维修电工第七章-传热学基础课件.ppt

1、第七章传热学基础第一节稳 态 导 热 主编一、导热的基本概念(一)导热 导热（或称热传导）是指物体各部分之间不发生相对位移时，依靠物质的分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动而产生的热量传递现象。例如，固体内部存在温差时，热量会从高温部分传递到低温部分，或者温度较高的固体把热量传递给与之直接接触的低温物体，这些都是导热现象。单纯的导热现象只能发生在固体中，因为在流体中只要存在温差，就会出现对流现象。(二)温度场 导热过程中热量的传递与物体内部温度分布状况有关，因此在研究导热规律之前先研究某一时刻物体内各点的温度分布温度场。一般情况下，温度t是空间坐标(x,y,z)和时间()的函数，即一、导热的

2、基本概念(三)导热基本定律 1822年法国数学、物理学家傅里叶在研究了固体导热现象时指出：单位时间内传递的热量Q与温度梯度及垂直于导热方向的截面积A成正比，设比例系数为，对于一维稳态温度场，有(四)导热系数及其影响因素 导热系数是表征物质导热能力的物性参数，单位为W/（mK）。不同材料的导热系数值不同，即使是同种材料，导热系数的数值还与温度、湿度等有关。二、平壁的稳态导热表7-1一些材料的导热系数二、平壁的稳态导热根据傅里叶定律可知，单层平壁单位面积上的热流量为可见在单位时间内，平壁单位面积热流量与导热系数及平壁两表面的温度差成正比，与平壁的厚度成反比。若平壁的导热面积为A，则总热流量为图7-

3、1单层平壁的稳态导热位面积总热阻等于各层平壁热阻之和，这与串联电路的情况相类似，热流密度可以直接表示为二、平壁的稳态导热图7-2单层圆筒壁的稳态导热根据傅里叶定律可知，单层圆筒壁的热流量计算公式为工程上为了计算方便，常按单位管长计算热流量，即制冷工程常采用由几种不同材料组合成的多层圆筒壁，如裹有隔热材料的制冷剂管道等。与多层平壁的分析方法相同，多层圆筒壁单位管长的热流量为第二节对 流 换 热一、对流换热的基本概念(一)对流换热过程 热对流是指由于流体的宏观运动，使其各部分之间发生相对位移，冷热流体相互掺混所引起的热量传递过程，这种现象仅发生在流体内部。在工程中通常遇到的是在流体与固体之间发生的

4、对流换热（又称放热）。(二)对流换热计算公式 对流换热过程的热量传递是两种基本传热方式共同作用的结果，一种是粘性流体与固体壁面直接接触的导热；另一种是流体内部的热对流。所以对流换热过程远比导热要复杂得多。对流换热热流量以牛顿冷却公式为基本计算式，即一、对流换热的基本概念(三)影响对流换热的因素 由牛顿冷却公式可知，研究对流换热的主要任务就是利用理论分析或实验方法具体求出各种场合下表面传热系数的计算公式，而的大小与换热过程中的许多因素有关，归纳起来大致有以下几个方面：一、对流换热的基本概念1.流体流动的状态 流体力学中讲到，流体在流动过程中有层流和紊流两种不同的流态。层流时，流速缓慢，流体沿主流

5、方向作有规则的分层流动，流体与壁面间的热量传递主要依靠导热，表面传热系数的大小取决于流体的导热系数；紊流时，在层流边界层中的热量传递依靠导热，而紊流核心中的热量传递则依靠流体各部分的剧烈混合，表面传热系数的大小主要取决于层流边界层的热阻。因此，在其他条件相同时，紊流对流换热的强度要比层流时强烈，表面传热系数大。一、对流换热的基本概念2.流体流动的起因 由于引起流体流动的起因不同，对流换热可分为自然对流换热与强制对流（也称受迫运动）换热两大类。自然对流是由于流体各部分温度不同而引起的密度不同所产生的流动，例如家用电冰箱冷凝器表面附近的空气受热向上流动就是这种情况。如果流体的运动是由于水泵、风机或

