環(huán)境工程學(xué)原理課件第四章

1、第四章 熱量傳遞 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 本章主要內(nèi)容第四章 熱量傳遞第一節(jié) 熱量傳遞的方式一、熱傳導(dǎo)二、對(duì)流傳熱三、輻射傳熱 本節(jié)的主要內(nèi)容在環(huán)境工程中，很多過程涉及加熱和冷卻：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。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。第一節(jié) 熱量傳遞的方式環(huán)境工程中涉及的傳熱過程主要有兩種情況：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。傳熱速率問題根據(jù)傳熱機(jī)理的不同，熱的傳遞主要有三種方式：熱傳

2、導(dǎo)對(duì)流傳熱輻射傳熱通過物質(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。 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。物體由于熱的原因而發(fā)出輻射能的過程。物體各部分之間無宏觀運(yùn)動(dòng) 第一節(jié) 熱量傳遞的方式第一節(jié) 熱量傳遞的方式(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)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？本節(jié)思考題一、傅立葉

3、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)本節(jié)的主要內(nèi)容第二節(jié) 熱傳導(dǎo)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。氣體熱量傳遞是氣體分子作不規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)時(shí)相互碰撞的結(jié)果； 固體以兩種方式傳遞熱量：晶格振動(dòng)和自由電子的遷移；液體的結(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。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。 條件：物體各部分之間無宏觀運(yùn)動(dòng)。 第二節(jié) 熱傳導(dǎo)T=T0QT=T1熱流流量t=0T=T0T=T0需要一個(gè)恒定的熱量流量Q通過，才能維持溫度差01TTT不變

4、熱傳導(dǎo)的速率？第二節(jié) 熱傳導(dǎo)一、傅立葉定律YTAQyTAQqddy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方向上的溫度梯度, K/m傅立葉定律第二節(jié) 熱傳導(dǎo)一、傅立葉定律(4.2.1)(4.2.2)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)力令第二節(jié) 熱傳導(dǎo)一、傅立葉定律(4.2.3)

5、(4.2.4)是物質(zhì)的性質(zhì)，反映溫度變化在物體中的傳播能力 pca單位體積物質(zhì)溫度升高1oC是所需要的熱量,代表物質(zhì)的蓄熱能力 導(dǎo)熱系數(shù)，表明物質(zhì)的導(dǎo)熱能力apc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)散或第二節(jié) 熱傳導(dǎo)導(dǎo)溫系數(shù)yTqdd導(dǎo)熱物質(zhì)在單位面積、單位溫度梯度下的導(dǎo)熱速率表明物質(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)，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)差異較大第二節(jié) 熱傳導(dǎo)二、導(dǎo)熱系數(shù)(4.2.5)對(duì)于同一種物質(zhì)， 值可能隨不同的方向變化各向異性（1）氣體的導(dǎo)熱系數(shù)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

6、（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。 氣體的導(dǎo)熱系數(shù)第二節(jié) 熱傳導(dǎo)二、導(dǎo)熱系數(shù)（一） 的影響因素：液體的導(dǎo)熱系數(shù) 水甘油第二節(jié) 熱傳導(dǎo)二、導(dǎo)熱系數(shù)（2）液體的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度升高而減小（水、甘油例外） bTa壓力對(duì)其影響不大。 經(jīng)驗(yàn)公式：16TW(m k)-1W(m k)-1 （3）固體的導(dǎo)熱系數(shù)影響因素較多 純金屬的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度升高而減?。缓辖饏s相反，隨溫度上升而增大。晶體的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的升高而減小，非晶體則相反。 第二節(jié) 熱傳導(dǎo)二、導(dǎo)熱系數(shù)固體的導(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)0.03

7、0.17 W/(mK）0.170.7 W/(mK)0.0070.17 W/(mK) 氫水水是工程上最常用的導(dǎo)熱介質(zhì)換熱壁面材料多孔材料作為保溫材料保溫材料受潮后隔熱性能將大幅度下降防潮（二）工程中常用材料的導(dǎo)熱系數(shù)第二節(jié) 熱傳導(dǎo)（1）在液體中，水的導(dǎo)熱系數(shù)最大，20時(shí)為0.6W(m K)。因此，水是工程上最常用的導(dǎo)熱介質(zhì)。 （3）非金屬中，石墨的導(dǎo)熱系數(shù)最高，可達(dá)100200W（mK），高于一般金屬；同時(shí)，由于其具有耐腐蝕性能，因此石墨是制作耐腐蝕換熱器的理想材料。 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。 （2）氣體的導(dǎo)熱系數(shù)很小，對(duì)導(dǎo)

