--高等传热学课件 第四章 Chap 4 laminar forced convection in pipes and ducts
高等传热学 ppt课件
高等传热学
高等传热学
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解 释
高等传热学
高等传热学
高等传热学
高等传热学
高等传热学
用同样的方 法可以求得圆 筒、球等在有 内热源情况下 的温度表达式， 在此不再赘述。
高等传热学
高等传热学
高等传热学
高等传热学
高等传热学 以过余温度表达式为：
高等传热学
高等传热学
高等传热学
高等传热学
高等传热学
结论
高等传热学
高等传热学
第5章 外掠物体层流对流传热
高等传热学
（1） （2）
高等传热学
高等传热学
高等传热学
高等传热学
高等传热学
高等传热学
高等传热学
类
高等传热学
高等传热学
高等传热学
高等传热学
高等传热学
高等传热学
高等传热学
高等传热学
高等传热学
高等传热学 a0=a2=0
高等传热学
高等传热学
高等传热学
高等传热学
高等传热学
高等传热学
高等传热学
高等传热学
高等传热学
心
6.1.1
高等传热学
6.1.1
高等传热学
6.1.1
高等传热学
6.1.2
高等传热学
1）基本特征
常物性，则有
高等传热学 6.1.2 圆管，则有
6.1.2
高等传热学
高等传热学
1.2.2运动方程
高等传热学
1.2.2运动方程
高等传热学
1.2.2运动方程
高等传热学
1.2.2运动方程
高等传热学
1.2.3传热方程
《高等传热学chap》课件
详细描述
求解导热问题的方法主要包括解析法和数值法两大类，解析法适用于简单几何形状和边界条件，数值法则更为通用。
总结词
求解导热问题的方法主要包括解析法和数值法两大类。解析法适用于简单几何形状和边界条件的问题，可以通过数学推导得到精确解。数值法则适用于更复杂的问题，通过将导热微分方程离散化，采用差分、有限元或有限差分等方法求解。数值法可以处理复杂的几何形状、非均匀介质和复杂的边界条件等问题，但计算量较大，需要借助计算机进行求解。
高等传热学chap
Chap.1 传热学简介Chap.2 导热基本定律Chap.3 对流换热Chap.4 辐射换热Chap.5 传热过程综合分析
contents
目录
Chap.1 传热学简介
CATALOGUE
01
传热学是一门研究热量传递现象的科学，主要涉及温度差引起的热量传递以及热量传递过程中的规律和现象。
总结词
导热微分方程是描述导热过程的基本方程，它基于能量守恒原理和傅里叶定律。
导热微分方程是传热学中的基本方程，它表示在稳态或瞬态导热过程中，单位时间内通过单位面积传递的热量与温度梯度成正比。该方程基于能量守恒原理和傅里叶定律，适用于各种形状和材料的导热问题。求解导热微分方程可以得到导热问题的温度分布和热量传递情况。
通过改进传热设备结构和操作方式，提高传热效率，如增加换热面积、采用新型导热材料等。
传热削弱
在特定场合下，为了限制热量传递而采取措施削弱传热过程，如隔热、保温等。
热量有效利用
合理利用和回收热量，实现能量的高效利用，减少能源浪费。
THANKS
感谢观看
总结词
求解对流换热问题的方法主要包括实验研究、理论分析和数值模拟。
要点一
高等传热学课件对流换热第4章
4-2 管内湍流充分发展流对流换热一、管内湍流充分发展流对常物性、不可压牛顿流体的管内湍流充分发展流，有：0ux∂=∂，0v =，0p r ∂=∂ 于是，其二维稳态的动量方程化简为：（4.2.1）（4.2.2） 积分得到：（4.2.3）上式表明：管内湍流充分发展流的总切应力沿径向是线性分布的。
当w r r =时，w ττ=，于是：（4.2.4）） 定义：y 是沿半径方向离开壁面的距离，则w y r r =−。
于是τ可表示为：y（4.2.4）采用无量纲参数：u u u τ+=, y u y τν+⋅=, u τ=（4.2.5）与平壁湍流边界层的无量纲速度关系式：（内层区）所以，管内湍流充分发展流的近壁区与扰流平壁的湍流边界近壁区都遵循通用速度分布。
△另外，在管内充分发展湍流中，不存在平壁湍流边界层边缘那.种间歇湍流脉动，因而，在近壁区外，速度分布规律偏离壁面规律不像平壁湍流边界层那样显著。
这样，可近似地用通用速度分布来描述整个管截面内的速度场。
