1、第第2 2章传热学及流体力学基础章传热学及流体力学基础 第第2章传热学及流体力学基础章传热学及流体力学基础 2.1传热学基础传热学基础 2.2流体力学基础流体力学基础 第第2 2章传热学及流体力学基础章传热学及流体力学基础2.1传热学基础传热学基础传热学是研究在温差作用下热量传递规律的学科。它与热力学共同组成热工学的理论基础。热量传递可分为导热、对流换热与辐射换热三种不同方式。在工程实践中,大多数传热过程由几种热量传递同时作用,即以复合换热方式进行。第第2 2章传热学及流体力学基础章传热学及流体力学基础2.1.1导热导热导热又称热传导。温度不同的物体直接接触或同一物体内不同温度的各部分之间依靠
2、物质的分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而引起的热量传递现象,称为导热。只要有温差存在,导热总是在温度降低的方向上发生,而且是固体中唯一可能发生的传热现象。第第2 2章传热学及流体力学基础章传热学及流体力学基础1.导热的基本定律与热导率导热的基本定律与热导率1)傅里叶定律傅里叶定律指出:热流密度与该时刻同一处的温度梯度成正比,而方向与温度梯度的方向相反。其数学表达式为 gradtqtnn (21)或 tQAn(22)式中:q热流密度(W/m2);热导率(W/(mK);gradt空间某点的温度梯度(K/m);t温度(K);x在导面上的坐标(m);n通过该点的等温线上的法向单位矢量,指向温度升高
3、的方向。A传热面积(m2);Q热流量(W)。第第2 2章传热学及流体力学基础章传热学及流体力学基础2)热导率热导率是物质的一个重要物性参数。其定义式由傅里叶定律给出,即 qtn(23)由式(23)可见,热导率是物体中单位温度梯度,单位时间通过单位面积的热量。它表征物体导热能力的大小。各种物质的热导率由实验测定。一些常用物质的热导率见表21。一般而言,金属的最大,良导电体也是良导热体,液体次之,气体最小。工程上常把50100时热导率小于0.2W/(mK)的材料称为绝热材料。第第2 2章传热学及流体力学基础章传热学及流体力学基础表表21273K时常用物质的导热率时常用物质的导热率 物品名称 导热率
4、 物品名称 导热率 物品名称 导热率 银 427 石英 19.1 软木板 0.0440.079 碳钢 45 大理石 2.78 膨胀蛭石 0.0510.07 镍鉻钢 17 红砖 0.70.8 石棉板 0.100.14 黄铜 109 水泥 0.30 木丝纤维板 0.048 纯铜 387 黄沙 0.280.34 棉花 0.049 铁 73 冰（H2O）2.22 聚氯乙烯泡沫 0.0410.048 铝 204 新霜层 0.106 聚苯乙烯泡沫 0.0430.056 锡 66 老霜层 0.489 水 0.552 铅 35 玻璃 0.794 空气 0.0243 锌 113 玻璃棉 0.036 氢气 0.1
5、75 第第2 2章传热学及流体力学基础章传热学及流体力学基础 热导率不仅随物质的品种而异,即使同一品种物质(特别是建筑材料和绝热材料),其热导率还与结构、密度、含湿量和温度等因素有关。经验证明:大多数绝热材料的热导率与温度的关系,在温度范围不大的情况下,可近似地认为是直线关系,即=0(1+bt)(24)式中:t温度时的热导率(W/(mK);0273K时的热导率(W/(mK);b温度系数,由实验确定;t温度()。第第2 2章传热学及流体力学基础章传热学及流体力学基础在工程计算中,一般取平均温度时的,并把它当常量处理。含湿量对建筑材料、绝热材料的热导率影响极大。由于这些材料的孔隙多,容易吸收水分,
6、而水的热导率比空气大2030倍,加上在导热过程中随着热量传递,水分会迁移,因此湿材料的甚至可能比纯水的还大。所以对于建筑物的围护结构,特别是冷藏库、冷藏设备及冷水管道等的绝热层,应采取良好的防潮措施。此外,有些物质的各向结构不同,因而在各个方向上的热导率也有较大差异,这种材料称为各向异性材料。例如木材,顺木纹方向的值约是垂直于木纹方向的24倍。因此,在进行导热计算时,应根据导热方向不同而选取不同的值。第第2 2章传热学及流体力学基础章传热学及流体力学基础2.稳态导热稳态导热1)通过平壁的导热设有一厚度为的无限大平壁(指平壁的长度与宽度远大于其厚度),材料的热导率为常量,如图21(a)所示。平壁
