第04章熱量傳遞2

第四章熱量傳遞

河南城建學(xué)院《環(huán)境工程原理》教學(xué)課件在環(huán)境工程中，很多過程涉及加熱和冷卻：對水或污泥進(jìn)行加熱；對管道及反應(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。第四章熱量傳遞環(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，如對設(shè)備和管道的保溫，以減少熱量損失。傳熱速率問題第一節(jié)熱量傳遞的方式第二節(jié)熱傳導(dǎo)第三節(jié)對流傳熱第四節(jié)輻射傳熱第五節(jié)換熱器

本章主要內(nèi)容第四章熱量傳遞主要內(nèi)容1．熱量傳遞的方式：熱傳導(dǎo)對流傳熱輻射傳熱2．熱傳導(dǎo)（1）傅立葉定律傅立葉定律、導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)溫系數(shù)（2）通過壁面的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)通過平壁和圓管壁的熱傳導(dǎo)速率方程、串聯(lián)熱阻疊加原則、接觸熱阻3．對流傳熱（1）對流傳熱機(jī)理傳熱邊界層、邊界層厚度、影響對流傳熱的因素（2）對流傳熱速率牛頓冷卻定律、*對流傳熱系數(shù)（管內(nèi)強(qiáng)制對流、大空間自然對流、蒸氣冷凝）（3）保溫層的臨界直徑（4）間壁傳熱過程總傳熱速率方程、總傳熱系數(shù)、對流傳熱控制、平均溫差計算、*傳熱單元數(shù)法4．輻射傳熱（1）輻射傳熱的基本概念熱輻射、輻射傳熱、物體的輻射能力、單色輻能力、最大單色輻射能力的波長與溫度的關(guān)系（2）黑體和灰體的輻射能力斯蒂芬－波爾茨曼定律、黑度、克?；舴蚨?、物體間的輻射傳熱速率（3）氣體熱輻射的特點(diǎn)5．換熱器

（1）換熱器的分類與結(jié)構(gòu)形式（2）間壁式換熱器的類型與結(jié)構(gòu)（3）強(qiáng)化傳熱的途徑第一節(jié)熱量傳遞的方式一、熱傳導(dǎo)二、對流傳熱三、輻射傳熱

本節(jié)的主要內(nèi)容要點(diǎn)：與實(shí)際相結(jié)合環(huán)境工程中常見的熱量傳遞過程熱量傳遞的三種方式一、熱傳導(dǎo)第一節(jié)熱量傳遞的方式熱傳導(dǎo)通過物質(zhì)的分子、原子和電子的振動、位移和相互碰撞發(fā)生的熱量傳遞過程。

物體各部分之間無宏觀運(yùn)動

在氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)物質(zhì)中都可以發(fā)生，但熱量傳遞機(jī)理不同。氣體：氣體分子作不規(guī)則熱運(yùn)動時相互碰撞的結(jié)果。固體：晶格振動和自由電子的遷移。在非導(dǎo)電的固體中，主要通過分子、原子在晶體結(jié)構(gòu)平衡位置附近的振動傳遞能量；對于良好的導(dǎo)電體，類似氣體分子的運(yùn)動，自由電子在晶格之間運(yùn)動，將熱量由高溫區(qū)傳向低溫區(qū)，由于自由電子數(shù)目多，傳遞的熱量多余晶格振動所傳遞的熱量。液體：其結(jié)構(gòu)介于氣體和固體之間，分子可作幅度不大的位移，熱量的傳遞既依靠分子的振動，又靠分子間的相互碰撞。二、對流傳熱根據(jù)引體流體質(zhì)點(diǎn)位移（流體流動）的原因，可分為:

自然對流傳熱：由于流體內(nèi)部溫度的不均勻分布形成密度差，在浮力的作用下流體發(fā)生對流而產(chǎn)生的傳熱過程。

強(qiáng)制對流傳熱：由于水泵、風(fēng)機(jī)或其他外力引起流體流動而產(chǎn)生的傳熱過程。根據(jù)流體與壁面?zhèn)鳠徇^程中流體狀態(tài)是否發(fā)生變化，可將對流傳熱分為無相變的對流傳熱和有相變的對流傳熱。對流傳熱流體中質(zhì)點(diǎn)發(fā)生相對位移而引起的熱量傳遞過程，通常認(rèn)為是流體與固體壁面之間的熱傳遞過程。僅發(fā)生在液體和氣體中。第一節(jié)熱量傳遞的方式三、輻射傳熱物體將熱能變?yōu)檩椛淠?，以電磁波的形式在空中傳播，?dāng)遇到另一個物體時，又被物體全部或部分吸收而變成熱能。因此，輻射傳熱不僅是能量的傳遞，同時還伴隨有能量形式的變化。注：輻射傳熱不需任何介質(zhì)作媒介，它可以在真空中傳播。第一節(jié)熱量傳遞的方式輻射傳熱物體由于熱的原因而發(fā)出輻射能的過程。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)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)動時相互碰撞的結(jié)果；固體以兩種方式傳遞熱量：晶格振動和自由電子的遷移；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，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、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。導(dǎo)熱基本上可看作分子傳遞現(xiàn)象，熱量傳遞規(guī)律可用傅里葉定律描述。