正如前面一节提到的，Von Kármán的三层结构通用速度分布也适用于管内湍流，即：（4.2.6）但也存在以下缺点：>时，用上式计算管内湍流对流换热结果不满意，（1）当Pr30原因是完全忽略了粘性底层中的脉动（t ν＝0）；（2出的结果不为零，这不符合实际。
赖卡特（H.Reichardt ），对此进行了改进，提出了公式：（4.2.7） 由上式可以看出，当50y +≤时，t νν随y +减小而减小，在壁面处，t νν＝0（y +＝0）；在中心线处，w y r =将上式代入动量方程：(1)1t wdu y dy r νν+++++=−得（4.2.8）当0r =时，00r dudr ==。
最终可得无量纲通用速度分布：（4.2.9）工程上更多地直接采用尼古拉兹提出的速度分布。
尼古拉兹对36410Re 3.210×<<×范围内的管内湍流阻力与速度分布进行了广泛的实验研究，认为管内的湍流速度分布可表示为：（4.2.10） 其中，max u 是管中心线处速度，指数n 随Re 的变化（Re m u dν⋅=），如下表：施里希延（Schlichting.H.）推荐下面的速度分布式：（4.2.11）系数()c n 随n 的变化如下表:Re5105510× 61.310× 63.210×n78 9 10 ()c n8.749.7110.611.5普朗特基于通用速度分布，并综合实验数据修正，得出了通用的管内充分发展湍流阻力公式：（4.2.12） 上式称为光滑圆管的普朗特通用阻力公式，适用于6Re 3.410<×。
四章传热ppt课件
才1/2成0/20为20 最主要的传热方式。
9
三、工业换热器
1、混合式换热器
冷水
特点：是依靠热流体和冷流体直
接接触和混合过程实现的。
优点：传热速度快、效率高，设 备简单，是工业换热器的首选类 型。
典型设备：如凉水塔、喷洒式冷 却塔、混合式冷凝器
废蒸气
适用范围：无价值的蒸气冷凝，
热水
或其冷凝液不要求是纯粹的物料
第四章 传热 ( Heat transfer )
本章学习要求：
1、掌握内容 传热基本方式、工业换热方式及适用范围；传热基本方程式及 其相关参数的计算方法；热量衡算及其应用；传热系数计算及 测定方法，设计计算与校核计算；强化传热的方法与途径。 2、理解内容 热负荷与传热速率间的关系，传热机理、传热膜概念，列管换 热器的选型方法。 3、了解内容 工业换热器的类型、结构、操作原理。
1、单层圆筒壁导热
• 化工生产中的导热问题大多是圆筒壁中的导 热问题。它与平壁导热的不同之处在于：
• 温度随半径而变；此时傅立叶定律应改写为
Q A dt
dr
• 圆筒壁的导热面积随半径而变，A＝2πrL。
1/20/2020
31
• 如图所示，由傅立叶定 律有：
Q (2 rL) dt
dr
1/20/2020
32
• 将上式分离变量，并根据边界条件积分。即：
• 积分得：
Q r2 dr 2L t2 dt
r r1
t1
Q 2 L(t1 t2 ) t1 t2 t
ln r2
ln(r2 r1) R
• •
式中
R ln(r2 r1)
2 L
r1
西安交大高等传热学热对流第四章
b2 Kn dp us 2 dx b2 dp 1 ub Kn 2 dx 6
2 w 24 cf 2 ub Re 1 6Kn
高等传热学 Advanced Heat Transfer
circular tubes
1 d du dp r r dr dr dx
2 w b
dTb qw 2 rw dx c p r u dx dx dTb qw 2 rw 2qw UHF const 2 dx c p rw ub c p rw ub
2 w b
Note：
dTb 2qw 不因热边界条件或进口段而异 dx c p rw ub
8. EOF solution
p x
+ + + + + + - ++ + + + + + -
- - - - + + + + + + + + + Streaming potential + + - - + - + Streaming current + + + + + + + + + + - - - - -
充分发展区矩形及圆环通道滑移分析解：Ebert WA, Sparrow
EM, Slip flow in rectangular and annular ducts, ASME J Basic Engineering, 1965, 87: 1018-1024.
