第四章 熱量傳遞級(jí)設(shè)備

1、化工原理第四章第四章 熱量傳遞熱量傳遞及設(shè)備及設(shè)備 第一節(jié) 概 述 一、傳熱在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用一、傳熱在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用 在物體內(nèi)部或者物系間在物體內(nèi)部或者物系間,只要存在溫度差只要存在溫度差,就會(huì)自動(dòng)發(fā)生從高溫處向就會(huì)自動(dòng)發(fā)生從高溫處向低溫處的熱量傳遞。低溫處的熱量傳遞。溫度差就是傳熱過(guò)程的推動(dòng)力。溫度差就是傳熱過(guò)程的推動(dòng)力。在化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)在化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)中傳熱應(yīng)用極為廣泛，傳熱過(guò)程所涉及的主要問(wèn)題有三類：中傳熱應(yīng)用極為廣泛，傳熱過(guò)程所涉及的主要問(wèn)題有三類： 1.物料的加熱與冷卻。物料的加熱與冷卻。例如化工生產(chǎn)中的許多單元操作如蒸發(fā)、例如化工生產(chǎn)中的許多單元操作如蒸發(fā)、干燥、蒸餾等操作過(guò)程中干

2、燥、蒸餾等操作過(guò)程中,都需要供給一定熱量都需要供給一定熱量,一般的化學(xué)反應(yīng)也都一般的化學(xué)反應(yīng)也都伴隨著熱量的傳遞伴隨著熱量的傳遞,而且都要求將溫度控制在一定范圍內(nèi)而且都要求將溫度控制在一定范圍內(nèi),因此需要不因此需要不斷地輸入和輸出熱量。斷地輸入和輸出熱量。 2.熱量與冷量的回收利用。熱量與冷量的回收利用。在能源短缺的今天在能源短缺的今天,熱量與冷量都是能熱量與冷量都是能量量,有效回收利用熱量與冷量以節(jié)約能源是非常重要的有效回收利用熱量與冷量以節(jié)約能源是非常重要的,也是降低生產(chǎn)也是降低生產(chǎn)成本的重要措施之一。例如利用鍋爐排出的煙道氣的廢熱成本的重要措施之一。例如利用鍋爐排出的煙道氣的廢熱,預(yù)熱燃

3、料燃預(yù)熱燃料燃燒所需要的空氣等。燒所需要的空氣等。 3.設(shè)備與管路的保溫。設(shè)備與管路的保溫。有許多設(shè)備與管路是在特定高溫或低溫下有許多設(shè)備與管路是在特定高溫或低溫下操作操作,為了減少熱量與冷量的損失為了減少熱量與冷量的損失,總是在設(shè)備與管路的表面包上絕熱總是在設(shè)備與管路的表面包上絕熱材料的保溫層材料的保溫層,以盡量避免傳熱。以盡量避免傳熱。 由此可見(jiàn)由此可見(jiàn),傳熱是化工生產(chǎn)中必不可少的基本操作，能量的充分利傳熱是化工生產(chǎn)中必不可少的基本操作，能量的充分利用是化工生產(chǎn)、尤其是大型生產(chǎn)中極為重要的課題。用是化工生產(chǎn)、尤其是大型生產(chǎn)中極為重要的課題。第一節(jié) 概 述 二、工業(yè)生產(chǎn)上的換熱方法二、工業(yè)生

4、產(chǎn)上的換熱方法 參與傳熱的流體稱為載熱體。在傳熱過(guò)參與傳熱的流體稱為載熱體。在傳熱過(guò)程中，溫度較高而放出熱能的載熱體稱為熱程中，溫度較高而放出熱能的載熱體稱為熱載熱體或加熱劑；溫度較低而得到熱能的載載熱體或加熱劑；溫度較低而得到熱能的載熱體稱為冷載熱體或冷卻劑、冷凝劑。熱體稱為冷載熱體或冷卻劑、冷凝劑。 冷、熱兩種流體在換熱器內(nèi)進(jìn)行熱交換，冷、熱兩種流體在換熱器內(nèi)進(jìn)行熱交換，實(shí)現(xiàn)熱交換的方法有以下三種：實(shí)現(xiàn)熱交換的方法有以下三種： 1.直接接觸式換熱直接接觸式換熱 其特點(diǎn)是冷、熱兩流體在換熱器中直接其特點(diǎn)是冷、熱兩流體在換熱器中直接接觸，如圖接觸，如圖4-1所示，在混合過(guò)程中進(jìn)行傳所示，在混合

5、過(guò)程中進(jìn)行傳熱，故也稱為混合式換熱。熱，故也稱為混合式換熱。 混合式換熱器適用于用水來(lái)冷凝水蒸汽混合式換熱器適用于用水來(lái)冷凝水蒸汽等允許兩股流體直接接觸混合的場(chǎng)合。常用等允許兩股流體直接接觸混合的場(chǎng)合。常用于氣體的冷卻或水蒸氣冷凝。于氣體的冷卻或水蒸氣冷凝。 圖4-1 直接接觸式換熱第一節(jié) 概 述 2.蓄熱式換熱蓄熱式換熱 其特點(diǎn)是冷、熱流體間的熱交其特點(diǎn)是冷、熱流體間的熱交換是通過(guò)蓄熱器的周期性加熱和換是通過(guò)蓄熱器的周期性加熱和冷卻來(lái)實(shí)現(xiàn)的。該換熱器是由熱冷卻來(lái)實(shí)現(xiàn)的。該換熱器是由熱容量較大的蓄熱室構(gòu)成容量較大的蓄熱室構(gòu)成,室內(nèi)裝有室內(nèi)裝有耐火磚等固體填充物耐火磚等固體填充物,如圖如圖4-2

6、所示。所示。操作時(shí)冷、熱流體交替的流過(guò)蓄操作時(shí)冷、熱流體交替的流過(guò)蓄熱室熱室,利用固體填充物來(lái)積蓄和釋利用固體填充物來(lái)積蓄和釋放熱量而達(dá)到換熱的目的。放熱量而達(dá)到換熱的目的。 由于這類換熱設(shè)備的操作是間由于這類換熱設(shè)備的操作是間歇交替進(jìn)行的歇交替進(jìn)行的,并且難免在交替時(shí)并且難免在交替時(shí)發(fā)生兩股流體的混合發(fā)生兩股流體的混合,所以這類設(shè)所以這類設(shè)備在化工生產(chǎn)中使用的不太多。備在化工生產(chǎn)中使用的不太多。圖4-2 蓄熱式換熱器 第一節(jié) 概 述 3. .間壁式換熱間壁式換熱 其特點(diǎn)是冷、熱流體被一固體壁面隔開(kāi)其特點(diǎn)是冷、熱流體被一固體壁面隔開(kāi), ,分別在壁面的兩側(cè)流動(dòng)分別在壁面的兩側(cè)流動(dòng), ,不相混合。

7、傳熱時(shí)熱流體將熱量傳給固體壁面不相混合。傳熱時(shí)熱流體將熱量傳給固體壁面, ,再由壁面?zhèn)鹘o冷流體。再由壁面?zhèn)鹘o冷流體。這是生產(chǎn)中使用最廣泛的一種形式。適用于兩股流體間需要進(jìn)行熱量這是生產(chǎn)中使用最廣泛的一種形式。適用于兩股流體間需要進(jìn)行熱量交換而又不允許直接相混的場(chǎng)合交換而又不允許直接相混的場(chǎng)合, ,如鍋爐燒水。如鍋爐燒水。 化工生產(chǎn)中最常遇到的換熱過(guò)程就是間壁式換熱化工生產(chǎn)中最常遇到的換熱過(guò)程就是間壁式換熱, ,常見(jiàn)換熱器如常見(jiàn)換熱器如圖圖4-34-3、4-44-4及及4-54-5所示。所示。圖圖4-3 套管式換熱器套管式換熱器圖圖4-4 單程列管式換熱單程列管式換熱器器圖圖4-5 雙程列管式換

