 對流傳熱對流傳熱 5.4.1 對流傳熱機理對流傳熱機理 對流傳熱，指流體與固體壁面直接接觸時的傳熱對流傳熱，指流體與固體壁面直接接觸時的傳熱，是流體的對流與導熱兩者共同作用的結果。其傳熱是流體的對流與導熱兩者共同作用的結果。其傳熱速率與流動狀況有密切關系。速率與流動狀況有密切關系。 考察湍流流體：考察湍流流體：流體流過固體壁面時，由于流體流體流過固體壁面時，由于流體的粘性作用

45、，使的粘性作用，使靠近固體壁面附近靠近固體壁面附近存在一薄滯流底層存在一薄滯流底層。在此薄層內，。在此薄層內，沿壁面的法線方向沒有熱對流，該沿壁面的法線方向沒有熱對流，該方向上熱的傳遞僅為熱傳導。由于方向上熱的傳遞僅為熱傳導。由于流體的導熱系數較低，使滯流底層流體的導熱系數較低，使滯流底層中的導熱熱阻很大，因此該層中溫中的導熱熱阻很大，因此該層中溫度差較大，即度差較大，即溫度梯度較大溫度梯度較大。在在湍流主體湍流主體中，由于流體質中，由于流體質點的劇烈混合并充滿漩渦，因點的劇烈混合并充滿漩渦，因此湍流主體中溫度差及溫度梯此湍流主體中溫度差及溫度梯度極小，熱量主要以熱對流的度極小，熱量主要以熱對

46、流的方式傳遞，方式傳遞，各處的溫度基本相各處的溫度基本相同同。在湍流主體與滯流底層的在湍流主體與滯流底層的過過渡層中渡層中，熱傳導和熱對流均起，熱傳導和熱對流均起作用，在該層內作用，在該層內溫度發生了緩溫度發生了緩慢的變化慢的變化。2021-6-14第五章 傳熱過程基礎50在熱流體的湍流主體中，在熱流體的湍流主體中，由于流體質點充分混合，由于流體質點充分混合，溫度基本一致，即圖中溫度基本一致，即圖中T；在過渡層中，溫度由在過渡層中，溫度由T緩慢下降至緩慢下降至Tw；在滯流底層中，由于熱在滯流底層中，由于熱阻較大，溫度由阻較大，溫度由Tw急劇急劇下降至下降至Ts，再往右，通過再往右，通過管壁，因

47、其材料為金屬，管壁，因其材料為金屬，熱阻較小，因此，管壁熱阻較小，因此，管壁兩側的溫度兩側的溫度Ts和和ts相差很相差很小。小。TtTwtwTsts此后，在冷流體中，又此后，在冷流體中，又順序通過滯流底層、過順序通過滯流底層、過渡層而到達湍流主體，渡層而到達湍流主體，溫度由溫度由ts經經tw下降至下降至t。湍流流體中的溫度湍流流體中的溫度分布分布由以上分析可知，由以上分析可知，對流傳熱對流傳熱的熱阻主要集中在滯流底層的熱阻主要集中在滯流底層中，因此，減薄滯流底層的中，因此，減薄滯流底層的厚度是強化對流傳熱的重要厚度是強化對流傳熱的重要途徑途徑。Tbtb在計算傳熱量時，一般在計算傳熱量時，一般用

48、易于測量的平均溫度用易于測量的平均溫度Tb和和tb代替截面上最高、最代替截面上最高、最低溫度低溫度T和和 t。2021-6-14第五章 傳熱過程基礎515.4.2對流傳熱系數對流傳熱系數據前分析，對流傳熱是一復雜的過程，包括流體中的熱傳導、熱對據前分析，對流傳熱是一復雜的過程，包括流體中的熱傳導、熱對流及壁面的熱傳導過程，因而影響對流傳熱速率的因素很多。由于過流及壁面的熱傳導過程，因而影響對流傳熱速率的因素很多。由于過程復雜，進行純理論計算是相當困難的，故目前工程上采用半經驗方程復雜，進行純理論計算是相當困難的，故目前工程上采用半經驗方法處理，將許多復雜影響因素歸納到比例系數法處理，將許多復雜

49、影響因素歸納到比例系數h內。內。5.4.2.1 對流傳熱速率方程對流傳熱速率方程將湍流主體區和滯流底層的溫度梯度將湍流主體區和滯流底層的溫度梯度曲線延長，其交點與壁面距離為曲線延長，其交點與壁面距離為，此此膜層稱為虛擬膜或有效膜。膜層稱為虛擬膜或有效膜。 湍流主體區 過渡區滯流底層虛擬膜 說明這是一集中了全部傳熱溫差以導說明這是一集中了全部傳熱溫差以導熱方式傳熱的膜層，其溫度梯度為熱方式傳熱的膜層，其溫度梯度為 tdshdQk-htdsk-dydtdsk-dQtdydt 則則：令令代代入入傅傅立立葉葉定定律律，得得, 牛頓冷卻定律式中：dQ 局部對流傳熱速率，W；dS微分傳熱面積；m2；t 換