第二節(jié)熱傳導(dǎo)補(bǔ)充：溫度場與溫度梯度一般情況下，物體內(nèi)任一點(diǎn)的溫度為該點(diǎn)的位置以及時間的函數(shù)，故溫度場的數(shù)學(xué)表達(dá)式為若溫度場內(nèi)各點(diǎn)的溫度隨時間而變，為非定態(tài)溫度場，對應(yīng)于非定態(tài)的導(dǎo)熱狀態(tài)。若溫度場內(nèi)各點(diǎn)的溫度不隨時間而變，即為定態(tài)溫度場。定態(tài)溫度場的數(shù)學(xué)表達(dá)式為在特殊的情況下，若物體內(nèi)的溫度僅沿一個坐標(biāo)方向發(fā)生變化，此溫度場為定態(tài)的一維溫度場，即第二節(jié)熱傳導(dǎo)溫度場中同一時刻下相同溫度各點(diǎn)所組成的面稱為等溫面。沿等溫面無熱量傳遞，而沿和等溫面相交的任何方向，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?，通常，將兩相鄰等溫面的溫?t+△t)與t之間的溫度差△t，與距兩面問的垂直距離△n之比值的極限稱為溫度梯度。溫度梯度的數(shù)學(xué)定義式為：

第二節(jié)熱傳導(dǎo)T=T0QT=T1熱流流量t=0T=T0T=T0需要一個恒定的熱量流量Q通過，才能維持溫度差不變第二節(jié)熱傳導(dǎo)一、傅立葉定律Q：y方向上的熱量流量，也稱為傳熱速率，W或J/S導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)y方向上熱量通量，即單位時間內(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)熱量通量與溫度梯度成正比負(fù)號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。變換：導(dǎo)溫系數(shù)，或稱熱量擴(kuò)散系數(shù)，m2/s熱量濃度,單位體積流體所具有的熱量，J/m3熱量傳遞的推動力令第二節(jié)熱傳導(dǎo)一、傅立葉定律(4.2.3)(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

單位體積物質(zhì)溫度升高1oC時所需要的熱量,代表物質(zhì)的蓄熱能力

導(dǎo)熱系數(shù)，表明物質(zhì)的導(dǎo)熱能力說明物體的某部分一旦獲得熱量，該熱量能在整個物體中很快擴(kuò)散或第二節(jié)熱傳導(dǎo)導(dǎo)溫系數(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，對于同一種物質(zhì)，值可能隨不同的方向變化——各向異性第二節(jié)熱傳導(dǎo)二、導(dǎo)熱系數(shù)(4.2.5)（1）氣體的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度升高而增高，近似與絕對溫度的平方根成正比，在真空下接近零。一般情況下，壓力對其影響不大，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。氣體中H2的導(dǎo)熱系數(shù)最高。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：氣體的導(dǎo)熱系數(shù)很小，不利于導(dǎo)熱，但利于絕熱、保溫液體的導(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?。ㄋ⒏视屠猓毫ζ溆绊懖淮?。

經(jīng)驗(yàn)公式：16T[W?(m?k)-1][W?(m?k)-1]（3）固體的導(dǎo)熱系數(shù)影響因素較多

金屬中自由電子的運(yùn)動速度快，金屬的導(dǎo)熱系數(shù)比一般非金屬大的多。純金屬的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度升高而減??；合金卻相反，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。非晶體的導(dǎo)熱系數(shù)均低于晶體。非金屬中，石墨的導(dǎo)熱系數(shù)最高，高于一般金屬，是制作耐腐蝕換熱器的理想材料。干燥的多孔性固體導(dǎo)熱性很差，通常作隔熱材料。第二節(jié)熱傳導(dǎo)二、導(dǎo)熱系數(shù)固體的導(dǎo)熱系數(shù)對于環(huán)境工程中經(jīng)常遇到的氣體和水，導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度升高而增高，壓力對其影響不大金屬液體隔熱材料氣體金屬50～415W/(m·K)，合金12～120W/(m·K)0.03～0.17W/(m·K）0.17～0.7W/(m·K)0.007～0.17W/(m·K)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)100～200W／（m·K），高于一般金屬；同時，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。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，壁面兩側(cè)溫度分別為一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)第二節(jié)熱傳導(dǎo)三、通過平壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)(4.2.6)(4.2.7)，T1和T2不隨時間變化，該平壁的熱傳導(dǎo)為一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)，熱傳導(dǎo)速率為常數(shù)若材料的導(dǎo)熱系數(shù)不隨溫度（或取平均導(dǎo)熱系數(shù)），邊界條件為溫差為傳熱的推動力。導(dǎo)熱熱阻，K/W單位傳熱面積的導(dǎo)熱熱阻，m2·K/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，熱傳導(dǎo)速率越小。傳熱速率=傳熱的推動力導(dǎo)熱熱阻第二節(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)λ=1.0+0.001TW/(m·K)，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)）和變量計算，試求導(dǎo)熱熱通量和平壁內(nèi)的溫度分布。取為常數(shù)W/m2W/(m·K)？T？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)取為變量分離變量并積分對于平壁上的穩(wěn)態(tài)一維熱傳導(dǎo)，熱量通量不變。因此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)整理，得此時溫度分布為曲線。在x處第二節(jié)熱傳導(dǎo)（二）多層平壁的熱傳導(dǎo)串聯(lián)熱阻疊加原則層與層之間接觸良好熱阻越大，通過該層的溫度差也越大Q傳熱的推動力導(dǎo)熱熱阻第二節(jié)熱傳導(dǎo)(4.2.10)附加熱阻——接觸熱阻，若以r0表示單位面積傳熱面的接觸熱阻，則通過兩層平壁的熱量通量為：