7、两侧分别为恒定温度tw1和tw2,因此壁内是一维稳态温度场。若导热面积为A,则单位时间内通过平壁的热量Q(W)为 12wwQAttAt(25)第第2 2章传热学及流体力学基础章传热学及流体力学基础在制冷、空调工程中,常遇到的平壁往往是由不同材料组成的多层壁。如换热器,常由器壁、绝热层和保护层组成,如图2.1(b)所示,则单位时间内通过n层平壁的总热流量为 121211wwwwnniiiiittttQAAR(26)式中 iR第 i 层平壁的热阻（mK/W）；1niiRn层平壁单位面积的总热阻（mK/W），与串联电阻叠加原则相似。第第2 2章传热学及流体力学基础章传热学及流体力学基础图21 单层平
8、壁与多层平壁的导热 第第2 2章传热学及流体力学基础章传热学及流体力学基础在一定的温差条件下,热流密度q与导热热阻/成反比,即热阻越大、热流密度越小。减少热阻可以增加换热器的传热量。因此对于换热器,要尽量减少其壁厚,同时也要减少或避免换热器中内外表面油膜、污垢、霜层及积灰等的厚度。由于每一层内温度均按直线分布,所以在整个多层平壁内温度分布将是一条折线,如图21(b)所示。在n层平壁内,第i层与第i+1层之间接触面的温度tw,i+1为,1112w nwittq RRR(27)第第2 2章传热学及流体力学基础章传热学及流体力学基础2)通过圆管壁的导热设有一长度为l,内、外直径分别为d1和d2的圆管
9、壁(半径各为r1和r2),且ld2,热导率为常量,内外壁面温度各为tw1和tw2,且tw1tw2,如图22所示。通过该圆管壁的热流量为 d2dtQAqrlr 分离变量、积分并整理,得热量Q(W)为 12211ln2wwttlQdd(28)第第2 2章传热学及流体力学基础章传热学及流体力学基础图2-2 通过圆管壁的导热第第2 2章传热学及流体力学基础章传热学及流体力学基础通过每米管长的热流量Q1(W/m)为 12211ln2wwlttQQdld(29)壁内任一直径dx处的温度twx为 121211lnlnwwxwxwttdttddd-=-(210)上式说明圆管壁内温度按对数曲线规律分布。第第2
10、2章传热学及流体力学基础章传热学及流体力学基础多层圆管壁的导热计算公式与多层平壁一样,可以利用串联电阻叠加的原则,直接求得每米管长n层圆管壁的导热计算公式,即 1,1111ln2ww nlniiiittqdd(211)式中:ql长度热流量(W/m)。第第2 2章传热学及流体力学基础章传热学及流体力学基础2.1.2对流换热对流换热1.对流换热的基本概念对流换热的基本概念对流换热是流动的流体与固体壁面直接接触,当两者温度不同时,相互间所发生的热量传递过程。它既具有流体分子间微观导热作用,又具有流体宏观位移的热对流作用,所以对流换热过程必然受到导热规律和流体流动规律的双重支配。()fwQaA tt=
11、-(212)或()fwqa tt=-(213)fwqatt=-(214)第第2 2章传热学及流体力学基础章传热学及流体力学基础式中:a表面传热系数(W/(m2K);tf流体温度();tw壁面温度()。a是表征对流换热强度的量,数量上等于流体与壁面温差为1时,每单位时间、单位壁面积的对流换热量。表面传热系数的大小,与对流换热过程的许多因素有关,因而式(214)只能看做是表面传热系数的定义式,它并没有揭示各种因素与表面传热系数之间的内在关系。因此,计算对流换热量,就变成如何根据各种具体情况分析和计算表面传热系数的问题。第第2 2章传热学及流体力学基础章传热学及流体力学基础表表22换热设备中传热系数
12、换热设备中传热系数a的概值范围的概值范围 加热和冷却空气时 160 加热和冷却过热蒸汽时 20120 加热和冷却油类时 601800 加热和冷却水时 20012000 水沸腾时 60050000 蒸汽膜状凝结时 450018000 蒸汽珠状凝结时 45000140000 有机物蒸汽凝结时 6002300 第第2 2章传热学及流体力学基础章传热学及流体力学基础2.影响对流换热的因素影响对流换热的因素影响对流换热的因素很多,归结起来主要有以下几个方面。1)流动引起的作用按流动起因可分成两类:若流体的流动是由泵、风机或其他压差作用所造成的,称为受迫流动;若流体的流动是由流体冷热密度不同所造成的,则称
