傳熱的基本概念

1、3.1 3.1 傳熱的基本概念傳熱的基本概念第三章第三章 傳傳 熱熱3.2 3.2 熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)3.3 3.3 對(duì)流傳熱對(duì)流傳熱3.4 3.4 輻射傳熱輻射傳熱3.6 3.6 換熱器換熱器3.7 3.7 幾種特殊情況下的傳熱幾種特殊情況下的傳熱 3.5 3.5 穩(wěn)定傳熱過程計(jì)算穩(wěn)定傳熱過程計(jì)算p 掌握導(dǎo)熱、對(duì)流換熱的基本規(guī)律及計(jì)算方法；掌握導(dǎo)熱、對(duì)流換熱的基本規(guī)律及計(jì)算方法； p 熟悉各種熱交換設(shè)備的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)；熟悉各種熱交換設(shè)備的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)； p 掌握穩(wěn)定綜合傳熱過程的計(jì)算；掌握穩(wěn)定綜合傳熱過程的計(jì)算； p 了解強(qiáng)化傳熱和熱絕緣的措施了解強(qiáng)化傳熱和熱絕緣的措施。本章重點(diǎn)和難點(diǎn)本章重點(diǎn)和難點(diǎn)傳

2、熱在食品工程中的應(yīng)用傳熱在食品工程中的應(yīng)用 食品加工過程中的溫度控制、滅菌過程以及食品加工過程中的溫度控制、滅菌過程以及各種單元操作（如蒸餾、蒸發(fā)、干燥、結(jié)晶等）各種單元操作（如蒸餾、蒸發(fā)、干燥、結(jié)晶等）對(duì)溫度有一定的要求。對(duì)溫度有一定的要求。3.1.1 傳熱的基本方式傳熱的基本方式 熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)(conduction); (conduction); 熱的傳遞是由于系統(tǒng)內(nèi)或物體內(nèi)溫度不同而引起的，根熱的傳遞是由于系統(tǒng)內(nèi)或物體內(nèi)溫度不同而引起的，根據(jù)傳熱機(jī)理不同，傳熱的基本方式有三種：據(jù)傳熱機(jī)理不同，傳熱的基本方式有三種：3.1 傳熱的基本概念傳熱的基本概念對(duì)流對(duì)流(convection); (

3、convection); 輻射輻射(radiation)(radiation)。 物體各部分之間不發(fā)生相對(duì)位移，僅借分子、原子和自物體各部分之間不發(fā)生相對(duì)位移，僅借分子、原子和自由電子等微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)而引起的熱量傳遞稱為熱傳導(dǎo)。由電子等微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)而引起的熱量傳遞稱為熱傳導(dǎo)。 特點(diǎn)：特點(diǎn)：沒有物質(zhì)的宏觀位移沒有物質(zhì)的宏觀位移（1 1）熱傳導(dǎo)）熱傳導(dǎo)（又稱導(dǎo)熱）（又稱導(dǎo)熱）氣體 分子做不規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)時(shí)相互碰撞的結(jié)果固體 導(dǎo)電體：自由電子在晶格間的運(yùn)動(dòng) 非導(dǎo)電體：通過晶格結(jié)構(gòu)的振動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的液體 機(jī)理復(fù)雜強(qiáng)制對(duì)流：強(qiáng)制對(duì)流： 因泵（或風(fēng)機(jī)）或攪拌等外力所導(dǎo)致的對(duì)流稱為強(qiáng)制對(duì)流。因泵（或風(fēng)機(jī)）或攪

4、拌等外力所導(dǎo)致的對(duì)流稱為強(qiáng)制對(duì)流。 流動(dòng)的原因不同，對(duì)流傳熱的規(guī)律也不同。在同一流體中流動(dòng)的原因不同，對(duì)流傳熱的規(guī)律也不同。在同一流體中有可能同時(shí)發(fā)生自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流。有可能同時(shí)發(fā)生自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流。熱對(duì)流的兩種方式：熱對(duì)流的兩種方式：自然對(duì)流：自然對(duì)流： 由于流體各處的溫度不同而引起的密度差異，致使流體產(chǎn)由于流體各處的溫度不同而引起的密度差異，致使流體產(chǎn)生相對(duì)位移，這種對(duì)流稱為自然對(duì)流。生相對(duì)位移，這種對(duì)流稱為自然對(duì)流。（2 2）熱對(duì)流）熱對(duì)流 流體各部分之間發(fā)生相對(duì)位移所引起的熱傳遞過程稱為熱流體各部分之間發(fā)生相對(duì)位移所引起的熱傳遞過程稱為熱對(duì)流。對(duì)流。 熱對(duì)流僅發(fā)生在流體中。熱對(duì)流僅

5、發(fā)生在流體中。（3 3）熱輻射）熱輻射因熱的原因而產(chǎn)生的電磁波在空間的傳遞，稱為熱輻射。因熱的原因而產(chǎn)生的電磁波在空間的傳遞，稱為熱輻射。所有物體都能將熱以電磁波的形式發(fā)射出去，而不需要任何所有物體都能將熱以電磁波的形式發(fā)射出去，而不需要任何介質(zhì)。介質(zhì)。 任何物體只要在絕對(duì)零度以上都能發(fā)射輻射能，但是只有在任何物體只要在絕對(duì)零度以上都能發(fā)射輻射能，但是只有在物體溫度較高的時(shí)候，熱輻射才能成為主要的傳熱形式。物體溫度較高的時(shí)候，熱輻射才能成為主要的傳熱形式。 實(shí)際上，上述三種傳熱方式很少單獨(dú)出現(xiàn)，而往往是相互實(shí)際上，上述三種傳熱方式很少單獨(dú)出現(xiàn)，而往往是相互伴隨著出現(xiàn)的。伴隨著出現(xiàn)的。 溫度場(chǎng)溫

6、度場(chǎng)(temperature field)：空間中各點(diǎn)在某一瞬間：空間中各點(diǎn)在某一瞬間的溫度分布，稱為溫度場(chǎng)。的溫度分布，稱為溫度場(chǎng)。式中：式中：t 溫度；溫度； x, y, z 空間坐標(biāo)；空間坐標(biāo)； 時(shí)間。時(shí)間。 物體的溫度分布是空間坐標(biāo)和時(shí)間的函數(shù)，即物體的溫度分布是空間坐標(biāo)和時(shí)間的函數(shù)，即 t = f (x，y，z，)3.1.2 溫度場(chǎng)和溫度梯度溫度場(chǎng)和溫度梯度（1）溫度場(chǎng)）溫度場(chǎng)不同溫度的等溫面不相交不同溫度的等溫面不相交。t1t2t1t2等溫面Q 一維溫度場(chǎng)一維溫度場(chǎng)：若溫度場(chǎng)中溫度只沿著一個(gè)坐標(biāo)方向變化。若溫度場(chǎng)中溫度只沿著一個(gè)坐標(biāo)方向變化。 一維溫度場(chǎng)的溫度分布表達(dá)式為：一維溫度

7、場(chǎng)的溫度分布表達(dá)式為： t = f (x,) (4-1a) 等溫面的特點(diǎn)等溫面的特點(diǎn)： （1 1）等溫面不能相交；）等溫面不能相交； （2 2）沿等溫面無熱量傳遞。）沿等溫面無熱量傳遞。不穩(wěn)定溫度場(chǎng)不穩(wěn)定溫度場(chǎng)：溫度場(chǎng)內(nèi)如果各點(diǎn)溫度隨時(shí)間而改變。溫度場(chǎng)內(nèi)如果各點(diǎn)溫度隨時(shí)間而改變。 穩(wěn)定溫度場(chǎng)穩(wěn)定溫度場(chǎng)：若溫度不隨時(shí)間而改變。若溫度不隨時(shí)間而改變。 等溫面等溫面：溫度場(chǎng)中同一時(shí)刻相同溫度各點(diǎn)組成的面。溫度場(chǎng)中同一時(shí)刻相同溫度各點(diǎn)組成的面。 注意注意：沿等溫面將無熱量傳遞，而沿和等溫面相交的任何沿等溫面將無熱量傳遞，而沿和等溫面相交的任何方向，因溫度發(fā)生變化則有熱量的傳遞。溫度隨距離的變化程方向，