層與層之間存在空氣層與接觸面的材料、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)第二節(jié)熱傳導(dǎo)(4.2.11)第二節(jié)熱傳導(dǎo)【例題4.2.2】采用圓柱坐標(biāo)時，即為一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)對于半徑為r的等溫圓柱面，根據(jù)傅立葉定律，有穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱時，徑向的Q為常數(shù)，將上式分離變量并積分傳熱面積隨半徑發(fā)生變化內(nèi)徑r1外徑r2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)當(dāng)時，可以用算術(shù)平均值代替對數(shù)平均值，簡化計算圓管壁的導(dǎo)熱熱阻，K/W平壁的導(dǎo)熱熱阻對數(shù)平均半徑對數(shù)平均面積第二節(jié)熱傳導(dǎo)第二節(jié)熱傳導(dǎo)對于n層材料組成的圓管壁的熱傳導(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(4.2.13)設(shè)保溫層內(nèi)半徑為r處的溫度為T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/(m·K)。若蒸汽管道外表面溫度為177℃，保溫層的外表面溫度為38℃，試求每米管長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，若分別按變量和平均導(dǎo)熱系數(shù)計算，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)對流傳熱一、影響對流傳熱的因素二、對流傳熱的機(jī)理三、對流傳熱速率四、對流傳熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)式五、保溫層的臨界直徑六、間壁傳熱過程計算本節(jié)的主要內(nèi)容對流傳熱：流體中質(zhì)點(diǎn)發(fā)生相對位移而引起的熱量傳遞過程對流傳熱僅發(fā)生在流體中對流與熱傳導(dǎo)的區(qū)別：流體質(zhì)點(diǎn)的相對位移

（1）流動對傳熱的貢獻(xiàn)攪拌杯中熱水人站在冷風(fēng)里在高溫的夏季里，打開電扇流體流動使對流傳熱速率加快——加快熱水冷卻——與站在背風(fēng)的地方相比感覺要冷得多——人會感到?jīng)隹祀娚蕊L(fēng)速越大，感覺愈涼快些第三節(jié)對流傳熱對流換熱指流體流過與其溫度不同的固體壁面時流體與壁面之間的熱量交換對流換熱過程是熱傳導(dǎo)與對流聯(lián)合作用的結(jié)果。（2）對流換熱過程第三節(jié)對流傳熱工程中常見的對流換熱過程——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)對流傳熱列管式換熱器（3）間壁式換熱器熱量傳遞過程：（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)傳到冷流體對流傳熱對流傳熱導(dǎo)熱對流對流導(dǎo)熱第三節(jié)對流傳熱強(qiáng)制對流傳熱流體在外加能量的作用下處于流動狀態(tài)自然對流傳熱流體由于內(nèi)部溫度差產(chǎn)生密度差而流動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）對流傳熱問題的分類暖氣片第三節(jié)對流傳熱（1）流體的物性特征（2）固體壁面的幾何特征（3）流體的流動特征固體壁面的形狀、尺寸、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。v流體的密度r或比熱容pc越大，流體與壁面間的傳熱速率越大v導(dǎo)熱系數(shù)l越大，熱量傳遞越迅速；v流體的黏度m越大，越不利于流動，會削弱與壁面的傳熱。

第三節(jié)對流傳熱一、影響對流傳熱的因素（3）流動特征流動起因（自然對流、強(qiáng)制對流）流動狀態(tài)（層流、湍流）有無相變化（液體沸騰、蒸汽冷凝）流體對流方式（并流、逆流、錯流）第三節(jié)對流傳熱>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)對流傳熱二、對流傳熱的機(jī)理熱壁面(一)流動邊界層的傳熱機(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，在垂直于流動方向上，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)

與靜止流體中的導(dǎo)熱一樣嗎？第三節(jié)對流傳熱二、對流傳熱的機(jī)理在靜止的流體中在層流流動的流體中機(jī)理相同大小變化質(zhì)點(diǎn)發(fā)生相對位移實(shí)際上，流體流動使傳熱增強(qiáng)。流體的流動增大了壁面處的溫度梯度，使壁面處的熱通量較靜止時大(一)流動邊界層的傳熱機(jī)理及溫度分布第三節(jié)對流傳熱（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。由邊界層的流動情況決定(一)流動邊界層的傳熱機(jī)理及溫度分布第三節(jié)對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)的脈動較弱，對流與導(dǎo)熱的作用大致處于同等地位，由于對流傳熱的作用，溫度梯度變小。在湍流中心，質(zhì)點(diǎn)強(qiáng)烈脈動，使主體部分的溫度趨于均一，熱量傳遞主要依靠對流進(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)流動邊界層的傳熱機(jī)理及溫度分布第三節(jié)對流傳熱湍流傳熱時，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中存在流體質(zhì)點(diǎn)的隨機(jī)脈動，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)流動邊界層的傳熱機(jī)理及溫度分布第三節(jié)對流傳熱(T-TW)＝0.99(T0-TW)