8、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。第二節(jié) 熱傳導(dǎo)(一)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1T2T12TT一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo) xAQddT10:xTT2:xb TT)(21TTAbQb1T2T第二節(jié) 熱傳導(dǎo)三、通過平壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)(4.2.6)(4.2.7)rTAQqT溫差 為傳熱的推動(dòng)力。)(21TTAbQAbRRTRTTQ)(21br 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)熱熱阻第二節(jié) 熱傳導(dǎo)【例題4.2.1】某平壁厚

9、度 為400mm，內(nèi)表面溫度 950，外表面溫度 300，導(dǎo)熱系數(shù)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。1T2Tb取為常數(shù)12m95030062522TTTm1.00.001 6251.62512m9503001.62526410.4TTqbW/m2W/(mK)？T ？q解：（1）導(dǎo)熱系數(shù)按平壁的平均溫度第二節(jié) 熱傳導(dǎo)(一)單層平壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)（2）導(dǎo)熱系數(shù)取為變量xTTxTqdd)001. 00 . 1 (dd分離變量并積分bTTxqTT0dd)001.00 .1 (21對(duì)于平壁上的穩(wěn)態(tài)一維熱傳導(dǎo)，熱量通量不變。因

10、此2212120.001()()2TTTTqb1m2641950950 16251.625qTTxxx即溫度分布為直線關(guān)系。以x表示沿壁厚方向上的距離，在x處等溫面上的溫度為第二節(jié) 熱傳導(dǎo)22110.001()()2TTTTqx20.001(950)(950)26412TTx整理，得20.0011401264102TTx此時(shí)溫度分布為曲線。在x處22121222210.001()()210.001(950300)(950300 )0.422641W/mqTTTTb第二節(jié) 熱傳導(dǎo)（二）多層平壁的熱傳導(dǎo)AbAbAbTTRRRTTTQ33221141321321串聯(lián)熱阻疊加原則 層與層之間接觸良好

11、11QRT 22QRT 33QRT 熱阻越大，通過該層的溫度差也越大 1b1232b3b1T2T3T4TQ121111()TTTQAbR傳熱的推動(dòng)力導(dǎo)熱熱阻232222()TTTAbR343333()TTTAbR第二節(jié) 熱傳導(dǎo)(4.2.10)附加熱阻接觸熱阻 層與層之間存在空氣層 2201131brbTTq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) 接觸熱阻（三）n層平壁的熱傳導(dǎo)111111nnnniiiiiTTTTbRAQ 第二節(jié) 熱傳導(dǎo)(4.2.11)AbAbAbTTQ3322114111qrT 22qrT 33qrT 33221141bbbTTq2 119 3

12、01 1 78 1 3TT T 3 2 28 1 35 5 52 5 8TTT 2T3Tq第二節(jié) 熱傳導(dǎo)【例題【例題4.2.2】采用圓柱坐標(biāo)時(shí)，即為一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)對(duì)于半徑為r的等溫圓柱面，根據(jù)傅立葉定律，有dd(2)ddTTQArLrr 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2211d2drTrTrQLTr 傳熱面積隨半徑發(fā)生變化內(nèi)徑r1外徑r21T2Trd1212212lnTTTTQLrRr半徑r第二節(jié) 熱傳導(dǎo)四、通過圓管壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)(4.2.13)12mTTQbA21ln2rrRLmbRA21brr21m21lnAAAAA當(dāng)21(/ )2rr 時(shí)，可以用算術(shù)平均值代替對(duì)數(shù)平均值

13、，簡(jiǎn)化計(jì)算 21m21lnrrrrrmm2Ar L1212212lnTTTTQLrRr21ln2rrRL圓管壁的導(dǎo)熱熱阻，K/W AbR平壁的導(dǎo)熱熱阻對(duì)數(shù)平均半徑對(duì)數(shù)平均面積第二節(jié) 熱傳導(dǎo)第二節(jié) 熱傳導(dǎo)n層圓管壁的熱傳導(dǎo)假設(shè)層與層之間接觸良好，根據(jù)串聯(lián)熱阻疊加原則，有 111111nnnniiiiimiTTTTQbRA(4.2.13)12212lnTTQLrr12212lnTTQrLr設(shè)保溫層內(nèi)半徑為r處的溫度為T112lnTTQrLr第二節(jié) 熱傳導(dǎo)【例題4.2.3】外徑為426mm的蒸汽管道外包裝厚度為426mm的保溫材料，保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)為0.615W/(mK)。若蒸汽管道外表面溫度為1