8、因溫度發(fā)生變化則有熱量的傳遞。溫度隨距離的變化程度以沿與等溫面的垂直方向?yàn)樽畲?。度以沿與等溫面的垂直方向?yàn)樽畲?。xxtxxt),(),( 對(duì)于一維溫度場(chǎng)，等溫面對(duì)于一維溫度場(chǎng)，等溫面x及及(x+x)的溫度分別為的溫度分別為t(x,)及及t(x+x,)，則兩等溫面之間的平均溫度變化率為：，則兩等溫面之間的平均溫度變化率為： xtxxtxxtgradtx),(),(lim0溫度梯度溫度梯度: : 溫度梯度是向量，其方向垂直于等溫面，并以溫度增加的方溫度梯度是向量，其方向垂直于等溫面，并以溫度增加的方向?yàn)檎?。向?yàn)檎＃? 2） 溫度梯度溫度梯度 ntnttgradn0limt+tt-ttnQdA 溫

9、度梯度是一個(gè)點(diǎn)點(diǎn)的概念。 溫度梯度是一個(gè)向量。 方向垂直于該點(diǎn)所在等溫面，以溫度增的方向?yàn)檎?一維穩(wěn)定熱傳導(dǎo)dxdt /3.1.3 傳熱速率與熱通量傳熱速率與熱通量傳熱速率傳熱速率（熱流量）：?jiǎn)挝粫r(shí)間通過傳熱面積的（熱流量）：?jiǎn)挝粫r(shí)間通過傳熱面積的熱量。用熱量。用Q表示，單位表示，單位W (J/s)。熱通量熱通量（熱流密度）：?jiǎn)挝粫r(shí)間通過單位傳熱面（熱流密度）：?jiǎn)挝粫r(shí)間通過單位傳熱面積的熱量積的熱量q ，單位，單位W/m2dSdQq熱阻（阻力）傳熱溫度差（推動(dòng)力）傳熱速率xtdSdQ 傅立葉定律是熱傳導(dǎo)的基本定律，它指出：傅立葉定律是熱傳導(dǎo)的基本定律，它指出：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)傳導(dǎo)單位時(shí)間內(nèi)傳導(dǎo)的熱量

10、與溫度梯度及垂直于熱流方向的截面積成正比的熱量與溫度梯度及垂直于熱流方向的截面積成正比，即，即式中式中 Q單位時(shí)間傳導(dǎo)的熱量，簡(jiǎn)稱傳熱速率，單位時(shí)間傳導(dǎo)的熱量，簡(jiǎn)稱傳熱速率，w S導(dǎo)熱面積，即垂直于熱流方向的表面積，導(dǎo)熱面積，即垂直于熱流方向的表面積，m2 導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù)( (thermal conductivitythermal conductivity) )，w/m.kw/m.k。式中的負(fù)號(hào)指熱流方向和溫度梯度方向相反式中的負(fù)號(hào)指熱流方向和溫度梯度方向相反。 3.2.13.2.1傅立葉定律與熱導(dǎo)率傅立葉定律與熱導(dǎo)率xtddq3.2 熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)ndSQt+ttt-tt/n圖圖 溫度梯度和

11、傅立葉定律溫度梯度和傅立葉定律 負(fù)號(hào)表示傳熱方向與溫度梯度方向相反ntSQqdd 表征材料導(dǎo)熱性能的物性參數(shù)。越大，導(dǎo)熱性能越好，是物質(zhì)的物理性質(zhì)之一，其值與物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、密度、溫度及壓強(qiáng)有關(guān)。 用熱通量來表示 對(duì)一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo) dxdtSQdd (2) 是分子微觀運(yùn)動(dòng)的宏觀表現(xiàn)。(1) 在數(shù)值上等于單位溫度梯度下的熱通量。 = f(結(jié)構(gòu),組成,密度,溫度,壓力）(3) 各種物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)金屬固體 非金屬固體 液體 氣體 )1 (0at在一定溫度范圍內(nèi)：式中 0, 0, t時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(mK)； a 溫度系數(shù)。 對(duì)大多數(shù)金屬材料a 0 ， t 1)固體 金屬：純金屬 合金 非金屬：同

12、樣溫度下，越大， 越大。2)液體 金屬液體較高，非金屬液體低，水的最大。 t （除水和甘油） 一般來說，純液體的大于溶液3)氣體 t 氣體不利用導(dǎo)熱，但可用來保溫或隔熱。如圖所示：如圖所示：bt1 t2 Qtt1 t2 obx平壁壁厚為平壁壁厚為b b，壁面積為，壁面積為A A； 壁的材質(zhì)均勻，導(dǎo)熱系數(shù)壁的材質(zhì)均勻，導(dǎo)熱系數(shù)不不隨溫度變化，視為常數(shù)；隨溫度變化，視為常數(shù)； 平壁的溫度只沿著垂直于壁面平壁的溫度只沿著垂直于壁面的的x x軸方向變化，故等溫面皆為垂軸方向變化，故等溫面皆為垂直于直于x x軸的平行平面。軸的平行平面。 平壁側(cè)面的溫度平壁側(cè)面的溫度t t1 1及及t t2 2恒定。恒定

13、。3.2.2 通過平壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)通過平壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)（1） 單層平壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)單層平壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)dxdtqRtbttttb2121)(q 式中式中t=tt=t1 1-t-t2 2為導(dǎo)熱的推動(dòng)力為導(dǎo)熱的推動(dòng)力( (driving forcedriving force) )，而，而R=b/R=b/則為導(dǎo)熱的熱阻則為導(dǎo)熱的熱阻( (thermal resistancethermal resistance) )。 根據(jù)傅立葉定律根據(jù)傅立葉定律 分離積分變量后積分，分離積分變量后積分，積分邊界條件：當(dāng)積分邊界條件：當(dāng)x x=0=0時(shí)，時(shí)，t= tt= t1 1；x=bx=b時(shí)，時(shí)，t= tt= t

14、2 2，210qttbdtdx討論： 熱阻推動(dòng)力Rtqttt()12bR 2分析平壁內(nèi)的溫度分布210qttbdtdx上限由2ttbx 時(shí)，xxtt時(shí)，xttttxq)(q111可表示為推動(dòng)力：熱阻：為xbtttt211 不隨t變化， tx成呈線形關(guān)系。)1 (0at3當(dāng)隨t變化時(shí)() /122若隨t變化關(guān)系為：則tx呈拋物線關(guān)系。 如：1t1，2t2如圖所示：以三層平壁為例如圖所示：以三層平壁為例Qb1 b2 b3 xtt1 t2 t3 t4 假定各層壁的厚度分別為假定各層壁的厚度分別為b b1 1，b b2 2，b b3 3，各層材質(zhì)均勻，導(dǎo)熱系，各層材質(zhì)均勻，導(dǎo)熱系數(shù)分別為數(shù)分別為1 1

15、，2 2，3 3，皆視，皆視為常數(shù)；為常數(shù)； 層與層之間接觸良好，相互層與層之間接觸良好，相互接觸的表面上溫度相等，各等接觸的表面上溫度相等，各等溫面亦皆為垂直于溫面亦皆為垂直于x x軸的平行平軸的平行平面。面。 壁的面積為壁的面積為A A，在穩(wěn)定導(dǎo)熱過，在穩(wěn)定導(dǎo)熱過程中，穿過各層的熱量必相等。程中，穿過各層的熱量必相等。（2 2） 多層平壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)多層平壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo))(q21111ttb121111qtttb3333qtb2222qtb第一層第一層 第三層第三層第二層第二層對(duì)于穩(wěn)定導(dǎo)熱過程：對(duì)于穩(wěn)定導(dǎo)熱過程：q1=q2=q3=q321332211)(qtttbbb)()(q332211