6、其他外部动力源所造成的，则称为强制对流。强制对流时由于外力的作用，流体相对于壁面的流速较自然对流高，因此表面传热系数较大。例如，水在自然对流换热时，2001000W/（m2），而在强制对流换热情况下，100015000W/（m2）。一、对流换热的基本概念3.流体的相变 一般来说对同一种流体，有相变的对流换热比无相变时强烈得多。因为无相变时对流换热量主要是流体的显热，而在有相变的对流换热过程中，如沸腾或凝结换热，对流换热量主要是流体吸收或放出的潜热。例如，水在沸腾换热时，250035000W/（m2）。4.流体的物理性质 流体的物理性质对于对流换热有很大影响，如导热系数越大，其导热热阻越小，换热

7、效果就越好；而粘度大的流体流动时阻力大，影响流体各质点间的相互混合，使对流换热减弱；比热容和密度较大的流体单位体积能携带更多的热量，对流换热量也较大。一、对流换热的基本概念5.放热表面的几何因素 放热面几何尺寸、形状、粗糙程度和放热面与流体运动方向的相对位置会影响流体在换热面附近的流动情况，也就影响到对流换热的强度。如流体在管内流动与流体横掠圆管时的流动情况不同，换热规律必然是不同的；平板表面加热空气自然对流时，热面朝上气流扰动比较激烈，如果热面朝下时，自然对流受抑制，放热强度比热面朝上时要小。二、沸腾与凝结换热(一)沸腾换热 沸腾分为大容器沸腾（或称池内沸腾）和管内沸腾（或称有限空间沸腾、强

8、迫流动1)用烧结、钎焊、火焰喷涂、电离沉积等物理与化学手段在换热表面上形成多孔结构。2)用机械加工方法在换热面上造成多孔结构，如图7-3所示。图7-3沸腾换热强化管表面结构示意图a)整体肋b)GEWA-T管c)内扩槽结构管d)W-TX管(1)e)W-TX管(2)f)多孔管g)弯肋h)日立E管i)Tu-B管二、沸腾与凝结换热图7-4两种凝结形式a)膜状凝结b)珠状凝结 当蒸气与低于其饱和温度的壁面相接触时有两种不同的凝结形式，如图7-4所示。如果凝结液体能很好地润湿壁面，就会在壁面上形成一层液膜，这种凝结形式称为膜状凝结。膜状凝结时，壁面总是被一层液膜覆盖着，凝结放出的潜热必须穿过这层液膜才能传

9、到冷却壁面二、沸腾与凝结换热(二)凝结换热当蒸气与低于其饱和温度的壁面相接触时有两种不同的凝结形式，如图7 4所示。如果凝结液体能很好地润湿壁面，就会在壁面上形成一层液膜，这种凝结形式称为膜状凝结。膜状凝结时，壁面总是被一层液膜覆盖着，凝结放出的潜热必须穿过这层液膜才能传到冷却壁面上，此时，液膜层就成为换热的主要热阻。如果凝结液体不能很好地润湿壁面，就会在壁面上形成一个一个的小液珠，且不断发展长大，向下滚落，这种凝结形式称为珠状凝结。珠状凝结时，大部分蒸气可以直接与冷壁面接触，放出的汽化潜热直接传给冷壁面，因此换热表面传热系数远大于同条件下的膜状凝结。尽管如此，在大多数冷凝器中得到的都是膜状凝

10、结，因为珠状凝结不能长久地保持。二、沸腾与凝结换热1.不凝性气体制冷系统在安装、运行或维修过程中，会有不凝性气体（如空气、氮气）残留或渗入系统，此外制冷剂也会分解出一些气体。即使蒸气中不凝性气体含量很少，也会对凝结换热产生十分不利的影响。这是因为在靠近液膜表面的蒸气侧，随着蒸气的凝结，蒸气分压力减小，而不凝性气体的分压力增大并且会停留在冷壁面附近，在液膜和蒸气之间形成一层气体层，蒸气在达到凝结液膜表面进行凝结前必须要穿过这层气体，因此，不凝性气体的存在增加了传递过程的热阻，使换热变差；另外，由于凝结液膜附近蒸气分压力降低，相当于降低了凝结液面附近的蒸气浓度，其相应的饱和温度也下降，减小了凝结换