13、为自由流动。由于两类流动的推动力不同,它们的换热规律也不同。第第2 2章传热学及流体力学基础章传热学及流体力学基础2)流体流动速度流速增加,促使流体的边界层变薄,并使流体内部相对运动加剧,从而使表面传热系数a增大。3)流体的物理性质流体的物理性质,如热导率、比热容、密度、粘度等,都会影响对流换热过程。热导率大的流体,贴壁层流层的导热热阻小,换热就充分。比热容和密度大的流体,体积热容量大,增强了流体与壁面之间的换热。粘度大的流体,边界层增厚,对换热不利。上述诸物理性质对换热的影响不是孤立的,在分析实际过程时应注意综合效果。第第2 2章传热学及流体力学基础章传热学及流体力学基础4)换热表面的几何尺
14、寸在对流换热时,液体沿壁面流动,所以壁面的几何尺寸和位置对流体流动有很大影响,从而也影响对流换热的强弱。由于对流换热过程比较复杂,受迫流动与自由流动,层流和紊流,有相变与无相变,各种流体的物性不同,以及换热面的形状、大小及相对位置差异等,组成了多种不同规律的换热过程。因此,要了解表面传热系数a的变化规律,只有对上述各种情况分别进行分析和试验,才能获得反映各种情况的计算公式。工程上通常采用由相似理论推得的表面换热准则方程,解决表面换热实际问题。第第2 2章传热学及流体力学基础章传热学及流体力学基础2.1.3热辐射和辐射换热热辐射和辐射换热1.热辐射和辐射换热的基本概念热辐射和辐射换热的基本概念热
15、辐射是物体因其本身温度而发射电磁波传递能量的现象。在工业上有实际意义的热辐射波长在0.1100m之间。在此范围内,电磁波照射在物体上能产生热效应。任何物体在向外发射辐射能的同时,还不断地吸收周围其他物体发出的辐射能,并转换成热能。所谓辐射换热,是指物体之间的相互辐射和吸收的总效果。第第2 2章传热学及流体力学基础章传热学及流体力学基础当热辐射投射到物体表面上时,同可见光一样,也有吸收、反射和穿透现象发生,如图23所示。设投射到物体表面上的辐射总能量为G,吸收部分为G,反射部分为G,穿透部分为G,则根据能量守恒定律有 GGGG或 1GGGGGG(215)上式中,各能量百分比G/G、G/G、G/G
16、分别称为该物体的吸收率、反射率和穿透率。故上式也可改写为1(216)第第2 2章传热学及流体力学基础章传热学及流体力学基础图23物体对热辐射的反射、吸收和穿透 第第2 2章传热学及流体力学基础章传热学及流体力学基础2.斯蒂芬斯蒂芬-玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律斯蒂芬-玻耳兹曼定律表明黑体的辐射力Eb(W/m2)与其热力学温度T的四次方成正比,即 4bbETs=(217)式中:b黑体辐射常数,b=5.6710-8W/(m2K4)。式(217)又可写成 4()100bbTEC=(218)式中:Cb黑体辐射系数,Cb=5.67W/m2K4。第第2 2章传热学及流体力学基础章传热学及流体力学基础一切实际物
17、体的辐射力,都小于同温度下黑体的辐射力。因此,把任一物体的辐射力E与同温度下黑体的辐射力Eb之比值称为该物体的发射率(也称黑度),用符号表示,即 bEEe=(219)发射率表征物体辐射力接近黑体的程度。的数值范围在01之间,具体数值由实验测定。常用材料的发射率见表23。第第2 2章传热学及流体力学基础章传热学及流体力学基础表23物体表面热辐射的法向发射率n 材料名称及表面状况 温度/ne 材料名称及表面状况 温度/ne 铝（高度抛光，纯度 98%）50500 0.040.06 砖（粗糙红砖）40 0.880.93 工业用铝板 100 0.09 耐火粘土砖 5001000 0.800.90 严重
18、氧化的铝 100150 0.20.31 石棉：板 40 0.96 黄铜（高度抛光的）260 0.03 石棉水泥 40 0.96 无光泽的黄铜 40260 0.22 石棉瓦 40 0.97 氧化的黄铜 40260 0.460.56 碳（灯黑）40 0.950.97 铬（抛光板）40550 0.080.27 石灰沙浆（白色，粗糙）40260 0.870.92 铜（高度抛光的电解铜）100 0.02 粘土：耐火粘土 100 0.91 轻微抛光的铜 40 0.12 土壤（干）20 0.92 氧化变黑的铜 40 0.76 土壤（湿）20 0.95 金（高度抛光的纯金）100600 0.020.035 混
19、凝土（粗糙表面）40 0.94 第第2 2章传热学及流体力学基础章传热学及流体力学基础 钢铁：钢（抛光的）40260 0.070.1 玻璃（平板玻璃）40 0.94 钢板（轧制的）40 0.65 派力克斯铅玻璃 260540 0.950.85 钢板（严重氧化的）40 0.80 瓷（上釉的）40 0.93 铸铁（抛光的）200 0.21 石膏 40 0.800.90 铸铁（新车削的）40 0.44 大理石（浅色磨光的）40 0.93 铸铁（氧化的）40260 0.570.68 油漆：各种油漆 40 0.920.96 不锈钢（抛光的）40 0.070.17 白色喷漆 40 0.800.95 银（抛