8、熱器雙程列管式換熱器 第一節(jié) 概 述 套管式換熱器如圖4-3所示,它是由直徑不同的兩根管子同心套在一起組成的。冷、熱流體分別流經(jīng)內(nèi)管和環(huán)隙,通過(guò)內(nèi)管壁而進(jìn)行熱的交換。 列管式換熱器主要有殼體、管束、管板（花板）和封頭等部件組成。一種流體由封頭處的進(jìn)口管進(jìn)入分配室空間（封頭與管板之間的空間）分配至各管內(nèi)（稱為管程）,通過(guò)管束后,從另一封頭的出口管流出換熱器。另一種流體則由殼體的進(jìn)口管流入,在殼體與管束間的空隙流過(guò)（稱為殼程）,從殼體的另一端出口管流出。 圖4-4所示為單管程列管式換熱器，流體在換熱器管束內(nèi)只通過(guò)一次。 圖4-5所示為雙管程列管式換熱器,在換熱器的分配室空間設(shè)置隔板,將管束的全部管

9、子平均分成兩組,流體每次只通過(guò)一組管子,然后折回進(jìn)入另一組管子,如此反復(fù),最后從封頭處的出口管流出換熱器。 另外還有多管管程列管式換熱器。第一節(jié) 概 述 三、傳熱的基本方式三、傳熱的基本方式 熱量傳遞是由于物體內(nèi)或系統(tǒng)內(nèi)的兩部分之間的溫度差而引起的，熱量傳遞是由于物體內(nèi)或系統(tǒng)內(nèi)的兩部分之間的溫度差而引起的，熱量傳遞方向總是由高溫處自動(dòng)地向低溫處移動(dòng)。溫度差越大，熱能熱量傳遞方向總是由高溫處自動(dòng)地向低溫處移動(dòng)。溫度差越大，熱能的傳遞越快，溫度趨向一致，就停止傳熱。所以傳熱過(guò)程的推動(dòng)力是的傳遞越快，溫度趨向一致，就停止傳熱。所以傳熱過(guò)程的推動(dòng)力是溫度差。溫度差。 根據(jù)傳熱機(jī)理的不同，熱量傳遞的基本

10、方式有三種：即熱傳導(dǎo)、根據(jù)傳熱機(jī)理的不同，熱量傳遞的基本方式有三種：即熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射。熱對(duì)流和熱輻射。 1. .熱傳導(dǎo)：熱傳導(dǎo)：又稱傳導(dǎo)傳熱又稱傳導(dǎo)傳熱, ,簡(jiǎn)稱導(dǎo)熱，即在同一物體內(nèi)或連接緊簡(jiǎn)稱導(dǎo)熱，即在同一物體內(nèi)或連接緊密的不同物體間密的不同物體間, ,熱量會(huì)自動(dòng)地從高溫向低溫傳遞的方式。熱量會(huì)自動(dòng)地從高溫向低溫傳遞的方式。本質(zhì)上它本質(zhì)上它是依靠物體內(nèi)分子的熱振動(dòng)和自由電子的運(yùn)動(dòng)而進(jìn)行熱能的傳遞是依靠物體內(nèi)分子的熱振動(dòng)和自由電子的運(yùn)動(dòng)而進(jìn)行熱能的傳遞。在。在熱傳導(dǎo)中物體中的分子不發(fā)生相對(duì)位移熱傳導(dǎo)中物體中的分子不發(fā)生相對(duì)位移, ,如鐵棒的傳熱等如鐵棒的傳熱等 。固體、液。固體、液體和

11、氣體都能以這種方式傳熱。體和氣體都能以這種方式傳熱。 2. .熱對(duì)流：熱對(duì)流：又稱對(duì)流傳熱又稱對(duì)流傳熱,是指流體中質(zhì)點(diǎn)發(fā)生相對(duì)位移而引起的是指流體中質(zhì)點(diǎn)發(fā)生相對(duì)位移而引起的熱量傳遞過(guò)程。熱對(duì)流可分為自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流，強(qiáng)制對(duì)流傳熱狀熱量傳遞過(guò)程。熱對(duì)流可分為自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流，強(qiáng)制對(duì)流傳熱狀況比自然對(duì)流好。熱對(duì)流這種傳熱方式僅發(fā)生在液體和氣體中。況比自然對(duì)流好。熱對(duì)流這種傳熱方式僅發(fā)生在液體和氣體中。第一節(jié) 概 述 3. .熱輻射：熱輻射：又稱輻射傳熱又稱輻射傳熱, ,是物質(zhì)由于本身溫度的原因激發(fā)產(chǎn)生電是物質(zhì)由于本身溫度的原因激發(fā)產(chǎn)生電磁波而被另一低溫物體吸收后磁波而被另一低溫物體吸收后, ,

12、又重新全部或部分地轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿倪^(guò)程。又重新全部或部分地轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿倪^(guò)程。因此輻射傳熱因此輻射傳熱, ,不僅是能量的傳遞，還同時(shí)伴隨有能量形式的轉(zhuǎn)化。另不僅是能量的傳遞，還同時(shí)伴隨有能量形式的轉(zhuǎn)化。另外外, ,輻射傳熱不需要任何介質(zhì)作媒介輻射傳熱不需要任何介質(zhì)作媒介, ,它可以在真空中傳播。它可以在真空中傳播。這是熱輻射這是熱輻射與熱傳導(dǎo)及熱對(duì)流的根本區(qū)別。一般只有物體溫度大于與熱傳導(dǎo)及熱對(duì)流的根本區(qū)別。一般只有物體溫度大于400400時(shí)時(shí), ,才有明才有明顯的熱輻射顯的熱輻射。 實(shí)際上，以上三種傳熱方式很少單獨(dú)存在，一般都是兩種或三種方實(shí)際上，以上三種傳熱方式很少單獨(dú)存在，一般都是兩種或三種方

13、式同時(shí)出現(xiàn)。在一般換熱器內(nèi)，輻射傳熱量很小，往往可以忽略不計(jì)，式同時(shí)出現(xiàn)。在一般換熱器內(nèi)，輻射傳熱量很小，往往可以忽略不計(jì)，只需考慮熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流兩種傳熱方式。只需考慮熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流兩種傳熱方式。 四、穩(wěn)定傳熱與不穩(wěn)定傳熱四、穩(wěn)定傳熱與不穩(wěn)定傳熱 在傳熱系統(tǒng)中溫度分布不隨時(shí)間而改變的傳熱過(guò)程稱為穩(wěn)定傳熱。在傳熱系統(tǒng)中溫度分布不隨時(shí)間而改變的傳熱過(guò)程稱為穩(wěn)定傳熱。連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程中的傳熱多為穩(wěn)定傳熱。連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程中的傳熱多為穩(wěn)定傳熱。 若傳熱系統(tǒng)中溫度分布隨時(shí)間變化的傳熱過(guò)程稱為不穩(wěn)定傳熱。工若傳熱系統(tǒng)中溫度分布隨時(shí)間變化的傳熱過(guò)程稱為不穩(wěn)定傳熱。工業(yè)生產(chǎn)上間歇操作的換熱設(shè)備和連續(xù)生產(chǎn)時(shí)設(shè)備的啟動(dòng)和

14、停車過(guò)程，都業(yè)生產(chǎn)上間歇操作的換熱設(shè)備和連續(xù)生產(chǎn)時(shí)設(shè)備的啟動(dòng)和停車過(guò)程，都為不穩(wěn)定的傳熱過(guò)程。為不穩(wěn)定的傳熱過(guò)程。 化工生產(chǎn)過(guò)程中的傳熱多為穩(wěn)定傳熱，本章只討論穩(wěn)定傳熱?；どa(chǎn)過(guò)程中的傳熱多為穩(wěn)定傳熱，本章只討論穩(wěn)定傳熱。第二節(jié) 熱 傳 導(dǎo) 一、導(dǎo)熱基本規(guī)律一、導(dǎo)熱基本規(guī)律 1. .熱傳導(dǎo)方程熱傳導(dǎo)方程 在一個(gè)由固體物質(zhì)組成的壁面如圖在一個(gè)由固體物質(zhì)組成的壁面如圖4-6所示所示, ,面積為面積為S,S,壁厚為壁厚為, 兩側(cè)壁面溫度分別為兩側(cè)壁面溫度分別為t t1 1和和t t2 2, ,單位為單位為K K或或。熱量以熱傳導(dǎo)方式沿著與壁面垂直的方向從一側(cè)傳遞到熱量以熱傳導(dǎo)方式沿著與壁面垂直的方

