第4章 環(huán)境工程原理熱量傳遞

1、2第四章 熱量傳遞本章主要內(nèi)容第一節(jié) 熱量傳遞的方式第二節(jié) 熱傳導(dǎo)第三節(jié) 對(duì)流傳熱第四節(jié) 輻射傳熱第五節(jié) 換熱器3第一節(jié) 熱量傳遞的方式本節(jié)的主要內(nèi)容一、熱傳導(dǎo)二、對(duì)流傳熱三、輻射傳熱 4第一節(jié) 熱量傳遞的方式第一節(jié)第一節(jié) 熱量傳遞的方式熱量傳遞的方式n 傳熱是極普遍的過程傳熱是極普遍的過程 凡是有溫差存在的地方，就必然有熱量傳遞。 在環(huán)境工程中，很多過程涉及到加熱和冷卻：在環(huán)境工程中，很多過程涉及到加熱和冷卻： 對(duì)水或污泥進(jìn)行加熱； 對(duì)管道及反應(yīng)器進(jìn)行保溫以減少系統(tǒng)的熱量散失； 在冷卻操作中移出熱量。5第一節(jié) 熱量傳遞的方式環(huán)境工程中涉及到的傳熱過程主要有兩種情況：環(huán)境工程中涉及到的傳熱過程

2、主要有兩種情況： 強(qiáng)化傳熱過程，如各種熱交換設(shè)備中的傳熱； 削弱傳熱過程，如對(duì)設(shè)備和管道的保溫，以減少熱量損失。熱的傳遞主要有三種方式熱的傳遞主要有三種方式 熱熱 傳傳 導(dǎo)導(dǎo)物體各部分之間無宏觀運(yùn)動(dòng)，而是通過物質(zhì)的分子、原子和電子的振動(dòng)、位移和相互碰撞發(fā)生的熱量傳遞過程。6第一節(jié) 熱量傳遞的方式 對(duì)流傳熱對(duì)流傳熱流體中質(zhì)點(diǎn)發(fā)生相對(duì)位移而引起的熱量傳遞過程，僅發(fā)生在液體和氣體中。通常認(rèn)為是流體與固體壁面之間的熱傳遞過程。 輻射傳熱輻射傳熱物體由于熱的原因而發(fā)出輻射能的過程。7第一節(jié) 熱量傳遞的方式思考題思考題(1) 什么是熱傳導(dǎo)？(2) 什么是對(duì)流傳熱？分別舉出一個(gè)強(qiáng)制對(duì)流傳熱和自然對(duì)流傳熱的實(shí)

3、例。(3) 簡(jiǎn)述輻射傳熱的過程及其特點(diǎn)(4) 試分析在居室內(nèi)人體所發(fā)生的傳熱過程，設(shè)室內(nèi)空氣處于流動(dòng)狀態(tài)。(5) 若冬季和夏季的室溫均為18，人對(duì)冷暖的感覺是否相同？在哪種情況下覺得更暖和？為什么？8第二節(jié)熱傳導(dǎo)本節(jié)的主要內(nèi)容一、傅立葉定律二、導(dǎo)熱系數(shù)三、通過平壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)四、通過圓管壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)9第二節(jié)熱傳導(dǎo) 必要條件必要條件 存在溫度差 物體的相系接觸 物體各部分之間無宏觀運(yùn)動(dòng) 機(jī)理機(jī)理通過物質(zhì)的分子、原子和電子的振動(dòng)、位移和相互碰撞發(fā)生的熱量傳遞過程。在氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)物質(zhì)中都可以發(fā)生，但傳遞的方式和機(jī)理是不同的。10第二節(jié)熱傳導(dǎo) 氣體的熱量傳遞氣體的熱量傳遞是氣體分子作不規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)

4、時(shí)相互碰撞的結(jié)果 固體的熱量傳遞固體的熱量傳遞晶格振動(dòng)和自由電子的遷移； 液體的熱量傳遞液體的熱量傳遞結(jié)構(gòu)介于氣體和固體之間，分子可作幅度不大的位移，熱量的傳遞既由于分子的振動(dòng)，又依靠分子間的相互碰撞。11第二節(jié)熱傳導(dǎo)一、傅立葉定律一、傅立葉定律T=T0QT=T1熱流流量t=0T=T0T=T0在達(dá)到穩(wěn)態(tài)之后，需要一個(gè)恒定的熱量流量Q通過，才能維持溫度差DT=T1-T0不變。熱傳導(dǎo)的速率？12第二節(jié)熱傳導(dǎo)yTAQDyTAQqddy方向上的熱量流量，也稱為傳熱速率，W導(dǎo)熱系數(shù)，W/(mK)y方向上熱量通量，即單位時(shí)間內(nèi)通過單位面積傳遞的熱量，又稱為熱流密度，W/m2垂直于熱流方向的面積，m2y方向

5、上的溫度梯度, K/m傅立葉定律(4.2.1)(4.2.2)13第二節(jié)熱傳導(dǎo)yTAQqdd熱量通量與溫度梯度成正比負(fù)號(hào)表示熱量通量方向與溫度梯度的方向相反，即熱量是沿著溫度降低的方向傳遞的。yTccqppdd變 換：pcayTcaqpd)d(導(dǎo)溫系數(shù)，或稱熱量擴(kuò)散系數(shù)，m2/s熱量濃度，J/m3熱量傳遞的推動(dòng)力令(4.2.3)(4.2.4)熱量濃度梯度，J/m3m14第二節(jié)熱傳導(dǎo) 導(dǎo)溫系數(shù)導(dǎo)溫系數(shù)是物質(zhì)的性質(zhì)參數(shù)，反映溫度變化在物體中的傳播能力。 說明物體的某部分一旦獲得熱量，該熱量能在整個(gè)物體中很快擴(kuò)散pcaapc或?qū)嵯禂?shù)，表明物質(zhì)的導(dǎo)熱能力單位體積物質(zhì)溫度升高1oC是所需要的熱量,代表物

6、質(zhì)的蓄熱能力 15第二節(jié)熱傳導(dǎo)二、導(dǎo)熱系數(shù)二、導(dǎo)熱系數(shù) 導(dǎo)熱物質(zhì)在單位面積、單位溫度梯度下的導(dǎo)熱速率，單位為W/(mK)。 是表明物質(zhì)導(dǎo)熱性強(qiáng)弱即導(dǎo)熱能力的大小。 是物質(zhì)的物理性質(zhì)，只與物質(zhì)的種類、溫度和壓力有關(guān)。 不同物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)差異較大。yTqdd(4.2.5)16第二節(jié)熱傳導(dǎo)（一）（一） 的影響因素：的影響因素： 對(duì)于同一種物質(zhì)， 值可能隨不同的方向變化各向異性。 氣體的導(dǎo)熱系數(shù) 都隨溫度升高而增高，近似與絕對(duì)溫度的平方根成正比。 一般情況下，壓力對(duì)其影響不大，但在高壓（高于200MPa）或低壓（低于2.7kPa）下，氣體的導(dǎo)熱系數(shù)隨壓力的升高而增大。 17第二節(jié)熱傳導(dǎo) 液體的導(dǎo)熱系數(shù)

7、 隨溫度升高而減?。ㄋ?、甘油例），經(jīng)驗(yàn)公式： 壓力對(duì)其影響不大。 固體的導(dǎo)熱系數(shù)固體的導(dǎo)熱系數(shù)影響因素較多，與內(nèi)部結(jié)構(gòu)關(guān)系最大。 純金屬的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度升高而減小； 合金卻相反，隨溫度上升而增大。 晶體導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度升高而減小，非晶體則相反。 bTa18第二節(jié)熱傳導(dǎo)19第二節(jié)熱傳導(dǎo)（二）工程中常用材料的導(dǎo)熱系數(shù)（二）工程中常用材料的導(dǎo)熱系數(shù)金屬液體隔熱材料氣體金屬50415 W/(mK)，合金12120 W/(mK)0.030.17 W/(mK）0.170.7 W/(mK)0.0070.17 W/(mK) 因水的最大，是工程上最常用的導(dǎo)熱介質(zhì)換熱壁面材料，其中銀最大多孔材料作為保溫材料保溫材料