14、77，保溫層的外表面溫度為38，試求每米管長(zhǎng)的熱損失和保溫層中的溫度分布。 保溫層內(nèi)的溫度分布為曲線 第二節(jié) 熱傳導(dǎo)(1)簡(jiǎn)述傅立葉定律的意義和適用條件。(2)分析導(dǎo)溫系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)的涵義及影響因素。(3)為什么多孔材料具有保溫性能？保溫材料為什么需要防潮？(4)當(dāng)平壁面的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度變化時(shí)，若分別按變量和平均導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算，導(dǎo)熱熱通量和平壁內(nèi)的溫度分布有何差異。(5)若采用兩種導(dǎo)熱系數(shù)不同的材料為管道保溫，試分析應(yīng)如何布置效果最好。本節(jié)思考題第三節(jié) 對(duì)流傳熱 一、影響對(duì)流傳熱的因素二、對(duì)流傳熱的機(jī)理三、對(duì)流傳熱速率四、對(duì)流傳熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)式五、保溫層的臨界直徑六、間壁傳熱過程計(jì)算本節(jié)的主要內(nèi)容

15、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對(duì)流傳熱僅發(fā)生在流體中對(duì)流與熱傳導(dǎo)的區(qū)別：流體質(zhì)點(diǎn)的相對(duì)位移 （1）流動(dòng)對(duì)傳熱的貢獻(xiàn) 攪拌杯中熱水人站在冷風(fēng)里在高溫的夏季里，打開電扇流體流動(dòng)使對(duì)流傳熱速率加快加快熱水冷卻與站在背風(fēng)的地方相比感覺要冷得多人會(huì)感到?jīng)隹祀娚蕊L(fēng)速越大，感覺愈涼快些第三節(jié) 對(duì)流傳熱 對(duì)流換熱指流體流過與其溫度不同的固體壁面時(shí)流體與壁面之間的熱量交換對(duì)流換熱過程是熱傳導(dǎo)與對(duì)流聯(lián)合作用的結(jié)果。 （2）對(duì)流換熱過程第三節(jié) 對(duì)流傳熱 列管式換熱器工程中常見的對(duì)流換熱過程 間壁式換熱器的換熱過程流體的熱交換熱交換器（換熱器）套管式換熱器 第三節(jié) 對(duì)流傳熱 （3）間壁式換熱器熱量傳遞過程

16、：（1）熱量由熱流體傳給固體壁面（2）熱量由壁面的熱側(cè)傳到冷側(cè)（3）熱量由壁面的冷側(cè)傳到冷流體對(duì)流傳熱對(duì)流傳熱導(dǎo)熱對(duì)流對(duì)流導(dǎo)熱第三節(jié) 對(duì)流傳熱 強(qiáng)制對(duì)流傳熱流體在外加能量的作用下處于流動(dòng)狀態(tài)自然對(duì)流傳熱流體由于內(nèi)部溫度差產(chǎn)生密度差而流動(dòng)流體在傳熱過程中有無相變熱水冷卻 蒸汽冷凝 套管式換熱器 （4）對(duì)流傳熱問題的分類暖氣片第三節(jié) 對(duì)流傳熱 （1）物性特征（2）幾何特征（3）流動(dòng)特征固體壁面的形狀、尺度、方位、粗糙度、是否處于管道進(jìn)口段以及是彎管還是直管等。pca流體的密度或比熱容pc 越大，流體與壁面間的傳熱速率越大導(dǎo)熱系數(shù)越大，熱量傳遞越迅速；流體的黏度m越大，越不利于流動(dòng)，會(huì)削弱與壁面的傳

17、熱。 第三節(jié) 對(duì)流傳熱 一、影響對(duì)流傳熱的因素（3）流動(dòng)特征流動(dòng)起因（自然對(duì)流、強(qiáng)制對(duì)流）流動(dòng)狀態(tài)（層流、湍流）有無相變化（液體沸騰、蒸汽冷凝）流體對(duì)流方式（并流、逆流、錯(cuò)流）第三節(jié) 對(duì)流傳熱 一、影響對(duì)流傳熱的因素WT0TWT0T熱量傳遞固體壁面附近形成溫度分布？傳熱的機(jī)理第三節(jié) 對(duì)流傳熱 二、對(duì)流傳熱的機(jī)理(一)流動(dòng)邊界層的傳熱機(jī)理及溫度分布 流體層與層之間無流體質(zhì)點(diǎn)的宏觀運(yùn)動(dòng)，在垂直于流動(dòng)方向上，熱量的傳遞通過導(dǎo)熱進(jìn)行。 （1）層流邊界層層流區(qū)湍流區(qū)WT0T 與靜止流體中的導(dǎo)熱一樣嗎？第三節(jié) 對(duì)流傳熱 二、對(duì)流傳熱的機(jī)理在靜止的流體中在層流流動(dòng)的流體中機(jī)理相同大小變化質(zhì)點(diǎn)發(fā)生相對(duì)位移對(duì)流