15、向從一側(cè)傳遞到另一側(cè)。另一側(cè)。實(shí)踐證明：如果在與壁面垂直的方向上任取一實(shí)踐證明：如果在與壁面垂直的方向上任取一傳熱厚度傳熱厚度db,db,其對(duì)應(yīng)溫度降為其對(duì)應(yīng)溫度降為dtdt，則單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)該，則單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)該壁面?zhèn)鬟f的熱量壁面?zhèn)鬟f的熱量Q Q有下列關(guān)系：有下列關(guān)系： (4-1)(4-1) 負(fù)號(hào)表示傳熱方向與溫度升高方向相反。負(fù)號(hào)表示傳熱方向與溫度升高方向相反。 式中式中Q Q稱為導(dǎo)熱速率稱為導(dǎo)熱速率, ,單位為單位為W W；dtdt/db/db為沿傳熱方向?yàn)檠貍鳠岱较驕囟茸兓膹?qiáng)度溫度變化的強(qiáng)度, ,稱為溫度遞度；稱為溫度遞度；稱為熱導(dǎo)率稱為熱導(dǎo)率, ,又稱又稱導(dǎo)熱系數(shù)。導(dǎo)熱系數(shù)。 式（

16、式（4-1）稱為）稱為熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)基本基本方程，或稱為傅里葉方程，或稱為傅里葉（FourierFourier）定律。）定律。dtdtQSQSdbdb 或圖圖4-6 平壁熱傳導(dǎo)平壁熱傳導(dǎo)S第二節(jié) 熱 傳 導(dǎo) 2. .熱導(dǎo)率（導(dǎo)熱系數(shù)）熱導(dǎo)率（導(dǎo)熱系數(shù)） 導(dǎo)熱系數(shù)表征物質(zhì)導(dǎo)熱能力的強(qiáng)弱，為物質(zhì)的物理性質(zhì)之一，單導(dǎo)熱系數(shù)表征物質(zhì)導(dǎo)熱能力的強(qiáng)弱，為物質(zhì)的物理性質(zhì)之一，單位是位是W/（mK）或或 W/（m)。其值越大，則物質(zhì)的導(dǎo)熱能力越強(qiáng)。其值越大，則物質(zhì)的導(dǎo)熱能力越強(qiáng)。當(dāng)需要提高導(dǎo)熱速率時(shí)，可選用導(dǎo)熱系數(shù)大的材料；反之，應(yīng)選用導(dǎo)當(dāng)需要提高導(dǎo)熱速率時(shí)，可選用導(dǎo)熱系數(shù)大的材料；反之，應(yīng)選用導(dǎo)熱系數(shù)小的材料

17、。熱系數(shù)小的材料。 各種物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)通常用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定，可在專用化工手冊(cè)中各種物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)通常用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定，可在專用化工手冊(cè)中查得。導(dǎo)熱系數(shù)數(shù)值的變化范圍很大，一般來(lái)說(shuō)，查得。導(dǎo)熱系數(shù)數(shù)值的變化范圍很大，一般來(lái)說(shuō)，金屬的導(dǎo)熱系數(shù)最金屬的導(dǎo)熱系數(shù)最大，非金屬固體次之，液體的較小，而氣體的最小大，非金屬固體次之，液體的較小，而氣體的最小。 溫度對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響較大，二者之間具有線性關(guān)系，即溫度對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響較大，二者之間具有線性關(guān)系，即 有：有：=0 0(1+at(1+at) ) , 式中式中a稱為溫度系數(shù)；稱為溫度系數(shù)； 壓強(qiáng)對(duì)物體的導(dǎo)熱系數(shù)基本無(wú)影響。只有氣體在壓力很高時(shí)（大壓強(qiáng)對(duì)物體

18、的導(dǎo)熱系數(shù)基本無(wú)影響。只有氣體在壓力很高時(shí)（大于于200MPa），其導(dǎo)熱系數(shù)才隨壓強(qiáng)的增大而增大。），其導(dǎo)熱系數(shù)才隨壓強(qiáng)的增大而增大。第二節(jié) 熱 傳 導(dǎo) 二、平壁的熱傳導(dǎo)二、平壁的熱傳導(dǎo) 1.單層平壁的熱傳導(dǎo)單層平壁的熱傳導(dǎo) 按圖按圖4-6所示，利用傅立葉定律并分離變量積分，整理后有：所示，利用傅立葉定律并分離變量積分，整理后有： （4-2） 式（式（4-24-2）即為單層平壁熱傳導(dǎo)速率的計(jì)算式。）即為單層平壁熱傳導(dǎo)速率的計(jì)算式。 現(xiàn)對(duì)該式變形有：現(xiàn)對(duì)該式變形有： （4-3） 本式與電學(xué)的歐姆定律相似，式中溫度差本式與電學(xué)的歐姆定律相似，式中溫度差(t)是導(dǎo)熱過(guò)程的推動(dòng)是導(dǎo)熱過(guò)程的推動(dòng)力，而力

19、，而R R導(dǎo)導(dǎo)為單層平壁的導(dǎo)熱熱阻，即為單層平壁的導(dǎo)熱熱阻，即傳熱速率與推動(dòng)力成正比傳熱速率與推動(dòng)力成正比,與熱與熱阻成反比阻成反比,這符合我們前面講過(guò)的過(guò)程速率通式。這符合我們前面講過(guò)的過(guò)程速率通式。另外另外m m為壁面兩側(cè)為壁面兩側(cè)溫度下導(dǎo)熱系數(shù)的平均值。溫度下導(dǎo)熱系數(shù)的平均值。12mSQttb12/()mtttQbSR導(dǎo)第二節(jié) 熱 傳 導(dǎo) 2. .多層平壁的熱傳導(dǎo)多層平壁的熱傳導(dǎo) 工業(yè)上常遇到由多種不同材料組成的平壁，工業(yè)上常遇到由多種不同材料組成的平壁，稱為多層平壁。如鍋爐墻壁是由耐火磚、保溫稱為多層平壁。如鍋爐墻壁是由耐火磚、保溫磚和普通磚組成。以三層壁為例，如圖磚和普通磚組成。以三

20、層壁為例，如圖4-7所示所示。因是穩(wěn)定傳熱，則各層的傳熱速率相等，式因是穩(wěn)定傳熱，則各層的傳熱速率相等，式(4-3)對(duì)于各層的傳熱速率均適用，那么有：對(duì)于各層的傳熱速率均適用，那么有： (4-4) 式（式（4-44-4）表明：）表明：多層平壁穩(wěn)定熱傳導(dǎo)多層平壁穩(wěn)定熱傳導(dǎo),其推其推動(dòng)力為內(nèi)外壁面間的總溫差動(dòng)力為內(nèi)外壁面間的總溫差,阻力為各層熱阻總阻力為各層熱阻總和和,與電學(xué)中的串聯(lián)電路相仿與電學(xué)中的串聯(lián)電路相仿,該式即為多層平面該式即為多層平面壁的熱傳導(dǎo)方程式。壁的熱傳導(dǎo)方程式。 在多層平壁中在多層平壁中, ,溫差大的壁層熱阻必然大。溫差大的壁層熱阻必然大。 例題：參見(jiàn)教材例題：參見(jiàn)教材P174

21、例例4-1 圖4-7 多層平壁的熱傳導(dǎo)31231122331231/itttttQbSbSbSRRRR總總導(dǎo)導(dǎo)導(dǎo)導(dǎo)第二節(jié) 熱 傳 導(dǎo) 三、圓筒壁的熱傳導(dǎo)三、圓筒壁的熱傳導(dǎo) 1. .單層圓筒壁的熱傳導(dǎo)單層圓筒壁的熱傳導(dǎo) 如圖4-8所示,有一單層園筒壁的軸向長(zhǎng)度為L(zhǎng),內(nèi)外半徑及溫度分別為r1 、t1和r2 、t2?，F(xiàn)在半徑r(r1rr2)處取園筒壁的一局部,即微元厚dr薄層,此微元薄層的傳熱面積則為S=2rL,據(jù)傅立葉方程通式有：Q=-(2rL)dt/dr，分離變量積分得： ，整理后有： （4-5） 式（4-5）就是單層園筒壁熱傳導(dǎo)的計(jì)算公式。 注意：當(dāng)r2/r1 2(即園筒壁很薄時(shí))，可以近似把