8、受潮后隔熱性能將大幅度下降防潮氫的最大20第二節(jié)熱傳導(dǎo) 液體中水的導(dǎo)熱系數(shù)最大。因此，水是工程上最常用的導(dǎo)熱介質(zhì)。 20時(shí)為0.6 W/(m K)。 氣體的導(dǎo)熱系數(shù)很小，對(duì)導(dǎo)熱不利，但利于絕熱、保溫。工業(yè)上常用多孔材料作為保溫材料，就是利用了空隙中存在的氣體，使導(dǎo)熱系數(shù)變小。 水比空氣的導(dǎo)熱系數(shù)大得多，隔熱材料受潮后其隔熱性能將大幅度下降。因此，露天保溫管道必須注意防潮。 非金屬中，石墨的導(dǎo)熱系數(shù)最高，可達(dá)100200 W/(mK)，高于一般金屬；同時(shí)，因其具有耐腐蝕性能，因此石墨是制作耐腐蝕換熱器的理想材料。21第二節(jié)熱傳導(dǎo)三、通過平壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)三、通過平壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)(一一) 單層平壁的

9、穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)單層平壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)平壁厚度為b，壁面兩側(cè)溫度分別為T1和T2（ T1 T2 ）。 一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)xTAQdd10:xTT2:xb TT)(21TTAbQ(4.2.6)(4.2.7)22第二節(jié)熱傳導(dǎo)rTAQqD溫差DT為傳熱的推動(dòng)力。)(21TTAbQAbR令：RTRTTQD)(21br 令：導(dǎo)熱熱阻，K/W單位傳熱面積的導(dǎo)熱熱阻，m2K/W溫度差傳導(dǎo)距離越大，傳熱壁面和導(dǎo)熱系數(shù)越小，則導(dǎo)熱熱阻越大。傳熱速率=傳熱的推動(dòng)力導(dǎo)熱熱阻23第二節(jié)熱傳導(dǎo)【例題4.2.1】某平壁厚度 b 為400mm，內(nèi)表面溫度T1=950，外表面溫度T2=300，導(dǎo)熱系數(shù)為=1.0+0.001

10、T，W/(mK)， T 的單位為。若將導(dǎo)熱系數(shù)分別按常量（取平均導(dǎo)熱系數(shù)）和變量計(jì)算，試求導(dǎo)熱熱通量和平壁內(nèi)的溫度分布。解：(1) 導(dǎo)熱系數(shù)按平壁的平均溫度，則平均溫度為：求得： =1.0+0.0016251.6256252300950221TTTm26414 . 0300950625. 121bTTqmW/m2W/(mK)24第二節(jié)熱傳導(dǎo)以x表示沿壁厚方向上的距離，在x處等溫面上的溫度為（2）導(dǎo)熱系數(shù)取為變量分離變量并積分對(duì)于平壁上的穩(wěn)態(tài)一維熱傳導(dǎo)，熱量通量不變。因此xxxqTTm1625950625. 126419501xTTxTqdd)001. 00 . 1 (ddbTTxqTT0dd)

11、001.00 .1 (212212120.001()()2TTTTqb25第二節(jié)熱傳導(dǎo)22110.001()()2TTTTqx20.001(950)(950)26412TTx20.0011401264102TTx22121222210.001()()210.001(950300)(950300 )0.422641W/mqTTTTb在x處：整理，得此時(shí)溫度分布為曲線。26第二節(jié)熱傳導(dǎo)（二）多層平壁的熱傳導(dǎo)（二）多層平壁的熱傳導(dǎo) 假設(shè) 有三層穩(wěn)態(tài)傳熱平壁，每層壁厚分別為b，壁的面積均為A； 假定材料均勻，1、 2、 3都不隨溫度變化 ，視為常數(shù)。 層間接觸良好，相互接觸的面上溫度相等； 各等溫面皆

12、垂直；T1、T2、T3、 T3 ，均為恒定。27第二節(jié)熱傳導(dǎo)AbAbAbTTRRRTTTQ33221141321321DDD串聯(lián)熱阻疊加原則 11QRT D22QRT D33QRT D熱阻越大，通過該層的溫度差也越大 1b1232b3b1T2T3T4TQ121111()TTTQAbRD傳熱的推動(dòng)力導(dǎo)熱熱阻232222()TTTAbRD343333()TTTAbRD(4.2.10)28第二節(jié)熱傳導(dǎo) 層與層之間存在空氣層層與層之間存在空氣層 附加熱阻接觸熱阻 與接觸面的材料、接觸界面的粗糙度、接觸面的壓緊力和空隙中的氣壓等有關(guān)。（三） n層平壁的熱傳導(dǎo)2201131brbTTq接觸熱阻111111

13、nnnniiiiiTTTTbRAQ (4.2.11)29第二節(jié)熱傳導(dǎo)AbAbAbTTQ3322114111qrT D22qrT D33qrT D33221141bbbTTq211930 117813TTTD322813555258TTTD2T3Tq30第二節(jié)熱傳導(dǎo)四、通過圓管壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)四、通過圓管壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo) 采用圓柱坐標(biāo)時(shí)，即為一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo) 傳熱面積隨半徑發(fā)生變化 對(duì)于半徑為r的等溫圓柱面，根據(jù)傅立葉定律，有 穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱時(shí)，徑向的Q為常數(shù)，將上式分離變量并積分rTrLrTAQdd)2(dd2121d2dTTrrTLrrQ內(nèi)徑r1外徑r21T2Trd半徑r31第二節(jié)熱傳導(dǎo)積分得：則圓管壁

14、的導(dǎo)熱熱阻： 對(duì)數(shù)平均面積對(duì)數(shù)平均面積Am 對(duì)數(shù)平均半徑對(duì)數(shù)平均半徑rmRTTrrTTLQ211221ln2(4.2.13)LrrR2ln122112211212122112121221ln22ln2ln2TTAbAATTrrAALrLrTTrrrrLrrTTLQmAbR11212lnAAAAAm11212lnrrrrrm32第二節(jié)熱傳導(dǎo) 兩種簡(jiǎn)化計(jì)算兩種簡(jiǎn)化計(jì)算當(dāng)時(shí)r2 /r1第三節(jié)對(duì)流傳熱三、對(duì)流傳熱速率三、對(duì)流傳熱速率(一一) 牛頓冷卻定律牛頓冷卻定律2TDTAQDdd1TD通過傳熱面dA的局部對(duì)流傳熱速率局部對(duì)流傳熱系數(shù)Q(4.3.1)dAdA54第三節(jié)對(duì)流傳熱 通過傳熱面的傳熱速率正

15、比于固體壁面與周圍流體的溫度差和傳熱面積。(1) 流體被冷卻時(shí)：(2) 流體被加熱時(shí) ：TAQDdd與傳熱方向垂直的微元傳熱面積，m2局部對(duì)流傳熱系數(shù)或稱為膜系數(shù)，W/（m2K）流體與固體壁面dA之間的溫差，K通過傳熱面dA的局部對(duì)流傳熱速率，WWTTTDTTTWD55第三節(jié)對(duì)流傳熱(3) 局部對(duì)流傳熱系數(shù)（局部對(duì)流傳熱系數(shù)（a） 在傳熱過程中，溫度沿程變化，因此對(duì)流系數(shù)為局部的參數(shù)。在實(shí)際工程中，常采用平均值進(jìn)行計(jì)算，因此牛頓冷卻定律可寫成 對(duì)流傳熱速率也可以用對(duì)流傳熱熱阻表示，即 1/A為對(duì)流傳熱熱阻。TAQD(4.3.2a)ATQ1Db/A為導(dǎo)熱熱阻(4.3.2b)56第三節(jié)對(duì)流傳熱(4

