工程传热学基本理论锅炉培训.ppt

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1、锅炉培训22024-5-2基本理论工程传热学32024-5-2工程传热学 研究热量传递规律的科学，具体来讲主要有热量研究热量传递规律的科学，具体来讲主要有热量传递的机理、规律、计算和测试方法传递的机理、规律、计算和测试方法热量传递过程的推动力：温差热量传递过程的推动力：温差 热力学第二定律：热量可以自发地由高温热热力学第二定律：热量可以自发地由高温热源传给低温热源源传给低温热源 有温差就会有传热有温差就会有传热 温差温差是热量传递的推动力是热量传递的推动力传热学（传热学（Heat Transfer）42024-5-2(1)热力学 +传热学=热科学(Thermal Science)系统从一个平衡

2、态到系统从一个平衡态到另一个平衡态的过程另一个平衡态的过程中传递热量的多少。中传递热量的多少。关心的是热量传关心的是热量传递的过程，即热递的过程，即热量传递的速率。量传递的速率。热力学：传热学：tm)(),(fzyxt水，M220oC铁块,M1300oC 传热学与热力学的区别(2)传热学以热力学第一定律和第二定律为基础，即 始终从高温热源向低温热源传递，如果没有能量形式的转化，则 始终是守恒的传热学与工程热力学的关系传热学与工程热力学的关系工程传热学52024-5-2工程传热学热量传递的三种基本方式热量传递的三种基本方式热量传递的三种基本方式：导热热量传递的三种基本方式：导热(热传导热传导)、

3、对流、对流(热对流热对流)和热辐射和热辐射。1 1 导热（热传导）导热（热传导）(Conduction)(Conduction)(1)(1)定义：定义：指温度不同的物体各部分或温度不同的两物体指温度不同的物体各部分或温度不同的两物体间直接接触时，依靠分子、原子及自由电子等微观粒间直接接触时，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而进行的热量传递现象子热运动而进行的热量传递现象(2)(2)物质的属性：物质的属性：可以在固体、液体、气体中发生可以在固体、液体、气体中发生(3)(3)导热的特点：导热的特点：a a 必须有温差；必须有温差；b b 物体直接接触；物体直接接触；c c 依靠分子、原子及

4、自由电子等微观粒子热运动而传递依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而传递热量；热量；d d 在引力场下单纯的导热只发生在密实固体在引力场下单纯的导热只发生在密实固体中。中。62024-5-2(4)(4)导热的基本定律：导热的基本定律：1822年，法国数学家傅里叶Fourier:W ddxtA2mW ddxtAq上式称为上式称为FourierFourier定律，号称导定律，号称导热基本定律，是一个一维稳态热基本定律，是一个一维稳态导热。其中：导热。其中：热流量，单位时间传递的热量：热流量，单位时间传递的热量WW；q q：热流密度，单热流密度，单位时间通过单位面积传递的热量；位时间通过单位面积

5、传递的热量；A A：垂直于导热方向的垂直于导热方向的截面积截面积m2m2；：导热系数（热导率）：导热系数（热导率）W/(m K)W/(m K)。图图1-2 1-2 一维稳态平板内导热一维稳态平板内导热t0 x dxdtQ工程传热学72024-5-2工程传热学(5)(5)导热系数导热系数 表征材料导热能力的大表征材料导热能力的大小，是一种物性参数，与材料小，是一种物性参数，与材料种类和温度关。种类和温度关。(6)(6)一维稳态导热及其导热热阻一维稳态导热及其导热热阻 如图所示，稳态如图所示，稳态 q q=const=const，于是积分于是积分FourierFourier定律有：定律有：210

6、dd21wwttttqtxqww1wt2wtt0 x dxdtQQ1wt2wtArtttqww21RtAttww21rAR 导热热阻导热热阻单位导热热阻单位导热热阻82024-5-2工程传热学2 2 对流（热对流）对流（热对流）(Convection)(Convection)(1)定义定义：流体中（气体或液体）温度不同的各部分之流体中（气体或液体）温度不同的各部分之间，由于发生相对的宏观运动而把热量由一处传递间，由于发生相对的宏观运动而把热量由一处传递到另一处的现象。到另一处的现象。(2)(2)对流换热对流换热：当流体流过一个物体表面时的热量传递当流体流过一个物体表面时的热量传递 过程，他与单