22、(r2-r1)當(dāng)做壁厚b,2L(r1+r2)/2當(dāng)作傳熱面積A,按平面壁求算,其誤差小于4，化工計(jì)算是允許的。 圖圖4-8 單層圓筒壁壁的熱傳導(dǎo)單層圓筒壁壁的熱傳導(dǎo)2211rrQ2ttdrLdtr 121222112()2()Q1lnlnLttL ttrdrd 第二節(jié) 熱 傳 導(dǎo) 2 2. .多層圓筒壁的熱傳導(dǎo)多層圓筒壁的熱傳導(dǎo) 如圖4-9所示為三層圓筒壁。由不同材質(zhì)構(gòu)成的多層圓筒壁的熱傳導(dǎo)也可按多層平壁的熱傳導(dǎo)類似方法處理，依據(jù)單層園筒壁規(guī)律導(dǎo)出，即有： （4-6） 式（4-6）就是多層園筒壁熱傳導(dǎo)的計(jì)算公式。 111122Q11lnlnnniiiiiiiiL tL trdrd總總圖圖4-9

23、 多層圓筒壁壁的熱傳導(dǎo)多層圓筒壁壁的熱傳導(dǎo) 第二節(jié) 熱 傳 導(dǎo) 四、球殼的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)四、球殼的穩(wěn)定熱傳導(dǎo) 由于球形在結(jié)構(gòu)上均勻?qū)ΨQ，假若熱源在球心處，那么球殼的溫度和傳熱面積只沿球徑方向變化。設(shè)球殼的內(nèi)外半徑分別為r1和r2，內(nèi)外壁溫度分別為t1和t2，材料的導(dǎo)熱系數(shù)為。 現(xiàn)在球面半徑為r(r1rr2)處取一局部，即微元厚dr薄層,此微元薄層的導(dǎo)熱面積則為S=4r2,對(duì)應(yīng)該厚度層的球殼的溫度變化為dt。據(jù)傅立葉方程通式有： 分離變量積分得： 整理得： （4-7） 式（4-7）即為球殼穩(wěn)定熱傳導(dǎo)速率的計(jì)算式。2dtQrdr （4）22112rtrtdrQr4dt12124()11ttQrr 第二

24、節(jié) 熱 傳 導(dǎo) 五、具有內(nèi)熱源的圓筒體穩(wěn)定熱傳導(dǎo)五、具有內(nèi)熱源的圓筒體穩(wěn)定熱傳導(dǎo) 假如有一軸向長(zhǎng)度為L(zhǎng)的圓筒體，若其內(nèi)部存放一個(gè)放熱強(qiáng)度為q/（稱為熱流強(qiáng)度，表征單位體積的固體壁面的放熱速率，w/m3）的熱源。設(shè)該圓筒體的內(nèi)半徑為ri，內(nèi)壁溫度為tw，圓筒體材料的導(dǎo)熱系數(shù)為。 現(xiàn)在圓筒體半徑為r(rir)處取一局部，即微元厚dr薄層,那么此微元薄層的導(dǎo)熱面積則為S=2rL, 該層對(duì)應(yīng)的圓筒體壁的溫度變化為dt。據(jù)傅立葉方程通式有： 針對(duì)該微元層，利用其放熱強(qiáng)度又有： 對(duì)于穩(wěn)定熱傳導(dǎo)，因?yàn)镼1=Q2，聯(lián)立上述二式并經(jīng)分離變量積分有： 整理得： （4-8） 式（4-8）即為具有恒定內(nèi)熱源的圓筒體內(nèi)

25、任一點(diǎn)溫度t與半徑r間的函數(shù)關(guān)系式，該式定量的表征了圓筒體壁溫在徑向上的分布狀況，它是一根拋物線。/22Qqr L1dtQrLdr 2/2witrtrrqdtdr/221 ( ) 4iwiq rrttr第三節(jié) 熱 對(duì) 流 一、對(duì)流傳熱規(guī)律一、對(duì)流傳熱規(guī)律 1. .對(duì)流傳熱分析對(duì)流傳熱分析 對(duì)流傳熱實(shí)質(zhì)上就是由于流體質(zhì)點(diǎn)的宏觀運(yùn)動(dòng)而引起的熱量傳遞。通常傳熱的冷熱兩個(gè)流體總是通過(guò)某金屬壁面進(jìn)行熱量交換，其表現(xiàn)就是流體將熱量傳給壁面或者由壁面將熱量傳給流體的過(guò)程。 在第一章中已知，流體沿固體壁面流動(dòng)時(shí)，無(wú)論流動(dòng)主體湍動(dòng)的多么激烈，靠近管壁處總存在著一層層流內(nèi)層。由于在層流內(nèi)層中不產(chǎn)生與固體壁面成垂直

26、方向的流體對(duì)流混合，所以固體壁面與流體間進(jìn)行傳熱時(shí)，熱量只能以熱傳導(dǎo)方式通過(guò)層流內(nèi)層。雖然層流內(nèi)層的厚度很薄，但導(dǎo)熱的熱阻值卻很大，因此層流內(nèi)層的熱傳導(dǎo)將產(chǎn)生較大的溫度差。另一方面，在湍流主體中，由于對(duì)流使流體質(zhì)點(diǎn)混合劇烈，熱量十分迅速的傳遞，因此湍流主體中的溫度差極小，其傳熱就是典型的對(duì)流傳熱。 由此可見(jiàn)：流體的對(duì)流傳熱實(shí)質(zhì)上是耦合了層流內(nèi)層的熱傳導(dǎo)和流體主體的熱對(duì)流兩個(gè)過(guò)程，其傳熱的主要阻力存在于近壁處的層流內(nèi)層，該層的傳熱機(jī)理屬于熱傳導(dǎo)。第三節(jié) 熱 對(duì) 流 圖4-10是表示對(duì)流傳熱的溫度分布示意圖,由于層流內(nèi)層的導(dǎo)熱熱阻大,所需要的推動(dòng)力溫度差就比較大,溫度曲線較陡,幾乎成直線下降。一般

27、將流動(dòng)流體中存在溫度梯度的區(qū)域稱為傳熱邊界層。該層由于有傳熱阻力,所以才存在傳熱速率Q,其速率計(jì)算應(yīng)遵循傅立葉定律；在湍流主體,流體溫度幾乎為一恒定值，由于無(wú)傳熱阻力,即傳熱能瞬時(shí)完成,故無(wú)所謂傳熱速率之說(shuō)法。圖圖4-10 換熱管壁兩側(cè)流體流動(dòng)換熱管壁兩側(cè)流體流動(dòng) 狀況及溫度分布狀況及溫度分布第三節(jié) 熱 對(duì) 流 2. .對(duì)流傳熱方程對(duì)流傳熱方程 依據(jù)以上分析,如果我們以流體被加熱為例（圖4-10右側(cè)）,設(shè)傳熱邊界層厚度為b,固體壁面面積為A,由傅立葉方程有： （4-8） 又由于傳熱邊界層厚度為b難以測(cè)定，令 ,稱為對(duì)流傳熱系數(shù),此時(shí)式（4-8）變?yōu)? (4-9a) 同理得流體被冷卻速率關(guān)系式為

28、 (4-9b) 式（4-9）稱為對(duì)流傳熱方程，也稱為牛頓冷卻定律，它是對(duì)流傳熱的基本規(guī)律。該規(guī)律以很簡(jiǎn)單的形式描述了復(fù)雜的對(duì)流傳熱過(guò)程的速率關(guān)系,其中的對(duì)流傳熱系數(shù) 包括了所有影響對(duì)流傳熱過(guò)程的復(fù)雜因素。 對(duì)流傳熱系數(shù)的倒數(shù)稱為對(duì)流傳熱過(guò)程的熱阻,即 。對(duì)于穩(wěn)定傳熱有 ,即壁溫總是比較接近壁溫總是比較接近 值大的那值大的那一側(cè)流體的溫度。一側(cè)流體的溫度。這一結(jié)論對(duì)設(shè)計(jì)換熱器是很重要的。1QSttb壁2QS tt壁2bTQSt壁11R對(duì)QS TtS tt壁1壁2第三節(jié) 熱 對(duì) 流 二、對(duì)流傳熱系數(shù)二、對(duì)流傳熱系數(shù) 1. .影響對(duì)流傳熱系數(shù)的因素影響對(duì)流傳熱系數(shù)的因素 凡是影響邊界層導(dǎo)熱和邊界層外