20、光的或蒸镀的）40540 0.010.03 光亮黑漆 40 0.90 锡（光亮的镀锡铁皮）40 0.040.06 纸：白纸 40 0.95 锌（镀锌，灰色的）40 0.28 粗糙屋面焦油纸毡 40 0.90 铂（抛光的）230600 0.050.1 橡胶（硬质的）40 0.94 铂带 9501600 0.120.17 雪-12-7 0.82 铂丝 301200 0.0360.19 水（厚度 0.1mm 以上）0100 0.96 水银 0100 0.090.12 人体皮肤 32 0.98 木材 40 0.800.90 第第2 2章传热学及流体力学基础章传热学及流体力学基础 利用发射率定义,斯蒂芬
21、-玻耳兹曼定律可近似地用于实际物体,即 42()100bbbTEETCeese=(220)试验发现,实际物体的辐射率并不严格地同热力学温度的四次方成正比,而把由此引起的误差用物体的发射率来修正。第第2 2章传热学及流体力学基础章传热学及流体力学基础3.辐射换热的计算辐射换热的计算在一定空间内,相互间距远小于辐射面宽度和高度的任意布置两物体间的辐射换热量为 44121 21 212 12()()100100bmTTQCXAXAe-轾犏=-犏臌(221)式中 me换热系统的组合发射率；1A、2A辐射体 1 和 2 的表面积（m2）；1 2X物体 1 对物体 2 辐射的平均角系数；2 1X物体 2
22、对物体 1 辐射的平均角系数。第第2 2章传热学及流体力学基础章传热学及流体力学基础角系数是指一个表面发射出的辐射能中,落到另一表面的百分数。角系数和表面积存在如下关系:12 11 22AXXA-=例如:在冷藏库中,单排墙排管与墙面之间辐射的换热如图24(a)所示,其平均角系数可按下列公式计算:221 211()arctan()1dsdXsds-=-+-222 1()1arctan()1/sssXdddp-=-+-(222)(223)第第2 2章传热学及流体力学基础章传热学及流体力学基础双排墙排管与墙面间辐射时的换热如图24(b)所示,其平均角系数可按下式计算:21 21 21(1)XX-=-
23、(224)当不同管间距时，单排和双排墙排管的平均角系数1 2X和1 2X值见表 2-4。第第2 2章传热学及流体力学基础章传热学及流体力学基础表24平均角系数 表 2-4 平均角系数1 2X和1 2X值/s d 1 1.5 2 3 4 5 10 1 2X 1 0.85 0.658 0.467 0.380 0.294 0.151 1 2X 1 0.977 0833 0.715 0.590 0.500 0.279 第第2 2章传热学及流体力学基础章传热学及流体力学基础由两个物体组成的换热系统,其组合发射率m可由下式求得:1 22 1121111(1)(1)mXXeee-=+-+-(225)当一凸物
24、体(面积为A1)被一凹物体(面积为A2)所包围时,其组合发射率为 11221111mAAeee=骣+-桫(226)第第2 2章传热学及流体力学基础章传热学及流体力学基础2.1.4传热及换热器传热及换热器1.复合换热复合换热在实际工程中,绝大多数传热过程往往是由导热、对流换热和辐射换热同时作用的结果。凡是有几种热量传递方式同时作用的换热过程,称为复合换热。如工程中经常遇到的壁面与气体之间的换热过程,便是辐射和对流同时存在的换热。为了便于分析和计算,把复合换热中辐射换热量,表示成与对流换热计算式相类似的形式,即 12()RRqtts=-式中:R辐射传热系数(W/(mK)。第第2 2章传热学及流体力
25、学基础章传热学及流体力学基础对于壁面或管壁在大空间中的辐射换热,可近似地按下式计算:4412()Rbqttes=-比较qR的两个计算式,可求得在该条件下辐射传热系数的计算式为 441212()bRTTttess-=-(227)式中:t1壁面或管壁温度();t2四周环境表面的温度()。第第2 2章传热学及流体力学基础章传热学及流体力学基础若认为t2近似地等于周围介质(空气)温度tf,则上式可改写为 44()bwfRRwfwfttqattttes-=-(228)对流换热量qc与辐射换热量qR之和,称为总换热量q,即总换热量q(W/m2)为()()()cRcRwfswfqqqaatta tt=+=+