將(T-TW)＝0.99(T0-TW)處作為傳熱邊界層的界限，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δT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。δT第三節(jié)對流傳熱取決于普蘭德數(shù)PrlmanprcP==表明分子動量傳遞能力和分子熱量傳遞能力的比值。δTδ(T-TW)＝0.99(T0-TW)Pr＝1時，δ＝δTδ>δT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)對流傳熱流動邊界層厚度與傳熱邊界層厚度間的關(guān)系Pr動力黏度>(一)牛頓冷卻定律通過傳熱面dA的局部對流傳熱速率局部對流傳熱系數(shù)，或稱膜系數(shù)，W/(m2.k)第三節(jié)對流傳熱三、對流傳熱速率(4.3.1)(一)牛頓冷卻定律與傳熱方向垂直的微元傳熱面積，m2局部對流傳熱系數(shù)，或稱為膜系數(shù)，W/（m2·K）流體與固體壁面dA之間的溫差，K通過傳熱面dA的局部對流傳熱速率，W流體被冷卻時在流體被加熱時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)對流傳熱為對流傳熱熱阻。局部對流傳熱系數(shù)在傳熱過程中，溫度沿程變化，因此對流系數(shù)為局部的參數(shù)。在實(shí)際工程中，常采用平均值進(jìn)行計算，因此牛頓冷卻定律可寫成W/（m2·K）對流傳熱速率也可以用對流傳熱熱阻表示，即導(dǎo)熱熱阻第三節(jié)對流傳熱(一)牛頓冷卻定律(4.3.2a)(4.3.2b)（二）對流傳熱系數(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、流動原因、流動狀況、流體是否有相變等，通常由實(shí)驗(yàn)確定第三節(jié)對流傳熱換熱方式空氣自然對流5～25氣體強(qiáng)制對流20～100水自然對流200～1000水強(qiáng)制對流1000～15000水蒸氣冷凝5000～15000有機(jī)蒸氣冷凝500～2000水沸騰2500～25000

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，則牛頓冷卻定律很難得出?。。ㄒ唬α鱾鳠嵛⒎址匠蹋私猓α鱾鳠嵛⒎址匠淌健碚撋嫌嬎銓α鱾鳠嵯禂?shù)的基礎(chǔ)第三節(jié)對流傳熱四、對流傳熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)式層流邊界層或?qū)恿鞯讓拥暮穸葴p小通過改善流動狀況使層流底層厚度減小，是工程上強(qiáng)化對流傳熱的主要途徑之一（1）量綱分析并結(jié)合實(shí)驗(yàn)，建立相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式（2）利用動量傳遞與熱量傳遞的類似性，建立對流傳熱系數(shù)與范寧摩擦因子之間的定量關(guān)系，通過較易求得的范寧摩擦因子f來求取求解對流傳熱系數(shù)的途徑第三節(jié)對流傳熱(4.3.3)

研究表明，對于一定類型的傳熱面，流體的傳熱系數(shù)α與下列因素有關(guān):流速，熱換面尺寸L，流體的粘度μ、導(dǎo)熱系數(shù)λ、密度ρ、比熱容cp以及升浮力ρgβΔT(β為體積膨脹系數(shù))。第三節(jié)對流傳熱四、對流傳熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)式（二）無量綱準(zhǔn)數(shù)方程式（了解）采用量綱分析法,可得到各物理量之間的關(guān)系,即:努塞爾特數(shù),無量綱準(zhǔn)數(shù),表示對流傳熱系數(shù)的特征數(shù);:普蘭德數(shù),由流體物性參數(shù)組成的無量綱數(shù);:格拉曉夫數(shù),無量綱準(zhǔn)數(shù),表示自然對流影響的特征數(shù);

傳熱面的類型要相同，同時無量綱準(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應(yīng)，使用準(zhǔn)數(shù)方程時必須嚴(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)對流傳熱要求(三)管內(nèi)強(qiáng)制對流傳熱1．流體在圓形直管內(nèi)呈強(qiáng)烈的湍流狀態(tài)流動努塞爾特數(shù)普蘭德數(shù)

流體被冷卻時,f＝0.3流體被加熱時,f＝0.4對于低黏度（小于2倍常溫水的黏度）的流體,通常采用下式計算對流傳熱系數(shù):第三節(jié)對流傳熱(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)徑管內(nèi)壁面光滑；管長與管徑之比≥50。應(yīng)用條件：應(yīng)用范圍：第三節(jié)對流傳熱4.3.6式的應(yīng)用條件第三節(jié)對流傳熱對于高黏度的液體,采用以下修正公式定性溫度下的液體黏度壁溫下的液體黏度定性溫度：除黏度μw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。特征尺寸：管內(nèi)徑di管內(nèi)壁面光滑；管長與管徑之比≥50。應(yīng)用條件：應(yīng)用范圍：0.7<Pr<16700;湍流情況下，對流傳熱系數(shù)與流速的0.8次方成正比，與管徑的0.2次方成反比。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)對流傳熱(4.3.6b)討論第三節(jié)對流傳熱對于<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)對式4.3.6和4.3.7進(jìn)行修正,得4.3.84.3.92．流體在圓形直管內(nèi)呈層流狀態(tài)流動①層流流動下進(jìn)口段影響較大:當(dāng)Pr值接近于1、Re接近2000時，進(jìn)口段的長度大約為管徑的100倍；當(dāng)Pr值大于1，則進(jìn)口段的長度可能超過管徑的幾千倍或上萬倍，使得整個管長均在進(jìn)口段范圍內(nèi)，因此計算傳熱系數(shù)時應(yīng)考慮進(jìn)口段的影響。②往往需要考慮附加的自然對流傳熱的影響：在小管徑且流體和壁面的溫差不大的情況下，Gr<25000，自然對流的影響可忽略。此時，可采用下列關(guān)聯(lián)式：格拉曉夫數(shù)，表示自然對流影響的特征數(shù)為體積膨脹系數(shù)層流與湍流流動傳熱的區(qū)別：第三節(jié)對流傳熱(三)管內(nèi)強(qiáng)制對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：特征尺寸：管內(nèi)徑應(yīng)用范圍：應(yīng)用條件：小管徑且流體和壁面的溫差不大時，<25000，自然對流的影響可以忽略