29、對(duì)流的條件都和 有關(guān),目前所能設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)表明，影響 的因素主要有： 1.1流體的種類,如液體、氣體和蒸汽； 1.2流體的物理性質(zhì),如密度、黏度、導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容等； 1.3流體的相態(tài)變化,在傳熱過(guò)程中有相變發(fā)生時(shí)的 值遠(yuǎn)大于沒(méi)有相變發(fā)生時(shí)的 值； 1.4流體對(duì)流的狀況,強(qiáng)制對(duì)流時(shí)的 值大于自然對(duì)流時(shí)的 值； 1.5流體的運(yùn)動(dòng)狀況,湍流時(shí)的 值大于層流時(shí)的 值； 1.6傳熱壁面的形狀、位置、大小、管或板、水平或垂直、直徑、長(zhǎng)度和高度等。 綜上所述,如何確定不同情況下的對(duì)流傳熱系數(shù) 是對(duì)流傳熱的中心問(wèn)題,也是一項(xiàng)十分復(fù)雜的問(wèn)題。 第三節(jié) 熱 對(duì) 流 2. .對(duì)流傳熱系數(shù)的確定原則對(duì)流傳熱系數(shù)的確定

30、原則 由于影響對(duì)流傳熱系數(shù)的因素太多，要建立一個(gè)通式來(lái)求各種條件下的h值是十分困難的。目前工程計(jì)算中只能采用理論分析與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法建立起經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式，即準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式。常用的準(zhǔn)數(shù)及物理意義列于表4-1中。 準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式是一種經(jīng)驗(yàn)公式，所以應(yīng)用這種關(guān)聯(lián)式求解時(shí)就不能超出實(shí)驗(yàn)條件的范圍，使用時(shí)就必須注意它的適用條件。具體說(shuō)來(lái)，主要指下面三個(gè)方面： 一是應(yīng)用范圍：指關(guān)聯(lián)式中Re 、Pr等準(zhǔn)數(shù)可適用的數(shù)值范圍。 二是特征尺寸：指關(guān)聯(lián)式中Nu、Re等準(zhǔn)數(shù)中的特征尺寸L應(yīng)如何取定。 三是定性溫度：指關(guān)聯(lián)式中各準(zhǔn)數(shù)中流體的物性應(yīng)按什么溫度查定。第三節(jié) 熱 對(duì) 流表表4-1 各特征準(zhǔn)數(shù)的名稱、符號(hào)和含義各特征準(zhǔn)數(shù)

31、的名稱、符號(hào)和含義 關(guān)于對(duì)流傳熱系數(shù)前人進(jìn)行了許多實(shí)驗(yàn)研究工作,對(duì) 于各種傳熱情況分別提出了進(jìn)行計(jì)算的關(guān)聯(lián)式,下面僅僅介紹常用對(duì)流傳熱系數(shù)的關(guān)聯(lián)式來(lái)說(shuō)明關(guān)聯(lián)式的應(yīng)用。第三節(jié) 熱 對(duì) 流 3.常用對(duì)流傳熱系數(shù)的確定常用對(duì)流傳熱系數(shù)的確定 3.1流體無(wú)相變且在圓形直管內(nèi)作強(qiáng)制湍流時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)流體無(wú)相變且在圓形直管內(nèi)作強(qiáng)制湍流時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù) 3.1.1對(duì)于低粘度流體（即氣體或小于2倍常溫水黏度的液體）有： 或 （4-9） （教材P187式4-46） 式中當(dāng)流體被加熱時(shí)， ；當(dāng)流體被冷卻時(shí)， . 應(yīng)用范圍： ，0.7 120；管長(zhǎng)與管徑之比是 ；若 為短管，即 ，則需進(jìn)行修正；定型尺寸：di取管

32、內(nèi)徑；定性溫度：取流體進(jìn)、出口溫度的算術(shù)平均值。 3.1.2對(duì)于高粘度液體有： （4-10） （教材P188式4-47） 應(yīng)用范圍： 104 ，0.7Pr 16700；管長(zhǎng)與管徑之比是L/di大于60；定型尺寸：di取管內(nèi)徑；定性溫度：除 取壁溫外，均取流體進(jìn)、出口溫度的算術(shù)平均值。 0.81/30.027RePrwd0.14（）lmam=0 80 023RePrnNu0 80 023nd ucdii40n30nRe 410Pr60L d i60L d iRewm第三節(jié) 熱 對(duì) 流 3.2流體無(wú)相變且在圓形直管內(nèi)作強(qiáng)制層流時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)流體無(wú)相變且在圓形直管內(nèi)作強(qiáng)制層流時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù) （4

33、-11） （教材P191式4-52） 應(yīng)用范圍：Re2300；RePrdi/L的值大于10；定型尺寸：di取管內(nèi)徑；定性溫度：除 取壁溫外,均取流體進(jìn)、出口溫度的算術(shù)平均值。 3.3流體無(wú)相變且在圓形直管內(nèi)作過(guò)渡流時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)流體無(wú)相變且在圓形直管內(nèi)作過(guò)渡流時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù) 此種情況且當(dāng)2300Re104時(shí)，其確定方法是先用湍流時(shí)的公式進(jìn)行計(jì)算，然后把所得結(jié)果乘以校正系數(shù)，從而得到過(guò)渡流下的對(duì)流傳熱系數(shù)。具體校正系數(shù)為 （教材P189式4-48）。 3.4流體有相變化時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)流體有相變化時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù) 流體在換熱器內(nèi)發(fā)生相變化的情況有冷凝和沸騰兩種。現(xiàn)分別將兩種有相變化的傳熱及傳

34、熱系數(shù)的確定進(jìn)行介紹。 3.4.1蒸汽的冷凝傳熱：蒸汽的冷凝傳熱：當(dāng)飽和蒸汽與溫度低的固體壁面接觸時(shí),蒸汽將在壁面上冷凝成液體。其冷凝分膜狀冷凝和滴狀冷凝兩種方式,膜狀冷凝時(shí)冷凝液容易潤(rùn)濕冷卻面,滴狀冷凝時(shí)冷凝液不容易潤(rùn)濕冷卻面。0.141/31.86 RePriwdNuLwm-1.81 6Ref 第三節(jié) 熱 對(duì) 流 在膜狀冷凝過(guò)程中,壁面上形成一層完整的液膜,蒸汽的冷凝只能在液膜的表面進(jìn)行。而滴狀冷凝過(guò)程,冷凝液在壁面上形成液滴,液滴自壁面滾轉(zhuǎn)而滴落,蒸汽與重新露出的壁面直接接觸,因而使滴狀冷凝的傳熱系數(shù)比膜狀冷凝的傳熱系數(shù)大得多,或者說(shuō)膜狀冷凝的熱阻要遠(yuǎn)大于滴狀冷凝。 在工業(yè)用冷凝器中,即

35、使采用了促進(jìn)產(chǎn)生滴狀冷凝的措施,也很難持久保持滴狀冷凝,所以工業(yè)用冷凝器的設(shè)計(jì)都是按膜狀冷凝來(lái)考慮,其計(jì)算也是以膜狀冷凝為依據(jù)。為此冷凝傳熱系數(shù)的計(jì)算如下： (1)若為垂直管外或板上的冷凝傳熱，其計(jì)算分膜層層流和湍流兩種情況： 當(dāng)膜層為層流時(shí)有： （教材P199式4-71）（4-12） 當(dāng)膜層為湍流時(shí)有： （教材P199式4-73）（4-13） (2)水平管束外的冷凝傳熱，其傳熱系數(shù)由下式計(jì)算： （教材P200式4-78）（4-14）231/40.943()gL t 0.4231/30.0077()Reg232/31/40.725()ogndt 第三節(jié) 熱 對(duì) 流 3.4.2 液體的沸騰傳熱液

36、體的沸騰傳熱 高溫加熱面與沸騰液體間的傳熱在工業(yè)生產(chǎn)中是十分重要的。由于液體沸騰的對(duì)流傳熱是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，影響液體沸騰的因素很多,其中最重要的是傳熱壁與液體的溫差?，F(xiàn)以常壓下水沸騰的情況為例,說(shuō)明對(duì)流傳熱的情況。 圖5-15所示是常壓下水在鉑電熱絲表面上沸騰時(shí) 與 的關(guān)系曲線。當(dāng)溫差較小如5o C以下時(shí),傳熱主要以自然對(duì)流方式進(jìn)行,如圖中AB線段所示, 隨 的增大而略有增大。此階段稱為自然對(duì)流區(qū)。 當(dāng) 逐漸升高越過(guò)B點(diǎn)時(shí),在加熱面上會(huì)產(chǎn)生更多蒸氣泡,由于這些蒸氣泡的產(chǎn)生、脫離和上升導(dǎo)致液體受到劇烈的擾動(dòng),使 隨 的增大而迅速增大,在C點(diǎn)處達(dá)到最大值。此階段稱為核狀沸騰。C點(diǎn)的溫度差稱為臨界溫