16、41332211321bbbttbbbttt32141321321qRRRttRRRtttn1ii11111Rqnniiiinttbtt同理，對(duì)具有同理，對(duì)具有n層的平壁，穿過各層熱量的一般公式為層的平壁，穿過各層熱量的一般公式為式中式中i為為n層平壁的壁層序號(hào)。層平壁的壁層序號(hào)。 例：某冷庫外壁內(nèi)、外層磚壁厚均為例：某冷庫外壁內(nèi)、外層磚壁厚均為12cm12cm，中間夾層厚，中間夾層厚10cm10cm，填以絕緣材料。磚墻的熱導(dǎo)率為填以絕緣材料。磚墻的熱導(dǎo)率為0.70w/m0.70w/mkk，絕緣材料的熱導(dǎo)，絕緣材料的熱導(dǎo)率為率為0.04w/mk0.04w/mk，墻外表面溫度為，墻外表面溫度為1

17、010 ，內(nèi)表面為，內(nèi)表面為-5-5 ，試，試計(jì)算進(jìn)入冷庫的熱流密度及絕緣材料與磚墻的兩接觸面上的溫計(jì)算進(jìn)入冷庫的熱流密度及絕緣材料與磚墻的兩接觸面上的溫度。度。233221141/27.570.012.004.010.070.012.0)5(10)(mwbbbttAQq按溫度差分配計(jì)算按溫度差分配計(jì)算t2、t31 . 970. 012. 027. 5101112bqtt1 . 4) 5(70. 012. 027. 54333tbqt解：解： 根據(jù)題意，已知根據(jù)題意，已知t t1 1=10=10 ，t t4 4=-5=-5 ，b b1 1=b=b3 3=0.12m=0.12m，b2=0.10m

18、b2=0.10m，1 1= = 3 3= 0.70w/mk= 0.70w/mk， 2 2= 0.04w/mk= 0.04w/mk。按熱流密度公式計(jì)算按熱流密度公式計(jì)算q q：Qt2 t1 r1 rr2 drL如圖所示：如圖所示：3.2.3、圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)、圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)（1） 單層圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)單層圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)設(shè)圓筒的內(nèi)半徑為設(shè)圓筒的內(nèi)半徑為r r1 1，內(nèi)，內(nèi)壁溫度為壁溫度為t t1 1，外半徑為，外半徑為r r2 2，外壁溫度為外壁溫度為t t2 2。 溫度只沿半徑方向變化，溫度只沿半徑方向變化，等溫面為同心圓柱面。圓筒等溫面為同心圓柱面。圓筒壁與平壁不同點(diǎn)是其面隨半壁與

19、平壁不同點(diǎn)是其面隨半徑而變化。徑而變化。 在半徑在半徑r r處取一厚度為處取一厚度為drdr的薄層，若圓筒的長(zhǎng)度為的薄層，若圓筒的長(zhǎng)度為L(zhǎng) L，則半，則半徑為徑為r r處的傳熱面積為處的傳熱面積為 A=2rLA=2rL。drdtrLdrdtAQ21221ln2rrttLQ將上式分離變量積分并整理得將上式分離變量積分并整理得 根據(jù)傅立葉定律，對(duì)此薄圓筒層可寫出傳導(dǎo)的熱量為根據(jù)傅立葉定律，對(duì)此薄圓筒層可寫出傳導(dǎo)的熱量為上式也可寫成與平壁熱傳導(dǎo)速率方程相類似的形式，即上式也可寫成與平壁熱傳導(dǎo)速率方程相類似的形式，即122121)()(rrttAbttAQmmxtdAdQLrrrrrLAmm2ln)(

20、212121212lnrrrrrm12121212ln22ln)(2AAAALrLrrrLAm上兩式相比較，可得上兩式相比較，可得其中其中 式中式中 rm圓筒壁的對(duì)數(shù)平均半徑，圓筒壁的對(duì)數(shù)平均半徑，m Am圓筒壁的內(nèi)、外表面對(duì)數(shù)平均面積，圓筒壁的內(nèi)、外表面對(duì)數(shù)平均面積，m2 當(dāng)當(dāng)A2/A12時(shí)，可認(rèn)為時(shí)，可認(rèn)為Am=（A1+A2）/2 即：即：當(dāng)當(dāng)(r2/r1)22時(shí)，時(shí)，rm=(r1+r2)/2r1 r2 r3 r4 t1 t2 t3 t4 對(duì)穩(wěn)定導(dǎo)熱過程，單位時(shí)間內(nèi)由多層壁所傳導(dǎo)的熱量，亦即對(duì)穩(wěn)定導(dǎo)熱過程，單位時(shí)間內(nèi)由多層壁所傳導(dǎo)的熱量，亦即經(jīng)過各單層壁所傳導(dǎo)的熱量。經(jīng)過各單層壁所傳導(dǎo)的熱

21、量。 如圖所示：以三層圓筒壁為例。如圖所示：以三層圓筒壁為例。假定各層壁厚分別為假定各層壁厚分別為b b1 1= r= r2 2- - r r1 1，b b2 2=r=r3 3- r- r2 2，b b3 3=r=r4 4- r- r3 3； 各層材料的導(dǎo)熱系數(shù)各層材料的導(dǎo)熱系數(shù)1 1，2 2，3 3皆視為常數(shù)；皆視為常數(shù)； 層與層之間接觸良好，相互層與層之間接觸良好，相互接觸的表面溫度相等，各等溫接觸的表面溫度相等，各等溫面皆為同心圓柱面。面皆為同心圓柱面。（2 2） 多層圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)多層圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo) 12211ln2rrttLQ34433ln2rrttLQ23322ln2rrt

22、tLQ 多層圓筒壁的熱傳導(dǎo)計(jì)算，可參照多層平壁。多層圓筒壁的熱傳導(dǎo)計(jì)算，可參照多層平壁。 對(duì)于第一、對(duì)于第一、二、三層圓筒壁有二、三層圓筒壁有根據(jù)各層溫度差之和等于總溫度差的原則，整理上三式可得根據(jù)各層溫度差之和等于總溫度差的原則，整理上三式可得 34323212141ln1ln1ln1)(2rrrrrrttLQniiiiinrrttLQ1111ln1)(2同理，對(duì)于同理，對(duì)于n層圓筒壁，穿過各層熱量的一般公式為層圓筒壁，穿過各層熱量的一般公式為 注：對(duì)于圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)，通過各層的熱傳導(dǎo)速率都是注：對(duì)于圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)，通過各層的熱傳導(dǎo)速率都是相同的，但是相同的，但是熱流密度熱流密度卻不

23、相等。卻不相等。LrrrLttRRttQff010121121ln21 通常，熱損失隨著保溫層厚度的增加而減少。對(duì)于小通常，熱損失隨著保溫層厚度的增加而減少。對(duì)于小直徑圓管外包扎性能不良的保溫材料，隨著保溫層厚度的直徑圓管外包扎性能不良的保溫材料，隨著保溫層厚度的增加，可能反而使熱損失增大。增加，可能反而使熱損失增大。 假設(shè)保溫層內(nèi)表面溫度為假設(shè)保溫層內(nèi)表面溫度為t t1 1，環(huán)境溫度為，環(huán)境溫度為t tf f，保溫層，保溫層的內(nèi)、外半徑分別為的內(nèi)、外半徑分別為r r1 1和和r r0 0，保溫層的導(dǎo)熱系數(shù)為，保溫層的導(dǎo)熱系數(shù)為，保，保溫層外壁與空氣之間的溫層外壁與空氣之間的對(duì)流傳熱系數(shù)為對(duì)流