16、) 有效膜厚度有效膜厚度 傅立葉定律： 牛頓冷卻定律： 比較可以發(fā)現(xiàn)： y 不是實(shí)際的流體層厚度，而是某個(gè)虛擬的流體層厚度，稱之為有效膜厚度。ddTQAyD TAQDddyy有效膜厚度57第三節(jié)對(duì)流傳熱（二）對(duì)流傳熱系數(shù)（二）對(duì)流傳熱系數(shù)不是物性參數(shù)，與很多因素有關(guān)，其大小取決于流體物性、壁面情況、流動(dòng)原因、流動(dòng)狀況、流體是否有相變等因素。 換熱方式a空氣自然對(duì)流525氣體強(qiáng)制對(duì)流20100水自然對(duì)流2001000水強(qiáng)制對(duì)流100015000水蒸氣冷凝500015000有機(jī)蒸氣冷凝5002000水沸騰25002500058第三節(jié)對(duì)流傳熱四、對(duì)流傳熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)式四、對(duì)流傳熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)式（一）對(duì)流

17、傳熱微分方程式（一）對(duì)流傳熱微分方程式 只取決于緊貼壁面速度為零的流體層，其傳熱為導(dǎo)熱，因此傳熱規(guī)律遵循傅立葉定律。理論上計(jì)算對(duì)流傳熱系數(shù)的基礎(chǔ)。0ddyyTAQ0DyyTT很難得出！ TAQDddy溫度梯度59第三節(jié)對(duì)流傳熱0DyyTT層流邊界層或?qū)恿鞯讓拥暮穸葴p小通過改善流動(dòng)狀況使層流底層厚度減小，是工程上強(qiáng)化對(duì)流傳熱的主要途徑之一（1）量綱分析 （2）利用動(dòng)量傳遞與熱量傳遞的類似性 求解對(duì)流傳熱系數(shù)的途徑 對(duì)流傳熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)式(4.3.3)60第三節(jié)對(duì)流傳熱（二）無量綱準(zhǔn)數(shù)方程（二）無量綱準(zhǔn)數(shù)方程1. 對(duì)無相變對(duì)流傳熱過程對(duì)無相變對(duì)流傳熱過程影響物理量影響物理量 流體流速u傳熱面積的特性

18、尺寸L 密度、流體粘度m 導(dǎo)熱系數(shù)比熱容cp 單位質(zhì)量流體的浮升力gbDt 。2. 一般函數(shù)表達(dá)式為一般函數(shù)表達(dá)式為tgcLufpDbm,61第三節(jié)對(duì)流傳熱3.3. 求出各物理量的量綱求出各物理量的量綱 以為例KskgKm 1smsmkgKm 1smNKm 1sJ KmW 32222213dim MT62第三節(jié)對(duì)流傳熱 各物理量的量綱 各量合計(jì)共有4個(gè)量綱。4. 公式推導(dǎo)公式推導(dǎo) 將函數(shù)表達(dá)式改寫成冪函數(shù)形式得212231311113dimdimdimdimdimdimdimdimDLTtgTLcMLMLTTMLLlLTuMTpbmhfpedcbatgclCuDbm63第三節(jié)對(duì)流傳熱 將各物理

19、量的量綱代入上式得 根據(jù)量綱一到性原理可得 可列方程組并最后解得hfedcbaLTTLMLMLTTMLLLTCMT212231311113fdhfdcahfedcbaedcTLM122332301對(duì)于對(duì)于對(duì)于對(duì)于hfpatglcluClD223mbmm64第三節(jié)對(duì)流傳熱5. 四個(gè)準(zhǔn)數(shù)的意義四個(gè)準(zhǔn)數(shù)的意義 努塞爾數(shù) 表示對(duì)流傳熱系數(shù)的準(zhǔn)數(shù)。 雷諾準(zhǔn)數(shù) 流體的流動(dòng)狀態(tài)和湍流程度對(duì)對(duì)流傳熱的影響。 普蘭特?cái)?shù) 表示流體物性對(duì)對(duì)流傳熱的影響。LNumLuRempcPr65第三節(jié)對(duì)流傳熱 格拉斯霍夫數(shù) 表示自然對(duì)流對(duì)對(duì)流傳熱的影響。6.6. 一般一般準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式 此式為無相變化時(shí)對(duì)流傳熱系數(shù)的計(jì)算

20、公式； 是一種半經(jīng)驗(yàn)公式； 式中的參數(shù)C、a、f、h需要確定，且隨著各個(gè)準(zhǔn)數(shù)的其取值也不同。223GrmbtgLDhfaCGrPrReNu 66第三節(jié)對(duì)流傳熱 強(qiáng)制對(duì)流準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式 當(dāng)為強(qiáng)制對(duì)流時(shí)，格拉斯霍夫數(shù)對(duì) 影響很小，可以忽略，則一般準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式可變成 自然對(duì)流準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式 當(dāng)為自然對(duì)流時(shí)，雷諾數(shù)對(duì)影響很小，可以忽略，則一般準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式可變成faCNuPrRenhfGrCGrCNuPrPr67第三節(jié)對(duì)流傳熱7.準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式應(yīng)用的注意事項(xiàng)準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式應(yīng)用的注意事項(xiàng)(1) 適用范圍適用范圍 準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式因使用工況的不同，形式也不同； 每并聯(lián)式中各準(zhǔn)數(shù)具有不同的適用范圍； 各準(zhǔn)數(shù)的適用范圍是根據(jù)實(shí)驗(yàn)確定的；

21、 每種關(guān)聯(lián)式的使用時(shí)各準(zhǔn)數(shù)都不能超出范圍。(2) 特性尺寸特性尺寸 四個(gè)準(zhǔn)數(shù)Nu、Re、Gr中的 L稱為特性尺寸。 管狀傳熱壁面的特性尺寸為管內(nèi)徑d；68第三節(jié)對(duì)流傳熱 非管狀傳熱壁面的特性尺寸為當(dāng)量直徑de；(3) 定性溫度定性溫度確定準(zhǔn)數(shù)中流體的物性參數(shù)如cp、m、等所依據(jù)的溫度稱為定性溫度。不同的準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式中定性溫度有所不同，三種定性溫度： 進(jìn)出口算數(shù)平均溫度Tm ； 壁面溫度Tw； 膜溫(Tm + Tw )/2。69第三節(jié)對(duì)流傳熱（一）管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流傳熱（一）管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流傳熱1. 流體在圓形直管內(nèi)呈強(qiáng)烈的湍流狀態(tài)流動(dòng)流體在圓形直管內(nèi)呈強(qiáng)烈的湍流狀態(tài)流動(dòng)(1) 關(guān) 聯(lián) 式：(2) 指數(shù) n

22、 的確定：考慮到層流底層中溫度對(duì) m 和 l 的影響。 流體被加熱時(shí)：n =0.4； 流體被冷卻時(shí)：n =0.3。(3) 定性溫度：進(jìn)出口算數(shù)平均溫度tm ；0.8Nu0.023RePrf(4.3.6a)npcuddmm8 . 0ii023. 0(4.3.6b)70第三節(jié)對(duì)流傳熱(4) 特性尺寸：為管內(nèi)徑di；(5) 應(yīng)用范圍：Re104、0.7Pr120 ；管長(zhǎng)與管徑之比 l/di50；流體粘度m 2 mPa.s。(6) 短管修正系數(shù)對(duì)于 l/di的短管，由于進(jìn)口段流體的速度和溫度在不斷變化，因此對(duì)流傳熱系數(shù)變化較大。為了修正進(jìn)口段的影響，乘以大于1的短管修正系數(shù)7 . 01Ldil71第三