37、度差。水臨界溫度差約為25o C。tttt第三節(jié) 熱 對(duì) 流 當(dāng) 超過(guò)C點(diǎn)繼續(xù)增大時(shí),加熱面逐漸被氣泡覆蓋,此時(shí)由于傳熱過(guò)程中的熱阻大， 開(kāi)始減小，到達(dá)D點(diǎn)時(shí)為最小值。此時(shí)，若在繼續(xù)增加 ，加熱面完全被蒸氣泡層所覆蓋，通過(guò)該蒸氣泡層的熱量傳遞是以導(dǎo)熱和熱輻射方式進(jìn)行。此階段稱為膜狀沸騰。 一般的傳熱設(shè)備通?？偸强刂圃诤藸罘序v下操作。由于液體沸騰時(shí)要產(chǎn)生氣泡，所以一切影響氣泡生成、長(zhǎng)大和脫離壁面的因素對(duì)沸騰對(duì)流傳熱都有重要影響。如此復(fù)雜的影響因素使液體沸騰的傳熱系數(shù)計(jì)算式至今都不能完善，難以較為準(zhǔn)確定量表征。但人們發(fā)現(xiàn)液體沸騰時(shí)的傳熱系數(shù)值一般都比流體不相變的值大，例如水沸騰時(shí)值一般在15003

38、0000 W/(m2) 間。如果與沸騰液體換熱的另一股流體沒(méi)有相變化,那么傳熱過(guò)程的阻力主要是無(wú)相變流體的熱阻。在這種情況下，沸騰傳熱系數(shù)的值就可以無(wú)需詳細(xì)準(zhǔn)確計(jì)算。例如水的沸騰值常取5000 W/(m2)。tt 第三節(jié) 熱 對(duì) 流 綜上所述,由于影響對(duì)流傳熱系數(shù)的因素很多,所以的數(shù)值范圍也很大。表5-7中介紹了常用流體值的大致范圍。由此表可看出:流體在傳熱過(guò)程中有相變化時(shí)的值大于無(wú)相變化時(shí)的值；在無(wú)相變化時(shí),水的值最大,油類次之,過(guò)熱蒸氣和氣體最小。 第四節(jié) 熱 輻 射 如前所述,熱輻射就是物質(zhì)由于本身溫度的原因激發(fā)產(chǎn)生電磁波而被另一低溫物體吸收后,又重新全部或部分地轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿倪^(guò)程。當(dāng)物體

39、溫度較高時(shí),熱輻射往往成為主要的傳熱方式。在日常生活和工程技術(shù)中,輻射傳熱是常見(jiàn)現(xiàn)象，如各種工業(yè)用爐、輻射干燥、食品烤箱及太陽(yáng)能熱水器等。最常見(jiàn)的輻射現(xiàn)象是太陽(yáng)對(duì)大地的輻射。近年來(lái),人類對(duì)太陽(yáng)能的利用促進(jìn)了人們對(duì)輻射傳熱的研究。 本節(jié)簡(jiǎn)要介紹熱輻射的基本概念與基本定律及應(yīng)用。 一、熱輻射的基本概念一、熱輻射的基本概念 1.熱輻射的物理本質(zhì)熱輻射的物理本質(zhì) 物體受熱后由于體內(nèi)原子復(fù)雜的激烈運(yùn)動(dòng),即對(duì)外發(fā)射出熱輻射線。這種熱射線以電磁波的形式向周圍空間作直線傳播,當(dāng)與另一物體相遇時(shí),則可被吸收、反射和透過(guò),其中被吸收部分就轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋?理論上講，凡是熱力學(xué)溫度在零度以上的物體都能發(fā)射出熱輻射線，其

40、波長(zhǎng)可從零到無(wú)窮大范圍。但是其中能被物體吸收又能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿模簿褪菬嵝?yīng)顯著的熱射線波長(zhǎng)范圍為0.4-20微米間。熱輻射線的傳播不需要任何介質(zhì),在真空中依然能快速傳播。 這種僅與物體本身溫度有關(guān)而引起的熱射線傳播過(guò)程稱為熱輻射熱輻射。 第四節(jié) 熱 輻 射 2. 2.吸收率、反射率與透過(guò)率吸收率、反射率與透過(guò)率 當(dāng)投射到物體表面上的輻射總能為Q,其中一部分能量QA被該物體吸收，一部分能量QR被該物體反射,余下的能量QD透過(guò)該物體。依能量守恒定律有： QA+QR+QD=Q （4-15） 定義：QA/Q=A,稱為該物體的吸收率；QR/Q=R，稱為該物體的反射率；QD/Q=D，稱為該物體的透過(guò)率,則

41、有：A+R+D=1 （4-16） 3. 3.透熱體、白體與黑體透熱體、白體與黑體 3.1透熱體：指D=1的物體，即表示該物體對(duì)投射來(lái)的熱輻射線既不吸收也不反射,而是全部透過(guò)的物體。自然界只有近似的透熱體,例如分子結(jié)構(gòu)對(duì)稱的雙原子氣體如O2、N2、和H2等可視為透熱體。 3.2白體：指R=1的物體，即表示對(duì)投射來(lái)的熱射線能全部反射的物體，又稱絕對(duì)白體。實(shí)際物體中有接近于白體的物體，如表面磨光的金屬,其反射率可達(dá)0.97，所以白體又稱鏡體鏡體。 3.3黑體：指A=1的物體，表示該物體能全部吸收投射來(lái)的各種波長(zhǎng)的熱射線,又稱絕對(duì)黑體。同樣實(shí)際物體中也沒(méi)有絕對(duì)的黑體，但無(wú)光澤的黑煤，其吸收率可達(dá)0.9

42、7，接近于黑體。 由此可見(jiàn)：透熱體、白體與黑體都是一種理想化物體,在自然界是不存在的。引入這些概念的目的是使實(shí)際物體熱輻射的計(jì)算簡(jiǎn)化。 第四節(jié) 熱 輻 射 4.4.固體、液體與氣體的熱輻射特點(diǎn)固體、液體與氣體的熱輻射特點(diǎn) 4.1固體與液體的熱輻射特點(diǎn) 固體和液體不能透過(guò)熱輻射線,其透過(guò)率D=0。因此,其吸收率與反射率之和為1,即A+R=1 。這表明熱輻射線不能透過(guò)的物體,其反射能力越大,則其吸收能力就越??；反之,其反射能力越小,則其吸收能力就越大。 固體和液體向外發(fā)射熱輻射線以及吸收投射來(lái)的熱輻射線都是在物體表面進(jìn)行的,因此其表面情況對(duì)熱輻射的影響較大。 4.2氣體的熱輻射特點(diǎn) 氣體的輻射和吸

43、收是在整個(gè)氣體容積內(nèi)進(jìn)行的。因?yàn)橥渡涞綒怏w的熱輻射能進(jìn)入氣體容積內(nèi)部,沿途被氣體分子逐漸吸收。氣體容積發(fā)射的熱輻射能也是整個(gè)容積內(nèi)氣體分子發(fā)射的熱輻射能的總和。因此,氣體所發(fā)射和吸收的熱輻射能都是在整個(gè)氣體容積內(nèi)沿射線進(jìn)程進(jìn)行的。 第四節(jié) 熱 輻 射 二、物體的輻射能力與斯蒂芬玻爾茲曼（二、物體的輻射能力與斯蒂芬玻爾茲曼（Stefan-Stefan-BoltzmannBoltzmann）定律）定律 在一定溫度下,物體在單位時(shí)間內(nèi)由單位面積所發(fā)射的全部波長(zhǎng)的輻射能,稱為該物體在該溫度下的輻射能力,用E表示。 1. 1.黑體的輻射能力與斯蒂芬玻爾茲曼定律黑體的輻射能力與斯蒂芬玻爾茲曼定律 理論研究

44、證明,黑體的輻射能力與其表面的熱力學(xué)溫度的四次方成正比,該規(guī)律稱為斯蒂芬玻爾茲曼定律。 可表示: (4-17） 式中 Eb為黑體的輻射能力； 5.67108 W/(m2 K4),稱為斯蒂芬玻爾茲曼常數(shù)；Co5.67 W/(m2 K4),稱為黑體的輻射系數(shù)。 斯蒂芬玻爾茲曼定律是熱輻射的最基本定律,更是熱輻射計(jì)算的基礎(chǔ)。 例題例題1 1：試計(jì)算一黑體表面溫度分別為20及600時(shí)輻射能力的變化。 解解（1）黑體在20時(shí)的輻射能力Eb1= 418 W/m2 （2）黑體在600時(shí)的輻射能力Eb2= 32930 W/m2 Eb2 / Eb1= 78.8 由此題可見(jiàn),同一黑體溫度變化600/20=30倍,