(4.3.10)第三節(jié)對流傳熱(三)管內(nèi)強(qiáng)制對流傳熱當(dāng)Gr>25000時，層流的溫度差引起的自然對流傳熱的影響不能忽略，此時在上式的基礎(chǔ)山乘以修正系數(shù)η(4.3.11)對于2300≤≤104時的過渡區(qū)，其傳熱情況非常復(fù)雜，對流傳熱系數(shù)可先用湍流時的經(jīng)驗(yàn)式計算，再乘以小于1的修正系數(shù)3.流體在圓形直管內(nèi)呈過渡流狀態(tài)流動第三節(jié)對流傳熱(4.3.12)流體在圓形直管內(nèi)呈強(qiáng)烈的湍流狀態(tài)流動：(4.3.6b)(三)管內(nèi)強(qiáng)制對流傳熱R——彎管的曲率半徑，m由于離心力的作用，擾動加劇，層流底層變薄，使傳熱系數(shù)增加第三節(jié)對流傳熱(4.3.13)(三)管內(nèi)強(qiáng)制對流傳熱4.流體在圓形彎管內(nèi)流動的對流傳熱系數(shù)例4.3.1常壓下空氣在內(nèi)徑為30mm的管中流動，溫度由170℃升高到230℃，平均流速為15m/s。試求：（1）空氣與管壁之間的對流傳熱系數(shù)。（2）若流速增大為25m/s時，則結(jié)果如何？第三節(jié)對流傳熱解：定性溫度：（170+230）/2=200℃，通過查表得常壓和200℃下空氣的物性參數(shù)計算Re，判斷流動狀態(tài)（湍流、層流還是過渡狀態(tài)）計算Pr計算對流傳熱系數(shù)(四)大空間自然對流傳熱對流傳熱系數(shù)與和有關(guān)C、n與傳熱表面的形狀和位置以及有關(guān)，見表4.3.2

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，使流體在升浮力作用下流動，即產(chǎn)生自然對流，稱自然對流傳熱。

大空間自然對流傳熱是指固體壁面周圍的自然對流不受空間限制或干擾的自然對流傳熱。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流散熱定性溫度取壁面與流體平均溫度的算術(shù)平均值，特征尺寸見表4.3.2第三節(jié)對流傳熱(四)大空間自然對流傳熱第三節(jié)對流傳熱表4.3.2常見大空間自然對流時的C和n值設(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？傳導(dǎo)熱阻對流傳熱熱阻當(dāng)保溫層厚度增加（即增大）時熱傳導(dǎo)對流傳熱?第三節(jié)對流傳熱五、保溫層的臨界直徑(4.3.19)由此得到熱損失為最大值時的保溫層直徑：為正值保溫層的臨界直徑保溫層的臨界厚度如果保溫層的外徑小于臨界直徑即即增加保溫層的厚度反而使熱損失增加。第三節(jié)對流傳熱【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0.2W/(m·K)的保溫材料。已知保溫層外壁對空氣的對流傳熱系數(shù)近似為10W/(m2·K)，空氣溫度為20℃。試求（1）保溫層厚度分別為2mm、5mm和7mm時，每米管長的熱損失及保溫層外表面的溫度；（2）保溫層厚度為多少時熱損失量最大？此時每米管長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)保溫層厚度對管外空氣對流傳熱系數(shù)的影響可忽略。第三節(jié)對流傳熱解：（1）穩(wěn)態(tài)傳熱時，各層傳熱速率相等，即當(dāng)保溫層厚度為2mm時，d2＝0.029mW/m℃第三節(jié)對流傳熱同理，當(dāng)保溫層厚度為5mm時，d2＝0.035m當(dāng)保溫層厚度為7mm時，d2＝0.039m在保溫層為2～7mm時，隨著厚度的增加，熱損失量增加。W/m℃W/m℃第三節(jié)對流傳熱第三節(jié)對流傳熱（3）為了起到保溫作用，加保溫層后應(yīng)使熱損失小于裸管時的熱損失。因此保溫層的外徑應(yīng)滿足第三節(jié)對流傳熱解得d2=0.07m，則保溫層的厚度應(yīng)大于（0.07-0.025）/2=0.0225m可見，對于外徑為25mm的鋼管，保溫層厚度需大于22.5mm，才能起到保溫作用。一般情況下，熱損失隨保溫層厚度增加而減小。但對于小直徑的管道，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。

熱流體通過間壁將熱量傳給冷流體的過程分為三步：－對流傳熱－導(dǎo)熱－對流傳熱A1

A2

Am

b外側(cè)內(nèi)側(cè)熱流體冷流體（1）熱流體將熱量傳給固體壁面（2）熱量從壁的熱側(cè)面?zhèn)鞯嚼鋫?cè)面（3）熱量從壁面?zhèn)鹘o冷流體第三節(jié)對流傳熱六、間壁傳熱過程計算熱側(cè)流體對壁面的傳熱速率為通過間壁的傳熱速率為在穩(wěn)態(tài)情況下冷側(cè)流體對壁面的傳熱速率為外側(cè)內(nèi)側(cè)熱流體冷流體（一）總傳熱速率方程第三節(jié)對流傳熱(4.3.20)(4.3.21)(4.3.22)A1