50、熱器任一截面上流體的傳熱溫度差，；h 局部對流傳熱系數，W/(m2 )。 2021-6-14第五章 傳熱過程基礎52說明說明1.h取平均值取平均值在換熱器中，局部對流傳熱系數在換熱器中，局部對流傳熱系數h隨管長而變化，隨管長而變化，但在工程計算中，常使用平均對流傳熱系數，一般但在工程計算中，常使用平均對流傳熱系數，一般也用也用h表示，此時牛頓冷卻定律可表示為：表示，此時牛頓冷卻定律可表示為： Q=hSt式中：式中： Q 對流傳熱速率，對流傳熱速率，W； S 總傳熱面積；總傳熱面積；m2； t 流體與壁面流體與壁面(或反之或反之)間溫度差平均值，間溫度差平均值，； h 平均對流傳熱系數，平均對流

51、傳熱系數，W/(m2 ) 。 2021-6-14第五章 傳熱過程基礎532.牛頓冷卻定律的具體表達方式與實際換熱情況牛頓冷卻定律的具體表達方式與實際換熱情況有關有關換熱器的傳熱面積有不同的表示方法，流體的流換熱器的傳熱面積有不同的表示方法，流體的流動位置不同，牛頓冷卻定律有不同的寫法。如：動位置不同，牛頓冷卻定律有不同的寫法。如：熱流體、管程：熱流體、管程：dQ=hi(Tb-Ts)dSi熱流體、殼程：熱流體、殼程：dQ=ho(Tb-Ts)dSo冷流體、管程：冷流體、管程：dQ=hi(ts-tb)dSi冷流體、殼程：冷流體、殼程：dQ=ho(ts-tb)dSo可見，對流傳熱系數是和傳熱面積及溫度

52、差相對可見，對流傳熱系數是和傳熱面積及溫度差相對應的應的2021-6-14第五章 傳熱過程基礎545.4.2.2 對流傳熱系數對流傳熱系數定義式一：定義式一：據牛頓冷卻定律得據牛頓冷卻定律得tdSdQh 即：即：在單位溫度差下，對流傳熱系數在數值上等于由對流在單位溫度差下，對流傳熱系數在數值上等于由對流傳熱參數的熱通量傳熱參數的熱通量。但該式并未揭示出影響對流傳熱系數或對流傳熱速率的因但該式并未揭示出影響對流傳熱系數或對流傳熱速率的因素，所以無法通過此式計算對流傳熱系數素，所以無法通過此式計算對流傳熱系數h。dSdQht 時時，物物理理意意義義：當當12021-6-14第五章 傳熱過程基礎55

53、定義式二：定義式二：據前述，在壁面附近的滯流底層中，據前述，在壁面附近的滯流底層中，傳熱方式只有熱傳導，故傳熱速率方程可以用傅立傳熱方式只有熱傳導，故傳熱速率方程可以用傅立葉定律表示，即：葉定律表示，即：上式作用上式作用對于一定的流體和溫度差，只要知道壁面附近流對于一定的流體和溫度差，只要知道壁面附近流體層的溫度梯度，就能求得體層的溫度梯度，就能求得h?？梢?，此式是在理可見，此式是在理論上分析和計算論上分析和計算h的基礎。的基礎。tdydtkhthdsdQdSdydtkdQss )()(，得：，得：聯立：聯立：2021-6-14第五章 傳熱過程基礎56說明說明熱邊界層的厚薄，影響層內的溫度分布

54、，因而影熱邊界層的厚薄，影響層內的溫度分布，因而影響溫度梯度。響溫度梯度。當熱邊界層內、外側溫度差一定時：當熱邊界層內、外側溫度差一定時： hdydthdydtstst)()( 而熱邊界層的厚薄，受流動邊界層的劇烈影響。而熱邊界層的厚薄，受流動邊界層的劇烈影響。結論結論減薄熱邊界層的厚度，有利于對流傳熱過程的進行減薄熱邊界層的厚度，有利于對流傳熱過程的進行。2021-6-14第五章 傳熱過程基礎575.4.4 對流傳熱過程的量綱分析對流傳熱過程的量綱分析5.4.4.1 對流傳熱系數的影響因素對流傳熱系數的影響因素對流傳熱是流體在外界條件作用下，在一定幾何對流傳熱是流體在外界條件作用下，在一定幾