24、傳熱系數(shù)為。熱損失為：熱損失為：補(bǔ)充內(nèi)容：補(bǔ)充內(nèi)容：保溫層的臨界直徑保溫層的臨界直徑 分析：當(dāng)分析：當(dāng)r r1 1不變、不變、r r0 0增大時(shí)，熱阻增大時(shí)，熱阻R R1 1增大，增大，R R2 2減小，因此有可能使總熱阻（減小，因此有可能使總熱阻（R R1 1+R+R2 2）下降，導(dǎo)）下降，導(dǎo)致熱損失增大。上式對(duì)致熱損失增大。上式對(duì)r r0 0求導(dǎo)，可求出當(dāng)求導(dǎo)，可求出當(dāng)Q Q最大最大時(shí)的臨界半徑，即時(shí)的臨界半徑，即01)/ln()11)(22012010rrrrrttLdrdQoof解得解得 r0=/ 當(dāng)保溫層的外徑當(dāng)保溫層的外徑d do o222/時(shí)，增加保溫層的時(shí)，增加保溫層的厚度才使

25、熱損失減少。厚度才使熱損失減少。 對(duì)管徑較小的管路包扎對(duì)管徑較小的管路包扎較大的保溫材料時(shí)較大的保溫材料時(shí)，要核算，要核算d d0 0是否小于是否小于d dc c。所以，臨界半徑為所以，臨界半徑為 rc=/ 或或 dc=2/例例 在一在一 603.5mm的鋼管外層包有兩層絕熱材料，的鋼管外層包有兩層絕熱材料，里 層 為里 層 為 4 0 m m 的 氧 化 鎂 粉 ， 平 均 導(dǎo) 熱 系 數(shù)的 氧 化 鎂 粉 ， 平 均 導(dǎo) 熱 系 數(shù)=0.07W/m，外層為，外層為20mm的石棉層，其平均導(dǎo)的石棉層，其平均導(dǎo)熱系數(shù)熱系數(shù)=0.15W/m?，F(xiàn)用熱電偶測(cè)得管內(nèi)壁?，F(xiàn)用熱電偶測(cè)得管內(nèi)壁r1 r2

26、r3 r4 t1 t2 t3 t4 溫度為溫度為500，最外層表面，最外層表面溫度為溫度為80，管壁的導(dǎo)熱，管壁的導(dǎo)熱系數(shù)系數(shù)=45W/m。試求每。試求每米管長(zhǎng)的熱損失及兩層保米管長(zhǎng)的熱損失及兩層保溫層界面的溫度。溫層界面的溫度。 解：每米管長(zhǎng)的熱損失解：每米管長(zhǎng)的熱損失34323212141ln1ln1ln1)(2rrrrrrttLQ式中式中:r1=0.053/2=0.0265m r2=0.0265+0.0035=0.03m r3=0.03+0.04=0.07m r4=0.07+0.02=0.09mmwLQ/4.19107.009.0ln15.0103.007.0ln07.010265.00

27、3.0ln451)80500(14.32保溫層界面溫度保溫層界面溫度t3 23212131ln1ln1)(2rrrrttLQ03.007.0ln07.010265.003.0ln451)500(14.324.1913t解得解得 t3=131.2 對(duì)流傳熱：對(duì)流傳熱：是在流體流動(dòng)進(jìn)程中發(fā)生的熱量傳遞現(xiàn)象，是在流體流動(dòng)進(jìn)程中發(fā)生的熱量傳遞現(xiàn)象，它是依靠它是依靠流體質(zhì)點(diǎn)的移動(dòng)流體質(zhì)點(diǎn)的移動(dòng)進(jìn)行熱量傳遞的，與流體的進(jìn)行熱量傳遞的，與流體的流動(dòng)情況密切相關(guān)。流動(dòng)情況密切相關(guān)。 當(dāng)流體作層流流動(dòng)時(shí)，在垂直于流體流動(dòng)方向上的當(dāng)流體作層流流動(dòng)時(shí)，在垂直于流體流動(dòng)方向上的熱量傳遞，主要以熱傳導(dǎo)（亦有較弱的自然對(duì)

28、流）的熱量傳遞，主要以熱傳導(dǎo)（亦有較弱的自然對(duì)流）的方式進(jìn)行。方式進(jìn)行。對(duì)流傳熱的基本概念對(duì)流傳熱的基本概念3.3 對(duì)流傳熱對(duì)流傳熱傳熱過程傳熱過程高溫流體高溫流體 湍流主體湍流主體 壁面兩側(cè)壁面兩側(cè) 層流底層層流底層 湍流主體湍流主體 低溫流體低溫流體q湍流主體湍流主體 對(duì)流傳熱對(duì)流傳熱 溫度分布均勻溫度分布均勻 p層流底層層流底層 導(dǎo)熱導(dǎo)熱 溫度梯度大溫度梯度大 p壁面壁面 導(dǎo)熱導(dǎo)熱(導(dǎo)熱系數(shù)較導(dǎo)熱系數(shù)較流體大流體大) 有溫度梯度有溫度梯度 不同區(qū)域的不同區(qū)域的 傳熱特性：傳熱特性：傳熱邊界層傳熱邊界層（thermal boundary layer） ：溫度邊界層。溫度邊界層。有溫度梯度較

29、大的區(qū)域。有溫度梯度較大的區(qū)域。傳熱的熱阻即主要集種在此層傳熱的熱阻即主要集種在此層中中。溫度溫度距離距離ThTwh Twc Tc熱流體熱流體冷流體冷流體傳熱壁面?zhèn)鳠岜诿嫱牧髦黧w湍流主體湍流主體湍流主體傳熱壁面?zhèn)鳠岜诿鎸恿鲗恿?底層底層層流層流 底層底層傳熱方向傳熱方向?qū)α鱾鳠崾疽鈭D對(duì)流傳熱示意圖TSQ上式稱為上式稱為牛頓冷卻定律。牛頓冷卻定律。 簡(jiǎn)化處理：認(rèn)為流體的全部溫度差集中在厚簡(jiǎn)化處理：認(rèn)為流體的全部溫度差集中在厚度為度為t的有效膜內(nèi)，但有效膜的厚度的有效膜內(nèi)，但有效膜的厚度t又難以測(cè)又難以測(cè)定，所以以定，所以以代替代替/t 而用下式描述對(duì)流傳熱的而用下式描述對(duì)流傳熱的基本關(guān)系基本關(guān)系

30、 3.3.1 牛頓冷卻定律與對(duì)流傳熱系數(shù)牛頓冷卻定律與對(duì)流傳熱系數(shù)TSQ（1）量綱分析法）量綱分析法n目的：減少實(shí)驗(yàn)工作量，把若干個(gè)變量組減少實(shí)驗(yàn)工作量，把若干個(gè)變量組成幾個(gè)量綱為一的特征數(shù)。成幾個(gè)量綱為一的特征數(shù)。n原理（伯金漢 定理） 1、量綱一致性原則。、量綱一致性原則。2、任何數(shù)學(xué)函數(shù)均可用一冪函數(shù)近似地表示。、任何數(shù)學(xué)函數(shù)均可用一冪函數(shù)近似地表示。3.3.2 對(duì)流傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式的建立方法對(duì)流傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式的建立方法1 流體的狀態(tài)：流體的狀態(tài)：液體、氣體、蒸汽及在傳熱過程中是否有相變。有相液體、氣體、蒸汽及在傳熱過程中是否有相變。有相 變時(shí)對(duì)流傳熱系數(shù)比無相變化時(shí)大的多；變時(shí)對(duì)流傳熱系