A2

Am

b傳熱過程總推動力傳熱總熱阻總熱阻等于各項(xiàng)熱阻之和（一）總傳熱速率方程第三節(jié)對流傳熱(4.3.23)取定的面積傳熱基本方程總傳熱系數(shù)表示換熱設(shè)備性能的極為重要的參數(shù)總傳熱速率方程，或傳熱基本方程第三節(jié)對流傳熱一般情況下，K值以外表面積作為基準(zhǔn)熱側(cè)為外側(cè)時對于平壁或薄管壁(4.3.25)第三節(jié)對流傳熱（二）總傳熱系數(shù)污垢熱阻：實(shí)際運(yùn)行中的換熱器，其傳熱表面常有污垢沉積，對傳熱產(chǎn)生附加熱阻。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比間壁的熱阻大得多難以準(zhǔn)確估計，采用經(jīng)驗(yàn)值，見附錄11對于平壁或薄管壁，有第三節(jié)對流傳熱(4.3.26)若間壁外側(cè)對流傳熱控制間壁內(nèi)側(cè)對流傳熱控制若污垢熱阻很大，則稱為污垢熱阻控制，此時欲提高必須設(shè)法減慢污垢形成速度或及時清除污垢常見的列管式換熱器總傳熱系數(shù)K值見表4.3.3第三節(jié)對流傳熱【例題4.3.5】一空氣冷卻器，空氣在管外橫向流過，對流傳熱系數(shù)為80W/（m2·K）；冷卻水在管內(nèi)流過，對流傳熱系數(shù)為5000W/（m2·K）。冷卻管為φ25×2.5mm的鋼管，其導(dǎo)熱系數(shù)為45W/（m·K）。求：（1）該狀態(tài)下的總傳熱系數(shù)；（2）若將管外對流傳熱系數(shù)提高一倍，其他條件不變，總傳熱系數(shù)如何變化？（3）若將管內(nèi)對流傳熱系數(shù)提高一倍，其他條件不變，總傳熱系數(shù)如何變化？第三節(jié)對流傳熱解：（1）以管外表面積為基準(zhǔn)的總傳熱系數(shù)滿足即d1=25mm，d2=20mmW/（m2·K）mm4.222025ln2025ln211=-=-=ddd2ddm第三節(jié)對流傳熱（2）若提高一倍，則W/（m2·K）

（3）若提高一倍，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)對流傳熱系數(shù)。W/（m2·K）第三節(jié)對流傳熱1.恒溫傳熱時的平均溫差

恒溫傳熱：換熱器中，當(dāng)間壁兩側(cè)的流體存在相變時，兩流體的溫度可以分別保持不變。如：蒸發(fā)器中飽和蒸汽和沸騰液體間的傳熱即是恒溫傳熱。此時，冷、熱流體的溫度均不隨位置變化，兩者間溫差處處相等，即：第三節(jié)對流傳熱(三)傳熱推動力熱流體溫度冷流體溫度2.變溫傳熱時的平均溫差變溫傳熱：若換熱器中間壁兩側(cè)流體的溫度發(fā)生變化，如一側(cè)流體沒有相變或兩側(cè)流體均無相變，流體溫度沿流動方向變化，則傳熱溫差也沿程變化，稱為變溫傳熱。注:變溫傳熱時，兩流體的相互流向影響傳熱的平均溫差。第三節(jié)對流傳熱與換熱器中兩流體的溫度變化情況及兩流體的相互流動方向有關(guān)間壁式換熱器

并流逆流錯流折流變溫傳熱第三節(jié)對流傳熱以套管式換熱器為例計算平均溫差(三)傳熱推動力第三節(jié)對流傳熱（1）逆流和并流時的傳熱溫差Th1Tc1Th2Tc2Th1Th2Tc1Tc2Th1Th2Tc1Tc2Th1Th2Tc2Tc1逆流并流第三節(jié)對流傳熱Th1Th2Tc1Tc2通過微元面的傳熱量為在微元中熱、冷流體的溫差為熱流體放出熱量，溫度下降冷流體得到熱量，溫度上升分別對熱流體和冷流體進(jìn)行熱量衡算第三節(jié)對流傳熱(4.3.27)(4.3.28)(4.3.29)(4.3.30)Th1Th2Tc1Tc2通過微元面的傳熱量為在微元中熱、冷流體的溫差為熱流體放出熱量，溫度下降冷流體得到熱量，溫度上升分別對熱流體和冷流體進(jìn)行熱量衡算第三節(jié)對流傳熱(4.3.27)(4.3.28)(4.3.29)(4.3.30)積分，得熱容流量第三節(jié)對流傳熱平均傳熱溫差，對數(shù)平均溫差