充分发展矩形通道高阶滑移分析解：Aubert C, Colin S，
高等传热学Laminer dust flow & HT4
第四讲 管内层流换热1. Introdution:1) 假定：除上述条件外， Laminar flow: 管内流Re=u m d e /ν<2200 d e =4A c /Pd e 小，换热面积强度β：β大，β>656m 2/m 3, 紧凑式换热器 β>3000m 2/m 3, 管翅式换热器 β>6000m 2/m 3, 板翅式换热器 β>16000m 2/m 3, 回转式换热器 β>20000m 2/m 3, 人肺2) 平均速度：u m =G/(ρm A)= udr r r udA A rt Am ⎰⎰=002021ρρ 圆管，半径r 0。
3) 平均温度：)(210020x f utdr r r u tdA u uC C A t rm t m A pm p m f ===⎰⎰ρρ, 圆管，半径r 0。
4) 入口段长度L h 、L t : V , VG VFD: Re 05.0=dL hT, TG TFD:.,Pr Re 05.0const t dL w t==.,Pr Re 07.0const q dL w t==Pr<1, L t <L h Pr>1, L t >L h 5) 充分发展段：0=∂∂x u 或 w f v u h C xτ,,,,)(0)(可以是∙=∂∙∂ ，但t,P 除外。
证明如下：v=0, 0)(21222=∂∂∂∂===∂∂===r r fm w mf r r w yx u dx dC u dx d u C yuηρτρητ4/f C f =;TFD: 0,0=∂∂≠∂∂x xt f θfw ww f w t t t t t t t t --=--=θ2. 圆管内充分发展段换热（VFD, TFD ） 1) governing eqs)(1)(0)(1rt r r r a r t v x t u x Pr u r r r r u v x u u r rv r x u ∂∂∂∂=∂∂+∂∂∂∂-∂∂∂∂=∂∂+∂∂=∂∂+∂∂ρν ⇒ )(1)(0,,0)(,0rt r r r a x t u x Pr u r r r v c o n s t rv r rv x u ∂∂∂∂=∂∂∂∂=∂∂∂∂===∂∂=∂∂ρν B.C:wh t t v u r r v ru r L x ======∂∂=>0,0:0,0:0:03） 速度解：))(1(42020r rdx dP r u --=ηdx dP r u m η820-=, dxdPr u u m η4220max -== 200214m f m y w u C u r dydu ρηητ==== Re644,Re16===f f C f C 4） 温度解： 当TFD ，0,0=∂∂≠∂∂xxt f θ,const rr y =∂∂=⇒=0),(θθθconst r t t r t t t t rt h r r f w r r w f w r r x =∂∂=-∂-∂=-∂∂-====0)/()()/(θλλλ当TFD ，const q w =时， const t t h q f w x w =-=)(， 因为const h x =，dx dt dxdt w f =， const dxdt dx dt dx dt dx dt dx dt x t f w w w f ===++-=∂∂θθ )(r t r r r a x t u x t uw ∂∂∂∂=∂∂=∂∂， )()(rtr r r a x t r u w ∂∂∂∂=∂∂，为ODE 。
《高等传热学chap》课件
解释实际物体的辐射特性，如反射率和吸收率，并探讨辐射传热的应用。
传热计算
传热方程
数值模拟
介绍传热计算的基本方程和方法， 如热传导方程和对流换热方程。
探讨使用数值方法进行传热计算 和仿真的优势和应用。
实验方法
介绍传热实验方法和实验设备， 如热平衡法和热敏电阻。
传热设备
散热器
探索散热器的工作原理和设计要点，如片状散热器 和鳍片散热器。
2
对流传热
探讨对流传热的机制和传热系数的影响因素，如流体性质和流动特性。
3
自然对流和强迫对流
比较自然对流和强迫对流的特点和应用，如自然对流冷却和换热器。
热辐射
1 辐射热传递
介绍辐射热传递的基本原理和辐射能量的计算方法，如斯特凡-玻尔兹曼定律。
2 黑体辐射
探讨理想黑体的特性以及黑体辐射的应用，如太阳能利用。
传热学的应用
掌握传热学的知识可以应用于热工、建筑、能源等领域的设计和优化。
热传导
导热性
传热方程
介绍物质的导热性及其影响因素， 如热导率、温度梯度等。
解释热传导的数学模型，如傅立 叶热传导定律。
实际应用
探讨热传导在工程和日常生活中 的应用，如散热器、保温材料等。
热对流
1
流体运动