23、節(jié)對(duì)流傳熱2. 流體在圓形直管內(nèi)呈強(qiáng)烈的層流狀態(tài)流動(dòng)流體在圓形直管內(nèi)呈強(qiáng)烈的層流狀態(tài)流動(dòng) 當(dāng)為小管徑且流體和壁面的溫差不大的情況下， Pr25000，自然對(duì)流的影響可以忽略：(1) 計(jì)算公式計(jì)算公式(2) 定性溫度定性溫度除粘度mw的溫度為壁溫外，其余均為流體進(jìn)、出口溫度的算術(shù)平均值。14. 0318 . 0ii027. 0wpcuddmmmm72第三節(jié)對(duì)流傳熱(3) 工程工程中中m m W的確定的確定液體被加熱時(shí)：（m /mW）0.141.05；液體被冷卻時(shí)：（m /mW）0.140.95；氣體不論加熱還是冷卻：（(m /mW）0.141.0 。(4) 應(yīng)用范圍應(yīng)用范圍Re2300，0.6P

24、r10。(5) 修正系數(shù)（修正系數(shù)（h h） 當(dāng)Pr 25000時(shí)，應(yīng)再乘以修正系數(shù)：31Gr015. 018 . 0h73第三節(jié)對(duì)流傳熱3. 流體在圓形直管內(nèi)呈過渡流狀態(tài)流動(dòng)流體在圓形直管內(nèi)呈過渡流狀態(tài)流動(dòng)對(duì)于2300Re104時(shí)的過渡區(qū)，其傳熱情況非常復(fù)雜，對(duì)流傳熱系數(shù)可先用湍流時(shí)的經(jīng)驗(yàn)式計(jì)算，再乘以小于1的修正系數(shù)：4. 流體在圓形彎管內(nèi)流動(dòng)流體在圓形彎管內(nèi)流動(dòng) R彎管的曲率半徑8 . 15Re1061Rdi77. 1174第三節(jié)對(duì)流傳熱例題4.3.1常壓下的空氣在內(nèi)徑為30mm的管中流動(dòng)，溫度由170升高到230，平均流速為15m/s。試求：（1）空氣與管壁之間反對(duì)流傳熱系數(shù)；（2）若

25、流速增大為25m/s，則結(jié)果如何?解： 物性參數(shù)的確定 定性溫度為進(jìn)出口的平均溫度200 ，并可根據(jù)定性溫度和壓力查得：導(dǎo)熱系數(shù)、密度和黏度。 準(zhǔn)數(shù)及相應(yīng)條件參數(shù)的確定（Re、Pr、L/di）找到相應(yīng)公式求得對(duì)流傳熱系數(shù)。75第三節(jié)對(duì)流傳熱（二）大空間自然對(duì)流傳熱（二）大空間自然對(duì)流傳熱固體壁面與靜止流體之間由于流體內(nèi)部存在溫差造成密度差，由此產(chǎn)生升浮力使流體流動(dòng)，稱為自然對(duì)流。大空間自然對(duì)流傳熱是指固體壁面邊界層的發(fā)展不受空間限制或干擾的自然對(duì)流傳熱。換熱過程中常用的換熱設(shè)備、中溫或高溫反應(yīng)器、熱水或蒸汽管道等的熱表面向周圍大氣的對(duì)流散熱。對(duì)流傳熱系數(shù)與Gr和Pr有關(guān)C、n 與傳熱表面的性質(zhì)

26、和位置以及(GrPr)有關(guān)，定性溫度取壁面與流體平均溫度的算術(shù)平均值 nCPrGrNu 76第三節(jié)對(duì)流傳熱表4.3.2 常見大空間自然對(duì)流時(shí)的C和n值77第三節(jié)對(duì)流傳熱 靠近壁面的溫度場(chǎng)（以豎壁面為例）靠近壁面的溫度場(chǎng)（以豎壁面為例）78第三節(jié)對(duì)流傳熱 靠近壁面的流體流動(dòng)速度的變化（以豎壁面為例）靠近壁面的流體流動(dòng)速度的變化（以豎壁面為例）79第三節(jié)對(duì)流傳熱（五）蒸氣冷凝傳熱（五）蒸氣冷凝傳熱 蒸氣冷凝方式蒸氣冷凝方式蒸氣冷凝有兩種傳熱形式，即膜狀冷凝和滴狀冷凝，如附圖所示。 膜狀冷凝膜狀冷凝冷凝液能很好地潤(rùn)濕壁面，在壁面上形成一層連續(xù)的液膜。 形成液膜的原因形成液膜的原因冷凝液的表面張力小于

27、它對(duì)壁面的附著力。80第三節(jié)對(duì)流傳熱81第三節(jié)對(duì)流傳熱 特點(diǎn)特點(diǎn)由上向下逐漸加厚，液膜的下流速度逐漸加快。 傳熱方式傳熱方式熱量通過液膜以導(dǎo)熱和對(duì)流形式傳給壁面。 熱阻變化熱阻變化要比無相變對(duì)流傳熱的熱阻要小。 液滴冷凝液滴冷凝冷凝液在壁面上形成許多分散的液滴。 形成液膜的原因形成液膜的原因冷凝液的表面張力大于它對(duì)壁面的附著力。82第三節(jié)對(duì)流傳熱 傳熱方式傳熱方式大部分冷凝熱量是直接傳給壁的，小部分由液滴以導(dǎo)熱和對(duì)流方式傳給壁面。 熱阻變化熱阻變化要比膜狀冷凝的熱阻要小510倍。1. 蒸氣在垂直管外（或板上）冷凝蒸氣在垂直管外（或板上）冷凝(1) 假設(shè)假設(shè)蒸氣的流速較小，對(duì)冷凝膜的影響可以忽略

28、。83第三節(jié)對(duì)流傳熱(2) 液膜狀態(tài)液膜狀態(tài) 層流流動(dòng)出現(xiàn)在管的上端或整個(gè)管壁面，局部的 在漸?。?湍流流動(dòng)當(dāng)壁夠高，冷凝液量夠多時(shí)，下部壁面會(huì)出現(xiàn)湍流流動(dòng)，此時(shí)局部的在漸大。(3) 狀態(tài)判斷狀態(tài)判斷以Re判斷液膜狀態(tài)，當(dāng)Re2000時(shí)為湍流。84第三節(jié)對(duì)流傳熱(4) Re的求解的求解 設(shè)S為液膜的橫截面積（m2)，qm為冷凝液的質(zhì)量流量（kg/s），b為潤(rùn)濕周邊邊長(zhǎng)（m），M為單位時(shí)間單位潤(rùn)濕周邊邊長(zhǎng)的產(chǎn)流量（kg/ms)，則當(dāng)量直徑為： 雷諾數(shù)為：bsde4mmmMSqmbSdeu44Re85第三節(jié)對(duì)流傳熱(4) 對(duì)流傳熱系數(shù)對(duì)流傳熱系數(shù) 的計(jì)算公式的計(jì)算公式 層流液膜： 湍流液膜： 以上