換熱器兩端溫差大的數(shù)值換熱器兩端溫差小的數(shù)值計算并流和逆流情況下平均溫差的通式第三節(jié)對流傳熱時，對數(shù)平均值與算術(shù)平均值的差小于4％，此時在工程計算中可以用算術(shù)平均值代替對數(shù)平均值。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?！纠?.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，逆流和并流時的平均溫差。＝60－20＝40℃，＝100－30＝70℃＝60－30＝30℃，＝100－20＝80℃℃℃并流時解：逆流時第三節(jié)對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。對于高溫?fù)Q熱器，應(yīng)避免采用逆流操作逆流操作的缺點(diǎn)：第三節(jié)對流傳熱（2）錯流和折流時的傳熱溫差按逆流計算對數(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，即錯流和折流時的傳熱溫差小于逆流時的溫差。按逆流計算的對數(shù)平均溫差溫度修正系數(shù)，無量綱

工程上采用折流和其他復(fù)雜流動的目的是提高傳熱系數(shù)，其代價是使平均溫差減少。因此，在設(shè)計時最好使溫度修正系數(shù)>0.9；當(dāng)其<0.8時，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_換熱器串聯(lián)使用，以使傳熱過程接近逆流。第三節(jié)對流傳熱(4.3.35)單殼程兩管程1－2型兩殼程四管程2－4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)對流傳熱第三節(jié)對流傳熱傳熱單元數(shù)法（NTU）又稱為傳熱效率-傳熱單元數(shù)（ε-NTU）法，近年來發(fā)展起來的換熱器計算方法，在換熱器核算、熱量回收利用和換熱器系統(tǒng)最優(yōu)化計算方面得到廣泛應(yīng)用。換熱器的設(shè)計和校核都可以采用總傳熱速率方程計算。但在換熱器校核中，通常是對給定尺寸和結(jié)構(gòu)的換熱器，確定流體的出口溫度。(四)傳熱單元數(shù)第三節(jié)對流傳熱當(dāng)換熱器出口溫度未知時，無法直接計算對數(shù)平均溫差，需通過反復(fù)試算，繁瑣傳熱單元數(shù)法（NTU）1.換熱器的傳熱效率ε意義：流體可用的熱量被利用的程度第三節(jié)對流傳熱若換熱器的熱損失可以忽略，兩流體均無相變，則實(shí)際傳熱量：最大可能傳熱量Qmax：理論上換熱器中可能達(dá)到的最大溫差兩流體中熱容量較小者的熱熔流量，W/K第三節(jié)對流傳熱(4.3.36)無論哪種換熱器，均有Th2≥Tc1；Tc2≤Th1理論上換熱器中可能達(dá)到的最大溫差為冷、熱流體進(jìn)口的溫差，即Th1-Tc1。此時流體在換熱器中的傳熱量最大，稱為最大可能傳熱量。熱容量值較小的流體將具有較大的溫度變化。第三節(jié)對流傳熱熱流體的熱容流量較小：冷流體的熱容流量較?。害?4.3.37)2.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于冷流體:當(dāng)K與Cpc為常數(shù)平均溫差，換熱器兩端溫差的對數(shù)平均值以冷流體計的傳熱單元數(shù):以熱流體計的傳熱單元數(shù):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)行傳熱計算時，應(yīng)以熱容流量小的流體為基準(zhǔn)

Hmin基于熱容流量小的流體的傳熱單元長度，單位為m設(shè)換熱器的換熱管的直徑為d，長度為L，管數(shù)為n，則傳熱單元長度是傳熱熱阻的函數(shù)，總傳熱系數(shù)越大，傳熱單元長度越小，即傳熱所需的傳熱面積越小。第三節(jié)對流傳熱(4.3.41)(4.3.42)(4.3.43)或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

兩流體的熱容量比

單程逆流換熱器

任一流體發(fā)生相變時,(qmcp)max趨于無窮大，4.3.44,4.3.45簡化為：第三節(jié)對流傳熱(4.3.45)(4.3.44)(4.3.46)熱容流量小的流體的傳熱單元數(shù)

根據(jù)換熱器的操作條件，計算傳熱系數(shù)；計算傳熱單元數(shù)NTU和熱容量比cR

；根據(jù)換熱器中流體流動的形式和NTU、cR，計算或利用算圖查得相應(yīng)的ε；根據(jù)冷熱流體進(jìn)口溫度等已知量，計算傳熱速率；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)對流傳熱例4.3.7第三節(jié)對流傳熱(1)簡述影響對流傳熱的因素。(2)簡述對流傳熱的機(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時其傳熱過程較靜止時增強(qiáng)？(4)傳熱邊界層的范圍如何確定？試分析傳熱邊界層與流動邊界層的關(guān)系。(5)試分析影響對流傳熱系數(shù)的因素。(6)分析圓直管內(nèi)湍流流動的對流傳熱系數(shù)與流量和管徑的關(guān)系，若要提高對流傳熱系數(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、對流和輻射聯(lián)合傳熱本節(jié)的主要內(nèi)容第四節(jié)輻射傳熱要點(diǎn)：（1）輻射傳熱的基本概念熱輻射、輻射傳熱、熱輻射對物體的作用（2）物體的輻射能力黑體的輻射能力、單色輻射能力、最大單色輻射能力的波長與溫度的關(guān)系，灰體的輻射能力，（3）物體間的輻射傳熱速率黑體和灰體的輻射能力、斯蒂芬－波爾茨曼定律、黑度、克?；舴蚨桑?）氣體熱輻射的特點(diǎn)第四節(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)動狀態(tài)改變時激發(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?，向外發(fā)出輻射；同時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］椛鋫鳠釤崞胶鈺r，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，熱輻射將起決定作用。