26、-=-(229)式中:as表面总传热系数(W/(mK)。实际换热过程,可根据具体情况进行简化分析。大多只需按其中占主导地位的热传递方式来计算,已足够准确,只有当两种方式所交换的热量相当接近时,才应同时予以考虑。第第2 2章传热学及流体力学基础章传热学及流体力学基础2.传热过程及传热系数传热过程及传热系数工程上经常遇到热量由高温流体,经固体壁面传给低温液体,这种过程称为传热过程。如冬季室内热空气经墙壁散热给室外冷空气,表面冷却器的传热,制冷装置中蒸发器的吸热和冷凝器的放热,以及蒸气管道的热量损失等都是传热过程。本节主要介绍通过平壁、圆管壁及肋壁的传热过程。第第2 2章传热学及流体力学基础章传热学
27、及流体力学基础1)通过平壁的传热通过平壁的传热如图25所示的锅炉炉墙,面积为A,壁厚为,热导率为,墙内侧烟气温度和墙外侧空气温度分别为tf1和tf2。高温烟气通过辐射和对流方式,把热量传给炉墙内表面。内表面总传热系数为a1,炉墙外表面总换热系数为a2,则传热量为 121211ffA ttQaa(230)式中 1a、对流热阻和导热热阻；1211aa总热阻系数。第第2 2章传热学及流体力学基础章传热学及流体力学基础图2-5 通过平壁传热 第第2 2章传热学及流体力学基础章传热学及流体力学基础令 12111Kaa,则上式可改写为 12ffQKA tt（）=-或(231)12()ffqK tt=-(2
28、32)式中:K传热系数(W/(m2K)。式(231)和式(232)称为传热方程。第第2 2章传热学及流体力学基础章传热学及流体力学基础2)通过圆管壁的传热通过圆管壁的传热如图26所示的内、外直径分别为d1和d2(半径为r1和r2),长度为l的圆管壁,管壁材料的热导率为,管壁两侧的表面传热系数分别为as1和as2,介质温度为tf1和tf2。根据串联热阻叠加原理,每单位管长的传热热阻Rl和传热系数Kl分别为 211122111ln2lssdRaddad2111221111ln2lssKdaddad第第2 2章传热学及流体力学基础章传热学及流体力学基础图26通过圆管壁传热第第2 2章传热学及流体力学
29、基础章传热学及流体力学基础每单位管长的热流量为 12211122111ln2fflssttqdaddad(233)以管外表面面积计算的圆管壁传热量Q(W)为 2122221112()1ln2ffssd l ttQddda dda(234)以圆管外表面面积计算的传热系数K(W/(m2K)为 222111211ln2ssKddda dda(235)第第2 2章传热学及流体力学基础章传热学及流体力学基础3）通过肋壁的传热 图 2-7 示出了一厚度为的平壁加肋后的情况。肋壁材料的热导率为，设光面的表面积为1A，有肋一侧的表面积为（包括肋片和肋间面积）2A，内侧热流体温度为1ft、表面传热系数为1sa，
30、肋侧冷流体温度为2ft、表面传热系数为212()sssaaa，光表面温度为1fwt，肋基温度为2fwt，肋面平均温度为2wt。由于肋片实际散热量2222()swfa A tt，比假设整个肋表面处于肋基温度下理想散热量2222()swfa A tt要小，故定义两者之比为肋壁效率，即 第第2 2章传热学及流体力学基础章传热学及流体力学基础图2-7 通过肋壁传热 第第2 2章传热学及流体力学基础章传热学及流体力学基础222222222222()()swfwfswfwfa A tttta A tttth-=-(236)肋壁效率与肋片材料的热导率、肋片表面传热系数及肋片几何尺寸等因素有关,一般希望值在0
31、.9以上为好。根据串联热阻叠加原理,按光面面积计算的肋壁传热总热阻RK(mK/W)为 1112211KssRa AAa A(237)则肋壁传热量Q(W)为 112122111221211111ffffssssA ttttQAa AAa AaaA(238)第第2 2章传热学及流体力学基础章传热学及流体力学基础肋面面积与光面面积之比A2/A1=称为肋化系数,则以光面面积计算的肋壁传热量为 1121211ffssA ttQaa(239)以光面面积计算的传热系数为 12111ssKaa(240)第第2 2章传热学及流体力学基础章传热学及流体力学基础3.传热的增强、削弱和热绝缘传热的增强、削弱和热绝缘1