29、求得 為整根管的平均值。 特性尺寸為垂直管長(zhǎng) l 或板高 h。 定性溫度定性溫度及其它參數(shù)同水平管的計(jì)算公式。41Wm3213. 1ttlrgm31Wm32068. 0ttlrgm86第三節(jié)對(duì)流傳熱2. 蒸氣在水平管外冷凝蒸氣在水平管外冷凝 計(jì)算公式 單根管子： 垂直管列： 定性溫度：取膜溫。 特性尺寸：取管的外徑。 n 的取值：水平管束在垂直列上的排數(shù)。 41Wm32725. 0ttdrgom41Wm32725. 0ttndrgom87第三節(jié)對(duì)流傳熱3. 影響冷凝傳熱的因素影響冷凝傳熱的因素(1) 不凝性氣體的影響不凝性氣體的影響蒸氣含1%的不凝氣體時(shí)， 約降低60%，應(yīng)在換熱器蒸氣的一測(cè)安

30、裝排氣閥。(2) 蒸氣流速和流向的影響蒸氣流速和流向的影響a) 流速小時(shí)：影響可忽略。b) 流速大時(shí)：大于10m/s，蒸氣流會(huì)使液膜變薄，液膜表面的不凝氣體會(huì)被吹散，從而使a 變大。c) 流速特大時(shí)：不論流向如何，都會(huì)使液膜吹離壁面，使 變更大。88第三節(jié)對(duì)流傳熱(3) 蒸氣過熱的影響蒸氣過熱的影響a) 過熱蒸氣的冷凝包括冷卻和冷凝兩個(gè)過程。b) 傳熱溫差為tmtW，即液膜溫度和壁面溫度不變。c) 計(jì)算時(shí)應(yīng)將氣化熱 r 改寫為r=r+cp(tstw)，計(jì)算值與實(shí)際相差約3%，可忽略不計(jì)。(4) 傳熱面的形狀與布置傳熱面的形狀與布置可通過改變壁面結(jié)構(gòu)（縱向開溝槽）而使冷凝液在壁面的流速增大，從而

31、使 增大。 總 結(jié)：各種影響因素只要能使液膜變薄，就會(huì)使 增大。89第三節(jié)對(duì)流傳熱五、保溫層的臨界直徑五、保溫層的臨界直徑設(shè)備和管道保溫的方法是在其外部包裝絕熱材料。問題：保溫層的厚度？越厚越好？1cTfT1d2d211212112)/ln(RRTTLdLddTTQfcfcLddR2)/ln(121LdR221傳導(dǎo)熱阻對(duì)流傳熱熱阻當(dāng)保溫層厚度增加（即 增大）時(shí)2d1R2R熱傳導(dǎo)對(duì)流傳熱Q?(4.3.19)90第三節(jié)對(duì)流傳熱01)/ln(121)(2dd21222212dddddTTLdQfc由此得到熱損失 Q 為最大值時(shí)的保溫層直徑：cdd222dddQ為正值保溫層的臨界直徑保溫層的臨界厚度2

32、1ddc如果保溫層的外徑小于臨界直徑即cdd 2即增加保溫層的厚度反而使熱損失增加。091第三節(jié)對(duì)流傳熱 【例4.3.4】外徑為25mm的鋼管，其外壁溫度保持350，為減少熱損失，在管外包一層導(dǎo)熱系數(shù)為0.2 W/(mK)的保溫材料。已知保溫層外壁對(duì)空氣的對(duì)流傳熱系數(shù)近似為10 W/(m2K)，空氣溫度為20。試求 （1）保溫層厚度分別為2 mm、5 mm和7 mm時(shí)，每米管長(zhǎng)的熱損失及保溫層外表面的溫度； （2）保溫層厚度為多少時(shí)熱損失量最大？此時(shí)每米管長(zhǎng)的熱損失及保溫層外表面的溫度各為多少？ （3）若要起到保溫作用，保溫層厚度至少為多少？設(shè)保溫層厚度對(duì)管外空氣對(duì)流傳熱系數(shù)的影響可忽略。92

33、第三節(jié)對(duì)流傳熱解：（1）1012 . 02)025. 0/ln(2035012)/ln(222121dddddTTLQfc穩(wěn)態(tài)傳熱時(shí)，各層傳熱速率相等，即1212ln(/)12cfTTQddLd211dLQTTf當(dāng)保溫層厚度為2mm時(shí)，2d3 .27110029. 012 . 02)025. 0/029. 0ln(20350LQ31810029. 013 .271201T0.029mW/m1350cTC20fTC1d2d1?T ?QL121fTTd93第三節(jié)對(duì)流傳熱同理，當(dāng)保溫層厚度為5mm時(shí)，d20.035m當(dāng)保溫層厚度為7mm時(shí)，2d0.039m6 .281LQ2501T在保溫層為27mm

34、時(shí)，隨著厚度的增加，熱損失量增加。0 .280LQW/m2751TW/m94第三節(jié)對(duì)流傳熱（2）熱損失達(dá)到最大值時(shí)的保溫層直徑為臨界直徑，即 04. 0102 . 0222cddm 保溫層的臨界厚度為 （cd1d）/2（0.04-0.025）/2=0.0075m 此時(shí)，得 9 .281maxLQW/m 2441T 95第三節(jié)對(duì)流傳熱一般情況下，熱損失隨保溫層厚度增加而減小。但對(duì)于小直徑的管道，則可能出現(xiàn)相反的情況，即隨保溫層的厚度增加，熱損失加大。 96第三節(jié)對(duì)流傳熱六、間壁傳熱過程計(jì)算六、間壁傳熱過程計(jì)算熱流體通過間壁將熱量傳給冷流體的過程分為三步 ： 熱流體將熱量傳給固體壁面； 熱量從壁的

35、熱側(cè)面?zhèn)鞯嚼鋫?cè)面； 熱量從壁面?zhèn)鹘o冷流體：1A1 2A2 Am b外側(cè)內(nèi)側(cè)熱流體冷流體QhTcT對(duì)流傳熱導(dǎo)熱對(duì)流傳熱97第三節(jié)對(duì)流傳熱（一）總傳熱速率方程（一）總傳熱速率方程 熱側(cè)流體對(duì)壁面的傳熱速率為 冷側(cè)流體對(duì)壁面的傳熱速率為 通過間壁的傳熱速率為 在穩(wěn)態(tài)情況下QQQ21111()hhWQA TT(4.3.20)(222ccWTTAQ(4.3.21)()mhWcWQA TTb(4.3.22)1A1 2A2 Am b外側(cè)內(nèi)側(cè)熱流體冷流體QhTcT98第三節(jié)對(duì)流傳熱 傳熱過程總推動(dòng)力 傳熱總熱阻 總熱阻等于各項(xiàng)熱阻之和chTTTD221111AAbARm221111AAbATTQmch(4.3

36、.23)99第三節(jié)對(duì)流傳熱（二）總傳熱系數(shù)（二）總傳熱系數(shù)K 表示換熱設(shè)備性能的極為重要的參數(shù)，一般情況下是以外表面積作為基準(zhǔn)，則有對(duì)于平壁或薄管壁1A2AmA取定的面積TKAQD傳熱基本方程式總傳熱系數(shù)22111111AAbAKAm2211111AAAbAKmmAAA2121111bK(4.3.25)100第三節(jié)對(duì)流傳熱 污垢熱阻污垢熱阻換熱器在實(shí)際操作中，傳熱表面經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)積垢，存在污垢熱阻，則總傳熱系數(shù)中就增加污垢熱阻。(1) 比間壁的熱阻大得多；(2) 難以準(zhǔn)確估計(jì)，采用經(jīng)驗(yàn)值。外側(cè)表面上單位傳熱面積的污垢熱阻 內(nèi)側(cè)表面上單位傳熱面積的污垢熱阻11112122211SSmbAAArrK