理論上，物體熱輻射的電磁波波長可以包括電磁波的整個波譜范圍在工程中有實(shí)際意義的熱輻射波長在0.4～20μm，而且大部分能量位于紅外線區(qū)段，即0.76～20μm。0.4～0.8μm為可見光線的波長范圍，0.8～20μm為紅外線的波長范圍。電磁波譜第四節(jié)輻射傳熱(二)熱輻射對物體的作用總能量反射吸收穿透物體對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A＝1，則表示落在物體表面上的輻射能全部被物體吸收，這種物體稱為絕對黑體。沒有光澤的黑漆表面的吸收率為0.96～0.98，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，若入射角等于反射角，則物體稱為鏡體；若反射情況為漫反射，該物體稱為絕對白體。若D＝1，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)，可以使輻射傳熱計算大大簡化。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。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)被吸收完第四節(jié)輻射傳熱氣體對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，其穿透能力就差第四節(jié)輻射傳熱固體和液體物體對外界的輻射，以及對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范圍的輻射能,物體對投入輻射的吸收率與外界無關(guān)灰體也是理想氣體，但對于波長在0.4-20μm范圍內(nèi)的熱輻射，大多數(shù)工程材料可視為灰體實(shí)際物體對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有關(guān)

（3）投射輻射的波長

氣體不能近似地作為灰體處理第四節(jié)輻射傳熱（三）輻射傳熱物體在向外發(fā)出輻射能的同時，也在不斷地吸收周圍其他物體發(fā)出的輻射能，并將吸收的輻射能轉(zhuǎn)換為熱能，這種物體之間相互輻射和吸收輻射能的傳熱過程成為輻射傳熱。如果輻射傳熱是在兩個溫度不等的物體之間進(jìn)行，則輻射傳熱的結(jié)果是熱量由高溫物體向低溫物體進(jìn)行。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、單位時間內(nèi)所發(fā)出的全部波長的總能量E表征物體發(fā)射輻射能的能力發(fā)射能量與波長有關(guān)第四節(jié)輻射傳熱二、物體的輻射能力W/m2物體的單色輻射能力

:物體在一定溫度下發(fā)射某種波長的能力,單位為W/m3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、物體的輻射能力普朗克定律給出了黑體單色輻射能力與波長和溫度的分布關(guān)系，見下圖(4.4.3)λ：波長，μmT:黑體的絕對溫度，K;C1：常數(shù)，3.743x10-14W.m2；C2：常數(shù)，1.4387x10-2m.K；在一定溫度下，黑體輻射各種波長的能力不同，輻射能力隨波長的變化存在最大值，對應(yīng)的波長為λm，并且最強(qiáng)輻射處的波長一般都是短波。同時，單色輻射能力的最大值隨溫度的升高而移向波長較短的一邊。（1）最大單色輻射能力的波長第四節(jié)輻射傳熱黑體的輻射系數(shù)，其值為5.67

W/(m2·K4)黑體的輻射常數(shù)，其值為5.67×10－8W/(m2·K4)

熱輻射對溫度非常敏感，低溫時熱輻射往往可以忽略，高溫時則起主要作用。工程上為計算方便，寫成：（2）黑體的輻射能力斯蒂芬——波爾茨曼定律四次方定律第四節(jié)輻射傳熱(4.4.7)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)，W/(m2·K4)由于黑體具有最大的輻射能力，因此定義：物體的黑度ε，將灰體的輻射能力與同溫度下黑體的輻射能力之比，定義為物體的黑度。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，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）20－200～600940～1100200～600225～575200～600－200～600330～9100.88～0.930.8～0.90.80.55～0.610.11～0.190.039～0.0570.57～0.870.030.64～0.780.6～0.7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。物體表面的黑度是物體本身特性，取決于：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5.1×1014m2的黑體，求單位時間地球熱輻射的能量和最大單色輻射能力時的波長λm，并將此波長與太陽輻射的波長相比（表面溫度5800K）。 地球最大單色輻射能力時的波長解：單位時間地球熱輻射的能量為：太陽最大單色輻射能力時的波長波長的變化CO2等溫室氣體溫室效應(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)系灰體黑體兩壁熱平衡時對任意灰體，有透熱體(＝1)

對壁面1，熱量的收支差額為兩壁面間輻射傳熱的熱通量，W/m2

第四節(jié)輻射傳熱(4.4.12)平行平壁間的輻射傳熱灰體黑體克?；舴蚨苫殷w的吸收率數(shù)值等于同溫度下該物體的黑度定律表明，任何物體的輻射能力和吸收率的比值恒等于同溫度下黑體的輻射能力，并且只和溫度有關(guān)；善于吸收的物體必善于輻射；黑體的輻射能力最大。透熱體(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)(＝1)

兩個無限大灰體平行平壁間的輻射傳熱過程

壁1壁2輻射能多次被吸收和多次被反射單位時間內(nèi)離開壁1表面單位面積的總輻射能：單位時間內(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)物體1對物體2的總輻射系數(shù)，取決于壁面的性質(zhì)和兩個壁面的幾何因素。

單位時間內(nèi)兩壁面單位面積的輻射傳熱量為平壁壁面面積為A，則輻射傳熱速率為

壁1壁2第四節(jié)輻射傳熱(4.4.17)(4.4.19)

兩個表面之間的輻射傳熱量與兩個表面的相對位置有很大的關(guān)系兩個表面間的相對位置不同時，一個表面發(fā)出而落到另一個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)輻射傳熱對于任意形狀的兩個物體物體1對物體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℃，