45、而輻射能力為原輻射能力的78.8倍,說(shuō)明溫度對(duì)輻射能力的影響在低溫時(shí)較小,往往可以忽略,而高溫時(shí)則可成為主要的傳熱方式。o44()100obTETC 第四節(jié) 熱 輻 射 2. 2.實(shí)際物體的輻射能力、黑度與灰體實(shí)際物體的輻射能力、黑度與灰體 2.1實(shí)際物體的輻射能力與黑度 工程上最重要的是確定實(shí)際物體的輻射能力。在同一溫度下,實(shí)際物體輻射能力E恒小于黑體的輻射能力Eb,也就是說(shuō)黑體的輻射能力是最大的。二者之比稱為黑度,用表示 =E/Eb。即黑度黑度就是定量表征實(shí)際物體的輻射能力接近于黑體的程度,其值恒小于1。物體黑度越大,其輻射能力就越大,所以黑度又稱物質(zhì)的輻射率，或發(fā)射率。 實(shí)驗(yàn)證明,物體的

46、黑度只與自身狀況有關(guān)（包括表面的材料、溫度及表面狀況）,較易確定。常見(jiàn)材料表面的黑度值可查閱化工手冊(cè)。 2.2灰體 為了使工程計(jì)算熱輻射問(wèn)題得以簡(jiǎn)單化,引入灰體概念。所謂灰體灰體就是對(duì)各種波長(zhǎng)熱輻射線具有相同吸收率的理想化物體。一般工程計(jì)算中,都近似把實(shí)際物體視為灰體,此時(shí)其輻射能力E就可以用下式求算： （4-18） 式中C5.67 ,稱為灰體（就是實(shí)際物體）的輻射系數(shù)。440()()100100bTTEECC 第四節(jié) 熱 輻 射 三、克?；舴蛉⒖讼；舴?( (KirchhoffKirchhoff) )定律定律 本定律就是闡釋物體表面的輻射能力與其吸收率之間的關(guān)系,以及物體表面的吸收率與其黑

47、度的關(guān)系。 1.1.輻射能力與吸收率的關(guān)系輻射能力與吸收率的關(guān)系 任何物體的輻射能力E與其吸收率A的比值恒為常數(shù),且等于同溫度下黑體的輻射能力Eb,此值僅與物體的溫度有關(guān),這就是克?；舴蚨傻闹饕獌?nèi)容。即物體的輻射能力與吸收率成正比,說(shuō)明吸收率大的物體,其向外的輻射能力也大,反之吸收率小的物體,其輻射能力也小。 2.2.吸收率與黑度（輻射率）的關(guān)系吸收率與黑度（輻射率）的關(guān)系 因 =E/Eb、E/A=Eb,所以得：E/Eb=A= (4-19) 式(4-19)說(shuō)明:物體的吸收率與同溫度下的黑度（輻射率）在數(shù)值上相等。這樣實(shí)際物體（灰體）難以確定的吸收率均可以用其易于確定的黑度（輻射率）值來(lái)代替。

48、bEEa= 第四節(jié) 熱 輻 射 四、兩固體間的輻射傳熱四、兩固體間的輻射傳熱 1. 1.輻射傳熱速率的計(jì)算輻射傳熱速率的計(jì)算 工業(yè)上常遇到的兩固體間輻射傳熱,通?？梢暈榛殷w之間的輻射傳熱。從高溫物體1傳給低溫物體2的輻射傳熱速率一般用下式計(jì)算： (參見(jiàn)教材P212式4-97) （4-20） 式中Q1-2為凈輻射傳熱速率；C1-2為總輻射系數(shù)；為角系數(shù)；S為輻射傳熱面積；T1和T2分別為熱、冷流體的熱力學(xué)溫度。 下面分常見(jiàn)三種輻射傳熱情況介紹式（4-20）各項(xiàng)數(shù)值的確定： 1.1兩個(gè)面積為無(wú)限大（或者面積很大）且距離很近的平行平面壁,每個(gè)壁面所發(fā)射的輻射能全部投射到對(duì)方的壁面上，此情況下有S=S

49、1=S2；角系數(shù) =1；總輻射系數(shù) 。 1.2兩個(gè)面積大小有限且相等的平行壁面,每個(gè)壁面所發(fā)射的輻射能只有部分投射到對(duì)方的壁面上,此情況下有S=S1=S2；角系數(shù) 小于1,具體值可根據(jù)壁面形狀以及尺寸與壁間距從專門化工手冊(cè)查??；總輻射系數(shù)12TT441-21-2100100Q= CS()() 01 212(1/)(1/)1CCee-=+-1 201 2CC -= 第四節(jié) 熱 輻 射 1.3一物體被另一物體包圍時(shí)的輻射傳熱,此情況下S取被包圍物體的表面積S1；角系數(shù) =1；總輻射系數(shù) (4-21) 下面兩種情況下可進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算： 一是當(dāng)A1/A2接近1時(shí), 可按無(wú)限大平行平壁計(jì)算，詳見(jiàn)1.1方法

50、； 二是當(dāng)被包圍物的表面積A1比包圍物的A2很小時(shí),取 ，即此時(shí)熱輻射與包圍物無(wú)關(guān)。 在計(jì)算包圍壁面輻射傳熱速率時(shí),若T2大于T1,則Q1-2為負(fù)值,這表明凈熱量是從壁面2傳給壁面1。 例題例題2 2：有一外徑為0.1m的表面已被氧化的鑄鐵管,其溫度為400,插入一截面為0.2m見(jiàn)方的耐火磚煙道中。煙道內(nèi)壁溫度為1000。試求管與耐火磚壁間每米管長(zhǎng)熱輻射的能量。 解：解：每米鑄鐵管外表面積 每米耐火磚壁表面積 查黑度：鑄鐵管 ,耐火磚 ,鑄鐵管被煙道包圍A=A1=0.314m2， 用式（4-21）計(jì)算得：C1-2=3.9 W/(m2.K4) 用式（4-20）計(jì)算輻射熱傳速率Q1-2=-2960

51、0W 答案中負(fù)號(hào)表示鑄鐵管(T1)從煙道耐火磚壁(T2)吸收熱量。210.314Sd Lm外24 0.2S 2m10.71=0.9=1 210CC 01 2112211(1)CCSSee-=+- 第四節(jié) 熱 輻 射 例題例題3 3 在高溫氣體的管道中心安裝一只熱電偶,測(cè)量高溫氣體的溫度。已知管道內(nèi)表面溫度為200,熱電偶指示溫度為400，高溫氣體對(duì)熱電偶表面的對(duì)流傳熱系數(shù) =50w/(m2.K),熱電偶表面的黑度 。試計(jì)算高溫氣體的真實(shí)溫度 解解 已知熱電偶溫度t1=400,管道內(nèi)表面溫度t2=200,高溫氣體的真實(shí)溫度以t表示。 在穩(wěn)態(tài)條件下,高溫氣體以對(duì)流傳熱方式向熱電偶傳遞熱量的同時(shí),熱

52、電偶表面向管道的內(nèi)表面輻射傳熱,二者的傳熱速率應(yīng)相等。 熱電偶表面積以S表示，則有 對(duì)流傳熱 輻射傳熱 由于 =50w/(m2.K), =1, ,代入解得 t=470。 可見(jiàn)：由于熱電偶向管道內(nèi)壁的熱輻射,導(dǎo)致其顯示的溫度總是低于氣體的真實(shí)溫度。因此在高溫時(shí)熱電偶是難以測(cè)量物體的真實(shí)溫度。10.4=122732731tt441-2100100S(t t )CS()() -1 2100.4 5.67CC 第四節(jié) 熱 輻 射 2.2.輻射傳熱的強(qiáng)化與消弱方法輻射傳熱的強(qiáng)化與消弱方法 工程上時(shí)常要強(qiáng)化與消弱物體之間的輻射傳熱速率，常有兩種方法。 2.1改變物體表面的黑度。如為了增大物體的散熱量（即強(qiáng)