31、數(shù)比無相變化時(shí)大的多； 2 流體的物理性質(zhì)：流體的物理性質(zhì)：影響較大的物性如密度影響較大的物性如密度、比熱、比熱cp、導(dǎo)熱系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù) 、粘度、粘度等；等；3 流體的運(yùn)動(dòng)狀況：流體的運(yùn)動(dòng)狀況：層流、過渡流或湍流；層流、過渡流或湍流；4 流體對(duì)流的狀況：流體對(duì)流的狀況：自然對(duì)流，強(qiáng)制對(duì)流；自然對(duì)流，強(qiáng)制對(duì)流；5 傳熱表面的形狀、位置及大?。簜鳠岜砻娴男螤?、位置及大?。喝绻?、板、管束、管徑、管如管、板、管束、管徑、管 長(zhǎng)、管子排列方式、垂直放置或水平放置等。長(zhǎng)、管子排列方式、垂直放置或水平放置等。 影響對(duì)流傳熱系數(shù)的主要因素：影響對(duì)流傳熱系數(shù)的主要因素：（2）對(duì)流傳熱過程的因次分析）對(duì)流傳熱過程

32、的因次分析 無相變時(shí)，影響對(duì)流傳熱系數(shù)的主要因素可用下式表示：無相變時(shí)，影響對(duì)流傳熱系數(shù)的主要因素可用下式表示： ),(tgclufp用冪函數(shù)表示用冪函數(shù)表示:gfTdcpbaltgcksnpmtlgcluCl)()()(223 八個(gè)物理量涉及四個(gè)基本因次：質(zhì)量八個(gè)物理量涉及四個(gè)基本因次：質(zhì)量M，長(zhǎng)度，長(zhǎng)度M，長(zhǎng)度，長(zhǎng)度L，時(shí)間時(shí)間T，溫度，溫度。通過因次分析可得，在無相變時(shí)，準(zhǔn)數(shù)關(guān)系式為：通過因次分析可得，在無相變時(shí)，準(zhǔn)數(shù)關(guān)系式為：snmGrANuPrRe即即準(zhǔn)數(shù)符號(hào)及意義準(zhǔn)數(shù)符號(hào)及意義 在應(yīng)用關(guān)聯(lián)式時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：在應(yīng)用關(guān)聯(lián)式時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：1 1、應(yīng)用范圍、應(yīng)用范圍 準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式是一種

33、經(jīng)驗(yàn)公式，在利用關(guān)聯(lián)式準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式是一種經(jīng)驗(yàn)公式，在利用關(guān)聯(lián)式求對(duì)流傳熱系數(shù)時(shí)，不能超出實(shí)驗(yàn)條件范圍。求對(duì)流傳熱系數(shù)時(shí)，不能超出實(shí)驗(yàn)條件范圍。2 2、特性尺寸、特性尺寸 無因次準(zhǔn)數(shù)無因次準(zhǔn)數(shù)Nu、Re等中所包含的傳熱面尺寸稱等中所包含的傳熱面尺寸稱為特征尺寸。通常是選取對(duì)流體流動(dòng)和傳熱發(fā)生主要影響的尺為特征尺寸。通常是選取對(duì)流體流動(dòng)和傳熱發(fā)生主要影響的尺寸作為特征尺寸。寸作為特征尺寸。3 3、定性溫度、定性溫度 流體在對(duì)流傳熱過程中溫度是變化的。確定準(zhǔn)流體在對(duì)流傳熱過程中溫度是變化的。確定準(zhǔn)數(shù)中流體物理特性參數(shù)的溫度稱為數(shù)中流體物理特性參數(shù)的溫度稱為定性溫度定性溫度。一般定性溫度有。一般定性溫度

34、有三種取法：進(jìn)、出口流體的平均溫度，壁面平均溫度，流體和三種取法：進(jìn)、出口流體的平均溫度，壁面平均溫度，流體和壁面的平均溫度（膜溫）。壁面的平均溫度（膜溫）。4 4、無因次數(shù)群、無因次數(shù)群 準(zhǔn)數(shù)是一個(gè)無因次數(shù)群，其中涉及到的物理準(zhǔn)數(shù)是一個(gè)無因次數(shù)群，其中涉及到的物理量必須用統(tǒng)一的單位制度。量必須用統(tǒng)一的單位制度。 npiicudd)()(023. 08 . 0Nu=0.023Re0.8Prn 式中式中n值視熱流方向而定，當(dāng)流體被加熱時(shí)，值視熱流方向而定，當(dāng)流體被加熱時(shí)，n=0.4，被冷卻時(shí)，被冷卻時(shí)，n=0.3。應(yīng)用范圍應(yīng)用范圍 ： Re10000，0.7Pr120，管長(zhǎng)與管徑比，管長(zhǎng)與管徑比

35、L/di60。若。若 L/di60時(shí)，時(shí)，須乘以（須乘以（1+（di/L）0.7）進(jìn)行校正。）進(jìn)行校正。 特性尺寸特性尺寸 ： 取管內(nèi)徑取管內(nèi)徑di定性溫度：定性溫度： 流體進(jìn)、出口溫度的流體進(jìn)、出口溫度的算術(shù)平均值算術(shù)平均值。3.3.3 3.3.3 流體在管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)流體在管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)（1 1） 圓形直管內(nèi)強(qiáng)制圓形直管內(nèi)強(qiáng)制湍流湍流時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)1) 1) 低粘度流體低粘度流體 （小于水粘度的（小于水粘度的2 2倍，倍，2.01000010000，0.70.7Pr16700Pr50 Re=du/=(0.05315 0.746)/(0.6 10

36、-5) =2.28 104 104(湍流湍流) Pr=cp/=(1.026 103 26.0 10-5)/0.03928=0.68 8 .444 .60053. 003928. 0NudW/m2 本題中空氣被加熱本題中空氣被加熱,k=0.4代入代入 Nu=0.023Re0.8Pr0.4 =0.023(22800)0.8(0.68)0.4 =60.4 流體在圓形直管內(nèi)作強(qiáng)制滯流時(shí)，應(yīng)考慮自然對(duì)流及熱流體在圓形直管內(nèi)作強(qiáng)制滯流時(shí)，應(yīng)考慮自然對(duì)流及熱流方向?qū)?duì)流傳熱系數(shù)的影響。流方向?qū)?duì)流傳熱系數(shù)的影響。 (1) 當(dāng)自然對(duì)流的影響比較小且可被忽略時(shí)，對(duì)水平管，當(dāng)自然對(duì)流的影響比較小且可被忽略時(shí)，對(duì)水

37、平管，按下式計(jì)算：按下式計(jì)算： Nu=1.86Re1/3Pr1/3（di/L）1/3（/w）0.14 應(yīng)用范圍：應(yīng)用范圍： Re2300，0.6Pr50。 特性尺寸：取管內(nèi)徑特性尺寸：取管內(nèi)徑di 定性溫度：定性溫度： 除除w取壁溫外，均為流體進(jìn)、出口溫度的取壁溫外，均為流體進(jìn)、出口溫度的 算術(shù)平均值。算術(shù)平均值。（2 2） 流體在圓形直管內(nèi)作流體在圓形直管內(nèi)作強(qiáng)制滯流強(qiáng)制滯流 (2) 自然對(duì)流的影響自然對(duì)流的影響不能忽略時(shí)不能忽略時(shí)，而自然對(duì)流的影響又因，而自然對(duì)流的影響又因管子水平或垂直放置以及流體向上或向下流動(dòng)方向不同而異。管子水平或垂直放置以及流體向上或向下流動(dòng)方向不同而異。 對(duì)水平管

38、，按下式計(jì)算對(duì)水平管，按下式計(jì)算 應(yīng)用范圍：應(yīng)用范圍：Re50； 當(dāng)管子較短，當(dāng)管子較短，l/d50時(shí)，計(jì)算所得的時(shí)，計(jì)算所得的值應(yīng)校正。值應(yīng)校正。 特性尺寸：取管內(nèi)徑特性尺寸：取管內(nèi)徑d di i 定性溫度：壁溫定性溫度：壁溫twtw與流體進(jìn)、出口平均溫度的平均值與流體進(jìn)、出口平均溫度的平均值t tm m，即，即 膜溫。膜溫。 t=tt=tw w-t-tm mNu=0.74Re0.2(GrPr)0.1Pr0.2補(bǔ)充： (3) 對(duì)于垂直管，自然對(duì)流的影響較大，可作對(duì)于垂直管，自然對(duì)流的影響較大，可作近似校正。如強(qiáng)制對(duì)流方向和自然對(duì)流方向相同近似校正。如強(qiáng)制對(duì)流方向和自然對(duì)流方向相同時(shí)，時(shí)， 值