32、)传热的增强增强传热通常是指提高换热设备单位面积的传热量,使换热设备达到体积小、重量轻、节省用材的目的。依据传热公式q=Kt,可知增强传热的途径主要如下:(1)提高传热温差。提高热流体温度和降低冷流体温度,并尽可能在换热面两侧采用冷、热流体逆向流动的方式。第第2 2章传热学及流体力学基础章传热学及流体力学基础(2)提高传热系数K值,即减少传热热阻。应设法减少传热过程中各串联热阻中最大的热阻。具体措施有:减少导热热阻,其中包括换热面本身热阻和表面污垢热阻;减小对流换热热阻,如在表面传热系数小的一侧加装肋片,并注意使肋基接触良好;适当增加流体流速,采用小管径以增加流体的扰动和混合,破坏边界层等;增
33、加辐射面的发射率和温度来增强辐射换热,如涂镀选择性涂层或选用发射率大的材料等。第第2 2章传热学及流体力学基础章传热学及流体力学基础2)传热的削弱和热绝缘与增强传热相反,削弱传热则要求降低传热系数,即增大传热热阻。削弱传热是为了减少热设备及其管道的热损失,节省能源。主要方法可概括为两方面:(1)覆盖热绝缘材料。在冷、热设备上包裹热绝缘材料是工程上最常用的保温措施。常用的材料有岩棉、各种泡沫塑料、微孔硅酸钙、珍珠岩等。它们的热导率处于0.030.05范围内,是较好的保温隔热材料。具体采用什么材料,则需根据保温工程的技术经济要求来选择。第第2 2章传热学及流体力学基础章传热学及流体力学基础(2)改
34、变表面状况。主要采用选择性涂层的方法,既增强对投入辐射的吸收,又削弱本身对环境的辐射换热损失,如氧化铜等涂层。也可采用附加抑制对流的元件,如在太阳能集热器的玻璃盖板与吸热板之间,加装蜂窝结构元件,可抑制空气对流换热,同时也可减少集热器的对外辐射热损失等。第第2 2章传热学及流体力学基础章传热学及流体力学基础4.换热器的热计算换热器的热计算1)平均温差(1)顺流和逆流。换热器传热的基本公式为Q=KAt。式中,t是冷、热两种流体的温差。在前述传热计算中,如房屋墙壁的热损失、管道热损失等,都将t作为一个定值处理。对于换热器,则情况不同,当冷、热两种流体沿换热面流动时,沿途温度一般要发生变化,两者之间
35、的温差也发生变化,且随流体流动的方式而不同。第第2 2章传热学及流体力学基础章传热学及流体力学基础图28流体温度随传热面变化示意图(a)顺流;(b)逆流 第第2 2章传热学及流体力学基础章传热学及流体力学基础图28表示顺、逆流时冷、热流体的温度变化曲线,热流体的进、出口温度分别为t1、t1,冷流体的进、出口温度分别为t2、t2。因此,在换热器的传热计算中,必须应用平均温差tm来计算,其计算式为 maxminmaxmin2.3lgmtttttD-DD=DD(241)式中:tmax换热面两端温差的最大值(),顺流时为t,逆流时为t和t两者中的大值(见图28);tmin换热面两端温差的最小值()。第
36、第2 2章传热学及流体力学基础章传热学及流体力学基础maxmin1()2mtttD=D+D由于温差计算式中出现了对数项,因此又称为对数平均温差。当(tmax/tmin)2时,可用算术平均温差替代,即(242)上式误差不超过4,在工程计算中是容许的。由于温差随换热面按指数曲线变化,顺流与逆流相比,顺流时温差变化比较显著,逆流时温差变化比较平缓,故在相同的进、出口温度下,逆流平均温差比顺流大。此外,顺流时冷流体的出口温度必然低于热流体的出口温度,而逆流则不受此限制。故工程中的换热器,一般都尽可能采用逆流布置。但逆流换热器也有缺点,即高温部分集中在换热器的一端。第第2 2章传热学及流体力学基础章传热
37、学及流体力学基础(2)交叉流和混合流。流体在换热器中的流动方式,除顺流和逆流(如图29(a)、(b)所示)外,还有其他多种型式。图29(c)为横流式或称交叉流,是两种流体在相互垂直方向的流动;图29(d)、(e)、(f)则是三种不同型式的混合流。第第2 2章传热学及流体力学基础章传热学及流体力学基础图29流体在换热器中的流动型式(a)顺流;(b)逆流;(c)交叉流;(d)、(e)、(f)混合流第第2 2章传热学及流体力学基础章传热学及流体力学基础2)换热器的热计算换热器的计算内容有设计计算和校核计算两种。(1)设计计算:目的是根据给定的换热要求,确定所需换热面积。一般已知冷、热流体的流量,初、