18、傳熱 實(shí)際上，流體流動(dòng)使傳熱增強(qiáng)。 流體的流動(dòng)增大了壁面處的溫度梯度，使壁面處的熱通量較靜止時(shí)大 (一)流動(dòng)邊界層的傳熱機(jī)理及溫度分布第三節(jié) 對(duì)流傳熱 （2）湍流邊界層層流底層緩沖層湍流中心湍流區(qū) 層流底層中，熱量傳導(dǎo)主要依靠導(dǎo)熱進(jìn)行，符合傅立葉定律，溫度分布幾乎為直線； 由于流體的導(dǎo)熱系數(shù)較低，使層內(nèi)導(dǎo)熱熱阻很大，因此該層中溫度差較大，溫度分布曲線的斜率大。由邊界層的流動(dòng)情況決定(一)流動(dòng)邊界層的傳熱機(jī)理及溫度分布第三節(jié) 對(duì)流傳熱 層流底層緩沖層湍流中心湍流區(qū) 緩沖層中，質(zhì)點(diǎn)的脈動(dòng)較弱，對(duì)流與導(dǎo)熱的作用大致處于同等地位，由于對(duì)流傳熱的作用，溫度梯度變小。 在湍流中心，質(zhì)點(diǎn)強(qiáng)烈脈動(dòng)，使主體部分

19、的溫度趨于均一，熱量傳遞主要依靠對(duì)流進(jìn)行，導(dǎo)熱所起的作用很??；溫度梯度很小，即傳熱熱阻很小，溫度分布曲線趨于平坦。(一)流動(dòng)邊界層的傳熱機(jī)理及溫度分布第三節(jié) 對(duì)流傳熱 湍流傳熱時(shí)，流體從主流到壁面的傳熱過程也為穩(wěn)定的串聯(lián)傳熱過程，熱阻集中在層流底層上。湍流傳熱速率遠(yuǎn)大于層流。層流底層緩沖層湍流中心湍流區(qū)減少層流底層厚度是強(qiáng)化傳熱的重要途徑 湍流流動(dòng)中存在流體質(zhì)點(diǎn)的隨機(jī)脈動(dòng)，促使流體在y方向上摻混，傳熱過程被強(qiáng)化 熱阻分布情況？湍流傳熱速率的大??？(一)流動(dòng)邊界層的傳熱機(jī)理及溫度分布第三節(jié) 對(duì)流傳熱 (T-TW)0.99(T0-TW) 將(T-TW)0.99(T0-TW)處作為傳熱邊界層的界限，

20、該界限到壁面的距離稱為邊界層的厚度。 壁面附近因傳熱而使流體溫度發(fā)生變化的區(qū)域（即存在溫度梯度的區(qū)域）(二)傳熱邊界層（1）傳熱邊界層（2）傳熱邊界層的厚度T 邊界層以外的區(qū)域認(rèn)為不存在溫度梯度。傳熱過程的阻力主要集中在傳熱邊界層內(nèi)，傳熱阻力取決于傳熱邊界層的厚度。T第三節(jié) 對(duì)流傳熱 取決于普蘭德數(shù)PrmanprcP表明分子動(dòng)量傳遞能力和分子熱量傳遞能力的比值。T(T-TW)0.99(T0-TW)mnpcaPr1時(shí)，TT溫度變化主要在層流底層中，熱阻主要集中在層流底層中(二)傳熱邊界層第三節(jié) 對(duì)流傳熱 流動(dòng)邊界層厚度與傳熱邊界層厚度間的關(guān)系PrWT0TWT0T2TTAQdd1TdA(一)牛頓冷

21、卻定律 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)dAQ第三節(jié) 對(duì)流傳熱 三、對(duì)流傳熱速率(4.3.1)(一)牛頓冷卻定律 TAQddWTTTWTTT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，W流體被冷卻時(shí)在流體被加熱時(shí)與流體相接觸的傳熱壁面的溫度，K流體的溫度通過傳熱面的傳熱速率正比于固體壁面與周圍流體的溫度差和傳熱面積 第三節(jié) 對(duì)流傳熱 TAQATQ1A1為對(duì)流傳熱熱阻。局部對(duì)流傳熱系數(shù) 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