55、何形狀、尺寸的設備中流動時與固體壁面之間的傳熱形狀、尺寸的設備中流動時與固體壁面之間的傳熱過程，因此影響過程，因此影響h的主要因素是：的主要因素是：1.流體的種類和相變化情況流體的種類和相變化情況h氣體氣體h無相變無相變2021-6-14第五章 傳熱過程基礎582.流體的物性流體的物性對對h影響較大的流體物性有導熱系數影響較大的流體物性有導熱系數k、粘度粘度、比熱比熱Cp、密度密度及對自然對流影響較大的體積膨脹及對自然對流影響較大的體積膨脹系數系數。具體地：具體地： k、Cp 、 、 h3.流體的溫度流體的溫度流體溫度對對流傳熱的影響表現在流體溫度與壁流體溫度對對流傳熱的影響表現在流體溫度與壁

56、面溫度之差面溫度之差t，流體物性隨溫度變化程度及附加自流體物性隨溫度變化程度及附加自然對流等方面的綜合影響。故計算中要修正溫度對然對流等方面的綜合影響。故計算中要修正溫度對物性的影響。在傳熱計算過程中，當溫度發生變化物性的影響。在傳熱計算過程中，當溫度發生變化時用以確定物性所規定的溫度稱為定性溫度。時用以確定物性所規定的溫度稱為定性溫度。2021-6-14第五章 傳熱過程基礎594.流體的流動狀態流體的流動狀態流體呈湍流時，隨著流體呈湍流時，隨著Re的增加，滯流底層的厚度的增加，滯流底層的厚度減薄，阻力降低，減薄，阻力降低，h增大。流體呈滯流時，流體在增大。流體呈滯流時，流體在熱流方向上基本沒

57、有混雜作用，故熱流方向上基本沒有混雜作用，故h較湍流時小。較湍流時小。即：即： h滯流滯流h湍流湍流 5.流體流動的原因流體流動的原因自然對流：由于流體內部存在溫度差，因而各部自然對流：由于流體內部存在溫度差，因而各部分的流體密度不同，引起流體質點的相對位移。分的流體密度不同，引起流體質點的相對位移。強制對流：由于外來的作用，迫使流體流動。強制對流：由于外來的作用，迫使流體流動。 h自然對流自然對流h強制對流強制對流 2021-6-14第五章 傳熱過程基礎606.傳熱面的形狀、位置和大小傳熱面的形狀、位置和大小傳熱壁面的幾何因素對流體沿壁面的流動狀態、傳熱壁面的幾何因素對流體沿壁面的流動狀態、

58、速度分布和溫度分布都有較大影響，從而影響對流速度分布和溫度分布都有較大影響，從而影響對流傳熱。如流體流過平板與管內的流動就不同，在自傳熱。如流體流過平板與管內的流動就不同，在自然對流時垂直熱表面側的流體就比水平熱表面下面然對流時垂直熱表面側的流體就比水平熱表面下面的流體自然對流條件要好。因此必須考慮傳熱面的的流體自然對流條件要好。因此必須考慮傳熱面的特定幾何條件對傳熱的影響，一般采用對對流傳熱特定幾何條件對傳熱的影響，一般采用對對流傳熱有決定性影響的特征尺寸作為計算依據，稱為定性有決定性影響的特征尺寸作為計算依據，稱為定性尺寸。尺寸。 2021-6-14第五章 傳熱過程基礎615.4.4.2

59、對流傳熱過程的量綱分析對流傳熱過程的量綱分析由于影響對流傳熱系數的因素眾多而復雜，因此由于影響對流傳熱系數的因素眾多而復雜，因此不可能用一個通式來描述，為此首先進行理論分析，不可能用一個通式來描述，為此首先進行理論分析，將眾多的影響因素組合成若干無量綱數群將眾多的影響因素組合成若干無量綱數群(準數準數)，然后用實驗的方法確定這些準數間關系，從而建立然后用實驗的方法確定這些準數間關系，從而建立相應的關聯式相應的關聯式 。 本節采用白金漢法處理對流傳熱問題，適用于變本節采用白金漢法處理對流傳熱問題，適用于變量較多的情況。量較多的情況。5.4.4.2.1 流體無相變時的強制對流傳熱過程步驟流體無相變

60、時的強制對流傳熱過程步驟：1.列出影響該過程的物理量列出影響該過程的物理量據理論分析及實驗研究，知影響據理論分析及實驗研究，知影響h的因素有：定性的因素有：定性尺寸尺寸l，流體的密度流體的密度，粘度粘度，比熱比熱Cp，導熱系數導熱系數k，流速流速u，可將其表示為：可將其表示為：hf(l, ，Cp，k，u)2021-6-14第五章 傳熱過程基礎622.確定準數數目確定準數數目 定理：任何一個量綱一致的物理方程都可表示定理：任何一個量綱一致的物理方程都可表示成一個隱函數的形式，即：成一個隱函數的形式，即： f(1, 2, 3， ，i)=0其中：其中：i=j-m i無量綱準數的數目無量綱準數的數目