7、纯的对流不同，具有如下特点：过程，他与单纯的对流不同，具有如下特点：a a 导热与热对流同时存在的复杂热传递过程导热与热对流同时存在的复杂热传递过程 b b 必须有直接接触（流体与壁面）和宏观运动；也必须有直接接触（流体与壁面）和宏观运动；也 必须有温差必须有温差 c c 壁面处会形成速度梯度很大的边界层壁面处会形成速度梯度很大的边界层 (3)(3)对流换热的分类对流换热的分类 无相变：强迫对流和自然对流无相变：强迫对流和自然对流 有相变：沸腾换热和凝结换热有相变：沸腾换热和凝结换热92024-5-2工程传热学对流换热中边界层的示意图对流换热中边界层的示意图102024-5-2工程传热学(4)

8、(4)对流换热的基本计算公式对流换热的基本计算公式牛顿冷却公式（了解）牛顿冷却公式（了解）W )(tthAw2mW )(fwtthAqh 表面传热系数 热流量W，单位时间传递的热量q2mW 热流密度K)(mW2A2m 与流体接触的壁面面积wt C 固体壁表面温度t 流体温度 C112024-5-2工程传热学(5)(5)对流换热系数对流换热系数(表面传热系数表面传热系数)（了解）（了解）)(ttAhwK)(mW2 当流体与壁面温度相差当流体与壁面温度相差1 1度时、每单位壁面度时、每单位壁面面积上、单位时间内所传递的热量面积上、单位时间内所传递的热量影响影响h h因素：因素：流速、流体物性、壁面

9、形状大小等流速、流体物性、壁面形状大小等hhrthtqRthAt 1 )(1122024-5-2工程传热学(6)(6)对流换热热阻：对流换热热阻：（了解）（了解）hhrthtqRthAt 1 )(1 )(1WChARh 12WCmhrh132024-5-2工程传热学热辐射热辐射(Thermal radiation)(Thermal radiation)(2)(2)特点特点：a a 任何物体，只要温度高于任何物体，只要温度高于0 K0 K，就会不停地向就会不停地向周围空间发出热辐射；周围空间发出热辐射；b b 可以在真空中传播；可以在真空中传播；c c 伴随能量形伴随能量形式的转变；式的转变；d

10、 d 具有强烈的方向性；具有强烈的方向性；e e 辐射能与温度和波长均辐射能与温度和波长均有关；有关；f f 发射辐射取决于温度的发射辐射取决于温度的4 4次方。次方。(1)(1)定义定义：有热运动产生的，以电磁波形式传递能量的现象：有热运动产生的，以电磁波形式传递能量的现象(3)(3)生活中的例子：生活中的例子：a a 当你靠近火的时候，会感到面向火的一面比背面热；当你靠近火的时候，会感到面向火的一面比背面热；b b 冬天的夜晚，呆在有窗帘的屋子内会感到比没有窗帘时冬天的夜晚，呆在有窗帘的屋子内会感到比没有窗帘时 要舒服；要舒服；c c 太阳能传递到地面太阳能传递到地面 d d 冬天，蔬菜大

11、棚内的空气温度在冬天，蔬菜大棚内的空气温度在00以上，但地面却可能以上，但地面却可能 结冰。结冰。142024-5-2工程传热学152024-5-2工程传热学(4)(4)辐射换热：辐射换热：物体间靠热辐射进行的热量传递，它与单纯的物体间靠热辐射进行的热量传递，它与单纯的热辐射不同，就像对流和对流换热一样。热辐射不同，就像对流和对流换热一样。(5)(5)辐射换热的特点辐射换热的特点a a 不需要冷热物体的直接接触；即：不需要介质的存在，在不需要冷热物体的直接接触；即：不需要介质的存在，在 真空中就可以传递能量真空中就可以传递能量b b 在辐射换热过程中伴随着能量形式的转换在辐射换热过程中伴随着能