介绍流体的运动以及流体力学的基本概念，如速度场和压力场。
《高等传热学chap》PPT 课件
欢迎来到《高等传热学chap》PPT课件！本课程将带你深入了解热传导、热 对流、热辐射等传热现象，并探讨传热计算和传热设备。一起来探索这个引 人入胜的领域吧！ Nhomakorabea导言
传热的重要性
传热是物质和能量的交互过程，在工程和科学领域中发挥着重要作用。
《第四章传热》PPT课件
2. 傅立叶定律 傅立叶定律是热传导的基本定律，它表示热传导的速率与温度 梯度和垂直于热流方向的导热面积成正比。
Q S t 或：q t
n
n
热传导中，Q S，Q t n
Q——传热速率，W；
λ——导热系数，W/（m·K） 或W/（m·℃）；
S——导热面积，垂直于热流方向的截面积，m2；
946℃。试求：
(1)单位面积的热损失；(2)保温砖与建筑砖之间界面的温度；
(3)建筑砖外侧温度。
解 t3为保温砖与建筑砖的界面温度，t4为建筑砖的外侧温度。
（1）热损失q
q=
Q A
1
b1
t1
t2
1.06 0.15
(1000-946)
=381.6W/m2
(2) 保温砖与建筑砖的界面温度t3 由于是稳态热传导，所以 q1=q2=q3=q
典型换热设备： 间壁式换热器（冷、热流体间的换热设备） 例：列管式换热器 3、本章研究的主要问题 1）三种传热机理（传热速率计算） 2）换热器计算 3）换热设备简介
4.1.1传热的基本方式
根据传热机理不同，传热的基本方式有三种： 热传导、热对流和热辐射。
1．热传导 热传导（导热）：物体各部分之间不发生相对位移，依靠原子、 分子、自由电子等微观粒子的热流运动而引 起的热量传递。
t t'∞
t∞
u
tw-t=
t' t
tw
图4-13 流体流过平壁被加热时的温度边界
2、热边界层的厚度
tw t 0.99(tw t )
3、热边界层内（近壁处） 认为：集中全部的温差和热阻
dt 0 dy
热边界层外（流体主体）
第4章传热-PPT精品
列管式换热器
2、间壁式换热和间壁式换热器
主要特点：冷热两种流体被一固体间壁所隔开， 在换热过程中，两种流体互不接触，热量由热流 体通过间壁传给冷流体。
设备：列管式换热器、套管式换热器。 适用范围：不许直接混合的两种流体间的热交换。
2、间壁式换热和间壁式换热器
冷、热流体通过间壁两侧的传热过程包括以下三个步骤： （1）热流体以对流方式将热量传递给管壁； （2）热量以热传导方式由管壁的一侧传递至另一侧； （3）传递至另一侧的热量又以对流方式传递给冷流体。
物质的导热系数主要与物质的种类和温度有关。
纯金属>合金>非金属建筑材料>液体>绝缘材料>气体
1、 固体的导热系数
金属：金属是最好的导热体。
纯金属：熔融状态时λ变小。
合金：随纯度↑—λ↑。
随T↑—λ↓ 。
非金属建筑材料和绝热材料 λ与温度、组成和结构的紧密程度有关。 随T↑—λ↑ ， 随密度↑—λ↑ ，存在最佳密度，使λ最小。
q Q A
六、传热速率方程式
传热过程的推动力：两流体的温度差，通常用平均温度差 Δtm进行计算，单位为K或℃。
经验指出，在稳态传热过程中，传热速率Q与传热面积A 和两流体的温度差Δtm成正比。即传热速率方程式为：
QKAtm
tm 1
推动力 热阻
KA
其中，比例系数K为总传热系数（overall heat transfer coefficient），单位为W/(m2.K)
2、多层平壁的热传导
在稳定传热时，通过串联平壁的导热速率
都是相等的。
Q(t1t2)(t2t3)(t3t4)
b1
b2
b3
1A
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b
a
b
a
fincom Re 96 11.355 1.946 2 1.70123 0.9564 4 0.25375
t tin
0 cprwub
tx tin
exp
2hx x
c p rw ub
tx
tin
exp
2hx x
c p rw ub
Note：
对入口段（hx≠const）及充分发展段（hx=const）都 适用
对UWT，Tb随x按指数规律变化， x↑， (Tw –Tb)↓
高等传热学 Advanced Heat Transfer
x dx dx dx x dx
另外，由热平衡式 dTb 2qw 2hx Tw Tb x
dx x cprwub
c p rw ub
d Tw Tb 2hx dx Tw Tb cprwub
设t Tw Tb ,积分上式
高等传热学 Advanced Heat Transfer
tx d t x 2hx dx
u 0 x
vr 0
u
u x
vr
u r
p x
1
r
d dr
r
du dr
2u x2
1 r
d dr
r
du dr
dp dx
r 0 : du 0 dr
r rw : u 0
u
1
4
dp dx
r 2
rw2