39、按上式計(jì)算結(jié)果減少值按上式計(jì)算結(jié)果減少15%，方向相反時(shí)，方向相反時(shí)，加大加大15%。校正系數(shù)校正系數(shù)f f的數(shù)值的數(shù)值（3 3） 流體在圓形直管內(nèi)作過渡流流體在圓形直管內(nèi)作過渡流 2300Re100002300Re10000 在過渡流時(shí)，對(duì)流傳熱系數(shù)可先用湍流時(shí)的計(jì)算公在過渡流時(shí)，對(duì)流傳熱系數(shù)可先用湍流時(shí)的計(jì)算公式計(jì)算，根據(jù)所得的式計(jì)算，根據(jù)所得的值再乘以校正系數(shù)值再乘以校正系數(shù)，即可得到，即可得到過渡流下的對(duì)流傳熱系數(shù)。過渡流下的對(duì)流傳熱系數(shù)。8.15Re1061)77.11(rdfi 流體在彎管內(nèi)流動(dòng)時(shí)，由于受離心力的作用，增大流體在彎管內(nèi)流動(dòng)時(shí)，由于受離心力的作用，增大了流體的湍動(dòng)程度

40、，使對(duì)流傳熱系數(shù)較直管內(nèi)大。了流體的湍動(dòng)程度，使對(duì)流傳熱系數(shù)較直管內(nèi)大。式中式中 彎管中的對(duì)流傳熱系數(shù)，彎管中的對(duì)流傳熱系數(shù)，w/（m2 ） 直管中的對(duì)流傳熱系數(shù)，直管中的對(duì)流傳熱系數(shù)，w/（m2 ） r 彎管軸的彎曲半徑，彎管軸的彎曲半徑，m（4 4） 流體在彎管內(nèi)作強(qiáng)制對(duì)流流體在彎管內(nèi)作強(qiáng)制對(duì)流例：一套管換熱器，套管為例：一套管換熱器，套管為893.5mm鋼管，內(nèi)管鋼管，內(nèi)管為為252.5mm鋼管。環(huán)隙中為鋼管。環(huán)隙中為p=100kPa的飽和水蒸的飽和水蒸氣冷凝，冷卻水在內(nèi)管中渡過，進(jìn)口溫度為氣冷凝，冷卻水在內(nèi)管中渡過，進(jìn)口溫度為15，出，出口為口為85。冷卻水流速為。冷卻水流速為0.4m

41、/s，試求管壁對(duì)水的對(duì)，試求管壁對(duì)水的對(duì)流傳熱系數(shù)。流傳熱系數(shù)。 解：此題為水在圓形直管內(nèi)流動(dòng)解：此題為水在圓形直管內(nèi)流動(dòng) 定性溫度定性溫度 t=（15+35）/2=25 查查25時(shí)水的物性數(shù)據(jù)（見附錄）如下時(shí)水的物性數(shù)據(jù)（見附錄）如下 ： Cp=4.179103J/kg =0.608W/m =90.2710-3Ns/m2 =997kg/m3 Re=du/=(0.020.4 997)/(90.27 10-5）=8836 Re在在230010000之間，為過渡流區(qū)之間，為過渡流區(qū) Pr=cp/=(4.179 103 90.27 10-5)/60.8 10-2 =6.2 a可按式可按式 Nu=0.

42、023Re0.8Prn 進(jìn)行計(jì)算進(jìn)行計(jì)算，水被加熱水被加熱，n=0.4。9524. 088361061Re10618 . 158 . 15f校正系數(shù)校正系數(shù)f kmwfcuddpii24 . 08 . 04 . 08 . 0/19789524. 0)2 . 6()8836(02. 0608. 0023. 0)()(023. 0對(duì)流傳熱系數(shù)對(duì)流傳熱系數(shù)采用上述各關(guān)聯(lián)式計(jì)算，將管內(nèi)徑改為當(dāng)量直徑采用上述各關(guān)聯(lián)式計(jì)算，將管內(nèi)徑改為當(dāng)量直徑de即可。即可。當(dāng)量直徑按下式計(jì)算當(dāng)量直徑按下式計(jì)算具體采用何種當(dāng)量直徑，根據(jù)所選用的關(guān)聯(lián)式中的規(guī)定而定。具體采用何種當(dāng)量直徑，根據(jù)所選用的關(guān)聯(lián)式中的規(guī)定而定。潤(rùn)濕

43、周邊流體流動(dòng)截面積 4ed傳熱周邊流體流動(dòng)截面積 4ed或或（5） 流體在非圓形管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流流體在非圓形管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流3.3.4 3.3.4 流體外繞壁面強(qiáng)制對(duì)流流體外繞壁面強(qiáng)制對(duì)流（1） 流體平行流過平板流體平行流過平板當(dāng)當(dāng) Re3105（湍流）時(shí)（湍流）時(shí)Nu=0.664Re0.8Pr1/3在錯(cuò)列管束外流過時(shí)在錯(cuò)列管束外流過時(shí) Nu=0.33Re0.6Pr0.33 在直列管束外流過時(shí)在直列管束外流過時(shí) Nu=0.26Re0.6Pr0.33應(yīng)用范圍：應(yīng)用范圍： Re3000 定性溫度：流體進(jìn)、出口溫度的平均值。定性溫度：流體進(jìn)、出口溫度的平均值。 定性尺寸：管外徑，流速取每排管子中最狹窄通道處

44、的流速。定性尺寸：管外徑，流速取每排管子中最狹窄通道處的流速。 管排數(shù)為管排數(shù)為10，若不為，若不為10時(shí)，計(jì)算結(jié)果應(yīng)校正。時(shí)，計(jì)算結(jié)果應(yīng)校正。（2 2）流體在管束外強(qiáng)制垂直流動(dòng)）流體在管束外強(qiáng)制垂直流動(dòng) 換熱器內(nèi)裝有圓缺形擋板（缺口面積為換熱器內(nèi)裝有圓缺形擋板（缺口面積為25%的殼體內(nèi)截面的殼體內(nèi)截面積）時(shí)，殼方流體的對(duì)流傳熱系數(shù)的關(guān)聯(lián)式為：積）時(shí)，殼方流體的對(duì)流傳熱系數(shù)的關(guān)聯(lián)式為：1）多諾呼法）多諾呼法 Nu=0.23Re0.6Pr1/3（/w）0.14 應(yīng)用范圍應(yīng)用范圍: Re=(23)104 特性尺寸特性尺寸: 取管外徑，流速取每排管子中最狹窄通道處的流速。取管外徑，流速取每排管子中最

45、狹窄通道處的流速。 定性溫度定性溫度: 除除w取壁溫外，均為取壁溫外，均為流體進(jìn)、出口溫度的算流體進(jìn)、出口溫度的算 術(shù)平均值。術(shù)平均值。（3 3） 流體在換熱器的管間流動(dòng)流體在換熱器的管間流動(dòng)2）凱恩法）凱恩法 Nu=0.36Re0.55Pr1/3（/w）0.14 注注：若換熱器的管間無擋板，管外流體沿管束平行流動(dòng)，則：若換熱器的管間無擋板，管外流體沿管束平行流動(dòng)，則仍用管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流的公式計(jì)算，只須將公式中的管內(nèi)徑改為管仍用管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流的公式計(jì)算，只須將公式中的管內(nèi)徑改為管間的當(dāng)量直徑。間的當(dāng)量直徑。 應(yīng)用范圍應(yīng)用范圍: Re=21031 105 特性尺寸特性尺寸: 取當(dāng)量直徑，管子排列不同，