11、热的温差，使凝结过程削弱。因此，必须定期排除冷凝器中的不凝性气体。二、沸腾与凝结换热2.蒸气流速 一般来说，当蒸气流动方向与液膜流动方向一致时，可使液膜变薄，强化换热；反方向时，则会阻碍液膜流动，使其厚度增加，表面传热系数降低，削弱换热。但如果蒸气流速较大时，将会把液膜撕破并吹离表面，这样无论流向如何，都会使表面传热系数增大。3.蒸气中含油 如果润滑油与制冷剂是不相溶的，蒸气中的油将沉积在壁面上形成油垢，使热阻增加，削弱换热。二、沸腾与凝结换热4.冷却表面状态 冷却表面的粗糙度和清洁状况对凝结换热有很大影响。冷却表面粗糙不平或不清洁，有污垢、生锈等，都会使凝结液膜变厚，而且，表面不清洁相当于增

12、大了导热热阻，使放热恶化。因此，冷凝器要定期清洗、除垢，保持换热面的光滑清洁。5.管内冷凝 制冷和空调系统常遇到蒸气在管内凝结，如电冰箱中的冷凝器，蒸气在压差的作用下流经管子内部，同时凝结成液体，此时换热的强弱与蒸气的流速有很大关系。二、沸腾与凝结换热6.管子排列方式 蒸气在管外流动时，在条件相同的情况下，单管横放比竖放的凝结表面传热系数大，因为管子横放时液膜薄而短，竖放时管子上液膜厚而长。工程中的冷凝器大多数是由多排管子的管束组成，管子的排列方式对换热影响很大，如图7 5所示。就整个管束的凝结平均表面传热系数而言，图7 5c的表面传热系数较大。这是因为管束与水平方向倾斜了一个角度，减少了上排

13、管子的液膜对下一排管子的影响，因此其表面传热系数比另外两种排列形式大。而顺排管束的流动阻力最小，易于清洗管外表面的污垢。二、沸腾与凝结换热图7-5管子排列方式a)顺排b)叉排c)斜转排列第三节辐 射 换 热一、热辐射的基本概念(一)热辐射的本质和特点热辐射是热量传递的三种基本方式之一，它与导热和对流有着本质的区别。人们冬天在太阳下会感到暖和，站在火堆旁人脸上立刻会感到灼热，此时热量的传递既不是依靠导热，也不是靠对流换热，而是通过另外一种热量传递方式热辐射进行的。图 7-6电磁波波谱一、热辐射的基本概念图7-7物体对热辐射的吸收、反射与穿透(二)辐射的吸收、反射和穿透 当热辐射的能量投射到物体表

14、面时，与可见光一样，也会有吸收、反射和穿透现象，如图7-7所示。设外界投射到物体表面上的总能量为Q，一部分能量Q被物体吸收，图7-7物体对热辐射的吸收、反射与穿透另一部分能量Q被物体反射，其余部分能量Q一、热辐射的基本概念(三)辐射力和黑度 为了表示物体向外界发射辐射能的数量，需要引入辐射力的概念。辐射力E是指单位时间内物体每单位表面积向半球空间所有方向辐射出去的全部波长范围内的总能量，即E=Q/A，单位是W/m2。绝对黑体的辐射力用Eb表示。二、热辐射的基本定律(一)斯蒂芬-波尔茨曼定律 实验证明，物体的辐射能力与温度有关。斯蒂芬 波尔茨曼定律（四次方定律）指出：黑体的辐射力正比于其热力学温