umax
rw2
4
dp dx
ub
rw u2 rdr
0
rw 2 rdr
rw2
8
dp dx
a.对UHF，qw＝const
qw hx Tb Tw Tb Tw const
dTb dTw const dx dx
T dTb dTw const x dx dx
由
T x
dTw dx
dTb dx
dTw dx
高等传热学 Advanced Heat Transfer
ub
qw hx
Tb Tw
T
x
r rrw ,x
检验正负号的正确性hx NhomakorabeaTb
1
Tw x
T r
r rw ,x
const 该式对UHF,UWT都成立
高等传热学 Advanced Heat Transfer
T:
T Tw Tb Tw
T Tw Tb Tw
T dTw dTb dTw x dx dx dx
Pr>1，速度分布发展快于温度分布发展 Pr→∞，温度分布开始发展前速度分布已经充分发 展。Pr>5的流体，分析热进口时可认为流动已经充分 发展。高粘油 Pr→0，速度分布永远保持均匀，不再发展。液态金 属。
Pr<1，速度分布发展慢于温度分布发展
Pr=1，速度分布发展等于温度分布发展
高等传热学 Advanced Heat Transfer
T
Tw
Tb
x
流体被加热
T
Tb Tw
x
流体被冷却
为什么曲线不上凹？
高等传热学 Advanced Heat Transfer 3.流动和热入口段与充分发展段间的关系
case 速度分布 温度分布 1 充分发展 充分发展 2 充分发展 入口段 3 入口段 入口段
速度分布入口段，温度分布充分发展段？？
高等传热学 Advanced Heat Transfer
（等截面通道中紊流充分发展流动；弯曲通道中的
充分发展流动；受浮升力影响的充分发展流动）
高等传热学 Advanced Heat Transfer 3.热充分发展段
T Tw Tb Tw
0 (T 0)
x
x
hx :
0 r
x
const
r rrw
1 T const
Tb Tw r rrw
高等传热学 Advanced Heat Transfer
Chap 4 laminar forced convection in pipes and ducts
§4-1 Introduction
内部流动与外部流动的区别：
外部流动，边界层在表面上自由发展，不受外 部几何条件限制
内部流动，流体受通道壁面约束，在离通道进 口一定距离后，壁面上边界层互相影响，通道 内不再存在位流核心
1
dp dx
y 0 : du 0 dy
y b :u 0 2
b2
ub
b b
udy
2 2
dy
1
3
dp dx
b 2
2
b 2
umax
3 2
ub
u
3 2
ub
1
y b2
2
高等传热学 Advanced Heat Transfer
②fully developed flow in circular tubes
4.N-S方程在一些情况下的精确解
①fully developed flow between two parallel plates
u 0 x
v0
1
p x
d 2u dx2
0
1 p 0 p p x
y
y
x
b
u
1
2
dp dx
b 2 2
y2
umax
1
2
dp dx
b 2
2
d 2u dx2
dTb co适ns用t 于UHF的入口段及充分发展段
dx
高等传热学 Advanced Heat Transfer
T
Tw
Tb
x
流体被加热
T Tb Tw
x
流体被冷却
高等传热学 Advanced Heat Transfer
b.对UWT（设Tw >Tb）
dTw 0 dx 由T dTw dTb dTw T dTb
高等传热学 Advanced Heat Transfer 1.入口段 2.流动充分发展段
dp const dx
u 0 x
2u ( x2
0, 沿轴向动量扩散为零)
简单充分发展： v w 0 （忽略体积力时，等截面直通道层流充分发展）
复杂充分发展： v 0; w 0 v 0; w 0
x x
0
umax 2ub
u
2ub
1
r rw
2
高等传热学 Advanced Heat Transfer
5.Friction factor
cf
2 w ub2
w
u y
yb
2
cf
Re
24
w
u r
r rw
cf
Re
16
f
2dp dx
ub2
De
f Re 96, De 2b f Re 64, De 2rw
rw
cp rw2ubTb dx
微元体热平衡
cp
rw2ub
Tb
dTb dx
dx
qw g2 rwdx
cp rw2ub
dTb dx
dx
dTb dx
qw g2 rw cp rw2ub
2qw
c p rw ub
UuuHuuFuuur const
Note：
dTb 不2qw因热边界条件或进口段而异
dx cprwub