46、計(jì)算公式也不同。取當(dāng)量直徑，管子排列不同，計(jì)算公式也不同。 定性溫度定性溫度: 除除w取壁溫外，均為取壁溫外，均為流體進(jìn)、出口溫度的算流體進(jìn)、出口溫度的算 術(shù)平均值。術(shù)平均值。Nu=c（GrPr）n定性溫度定性溫度: 取膜的平均溫度，即壁面溫度和流體平均溫度的算取膜的平均溫度，即壁面溫度和流體平均溫度的算 術(shù)平均值。術(shù)平均值。式中的式中的c、n值見表值見表3.3.5 3.3.5 自然對(duì)流自然對(duì)流蒸汽冷凝有蒸汽冷凝有膜狀冷凝膜狀冷凝和和滴狀冷凝滴狀冷凝兩種方式。兩種方式。膜狀冷凝膜狀冷凝：由于冷凝液能潤(rùn)濕壁面，因而能形成一層完整：由于冷凝液能潤(rùn)濕壁面，因而能形成一層完整的膜。在整個(gè)冷凝過程中，的

47、膜。在整個(gè)冷凝過程中，冷凝液膜冷凝液膜是其主要熱阻。是其主要熱阻。滴狀冷凝滴狀冷凝：若冷凝液不能潤(rùn)濕避免，由于表面張力的作若冷凝液不能潤(rùn)濕避免，由于表面張力的作用，冷凝液在壁面上形成許多液滴，并沿壁面落下，此中冷用，冷凝液在壁面上形成許多液滴，并沿壁面落下，此中冷凝稱為滴狀冷凝。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，多為膜狀冷凝過程。凝稱為滴狀冷凝。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，多為膜狀冷凝過程。蒸汽冷凝時(shí)的傳熱推動(dòng)力是蒸汽冷凝時(shí)的傳熱推動(dòng)力是蒸汽的飽和溫度與壁面溫度之差。蒸汽的飽和溫度與壁面溫度之差。3.3.6 流體有相變時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)流體有相變時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù) （1 1） 蒸汽冷凝時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)蒸汽冷凝時(shí)的對(duì)流傳熱系

48、數(shù)4123)(13. 1tlgr1）在垂直管或垂直板上作膜狀冷凝在垂直管或垂直板上作膜狀冷凝（2 2） 膜狀冷凝時(shí)對(duì)流傳熱系數(shù)膜狀冷凝時(shí)對(duì)流傳熱系數(shù) 2） 水平管壁上作膜狀冷凝水平管壁上作膜狀冷凝 41023)(725.0tndgr式中式中 l垂直板或管的高度垂直板或管的高度 、冷凝液的密度、導(dǎo)熱系數(shù)、粘度冷凝液的密度、導(dǎo)熱系數(shù)、粘度 r飽和蒸汽的冷凝潛熱飽和蒸汽的冷凝潛熱 t蒸汽的飽和溫度和壁面溫度之差蒸汽的飽和溫度和壁面溫度之差 d管子外徑管子外徑 n管束在垂直面上的列數(shù)管束在垂直面上的列數(shù) 不凝性氣體的影響不凝性氣體的影響 在蒸汽冷凝時(shí)不凝性氣體在液在蒸汽冷凝時(shí)不凝性氣體在液膜表面形成一

49、層氣膜，使傳熱阻力加大，冷凝對(duì)流傳熱系數(shù)膜表面形成一層氣膜，使傳熱阻力加大，冷凝對(duì)流傳熱系數(shù)降低降低。蒸汽流速和流向的影響蒸汽流速和流向的影響冷卻壁面的高度及布置方式冷卻壁面的高度及布置方式流體物性流體物性影響冷凝傳熱的因素：影響冷凝傳熱的因素： 對(duì)液體對(duì)流加熱時(shí)，在液相內(nèi)部伴有由液相變成氣相的對(duì)液體對(duì)流加熱時(shí)，在液相內(nèi)部伴有由液相變成氣相的過程稱為過程稱為沸騰沸騰。工業(yè)上沸騰的方法有兩種：工業(yè)上沸騰的方法有兩種：1) 管內(nèi)沸騰管內(nèi)沸騰：液體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)受熱沸騰。：液體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)受熱沸騰。2) 大溶積沸騰（池內(nèi)沸騰）大溶積沸騰（池內(nèi)沸騰）：加熱壁面浸沒在液體：加熱壁面浸沒在液體中，液體在壁面

50、受熱沸騰。中，液體在壁面受熱沸騰。沸騰傳熱的應(yīng)用：精餾塔的再沸器、蒸發(fā)器、蒸汽鍋爐等。沸騰傳熱的應(yīng)用：精餾塔的再沸器、蒸發(fā)器、蒸汽鍋爐等。3.3.7 3.3.7 液體沸騰時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)液體沸騰時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)（1 1）沸騰傳熱的特點(diǎn)沸騰傳熱的特點(diǎn) 溫度差溫度差t qABCD 線線 q線線 液體沸騰傳熱過程的推動(dòng)力是加熱面溫度和液體飽和溫液體沸騰傳熱過程的推動(dòng)力是加熱面溫度和液體飽和溫度之差。在大空間內(nèi)沸騰時(shí)，隨著此溫度差的不同，過程中度之差。在大空間內(nèi)沸騰時(shí)，隨著此溫度差的不同，過程中的對(duì)流傳熱系數(shù)的對(duì)流傳熱系數(shù)和熱流密度和熱流密度q都發(fā)生變化。都發(fā)生變化。（2 2） 液體的沸騰過程液體的沸

51、騰過程 根據(jù)傳熱溫差的變化，可將液體沸騰傳熱過程分為以下根據(jù)傳熱溫差的變化，可將液體沸騰傳熱過程分為以下四個(gè)階段：四個(gè)階段：1) 自然對(duì)流階段自然對(duì)流階段 如如AB段所示，溫差小，無明顯沸騰現(xiàn)象。此階段段所示，溫差小，無明顯沸騰現(xiàn)象。此階段和和q均均很小，且隨著溫差增大而緩慢增加。很小，且隨著溫差增大而緩慢增加。 2) 泡核沸騰階段泡核沸騰階段 如如BC段所示，由于氣泡運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的對(duì)流和擾動(dòng)作用，段所示，由于氣泡運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的對(duì)流和擾動(dòng)作用，此階段此階段和和q均隨著溫差增大而迅速增加。溫差越大，汽化均隨著溫差增大而迅速增加。溫差越大，汽化核心越多，氣泡脫離表面越多，沸騰越強(qiáng)烈。核心越多，氣泡脫離

52、表面越多，沸騰越強(qiáng)烈。 影響沸騰傳熱的因素影響沸騰傳熱的因素3）膜狀沸騰階段）膜狀沸騰階段 圖中圖中CD所示。因汽化核心過多而形成不穩(wěn)定汽膜，使所示。因汽化核心過多而形成不穩(wěn)定汽膜，使加熱面與液體隔開，加熱面與液體隔開， 和和q下降。下降。4）穩(wěn)定臘狀沸騰階段）穩(wěn)定臘狀沸騰階段 圖中圖中D點(diǎn)以后，汽泡在加熱面上形成和發(fā)展。點(diǎn)以后，汽泡在加熱面上形成和發(fā)展。1）溫度差：）溫度差：溫度差是控制沸騰傳熱的重要參數(shù)，應(yīng)盡量在核溫度差是控制沸騰傳熱的重要參數(shù)，應(yīng)盡量在核狀沸騰階段操作。狀沸騰階段操作。2）操作壓力：）操作壓力：提高操作壓力可提高液體的飽和溫度，從而使提高操作壓力可提高液體的飽和溫度，從而