15、度的四次方，即Eb=0T4，其中0=56710-8W/（m2K4），称为黑体辐射常数。为了便于计算，斯蒂芬 波尔茨曼定律的数学表达式通常写成图7-8平行平板间的辐射换热二、热辐射的基本定律(二)基尔霍夫定律1)同温度下，物体的辐射力越大，其吸收率越大。2)因为所有实际物体的吸收率都小于1，所以同温度下黑体的辐射力最大。3)将基尔霍夫定律数学表达式与黑度的定义式相对照，则有=（7 18）二、热辐射的基本定律(三)物体间相对位置对辐射换热的影响 除温度、黑度外，物体换热表面的形状及其相对位置对辐射换热有很大影响。图7 9所示为两个平板的三种布置情况：设两板表面的温度分别为T1和T2，图7 9a中由

16、于两平板无限接近地相对放置，每个表面发射出的辐射能几乎全部落到另一板上，换热量最大；图b中每个表面发射出的辐射能只有一部分落到另一表面上，换热量较小；图7 9c中两表面位于同一平面上，每个表面发射出的辐射能无法投射到另一表面上，换热量等于零。图7-9相对位置的影响二、热辐射的基本定律(四)辐射换热的强化与削弱 在一定温度下要强化两物体表面间的辐射换热，可以采取增加换热表面黑度以及改变两表面的布置以增大角系数的方法；而为了削弱两物体表面间的辐射换热，可以采取减少表面黑度及在两物体之间安装遮热板（黑度低的金属薄板）的方法。第四节传热与换热器一、传热过程 实际工程中，经常遇到热量从高温流体穿过壁面传

17、给低温流体的现象，这个过程称为传热过程。如室内外温度不同时，室内外空气通过墙壁进行传热；蛇管式蒸发器管道内外冷热流体的换热等。理论和实践表明，在稳态的传热过程中，当两种流体的温差一定时，传热面积越大，传递的热量越多；当传热面积相同时，两种流体的温差越大，传热量也越多；而在一定的传热面积和温差下，传热量的多少则取决于传热过程本身的强烈程度。传热基本方程式可以表示为 量的数值大小。传热系数越大，表明传热能力越大，传热过程就越强烈。应用热阻的概念，将式(7-19)改写成如下形式，即二、传热的增强与削弱(一)增强传热1.提高传热系数K增强传热的有效方法是设法增大传热系数，减小传热热阻。2.增大传热面积

18、A 增大传热面积的具体措施就是在传热面上加装肋片，如空调器的翅片管组，暖气设备上的散热片等。肋片面积与光面面积比值称为肋化系数。由计算可知，当传热面两侧的表面传热系数相差35倍时，可采用低肋化系数的螺纹管；当两侧传热系数相差10倍以上时，则采用高肋化系数的肋片。肋片的形状很多，通常加在表面传热系数低的一侧可以取得较显著的增强传热的效果。二、传热的增强与削弱3.增大传热温差t 增大传热温差的具体途径有两种：换热面两侧流体的流动采用逆流方式；提高热流体温度或降低冷流体温度，具体措施要根据系统设备决定。在冷凝器换热中要尽量降低冷却介质温度，在蒸发器中要尽量提高被冷却介质温度，从而保证制冷装置在高性能

19、下工作。二、传热的增强与削弱(二)削弱传热 对制冷空调系统中的低压设备、冷藏库的围护结构及管道等，为了减小传热，常设法增大传热热阻，最简单的办法就是在壁面上包裹热绝缘材料，达到隔热的目的。但是，覆盖热绝缘层是不是在任何情况下都能有效地减少热损失呢？根据传热基本方程式可知，在平壁上覆盖热绝缘层，总是能够增加热阻而削弱传热；而在圆管上敷设热绝缘层时，单位面积的传热热阻增加了，但总热阻并不总是随厚度的增加而增加，相反有时会减小，从而使传热增加。这是由于圆管传热量与保温层外径有关，增加保温层就意味着增加了传热面积。三、换热器的基本知识(一)换热器基本形式 换热器是用来使热量从热流体传递到冷流体，以满足