38、终温度及流体的比热容,确定所需换热面积,进而确定换热器的型式和尺寸。(2)校核计算:目的是校核已有的换热器是否能达到预定的换热要求。一般已知换热面积,冷、热流体的进口温度和流量,校核换热量及冷、热流体的终温。第第2 2章传热学及流体力学基础章传热学及流体力学基础换热器传热计算的基本公式有传热方程 maxmin1()2mtttD=D+D(243)热平衡方程 mQKA t(244)式中:qm1、qm2热流体和冷流体的流量(kg/h);c1、c2热流体和冷流体的比热容(J/(kgK)。第第2 2章传热学及流体力学基础章传热学及流体力学基础2.1.5传质过程基础传质过程基础1.质交换基本概念质交换基本
39、概念在分析流体和壁面的对流换热过程中,当流体是二元体系(或称二元混合物),并且各组分的含量不均匀时,就会有传质(或称质交换)发生。例如:空气处理过程中,表面冷却器在去湿冷却工况下,除具有热交换外,还有水分在冷表面凝结析出;在吸收式制冷装置的吸收器中,发生的吸收过程是既有热交换又有质交换的现象;在测量湿空气参数时所用的湿球温度计,其湿球温度的建立,也是由湿球纱布与周围空气的热、质交换条件所决定的。第第2 2章传热学及流体力学基础章传热学及流体力学基础质交换有两种基本方式:分子扩散和对流扩散。在静止的流体或垂直于质量浓度梯度方向作层流运动的流体,以及固体中的扩散,是由微观分子运动所引起的,称为分子
40、扩散,它的机理类似于导热;在流体中由于对流运动引起的物质传递,称为对流扩散;当流体既作对流运动又存在质量分数差时,则对流扩散和分子扩散同时存在,称为对流质交换,这一机理与对流换热相类似。热交换、质交换及动量交换,在机理上是类似的,所以在分析质交换的方法上,也和热交换及动量交换一样。第第2 2章传热学及流体力学基础章传热学及流体力学基础2.质量浓度与扩散通量质量浓度与扩散通量在二元或多元混合物中,单位混合物的体积中所含某组分的质量,称为该组分的质量浓度,用符号表示,单位是kg/m3或kg/L。设有A、B两种物质组成的二元混合物,则;ABaBMMVVrr=(245)式中:MA、MB组分A、B在容积
41、V中具有的质量(kg)。如该混合物为气体,则应用理想气体状态方程,可得;ABABABppR TR Trr=(246)第第2 2章传热学及流体力学基础章传热学及流体力学基础式中:A、B组分A和B的浓度(kg/m3);pA、pB组分A和B的分压(kPa);RA、RB组分A和B的气体常数(J/(kgK)。混合气体的质量与分压有关,某组分的分压大,其质量浓度也高。扩散现象在气体、液体及固体中均可发生,但由于不同物质分子运动的差距,气体中的扩散速度较快,液体次之,固体中的扩散最慢。扩散通量是指单位时间内,垂直通过单位面积的某一组分的物质数量,用符号m表示,其单位为kg/(m2s)。第第2 2章传热学及流
42、体力学基础章传热学及流体力学基础3.斐克定律斐克定律在各质量浓度不随时间而变化的稳态扩散条件下,无整体流动组成的二元混合物中组分A的质扩散通量mA与它的质量浓度梯度成正比,这就是扩散基本定率斐克定律。其数学表达式为AAABdCmDdy=-(247)式中:dCA/dy组分A的质量浓度梯度;DAB分子扩散系数(m2/s)。右下角码AB表示物质A向物质B进行扩散。式中出现负号,是因为质扩散朝质量浓度降低的方向、与质量浓度梯度相反。第第2 2章传热学及流体力学基础章传热学及流体力学基础4.扩散系数扩散系数物质的分子扩散系数是指物质的扩散能力,是物质的物理性质之一。不同物质之间的分子扩散系数是通过实验来
43、测定的。表25列出了在p0=1.013105Pa、T0=273K状态下,某些气体在空气中的扩散系数D0,在其他p、T状态下的扩散系数可用下式换算:3/2000pTDDp T骣=桫(248)第第2 2章传热学及流体力学基础章传热学及流体力学基础表表25气体在空气中的分子扩散系数气体在空气中的分子扩散系数 气体 D0/（cm2/s）气体 D0/（cm2/s）气体 D0/（cm2/s）气体 D0/（cm2/s）H2 N2 0.511 0.132 O2 CO2 0.178 0.138 SO2 NH3 0.103 0.200 H2O HCl 0.220 0.130 第第2 2章传热学及流体力学基础章传热
44、学及流体力学基础 两种气体A与B之间的分子扩散系数,可用下列半经验公式估算:3/21/31/3 2435.711()mAmBrArBTDP VVMM=+(249)式中:T热力学温度(K);p总压力(Pa);MrA、MrB气体A、B的相对分子质量;VmA、VmB气体A、B正常沸点时的液态摩尔体积(cm3/mol)。第第2 2章传热学及流体力学基础章传热学及流体力学基础表26在正常沸点下液态的摩尔体积 气体 摩尔体积/（cm3/mol）气体 摩尔体积/（cm3/mol）气体 摩尔体积/（cm3/mol）气体 摩尔体积/（cm3/mol）H2 O2 14.3 25.6 N2 空气 31.3 29.9