53、使液體的粘度及表面張力均下降，有利于氣泡的生成與脫離壁面，液體的粘度及表面張力均下降，有利于氣泡的生成與脫離壁面，其結(jié)果是強(qiáng)化了對(duì)流傳熱過程。其結(jié)果是強(qiáng)化了對(duì)流傳熱過程。3）流體物性：）流體物性：氣泡離開表面的快慢與液體對(duì)金屬表面的浸潤(rùn)氣泡離開表面的快慢與液體對(duì)金屬表面的浸潤(rùn)能力及液體的表面張力的大小有關(guān)，表面張力小，潤(rùn)濕能力大能力及液體的表面張力的大小有關(guān)，表面張力小，潤(rùn)濕能力大的液體，形成的氣泡易脫離表面，對(duì)沸騰傳熱有利。此外的液體，形成的氣泡易脫離表面，對(duì)沸騰傳熱有利。此外、等也有影響。等也有影響。4）加熱面的影響：）加熱面的影響：加熱面的材料、粗糙度的影響。加熱面的材料、粗糙度的影響。

54、 （3 3） 沸騰對(duì)流傳熱系數(shù)的計(jì)算沸騰對(duì)流傳熱系數(shù)的計(jì)算在應(yīng)用對(duì)流傳熱計(jì)算公式時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：在應(yīng)用對(duì)流傳熱計(jì)算公式時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：1、首先分析所處理的問題是屬于哪一類，如：是強(qiáng)制對(duì)流、首先分析所處理的問題是屬于哪一類，如：是強(qiáng)制對(duì)流或是自然對(duì)流，是否有相變等?；蚴亲匀粚?duì)流，是否有相變等。2、選定響應(yīng)的對(duì)流傳熱系數(shù)計(jì)算式，特別應(yīng)注意的是所選、選定響應(yīng)的對(duì)流傳熱系數(shù)計(jì)算式，特別應(yīng)注意的是所選用的公式的使用條件。用的公式的使用條件。3、當(dāng)流體的流動(dòng)類型不能確定時(shí)，采用試差法進(jìn)行計(jì)算，、當(dāng)流體的流動(dòng)類型不能確定時(shí)，采用試差法進(jìn)行計(jì)算，再進(jìn)行驗(yàn)證。再進(jìn)行驗(yàn)證。4、計(jì)算公式中的各物性數(shù)據(jù)的單位。、

55、計(jì)算公式中的各物性數(shù)據(jù)的單位。對(duì)流傳熱系數(shù)小結(jié)對(duì)流傳熱系數(shù)小結(jié) （1）熱輻射能熱輻射能 物質(zhì)受熱激發(fā)起原子的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而向外物質(zhì)受熱激發(fā)起原子的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而向外以電磁波的形式發(fā)射并傳播的能量。接受這種電磁波的物體又以電磁波的形式發(fā)射并傳播的能量。接受這種電磁波的物體又將吸收的輻射能轉(zhuǎn)變成熱能。將吸收的輻射能轉(zhuǎn)變成熱能。10-101010 110210410610-410-210-6射線射線無線電波無線電波微波微波X射線射線紫外紫外熱射線熱射線紅外紅外能被物體吸收而轉(zhuǎn)變成熱能的輻射線稱作能被物體吸收而轉(zhuǎn)變成熱能的輻射線稱作熱射線。熱射線。 電磁波的波長(zhǎng)范圍及熱射線電磁波的波長(zhǎng)范圍及熱射線 3

56、.4 輻射傳熱輻射傳熱3.4.1輻射基本慨念輻射基本慨念（2）吸收率吸收率 A，反射率，反射率 R 和透過率和透過率 D （Absorption, Reflection and Diaphaneity )DRAEEEE1EEEEEEDRA1DRA根據(jù)能量守恒定律：根據(jù)能量守恒定律：EREDEANE3.4.2 物體輻射的能力物體輻射的能力單色輻射單色輻射:單一波長(zhǎng)的輻射。單一波長(zhǎng)的輻射。單色輻射能：一定溫度下，從單位物體表面在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)單色輻射能：一定溫度下，從單位物體表面在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射單一波長(zhǎng)輻射的輻射能，用射單一波長(zhǎng)輻射的輻射能，用 E表示，表示，其單位為其單位為 W/m2 灰體（灰體（

57、A+R1,D0）：）： 能吸收從能吸收從0無窮長(zhǎng)的所有波長(zhǎng)范無窮長(zhǎng)的所有波長(zhǎng)范圍的輻射能且吸收率相等的物體稱灰體。圍的輻射能且吸收率相等的物體稱灰體。 表面現(xiàn)象表面現(xiàn)象 容積現(xiàn)象容積現(xiàn)象（3）黑體、白體和透體和灰體黑體、白體和透體和灰體黑體黑體 A=1 白體白體 R=1 透體透體 D=1（1）單色輻射能）單色輻射能 E及及 Planks Law 黑體的單色輻射能黑體的單色輻射能 E Eb b 可用可用Planks Law Planks Law 精確地描述：精確地描述： 1251eTCbCE 由黑體輻射譜中能量分布圖由黑體輻射譜中能量分布圖可知：隨著溫度的提高，物體可知：隨著溫度的提高，物體最大

58、輻射能漸向波長(zhǎng)縮短的方最大輻射能漸向波長(zhǎng)縮短的方向移動(dòng)。向移動(dòng)。E b T=1400 KT=1200 K010Eb黑體的單色輻射能力，黑體的單色輻射能力，w/m3 波長(zhǎng)，波長(zhǎng)，m T物體的熱力學(xué)溫度，物體的熱力學(xué)溫度，K C1常數(shù)，其值為常數(shù)，其值為3.74310-16Wm2 C2常數(shù)，其值為常數(shù)，其值為1.438710-2mK （2）斯蒂芬斯蒂芬波爾茨曼波爾茨曼（Stephen-Boltzman ）定律定律全輻射能（輻射照度）為所有單色輻射能之和，即全輻射能（輻射照度）為所有單色輻射能之和，即對(duì)黑體對(duì)黑體4040)100(TcTdEEbb 稱為稱為斯蒂芬斯蒂芬波爾茨曼波爾茨曼輻射常數(shù)，其值為

59、輻射常數(shù)，其值為 5.6710-8 w/(m2K4) c0稱為黑體輻射系數(shù)稱為黑體輻射系數(shù) 上式說明，黑體的全發(fā)射能力正比于熱力學(xué)溫度的四次上式說明，黑體的全發(fā)射能力正比于熱力學(xué)溫度的四次方，此關(guān)系稱為方，此關(guān)系稱為斯蒂芬斯蒂芬波爾茨曼定律，波爾茨曼定律，亦稱亦稱四次方定律四次方定律。0dEE(W/m2)bEE黑體發(fā)射能力物體發(fā)射能力黑體吸收輻射能的能力物體吸收輻射能的能力黑度黑度：輻射率：輻射率（3）克?；舴颍ǎ┛讼；舴颍↘irschoff）定律）定律當(dāng)兩物休，在相同的環(huán)境處于溫度平衡之下，則：2211AEAEE1E0（1-A1）E0A1E0 灰體 黑體 42412121)100()100(

60、TTACQC C 1212 稱為總輻射系數(shù)；稱為總輻射系數(shù)； 稱為角系數(shù)，表示由輻射面稱為角系數(shù)，表示由輻射面A發(fā)射發(fā)射出的能量為另一物體所截獲的分?jǐn)?shù)，出的能量為另一物體所截獲的分?jǐn)?shù)，與兩物體幾何排列和面積有關(guān)。與兩物體幾何排列和面積有關(guān)。3.4.3 兩固體間的輻射傳熱兩固體間的輻射傳熱3.4.5 輻射加熱的方法輻射加熱的方法食品熱食品熱 加工分直接加熱和間接加熱。加工分直接加熱和間接加熱。（一）紅外線加熱（一）紅外線加熱（二）高頻加熱（二）高頻加熱（三）微波加熱（三）微波加熱傳熱計(jì)算主要有兩種類型：傳熱計(jì)算主要有兩種類型： 設(shè)計(jì)計(jì)算設(shè)計(jì)計(jì)算(熱負(fù)荷熱負(fù)荷) 根據(jù)生產(chǎn)要求的熱負(fù)荷確定換熱器的傳