22、牛頓冷卻定律可寫成W/（m2K）對(duì)流傳熱速率也可以用對(duì)流傳熱熱阻表示，即AbR導(dǎo)熱熱阻第三節(jié) 對(duì)流傳熱 (一)牛頓冷卻定律 (4.3.2a)(4.3.2b) 式中，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。比較傅立葉定律與牛頓冷卻定律可以發(fā)現(xiàn)y 在厚度y內(nèi)集中了全部的傳熱熱阻，這樣把一個(gè)對(duì)流傳熱過程的熱阻相當(dāng)于某個(gè)厚為y的靜止流體膜所造成的導(dǎo)熱熱阻。有效膜厚度第三節(jié) 對(duì)流傳熱 ddTQAy TAQddy(4.3.1)(4.2.2)（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、流體是否有相變等第三節(jié) 對(duì)流傳熱 換熱

23、方式空氣自然對(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250025000 流體與固體壁面之間的熱量傳遞必然通過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。用 表示近壁處的溫度梯度，則0yyT0ddyyTAQ牛頓冷卻定律0yyTT很難得出！ 如何確定對(duì)流傳熱系數(shù)？TAQdd對(duì)流傳熱微分方程式理論上計(jì)算對(duì)流傳熱系數(shù)的基礎(chǔ)y第三節(jié) 對(duì)流傳熱 （二）對(duì)流傳熱系數(shù) 0yyTT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）

24、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)式第三節(jié) 對(duì)流傳熱 （二）對(duì)流傳熱系數(shù) (4.3.3)無相變時(shí)管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流大空間自然對(duì)流(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)0.8f0.023NuRePr努塞爾特?cái)?shù) LNupcPrm普蘭德數(shù) 0.8ii0.023fpcd udmm流體被冷卻時(shí),f0.3流體被加熱時(shí),f0.4對(duì)于低黏度（小于2倍常溫水的黏度）的流體 第三節(jié) 對(duì)流傳熱 四、對(duì)流傳熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)式(4.3.6a)(4.3.6b)定性溫度：流體進(jìn)出口溫度的算術(shù)平均值。特征尺寸：管內(nèi)徑id410Re 0.7120Pr管內(nèi)壁面光

25、滑；管長(zhǎng)與管徑之比i/L d50。 應(yīng)用條件：應(yīng)用范圍： 傳熱面的類型要相同，同時(shí)無量綱準(zhǔn)數(shù)Re、Pr和Gr應(yīng)在實(shí)驗(yàn)數(shù)值范圍內(nèi)，原則上不能外推。因此，準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式通常給出Re、Pr或Gr的數(shù)值范圍。 無量綱準(zhǔn)數(shù)與定性溫度、特征尺寸和特征速度相對(duì)應(yīng)，使用準(zhǔn)數(shù)方程時(shí)必須嚴(yán)格按照該方程的規(guī)定選取定性溫度、特征尺寸和特征速度。第三節(jié) 對(duì)流傳熱 (一)管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流傳熱湍流情況下，對(duì)流傳熱系數(shù)與流速的0.8次方成正比，與管徑的0.2次方成正比。/iL d對(duì)于 50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)0.7il1dL 0.8ii

26、0.023fpcd udmm強(qiáng)化傳熱：提高流速或采用小直徑的管道，其中提高流速更為有效。第三節(jié) 對(duì)流傳熱 (4.3.6b)(一)管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流傳熱i/L d2流體在圓形直管內(nèi)呈層流狀態(tài)流動(dòng) 層流流動(dòng)下進(jìn)口段影響較大 往往需要考慮附加的自然對(duì)流傳熱的影響 322Lg TGr m格拉曉夫數(shù)，表示自然對(duì)流影響的特征數(shù)為體積膨脹系數(shù) 層流與湍流流動(dòng)傳熱的區(qū)別：第三節(jié) 對(duì)流傳熱 (一)管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流傳熱除黏度 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。定性溫度：Wm特征尺寸：管內(nèi)徑應(yīng)用范圍：2300Re 0.66700Pri10dRe PrLid應(yīng)用條件：小管徑且流體和壁面的溫差不大時(shí)， 0.9