45、 CO2 SO2 34.0 44.8 NH3 H2O 25.8 19.8 第第2 2章传热学及流体力学基础章传热学及流体力学基础二元混合液体的扩散系数及气体与固体、液体与固体之间的扩散系数,比气体之间的扩散系数要复杂得多,通常用实验来确定。一般气相的分子扩散系数约为液相的105倍,但由于液相分子的含量远大于气相,因此实际上,气相的分子扩散系数只有液相的100倍左右。当液相扩散组分为低分子量的非电解质并且处在稀溶液中时,其扩散系数可按下式估算:80.50.67.4 10()TrBABmAMDVjm-=(250)第第2 2章传热学及流体力学基础章传热学及流体力学基础式中:T热力学温度(K);溶剂的
46、缔合因子,水的=2.6,甲醇的=1.9,乙醇的=1.5,苯、乙醚等非缔合类溶剂的=1.0;MrB溶剂B的相对分子质量;溶液的动力粘度(Pas);VmA组分A在正常沸点下的摩尔体积(cm3/mol),当溶质为水时,VA=75.6cm3/mol。第第2 2章传热学及流体力学基础章传热学及流体力学基础2.2流体力学基础流体力学基础2.2.1流体的概念及其性质流体的概念及其性质1.流体的连续性流体的连续性微观上,液体和气体都由大量分子所组成,这些分子都在不停地作不规则的热运动,因此分子和分子之间及分子内部的原子与原子之间,有一定的空隙存在,即流体微观内部结构是不连续的。流体力学不研究分子或原子的微观运
47、动,而只研究大量分子的宏观集体运动效果,同时将整个流体分成许多分子集团,每个分子集团称为质点,并认为各质点之间没有任何空隙,而且相对整个流体来说,质点的几何尺寸可忽略不计。因此,质点是研究流体的最小单位,质点是连续的,所以流体具有连续性,反映流体质点运动特性的各种物理量,如速度、密度、压力等也是连续的。但对极稀薄的空气,连续性就不适用了。第第2 2章传热学及流体力学基础章传热学及流体力学基础2.流体的流动性流体的流动性流体的流动性是它与固体的根本区别。流动性并不是指物体能否变形,因为所有实际物体在外力作用下都能发生变形,但在变形时,流体与固体所表现出的性质是截然不同的。固体变形的大小与外加作用
48、力有关,所需力的大小,完全取决于变形的要求,而与发生变形的快慢无关。流体变形也产生阻力,但这种阻力与变形的快慢有关。要使流体迅速变形,需要用很大的力。当用力的时间充分长,或者说变形的过程相当慢时,任何微小的力也能使流体产生非常大的变形和流动,这种性质称为流体的流动性。第第2 2章传热学及流体力学基础章传热学及流体力学基础流体具有流动性,因此流体没有固定的形状。液体和气体都随其容器形状的不同而改变自身的形状。液体和气体的流动性也是有区别的。液体形状随着容器而改变,但体积不变化。气体在流动中改变自身形状的同时,它的体积也随容器的体积而改变,它总是充满整个容器。第第2 2章传热学及流体力学基础章传热
49、学及流体力学基础3.流体的压缩性和膨胀性流体的压缩性和膨胀性流体受压力作用时体积缩小、密度增大的性质称为流体的压缩性。流体随着温度的升高,体积膨胀、密度减小的性质,称为流体的膨胀性。流体的压缩性通常以压缩系数p表示,它表示单位压力变化流体体积的相对变化值。其数学表达式为 1pdVV dpb=-(251)式中:V流体的体积(m3);dV/dp流体的体积相对于压力的变化(m3/Pa);p流体的压缩系数(m2/N),0时水的压缩系数见表27。第第2 2章传热学及流体力学基础章传热学及流体力学基础表表270时水的压缩系数时水的压缩系数p 由表27可知,水的压缩系数随压力升高略有降低,当压力为0.1MP
50、a时,压力每升高105Pa,水的体积仅变化十万分之五左右,显然,在一般情况下是可以忽略不计的。因此在制冷空调工程中,都把水当作不可压缩的,其他液体的情况也是如此。压力 p/（105Pa）5 10 20 40 80 pb/（10-10m2/N）5.38 5.36 5.31 5.28 5.15 第第2 2章传热学及流体力学基础章传热学及流体力学基础气体的压缩系数比液体大得多,而且其压缩系数随气体的热力学过程而定,随压力升高而增大。空气在压力为1105Pa、温度为0时,其压缩系数是水的2万倍。流体的膨胀性用温度膨胀系数T表示,它表示单位温度变化时,流体体积的相对变化。其数学式为1 ddTVVTb=(