53、化熱輻射）,可在其表面涂上黑度較大的油漆,常見(jiàn)的電器設(shè)備即如此；又如為了減少散熱量（即消弱熱輻射）,可在其表面上鍍以黑度較小的銀、鉛等薄層，常見(jiàn)的保溫瓶的瓶膽就采用此法。實(shí)驗(yàn)研究證明,瓶膽夾層的玻璃（其黑度大）表面上不鍍銀的熱損失是鍍銀時(shí)的88倍。同時(shí),瓶膽夾層中抽成真空，以減少導(dǎo)熱與對(duì)流傳熱。 2.2采用遮熱板。即為了消弱輻射傳熱,常在兩個(gè)輻射傳熱表面之間插入薄板（遮熱板）,以阻擋輻射傳熱。 例題：參見(jiàn)補(bǔ)充題（電子版）及教材P214例4-9。 第四節(jié)第四節(jié) 熱熱 輻輻 射射 五、輻射與對(duì)流的聯(lián)合傳熱五、輻射與對(duì)流的聯(lián)合傳熱 在化工生產(chǎn)中,設(shè)備的外壁溫度總是高于周圍大氣溫度,因此熱量必然會(huì)同時(shí)

54、以熱輻射和熱對(duì)流兩種方式散失于周圍環(huán)境中,即既會(huì)發(fā)生從設(shè)備表面向周圍包圍物的輻射傳熱,同時(shí)也會(huì)有設(shè)備表面與空氣之間的對(duì)流傳熱。 設(shè)備表面向周圍空氣的對(duì)流傳熱速率為： 設(shè)備表面與周圍包圍物壁面間的輻射傳熱以對(duì)流傳熱速率的形式寫(xiě)出為： 式中 此時(shí)總散熱損失速率為: 稱為對(duì)流-輻射聯(lián)合傳熱系數(shù),對(duì)有保溫層設(shè)備,可用下列方法估算： 1.空氣自然對(duì)流時(shí)： (1)在平壁保溫層外且T壁小于1500C時(shí)， =9.8+0.07(T壁-T)； (2)在圓管或圓筒壁保溫層外， =9.4+0.052(T壁-T)。 2.空氣強(qiáng)制對(duì)流時(shí)： =6.2+4.2u(u5m/s)； =7.8u0.78 (u 5m/s) 由于輻射

55、速率與兩物體的溫度的四次方之差成正比,因此在高溫條件下,即使是兩物體間的溫差較小,也會(huì)產(chǎn)生很大的輻射傳熱速率。另外如果T所代表的空氣溫度與周圍包圍物的壁溫不同,則需要分開(kāi)計(jì)算,再總和。()ccQS TT壁()rrQS TT壁() ()()crcrQQQS TTS TT壁聯(lián)合壁聯(lián)合聯(lián)合聯(lián)合聯(lián)合聯(lián)合441 21 210()() 100100rTTCCCTT 壁壁且 第五節(jié)第五節(jié) 傳熱總過(guò)程的計(jì)算傳熱總過(guò)程的計(jì)算 一、傳熱總過(guò)程的分析一、傳熱總過(guò)程的分析 一般常用的間壁式換熱器的總傳熱過(guò)程都是“熱對(duì)流- 熱傳導(dǎo)-熱對(duì)流”相結(jié)合的過(guò)程。如圖4-11所示為任意一間壁換熱過(guò)程,其換熱分為三步:第 步是熱量

56、Q由熱流體在流動(dòng)過(guò)程以對(duì)流傳熱方式傳遞給固體壁面1；第步是熱量Q在固體壁以熱傳導(dǎo)方式由壁1傳給壁2；第步是熱量Q從壁2以對(duì)流傳熱方式傳給流動(dòng)中的冷流體,完成傳熱過(guò)程,達(dá)到換熱目的。 顯然,一般的間壁換熱過(guò)程總是上述三步的總和（注意：上述分析是在溫度較低的情況下,忽略了熱輻射)。圖圖4-11 間壁兩側(cè)流體總傳熱過(guò)程間壁兩側(cè)流體總傳熱過(guò)程 第五節(jié)第五節(jié) 傳熱總過(guò)程的計(jì)算傳熱總過(guò)程的計(jì)算 二、總傳熱速率方程的建立二、總傳熱速率方程的建立 傳熱速率是指單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)傳熱面?zhèn)鬟f的熱量，單位為W，它表征換熱器傳熱的快慢。 設(shè)S1 、S2 和Sm分別為壁1、壁2和固體壁平均面積；b為固體壁厚；為固體壁導(dǎo)熱系

57、數(shù)； 1和 2分別為熱、冷流體對(duì)壁面的對(duì)流傳熱系數(shù)。那么有： 熱流體壁面1: 熱對(duì)流 Q1= 1S1(T-t壁1) 壁面1壁面2: 熱傳導(dǎo) Q2=Sm(t壁1-t壁2)b-1 壁面2冷流體: 熱對(duì)流 Q3= 2S2(t壁2-t) 對(duì)于穩(wěn)定傳熱，Q1=Q2=Q3=Q ，以上三式變形聯(lián)立得： （4-23） 令t=T-t, (K稱為總傳熱系數(shù),其倒數(shù)稱為總熱阻) 即有：Q=KSmt (4-25） 式（4-25）即為總傳熱速率方程通式。式中總傳熱系數(shù)K、壁面積Sm及總溫差t應(yīng)區(qū)別不同情況具體求算,下面分別做具體討論。11221122()11mmmmSTtTtQbSSbSSSSSalaala-=+112

58、21mmSSbKSSala=+(424)第五節(jié)第五節(jié) 傳熱總過(guò)程的計(jì)算傳熱總過(guò)程的計(jì)算 三、總傳熱系數(shù)三、總傳熱系數(shù)K K的求算的求算 1.總傳熱系數(shù)總傳熱系數(shù)K K的計(jì)算的計(jì)算 1.1平壁傳熱面K值的計(jì)算：對(duì)于平壁傳熱面由于S1= S2= Sm= S,式(4-24)變?yōu)? ，即有： （4-26a） (1)多層平壁：只需將式(4-26)分母項(xiàng)中進(jìn)行疊加即可,即有： (4-26b) (2)若固體壁面為金屬材料,由于固體金屬的熱導(dǎo)率大,即熱阻小，當(dāng)壁厚較薄時(shí)，分母中的b/項(xiàng)可略去不計(jì),則式(4-26)可寫(xiě)為: (4-26c) (3)由式(4-26c)可知,K值必小于且接近于 1和 2中較小的一個(gè),

59、即接近于熱阻較大流體的值。也就是說(shuō)：當(dāng)兩個(gè)流體對(duì)流傳熱系數(shù)值相差很懸殊時(shí),則K值近似等于較小的值。 (4)綜上所述,對(duì)于平壁的傳熱速率通式(4-25)即為Q=KSt。 12111bKala=+11211()bKala-=+111211()niiibKala-=+112121211()Ka aaaaa-=+=+第五節(jié)第五節(jié) 傳熱總過(guò)程的計(jì)算傳熱總過(guò)程的計(jì)算 例題例題4 4 器壁一側(cè)為沸騰液體 1為5000W(m2),器壁另一側(cè)為熱流體 2為50W(m2),壁厚為4mm,為40W(m2)。求傳熱系數(shù)K值。為了提高K值,在其他條件不變的情況下,設(shè)法提高對(duì)流傳熱系數(shù),即將 1提高一倍；將 2提高一倍。

60、 解：解：依據(jù)式(4-26a)有： 其他條件不變將 1提高一倍，即 125000104W/(m2)，代入計(jì)算式得K49.5 W/(m2)。 其他條件不變將 2提高一倍，即 2250100W/(m2),代入計(jì)算式得K97.1 W/(m2)。 計(jì)算結(jié)果說(shuō)明計(jì)算結(jié)果說(shuō)明：當(dāng)兩個(gè) 值相差較大時(shí),提高 值大的流體的 值對(duì)傳熱系數(shù)K值的提高甚微；相反將 值小的流體的 值增大一倍時(shí)，K值幾乎也增加了一倍。可見(jiàn)傳熱系數(shù)K總是接近于 值小的流體的 值，或者說(shuō)由最大熱阻所控制。因此，在傳熱過(guò)程中要提高因此，在傳熱過(guò)程中要提高K K值值, ,必須想法設(shè)必須想法設(shè)法提高法提高 值小的流體的值小的流體的 值（即降低阻力