37、AAA(4.3.26)101第三節(jié)對(duì)流傳熱 對(duì)于平壁或薄管壁，有 當(dāng)、Rsi和Rso可忽略時(shí)，則 若污垢熱阻很大，則稱為污垢熱阻控制，此時(shí)欲提高必須設(shè)法減慢污垢形成速度或及時(shí)清除污垢1212111SSbrrK21111K若12111K12211K間壁外側(cè)對(duì)流傳熱控制間壁內(nèi)側(cè)對(duì)流傳熱控制102第三節(jié)對(duì)流傳熱【例題4.3.5】一空氣冷卻器，空氣在管外橫向流過，對(duì)流傳熱系數(shù)為80 W/(m2K)；冷卻水在管內(nèi)流過，對(duì)流傳熱系數(shù)為5000 W/(m2K)。冷卻管為252.5mm的鋼管，其導(dǎo)熱系數(shù)為45 W/(mK)。求（1）該狀態(tài)下的總傳熱系數(shù)；（2）若將管外對(duì)流傳熱系數(shù)提高一倍，其它條件不變，總傳熱

38、系數(shù)如何變化？（3）若將管內(nèi)對(duì)流傳熱系數(shù)提高一倍，其它條件不變，總傳熱系數(shù)如何變化？103第三節(jié)對(duì)流傳熱解：（1）以管外表面積為基準(zhǔn)的總傳熱系數(shù)滿足即 d1 =25mm， d2=20mm2211111AAAbAKm2211111dddbdKmmm4 .222025ln2025ln2121dddddm104第三節(jié)對(duì)流傳熱（2）若1提高一倍，則1 .78K W/(m2K)4 .152K W/(m2K)105第三節(jié)對(duì)流傳熱（3）若2提高一倍，則可見，氣側(cè)熱阻遠(yuǎn)大于水側(cè)熱阻，增加氣側(cè)對(duì)流傳熱系數(shù)，所引起的總傳熱系數(shù)的提高遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于增加水側(cè)對(duì)流傳熱系數(shù)。8 .78K W/(m2K)106第三節(jié)對(duì)流傳熱（三

39、）傳熱推動(dòng)力平均溫差（三）傳熱推動(dòng)力平均溫差與換熱器中兩流體的溫度變化情況及兩流體的相互流動(dòng)方向有關(guān)。 107第三節(jié)對(duì)流傳熱間壁式換熱器間壁式換熱器 并流逆流錯(cuò)流折流108第三節(jié)對(duì)流傳熱以列管式換熱器為例計(jì)算平均溫差以列管式換熱器為例計(jì)算平均溫差雙程列管式換熱器雙程列管式換熱器1殼體 2管束 3擋板 4隔板 109第三節(jié)對(duì)流傳熱（1）逆流和并流逆流和并流時(shí)的傳熱溫差時(shí)的傳熱溫差逆流并流110第三節(jié)對(duì)流傳熱 假設(shè)假設(shè) qmh、qmc為常數(shù)； cp1、 cp2及總傳熱系數(shù)為常數(shù)； 熱量損失可以忽略。 研究對(duì)象研究對(duì)象 換熱器一微元段，其傳熱面積：dA； 在dA內(nèi)熱流體的溫降：dTh；冷流體溫升：d

40、Tc，傳熱量：dQ。 qmhqmc微元段111第三節(jié)對(duì)流傳熱 在微元中熱、冷流體的溫差為 通過微元面的傳熱量為 分別對(duì)熱流體和冷流體進(jìn)行熱量衡算chTTTD(4.3.27)ATKATTKQchdddD(4.3.28)ddmhphhQq cT ddhmhphQTq c ddmcpccQq cT ddcmcpcQTq c (4.3.29)(4.3.30)微分后得微分后得112第三節(jié)對(duì)流傳熱chTTTdddD11ddmcpcmhphTQq cq cDdd11mcpcmhphTQq cq cDddhmhphQTq c ddcmcpcQTq c ATKATTKQchdddDdd11mcpcmhphTK

41、T Aq cq cDD2111mcpcmhphTTQq cq cD D2111mcpcmhphTTq cq cQDD113第三節(jié)對(duì)流傳熱dd11mcpcmhphTK T Aq cq cDD2111mc pcmh phTTq cq cQDDd11dmc pcmh phTK Aq cq cTDD1212lnTTKAQTTDDDDm1212lnTKATTTTKAQDDDDD114第三節(jié)對(duì)流傳熱 逆逆流和并流流和并流D Dtm的通式的通式 簡(jiǎn)算式簡(jiǎn)算式DT2DT1時(shí)，對(duì)數(shù)平均值與算術(shù)平均值的差小于4，此時(shí)在工程計(jì)算中可以用算術(shù)平均值代替對(duì)數(shù)平均值。1212mlnTTTTTDDDDD平均傳熱溫差對(duì)數(shù)平均

42、溫差 2121TTTmDD換熱器兩端溫差大的數(shù)值換熱器兩端溫差小的數(shù)值115第三節(jié)對(duì)流傳熱【例題4.3.6】在套管換熱器中用冷水將100的熱水冷卻到60，冷水溫度從20升至30。試求在這種溫度條件下，逆流和并流時(shí)的平均溫差。結(jié)論：在冷熱流體的初、終溫度相同的條件下，逆流的平均溫差較并流的大。1TD602040，2TD10030701TD603030，2TD100208021m,21803051.080lnln30TTTTTDDDDD并6 .534070ln4070ln1212m,逆DDDDDTTTTT并流時(shí)解：逆流時(shí)116第三節(jié)對(duì)流傳熱在換熱器的傳熱量及總傳熱系數(shù)相同的條件下，采用逆流操作，其

43、優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)是：（1）可以節(jié)省傳熱面積，減少設(shè)備費(fèi)；（2）或可以減少換熱介質(zhì)的流量，降低運(yùn)行費(fèi)。 因此，在實(shí)際工程中多采用逆流操作。逆流操作的缺點(diǎn)：逆流操作的缺點(diǎn)：熱、冷流體的最高溫度集中在換熱器的一端，使得該處的壁溫較高。對(duì)于高溫?fù)Q熱器，應(yīng)避免采用逆流操作。117第三節(jié)對(duì)流傳熱（2）錯(cuò)流和折流時(shí)的傳熱溫差）錯(cuò)流和折流時(shí)的傳熱溫差按逆流計(jì)算對(duì)數(shù)平均溫差，再乘以溫度修正系數(shù)：溫度修正系數(shù)小于1，即錯(cuò)流和折流時(shí)的傳熱溫差小于逆流時(shí)的溫差。工程上采用折流和其它復(fù)雜流動(dòng)的目的是提高傳熱系數(shù)，其代價(jià)是使平均溫差減少。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)最好使DT0.9；當(dāng)DT0.8時(shí)，經(jīng)濟(jì)上不合理，應(yīng)另選其它形式，如增加殼程數(shù)，

44、或?qū)⒍嗯_(tái)換熱器串聯(lián)使用，以使傳熱過程接近逆流。mTmTTDDD(4.3.35)118第三節(jié)對(duì)流傳熱 溫差校正系數(shù)溫差校正系數(shù) D DT與換熱器內(nèi)流體的溫度變化有關(guān)，對(duì)于不同流動(dòng)方式，可用輔助量R與P的函數(shù)表達(dá)，即：DT=f (R,P)兩流體的最初溫差冷流體的溫降冷流體的溫降熱流體的溫降11121221hhcccchhTTTTpTTTTR119第三節(jié)對(duì)流傳熱 殼程流體在殼體內(nèi)每通過一次為一殼程。 管程流體在管內(nèi)每通過一次為一管程。兩殼程四管程 24型120第三節(jié)對(duì)流傳熱單殼程121第三節(jié)對(duì)流傳熱122第三節(jié)對(duì)流傳熱三殼程錯(cuò)流123第三節(jié)對(duì)流傳熱（四）傳熱單元數(shù)（四）傳熱單元數(shù) 1. 傳熱傳熱效率