12、量形式的转换 物体热力学能物体热力学能 电磁波能电磁波能 物体热力学能物体热力学能c c 无论温度高低，物体都在不停地相互发射电磁无论温度高低，物体都在不停地相互发射电磁 波能、相波能、相 互辐射能量；高温物体辐射给低温物体的能量大于低温物互辐射能量；高温物体辐射给低温物体的能量大于低温物 体辐射给高温物体的能量；总的结果是热由高温传到低温体辐射给高温物体的能量；总的结果是热由高温传到低温162024-5-2工程传热学(6)(6)辐射换热的研究方法：辐射换热的研究方法：假设一种黑体，它只关心热辐假设一种黑体，它只关心热辐射的共性规律，忽略其他因素，然后，真实物体的辐射射的共性规律，忽略其他因素

13、，然后，真实物体的辐射则与黑体进行比较和修正，通过实验获得修正系数，从则与黑体进行比较和修正，通过实验获得修正系数，从而获得真实物体的热辐射规律而获得真实物体的热辐射规律(7)(7)黑体的定义：黑体的定义：能吸收投入到其表面上的所有热辐射的能吸收投入到其表面上的所有热辐射的物体，包括所有方向和所有波长，因此，相同温度下，物体，包括所有方向和所有波长，因此，相同温度下，黑体的吸收能力最强黑体的吸收能力最强 (8)(8)黑体辐射的控制方程：黑体辐射的控制方程：斯蒂芬斯蒂芬-波尔兹曼波尔兹曼Stefan-Stefan-BoltzmannBoltzmann 定律定律 4TA4Tq4TA真实物体则为：真

14、实物体则为：（9 9）两黑体表面间的辐射换热两黑体表面间的辐射换热 )(4241TTA172024-5-2传热过程和传热系数传热过程和传热系数1 1 传热过程的定义：传热过程的定义：两流体间通过固体壁面进行的换热两流体间通过固体壁面进行的换热2 2 传热过程包含的传热方式：传热过程包含的传热方式：导热、对流、热辐射导热、对流、热辐射辐射换热、辐射换热、对流换热、对流换热、热传导热传导 墙壁的散热墙壁的散热工程传热学182024-5-23 3 一维稳态传热过程中的热量传递一维稳态传热过程中的热量传递一维稳态传热过程一维稳态传热过程忽略热辐射换热，则忽略热辐射换热，则左侧对流换热热阻左侧对流换热热

15、阻111AhRh固体的导热热阻固体的导热热阻右侧对流换热热阻右侧对流换热热阻111AhRhAR 工程传热学192024-5-2上面传热过程中传递的热量为：上面传热过程中传递的热量为：2121212111)()(AhAAhttRRRttffhhfftAkttAkff)(21传热系数传热系数 ，是表征传热过程强烈程度的标尺，是表征传热过程强烈程度的标尺，不是物性参数，与过程有关。不是物性参数，与过程有关。KmW2 传热系数传热系数21211111hhrrrhhk单位热阻或面积热阻单位热阻或面积热阻工程传热学k k 越大，传热越好。若要增大越大，传热越好。若要增大 k k，可增大可增大或减小21 ,

16、hh202024-5-21、概念、概念 使热量由一种流体传给另一种流体的设备使热量由一种流体传给另一种流体的设备2、分类：、分类：按照流动特点分按照流动特点分：逆流式逆流式顺流式顺流式错流式错流式换热器换热器工程传热学212024-5-2 按照换热特点分：按照换热特点分：换热面换热面热流体热流体冷流体冷流体间壁式、混合式、蓄热式间壁式、混合式、蓄热式A .间壁式：间壁式：特点：特点：冷热流体分别在换热器的两侧同时连续流动冷热流体分别在换热器的两侧同时连续流动 夹套式换热器夹套式换热器 蛇管式换热器蛇管式换热器 套管式换热器套管式换热器 列管式换热器：列管式换热器：固定管板式、固定管板式、U型管式、浮头式型管式、浮头式 板式换热器板式换热器 翅片式换热器翅片式换热器混合流混合流工程传热学222024-5-2间壁式换热器间壁式换热器 间壁式换热器中，以列管换热间壁式换热器中，以列管换热器最为重要。器最为重要。介绍几种常用的间壁式换热器：介绍几种常用的间壁式换热器：（一）夹套式换热器（一）夹套式换热器 夹套式换热器是最简单的板式换热器。夹套式换热器是最简单的板式换热器。如图所示。它是在容器外