20、规定的工艺要求装置的统称。工程中应用的换热器种类很多，按工作原理可分为三种类型。1.混合式换热器(或称直接接触式换热器)在混合式换热器内，冷、热两种流体通过直接接触互相混合来实现换热，热量传递的同时伴随着质量的交换或混合，它具有传热速度快、效率高、设备简单等优点。中央空调系统中的喷水室（见图7 10）、冷却塔（见图7 11）等都属于这一类型。三、换热器的基本知识图7-11冷却塔图7-10喷水室三、换热器的基本知识2.回热式换热器(或称蓄热式换热器)在回热式换热器中，冷、热两种流体依次交替地流过同一换热表面，当热流体流过时，固体壁面吸收并贮存热量；当冷流体流过时，壁面把储存的热量再传给冷流体，如

21、图7 12所示。这种换热器结构紧凑，价格便宜，单位体积传热面大，较适用于气 气热交换的场合。回转式空气预热器就属于这一类型。3.间壁式换热器(或称表面式换热器)在间壁式换热器里，冷、热流体同时在换热器内流动，但被壁面隔开，互不接触，热量由热流体通过壁面传给冷流体。这种间壁式换热器在制冷工程中应用最为广泛。从结构上来说，间壁式换热器又可分为套管式、壳管式、肋片管式、螺旋板式、板式、板翅式等。三、换热器的基本知识图7-12回热式换热器三、换热器的基本知识图7-13套管式换热器(1)套管式换热器如图7-13所示，套管式换热器由两根直径不同的无缝钢管或铜管套装在一起，管间用特制的封头隔成互不相通的两个

22、空间，再盘绕成圆形或椭圆形。三、换热器的基本知识图7-14壳管式换热器(2)壳管式换热器(又称管壳式换热器)如图7-14所示，一种流体从封头流进管子，再经封头流出，这条路径称为管程；另一种流体在壳体与管子之间流动，这条路径称为壳程。图7-14所示为1-2型换热器，其中1表示壳程数，指的是流体所流经的壳体的个数；2三、换热器的基本知识图7-15肋片管式换热器(3)肋片管式换热器(又称翅片管式换热器)如图7-15所示，肋片管式换热器中的肋片增加了换热面积，传热得到强化。三、换热器的基本知识图7-16螺旋板式换热器(4)螺旋板式换热器如图7-16所示，螺旋板式换热器的换热表面由两块金属板卷制而成，构

23、成两个螺旋通道，制造工艺简单，结构紧凑，换热效果较好，但密封比较困难，且不易清洗。三、换热器的基本知识图7-17板式换热器(5)板式换热器如图7-17所示，板式换热器由一组机构相同的平行薄板叠加组成，两相邻平板之间用特殊设计的密封垫片隔开，冷热流体间隔地在每个通道中流动。这类换热器拆卸清洗方便，适用于易结垢的流体换热。三、换热器的基本知识图7-18板翅式换热器(6)板翅式换热器如图7-18所示，板翅式换热器结构非常紧凑，单位体积内的换热量很大，但易堵塞，清洗困难，适用于清洁和无腐蚀性的流体换热。三、换热器的基本知识(二)换热器传热计算 换热器的传热计算可分为两种情况：一种是设备设计选型计算，目

24、的是根据流体参数，确定换热的形式、换热面积及结构参数；另一种是对现有的换热器进行校核计算，目的是确定其换热量和冷却介质温度参数等是否满足生产工艺要求。这两种计算使用的基本方程均为传热方程式。1.传热计算公式换热器的传热计算公式为2.平均温差的计算 对于换热器，冷热流体沿传热面进行换热，其温度是沿流向不断变化的，所以温差也不断变化，故计算时要采用平均温度差。三、换热器的基本知识图7-19换热器中的温度分布a)顺流b)逆流图7-19表示顺流和逆流时冷热流体的温度分布，图中横坐标表示换热面积A，纵坐标表示工作流体的温度。从图7-19上可以看出，顺流时冷流体的出口温度t2必然低于热流体确定平均温差的方法有以下两种：(1)算术平均温差(2)对数平均温差