45、效率 e e 當(dāng)換熱器出口溫度未知時(shí)，需通過反復(fù)試算傳熱單元數(shù)法（NTU）傳熱效率傳熱單元數(shù)法（e-NTU）意義：流體可用的熱量被利用的程度maxQQ最大可能傳熱量實(shí)際傳熱量emTKAQD(4.3.28)124第三節(jié)對(duì)流傳熱 實(shí)際傳熱量若換熱器的熱損失可以忽略，兩流體均無相變，則 最大可能傳熱量 熱流體的熱容流量較小2112mcpcccmhphhhQq cTTq cTT(4.3.36)max11minmphcQq cTT理論上換熱器中可能達(dá)到的最大溫差 兩流體中最小的熱容流量12121111mhphhhhhmhphhchcq cTTTTq cTTTTe125第三節(jié)對(duì)流傳熱 冷流體的熱容流量較小

46、：21211111mcpcccccmcpchchcq cTTTTq cTTTTemax11minmphcQQq cTTee2112mcpcccmhphhhQq cTTq cTTQ2cT2hT(4.3.37)126第三節(jié)對(duì)流傳熱2. 傳熱單元數(shù)傳熱單元數(shù)由換熱器的熱量衡算及總傳熱速率方程得對(duì)于冷流體：當(dāng)K與cpc為常數(shù)，則有ddddmhphhmcpcchcQq cTq cTK A TT 210ddccTAcThcmcpcTK ATTq cddchcmcpcTK ATTq c(4.3.38)127第三節(jié)對(duì)流傳熱以冷流體計(jì)的傳熱單元數(shù)：以熱流體計(jì)的傳熱單元數(shù)：傳熱單元數(shù)是溫度的無量綱函數(shù)，在數(shù)值上等

47、于單位傳熱推動(dòng)力引起流體溫度變化的大小，表明換熱器傳熱能力的強(qiáng)弱。21cchcmcpcmTTKATTq c換熱器兩端溫差的對(duì)數(shù)平均值21ccchcmcpcmTTKANTUTTq c(4.3.39)21hhhhcmhphmTTKANTUTTq c(4.3.40)128第三節(jié)對(duì)流傳熱使用傳熱單元數(shù)進(jìn)行傳熱計(jì)算時(shí)，應(yīng)以熱容流量小的流體為基準(zhǔn)。設(shè)換熱器的換熱管的直徑為d，長(zhǎng)度為L(zhǎng)，管數(shù)為n，則minmpKANTUq c(4.3.41)minmpK n dLNTUq cmin()m pq cLNTUn dK(4.3.42)129第三節(jié)對(duì)流傳熱 傳熱單元長(zhǎng)度是傳熱熱阻的函數(shù)，總傳熱系數(shù)越大，傳熱單元長(zhǎng)度越

48、小，即傳熱所需的傳熱面積越小。min()mpq cLNTUn dK(4.3.42)min()LHNTUminminmpq cHn dK(4.3.43)基于熱容流量小的流體的傳熱單元長(zhǎng)度，單位為m。130第三節(jié)對(duì)流傳熱3. 傳熱效率和傳熱單元數(shù)的關(guān)系傳熱效率和傳熱單元數(shù)的關(guān)系 單程并流換熱器單程并流換熱器 單程逆流換熱器單程逆流換熱器 任一流體發(fā)生相變時(shí)任一流體發(fā)生相變時(shí)minmaxmpRmpq ccq c兩流體的熱容量比 1exp11RRNTUcce(4.3.44)1exp11exp1RRRNTUccNTUce(4.3.45)1exp()NTUe (4.3.46)131第三節(jié)對(duì)流傳熱4. 4.

49、 傳熱單元數(shù)法傳熱單元數(shù)法 步驟：步驟： 根據(jù)換熱器的操作工況，計(jì)算傳熱系數(shù)； 計(jì)算傳熱單元數(shù)NTU和熱容量比cR ； 根據(jù)換熱器中流體流動(dòng)的型式和NTU、cR，計(jì)算或利用算圖查得相應(yīng)的； 根據(jù)冷熱流體進(jìn)口溫度等已知量，計(jì)算傳熱速率； 根據(jù)熱量衡算，求出冷熱流體的出口溫度。132第三節(jié)對(duì)流傳熱思考題 簡(jiǎn)述影響對(duì)流傳熱的因素。 簡(jiǎn)述對(duì)流傳熱的機(jī)理、傳熱阻力的分布及強(qiáng)化傳熱的措施。 為什么流體層流流動(dòng)時(shí)其傳熱過程較靜止時(shí)增強(qiáng)？ 傳熱邊界層的范圍如何確定？試分析傳熱邊界層與流動(dòng)邊界層的關(guān)系。 試分析影響對(duì)流傳熱系數(shù)的因素。133第三節(jié)對(duì)流傳熱 分析圓直管內(nèi)湍流流動(dòng)的對(duì)流傳熱系數(shù)與流量和管徑的關(guān)系，若

50、要提高對(duì)流傳熱系數(shù)，采取哪種措施最有效？ 流體由直管流入短管和彎管，其對(duì)流傳熱系數(shù)將如何變化？為什么？ 什么情況下保溫層厚度增加反而會(huì)使熱損失加大？保溫層的臨界直徑由什么決定？ 間壁傳熱熱阻包括哪幾部分？若冷熱流體分別為氣體和液體，要強(qiáng)化換熱過程，需在哪側(cè)采取措施？ 什么是傳熱效率和傳熱單元數(shù)？134第四節(jié) 輻射傳熱第四節(jié) 輻射傳熱本節(jié)的主要內(nèi)容一、輻射傳熱的基本概念二、物體的輻射能力三、物體間的輻射傳熱四、氣體的熱輻射五、對(duì)流和輻射聯(lián)合傳熱135第四節(jié) 輻射傳熱一、輻射傳熱的基本概念一、輻射傳熱的基本概念（一）熱輻射（一）熱輻射 輻射輻射物體通過電磁波來傳遞能量的方式。 熱熱 輻輻 射射由于

51、熱的原因而發(fā)出輻射能的過程。 熱熱 射射 線線能被物體吸收而轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿妮椛渚€稱為熱射線。 熱輻射發(fā)生基理熱輻射發(fā)生基理物體內(nèi)部微觀粒子熱運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變時(shí)激發(fā)出來的。136第四節(jié) 輻射傳熱 熱輻射發(fā)生的必要條件熱輻射發(fā)生的必要條件熱力學(xué)溫度在零度以上的物體都能發(fā)射輻射能。 輻射傳熱輻射傳熱絕對(duì)溫度在零度以上的任何物體，總是不斷地把熱能變?yōu)檩椛淠?，向外發(fā)出輻射；同時(shí)也不斷地吸收周圍物體投射到它上面的熱輻射，并轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋?溫度對(duì)熱輻射的影響溫度對(duì)熱輻射的影響熱輻射的能力與溫度有關(guān)，隨著溫度的升高，熱輻射的作用將變得越加重要；高溫時(shí)，熱輻射將起決定作用。137第四節(jié) 輻射傳熱 熱輻射的波長(zhǎng)范圍熱輻射

52、的波長(zhǎng)范圍物體熱輻射的電磁波波長(zhǎng)可以包括電磁波的整個(gè)波譜范圍。在工程中有實(shí)際意義的熱輻射波長(zhǎng)在0.38100mm，而且大部分能量位于紅外線區(qū)段，即0.7620mm。138第四節(jié) 輻射傳熱（二）熱輻射對(duì)物體的作用（二）熱輻射對(duì)物體的作用總投射能量為Q，吸收能量為QA，反射能量為QR，透過能量QD，則有 AQQARQQRDQQD1DRA吸收率反射率穿透率QQQQDRA(4.4.1a)1QQQQQQDRA(4.4.1b)(4.4.1c)139第四節(jié) 輻射傳熱 絕對(duì)黑體絕對(duì)黑體若A1，則表示落在物體表面上的輻射能全部被物體吸收，這種物體稱為絕對(duì)黑體。 鏡體鏡體若 R=1，則表示落在物體表面上的輻射能全