27、；當(dāng)其0.8時(shí)，經(jīng)濟(jì)上不合理，應(yīng)另選其他形式，如增加殼程數(shù)，或?qū)⒍嗯_(tái)換熱器串聯(lián)使用，以使傳熱過程接近逆流。第三節(jié) 對(duì)流傳熱 (4.3.35)單殼程兩管程 12型兩殼程四管程 24型殼程: 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第三節(jié) 對(duì)流傳熱 第三節(jié) 對(duì)流傳熱 單殼程 兩殼程 第三節(jié) 對(duì)流傳熱 三殼程錯(cuò)流第三節(jié) 對(duì)流傳熱 當(dāng)換熱器出口溫度未知時(shí)，需通過反復(fù)試算mQKA T傳熱單元數(shù)法（NTU）傳熱效率傳熱單元數(shù)法（-NTU）1.傳熱效率意義：流體可用的熱量被利用的程度maxQQ實(shí)際傳熱量最大可能傳熱量(四)傳熱單元數(shù)第三節(jié) 對(duì)流傳熱 (4.3.28)若換熱器的熱損失

28、可以忽略，兩流體均無相變，則 實(shí)際傳熱量：ccc2c1hhh1h2mpmpQq cTTq cTT最大可能傳熱量： maxh1c1minmpQq 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hhh1h2h1h2hhh1c1h1c1mpmpq cTTTTq cTTTTccc2c1c2c1cch1c1h1c1mpmpq cTTTTq cTTTT熱流體的熱容流量較小： 冷流體的熱容流量較?。?maxh1c1minmpQQq cTTQc2Th2T第三節(jié) 對(duì)流傳熱 (4.3.36)(4.3.37)ccc2c1hhh1h2mpmpQq cTTq cTT2.傳熱單元數(shù)hhhccchcdddd

29、mpmpQq cTq cTK A TT 由換熱器的熱量衡算及總傳熱速率方程得chccddmpTK ATTq c21c0hccddccTATmpTK ATTq cc2c1hcccmpmTTKATTq cc2c1chcccNTUmpmTTKATTq c對(duì)于冷流體:pcc當(dāng)K與為常數(shù)換熱器兩端溫差的對(duì)數(shù)平均值以冷流體計(jì)的傳熱單元數(shù):以熱流體計(jì)的傳熱單元數(shù):h2h1hhchhNTUmpmTTKATTq c傳熱單元數(shù)是溫度的函數(shù)，在數(shù)值上等于單位傳熱推動(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。第三節(jié) 對(duì)流傳熱 (4.3.39)(4.3.40)(4.3.38)使用傳熱單元數(shù)進(jìn)行傳熱計(jì)算時(shí)，應(yīng)以

30、熱容流量小的流體為基準(zhǔn) 基于熱容流量小的流體的傳熱單元長(zhǎng)度，單位為mminNTUmpKAq cminNTUmpK n dLq cmin(NTU)mpq cLn dKminminmpq cHn dK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)度越小，即傳熱所需的傳熱面積越小。min(NTU)LH第三節(jié) 對(duì)流傳熱 (4.3.41)(4.3.42)(4.3.43)3.傳熱效率和傳熱單元數(shù)的關(guān)系可根據(jù)傳熱速率方程和熱量衡算式導(dǎo)出 單程并流換熱器 RR1expNTU 11ccminRmaxmpmpq ccq c兩流體的熱容量比 單程逆流換熱器

31、 RRR1expNTU 11expNTU 1ccc任一流體發(fā)生相變時(shí) 1 exp( NTU) 第三節(jié) 對(duì)流傳熱 (4.3.45)(4.3.44)(4.3.46) 根據(jù)換熱器的操作條件，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)的形式和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。4.傳熱單元數(shù)法步驟：第三節(jié) 對(duì)流傳熱 第三節(jié) 對(duì)流傳熱 (1)簡(jiǎn)述影響對(duì)流傳熱的因素。(2)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。(3)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)？(4) 傳

32、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。(5)試分析影響對(duì)流傳熱系數(shù)的因素。(6) 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，若要提高對(duì)流傳熱系數(shù)，采取哪種措施最有效？(7)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？(8)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？(9)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，需在哪一側(cè)采取措施？(10)什么是傳熱效率和傳熱單元數(shù)？本節(jié)思考題一、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)合傳熱本節(jié)的主要內(nèi)容第

33、四節(jié) 輻射傳熱(一)熱輻射熱輻射：由于熱的原因而發(fā)出輻射能的過程輻射：物體通過電磁波來傳遞能量的方式 熱輻射的電磁波是物體內(nèi)部微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變時(shí)激發(fā)出來的 熱力學(xué)溫度在零度以上的任何物體，總是不斷地把熱能變?yōu)檩椛淠埽蛲獍l(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?。輻射傳熱熱平衡時(shí)，熱輻射存在，但輻射傳熱量為0第四節(jié) 輻射傳熱一、輻射傳熱的基本概念 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。 理論上，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0.38100m，而且大部分

34、能量位于紅外線區(qū)段，即0.7620m。電磁波譜第四節(jié) 輻射傳熱(二)熱輻射對(duì)物體的作用 ARDQQQQARD1QQQQQQAQAQRQRQDQDQ1DRA總能量 反射 吸收 穿透物體對(duì)投射輻射的吸收率反射率穿透率投射輻射第四節(jié) 輻射傳熱(4.4.1a)(4.4.1b)(4.4.1c)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。沒有光澤的黑漆表面的吸收率為0.960.98，接近黑體；磨光的銅表面的反射率為0.97，接近鏡體；單原子和對(duì)稱的雙原子氣體可視為透熱體。若R=1，則表示落在物體表面上的輻射能全部被反射出去。此時(shí)，若入射角等于反射角，則物體稱為鏡體；若反射情況

35、為漫反射，該物體稱為絕對(duì)白體。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。引入理想物體的概念，作為實(shí)際物體與之比較的標(biāo)準(zhǔn)，可以使輻射傳熱計(jì)算大大簡(jiǎn)化。鏡面反射漫反射表面粗糙度第四節(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)。吸收能力大的物體其反射能力就小固體和液體（1）物體的性質(zhì)物態(tài)，物質(zhì)結(jié)構(gòu)一般固體和液體都是不透熱體，即D 0，A+R=1輻射能進(jìn)入其表面后，在極短的距離內(nèi)被吸收完金屬導(dǎo)體：1m的數(shù)量級(jí)非導(dǎo)電體材料：1mm第四節(jié) 輻射傳熱氣體對(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

36、，其穿透能力就差第四節(jié) 輻射傳熱固體和液體物體對(duì)外界的輻射，以及對(duì)投射輻射的吸收和反射過程，都是在物體表面上進(jìn)行的（2）表面狀況 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?dú)怏w發(fā)射和吸收輻射能發(fā)生在整體氣體內(nèi)部，即吸收和輻射與熱射線所經(jīng)歷的路程有關(guān)灰體: 能以相同的吸收率吸收所有波長(zhǎng)范圍的輻射能大多數(shù)工程材料可視為灰體實(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) 灰體對(duì)投入輻射的吸收率與外界無關(guān)（3）投射輻射的波長(zhǎng) 氣體不能近似地作為灰體處理第四節(jié) 輻射傳熱輻射能力: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

37、表征物體發(fā)射輻射能的能力發(fā)射能量與波長(zhǎng)有關(guān)第四節(jié) 輻射傳熱二、物體的輻射能力0dEEW/m2物體的單色輻射能力 :物體在一定溫度下發(fā)射某種波長(zhǎng)的能力,單位為 W/m3E輻射能力:第四節(jié) 輻射傳熱二、物體的輻射能力(4.4.2)(一)黑體的輻射能力bb0dEE黑體的輻射能力黑體的單色輻射能力第四節(jié) 輻射傳熱二、物體的輻射能力黑體單色輻射能力按波長(zhǎng)的分布規(guī)律(4.4.3)4b0ET4b0100TEC黑體的輻射系數(shù)，其值為5.67 W/ (m2K4)黑體的輻射常數(shù)，其值為5.67108 W/ (m2K4) 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。工程上（2）黑體的輻射能力

38、斯蒂芬波爾茨曼定律四次方定律（1）最大單色輻射能力的波長(zhǎng)3m2.9 10T常數(shù)第四節(jié) 輻射傳熱(4.4.7)4100TCEbEE0140100TCE只要知道物體的黑度，就可求得該物體的輻射能力。(二)灰體的輻射能力灰體的輻射系數(shù)由于黑體具有最大的輻射能力，因此定義：物體的黑度灰體的輻射能力與同溫度下黑體的輻射能力之比第四節(jié) 輻射傳熱(4.4.10)(4.4.8)(4.4.9) 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。材料溫度/oC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

39、）20200600940 1100200 600225 575200 600200 600330 9100.88 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、冰川的黑度約為0.95；人體無論是什么膚色黑度均為0.96左右。影響物體表面的黑度的因素第四節(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5.11014m2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5

40、800K）。4b041417100273 155.675.1 102.0 10 W100TE ACA地球最大單色輻射能力時(shí)的波長(zhǎng)335m2.9 102.9 101.0 10m10m273 15T337m2.9 102.9 105.0 10m0.5m5800T解：?jiǎn)挝粫r(shí)間地球熱輻射的能量為：太陽最大單色輻射能力時(shí)的波長(zhǎng)波長(zhǎng)的變化CO2溫室效應(yīng)第四節(jié) 輻射傳熱(三)物體的輻射能力與吸收能力的關(guān)系灰體黑體11bqEAE0q熱平衡時(shí)對(duì)任意灰體，有12b112( )EEEEf TAAA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 1b1