53、部被反射。若入射角等于反射角，則物體稱為鏡體；磨光的銅表面的反射率為0.97，接近鏡體；140第四節(jié) 輻射傳熱 白體白體若R=1，表示落在物體表面上的輻射能全部被漫反射，該物體稱為絕對(duì)白體。沒光澤黑漆表面的吸收率為0.960.98，接近黑體； 透透 熱熱 體體若D1，則表示落在物體上的輻射能將全部穿透過去，這類物體稱為絕對(duì)透明體或透熱體。單原子和對(duì)稱的雙原子氣體可視為透熱體。141第四節(jié) 輻射傳熱物體的吸收率、反射率和穿透率的大小取決于物體的性質(zhì)、表面狀況、溫度和投射輻射的波長(zhǎng)。（1）物體的性質(zhì)物態(tài)，物質(zhì)結(jié)構(gòu)）物體的性質(zhì)物態(tài)，物質(zhì)結(jié)構(gòu) 固體和液體固體和液體輻射能進(jìn)入其表面后，在極短的距離內(nèi)被吸

54、收完。金屬導(dǎo)體：1mm的數(shù)量級(jí)；非導(dǎo)電體材料：1mm；一般固體和液體都是不透熱體，即D 0，A+R=1；吸收能力大的物體其反射能力就小。142第四節(jié) 輻射傳熱 氣體氣體 氣體對(duì)輻射能幾乎沒有反射能力，可以認(rèn)為R=0，A+D=1； 吸收能力大的氣體，其穿透能力就差。（2）表面狀況）表面狀況 固體和液體物體對(duì)投射輻射的輻射、吸收和反射過程，都是在物體表面上進(jìn)行的。 固體和液體物體的表面狀況對(duì)吸收率、反射率和穿透率的影響至關(guān)重要。143第四節(jié) 輻射傳熱（3）投射輻射的波長(zhǎng)）投射輻射的波長(zhǎng) 實(shí)際物體對(duì)投入輻射的吸收率不僅和物體本身的情況有關(guān)，而且還與輻射物體投入的輻射波長(zhǎng)有關(guān)。 實(shí)際物體對(duì)投入輻射的吸

55、收率不僅和物體本身的情況有關(guān)，而且還與輻射物體投入的輻射波長(zhǎng)有關(guān)。 灰體對(duì)投入輻射的吸收率與外界無關(guān)。 大多數(shù)工程材料可視為灰體。 氣體不能近似地作為灰體處理。144第四節(jié) 輻射傳熱二、物體的輻射能力二、物體的輻射能力表征物體發(fā)射輻射能的能力。 輻射能力輻射能力（如圖所示）物體在一定溫度下，單位表面積、單位時(shí)間內(nèi)所發(fā)出的全部波長(zhǎng)的總能量E。發(fā)射能量與波長(zhǎng)有關(guān)。 物體的單色輻射能力物體的單色輻射能力E 物體在一定溫度下發(fā)射某種波長(zhǎng)的能力，單位為 W/m3。0dEEW/m2(4.4.2)145第四節(jié) 輻射傳熱146第四節(jié) 輻射傳熱（一）黑體的輻射能力（一）黑體的輻射能力黑體單色輻射能力按波長(zhǎng)的分布

56、規(guī)律0dbbEE黑體的輻射能力黑體的單色輻射能力(4.4.3)147第四節(jié) 輻射傳熱（1）最大單色輻射能力的波長(zhǎng)（2）黑體的輻射能力熱輻射對(duì)溫度非常敏感，低溫時(shí)熱輻射往往可以忽略，高溫時(shí)則起主要作用。40TEb黑體的輻射常數(shù)，其值為5.67108 W/ (m2K4)斯蒂芬波爾茨曼定律四次方定律3109 . 2常數(shù)Tm黑體的輻射系數(shù)，其值為5.67 W/ (m2K4)40100TCEb工程上(4.4.7)148第四節(jié) 輻射傳熱（二）灰體的輻射能力（二）灰體的輻射能力 物體黑度物體黑度 e e 的定義的定義灰體的輻射能力與同溫度下黑體的輻射能力之比。 由于黑體具有最大的輻射能力，因此0e1。410

57、0TCE灰體的輻射系數(shù)(4.4.8)bEEe(4.4.9)40100TCEe(4.4.10)149第四節(jié) 輻射傳熱 影響物體表面的黑度的因素影響物體表面的黑度的因素物體的性質(zhì)、溫度以及表面狀況，包括粗糙度及氧化程度，是物體本身的特性，一般可通過實(shí)驗(yàn)確定。 荒漠、旱地和絕大部分的林地的黑度近似為0.90； 水、海灘、冰川則約為0.95； 人體無論是什么膚色黑度均為0.96左右。150第四節(jié) 輻射傳熱材料溫度/黑度紅磚耐火磚鋼板（氧化的）鋼板（磨光的）鉛（氧化的）鉛（磨光的）銅（氧化的）銅（磨光的）鑄鐵（氧化的）鑄鐵（磨光的）202006009401100200600225575200600200

58、6003309100.88-0.930.8-0.90.80.55-0.610.11-0.190.039-0.0570.57-0.870.030.64-0.780.6-0.7常見工程材料黑度表常見工程材料黑度表151第四節(jié) 輻射傳熱【例題4.4.1】若將地球看成是平均溫度為15、表面積為5.11014 m2的黑體，求單位時(shí)間地球熱輻射的能量和最大單色輻射能力時(shí)的波長(zhǎng)m，并將此波長(zhǎng)與太陽輻射的波長(zhǎng)相比（表面溫度5800K）。解：?jiǎn)挝粫r(shí)間地球熱輻射的能量為： 地球最大單色輻射能力時(shí)的波長(zhǎng) 太陽最大單色輻射能力時(shí)的波長(zhǎng)4041417100273 155.675.1 102.0 10100bTE ACA

59、Wm10m100 . 115273109 . 2109 . 2533Tmm5 . 0m100 . 55800109 . 2109 . 2733Tm152第四節(jié) 輻射傳熱（三）物體的輻射能力與吸收能力的關(guān)系（三）物體的輻射能力與吸收能力的關(guān)系灰體黑體bEAEq110q熱平衡時(shí)對(duì)任意灰體，有)(12211TfEAEAEAEb透熱體1T1E1A2TbEbA(1) 對(duì)壁面1 ，熱量的收支差額為 兩壁面間輻射傳熱的熱通量，W/m2 21TT bEAE11(4.4.12)153第四節(jié) 輻射傳熱灰體黑體bEEA bEEeeA灰體的吸收率數(shù)值等于同溫度下該物體的黑度善于吸收的物體必善于輻射；黑體的輻射能力最大

60、。透熱體1T1E1A2TbEbA(1) )(12211TfEAEAEAEb(4.4.8)(4.4.13) 克?；舴蚨煽讼；舴蚨?54第四節(jié) 輻射傳熱三、物體間的輻射傳熱三、物體間的輻射傳熱（如圖所示） 兩大平壁面間的輻射傳熱兩大平壁面間的輻射傳熱兩個(gè)無限大灰體平行平壁間的輻射傳熱過程，輻射能多次被吸收和多次被反射。單位時(shí)間內(nèi)離開壁單位時(shí)間內(nèi)離開壁 1 表面單位面積的總輻射表面單位面積的總輻射能：能：22232111211211212212222221121212121222112121211212() ()(1)(1)()(1)1()1effEERR ER R ERER R ER R EE