41、EEA第四節(jié) 輻射傳熱(4.4.12)灰體黑體bEAEbEEA克?；舴蚨苫殷w的吸收率數(shù)值等于同溫度下該物體的黑度)(12211TfEAEAEAEb善于吸收的物體必善于輻射；黑體的輻射能力最大。透熱體1T1E1A(三)物體的輻射能力與吸收能力的關(guān)系第四節(jié) 輻射傳熱(4.4.8)(4.4.13)2TbEbA(1) 兩個(gè)無限大灰體平行平壁間的輻射傳熱過程 12TT壁1壁2輻射能多次被吸收和多次被反射 單位時(shí)間內(nèi)離開壁1表面單位面積的總輻射能： 22232ef 111211211212212222221121212121222112121211212()()(1)(1)()(1)1()1fEER R

42、 ER R ER ER R ER R EER RR RR ER RR RER ER RR RER ER Reff2221121()1EER ER R單位時(shí)間內(nèi)離開壁2表面單位面積的總輻射能： 發(fā)出輻射能的過程第四節(jié) 輻射傳熱三、物體間的輻射傳熱(4.4.15)42412121100100TTACQ11121021CC物體1對(duì)物體2的總輻射系數(shù)，取決于壁面的性質(zhì)和兩個(gè)壁面的幾何因素。 1 2eff1ef 2112221121211fqEEER EER ER RR RRA1A424121021100100111TTCq單位時(shí)間內(nèi)兩壁面單位面積的輻射傳熱量為40100TCE平壁壁面面積為A，則輻射傳

43、熱速率為 12TT壁1壁2第四節(jié) 輻射傳熱(4.4.17)(4.4.19) 兩個(gè)表面之間的輻射傳熱量與兩個(gè)表面時(shí)間的相對(duì)位置有很大的關(guān)系兩個(gè)表面間的相對(duì)位置不同時(shí)，一個(gè)表面發(fā)出而落到另一個(gè)表面上的輻射能的百分?jǐn)?shù)隨之而異，從而影響到傳熱量定義：表面1發(fā)出的輻射能中落到表面2上的百分?jǐn)?shù)稱為表面1對(duì)表面2的角系數(shù)物體間的輻射傳熱受物體的形狀、大小和相互位置等的影響 第四節(jié) 輻射傳熱幾種典型情況下的21C和21值 序號(hào) 輻射情況 面積A 角系數(shù)1 2 總輻射系數(shù)1 2C 1 極大的兩平行面 1A或2A 1 01211/1C 2 面積有限的兩相等的平行面 1A 1 120C 3 很大的物體 2 包住物體

44、 1 1A 1 10C 4 物體 2 恰好包住物體 1，21AA 1A 1 01211/1C 5 在 3，4 兩種情況之間 1A 1 1012211/1ACA 對(duì)于任意形狀的兩個(gè)物體 4241212121100100TTACQ物體1對(duì)物體2輻射的角系數(shù)，它與物體的形狀、大小及兩物體的相互位置和距離有關(guān) 第四節(jié) 輻射傳熱(4.4.20)【例題4.4.2】某車間內(nèi)有一高0.5m、寬1m的鑄鐵爐門，表面溫度為627，室溫為27。試求（1）因爐門輻射而散失的熱量；（2）若在距爐門前30mm外放置一塊同等大小的鋁板作為熱屏，散熱量可降低多少？已知鑄鐵和鋁板的黑度分別為0.78和0.15。解：以下標(biāo)1、2

45、和3分別表示鑄鐵爐門、周圍四壁和鋁板。（1）未放置熱屏前，爐門被四壁包圍，故211，A=A1，0121CC44121 210144100100273627273270.78 5.67 0.5 110010014329WTTQC A 627鋁板鑄鐵爐門27123第四節(jié) 輻射傳熱（2）放置鋁板后，因爐門與鋁板之間距離很小，二者之間的輻射傳熱可視為兩個(gè)無限大平行面間的相互輻射，且穩(wěn)態(tài)情況下與鋁板對(duì)周圍四壁的輻射傳熱量相等。設(shè)鋁板的溫度為3T13AAA11131031CC， 3AA0323CC424330343413110100100100100111TTACTTAC424334341311001001001001111TTTT4444331273627273270.151110010010010010.780.