第04章熱量傳遞

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,第一節(jié) 熱量傳遞的方式,一、熱傳導二、對流傳熱三、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：?對水或污泥進行加熱；?對管道及反應器進行保溫以減少系統(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

2、遞的方式,環(huán)境工程中涉及的傳熱過程主要有兩種情況：?強化傳熱過程，如各種熱交換設備中的傳熱；?削弱傳熱過程，如對設備和管道的保溫，以減少熱量損失。,傳熱速率問題,,根據(jù)傳熱機理的不同，熱的傳遞主要有三種方式：,熱傳導,對流傳熱,輻射傳熱,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。,流體中質(zhì)點發(fā)生相對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

3、發(fā)出輻射能的過程。,物體各部分之間無宏觀運動,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？(2)什么是對流傳熱？分別舉出一個強制對流傳熱和自然對流傳熱的實例。(3)簡述輻射傳熱的過程及其特點。(4)試分析在居室內(nèi)人體所發(fā)生的傳熱過程，設室內(nèi)空氣處于流動狀態(tài)。(5)若冬季和夏季的室溫均為18℃，人對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、傅立葉定律二、導熱系數(shù)三、通過平壁的

4、穩(wěn)定熱傳導四、通過圓管壁的穩(wěn)定熱傳導,本節(jié)的主要內(nèi)容,第二節(jié) 熱傳導,,,在氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)物質(zhì)中都可以發(fā)生，但傳遞的方式和機理是不同的。,?氣體熱量傳遞是氣體分子作不規(guī)則熱運動時相互碰撞的結果；,?固體以兩種方式傳遞熱量：晶格振動和自由電子的遷移；,?液體的結構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。,

5、條件：物體各部分之間無宏觀運動。,第二節(jié) 熱傳導,T=T0,,,Q,T=T1,熱流流量,t=0,,T=T0,T=T0,,需要一個恒定的熱量流量Q通過，才能維持溫度差,不變,,熱傳導的速率？,第二節(jié) 熱傳導,一、傅立葉定律,y方向上的熱量流量，也稱為傳熱速率，W,導熱系數(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，m2,y方向上的溫度梯度, K/m,,,

6、,,,傅立葉定律,第二節(jié) 熱傳導,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：,導溫系數(shù)，或稱熱量擴散系數(shù)，m2/s,熱量濃度,J/m3,,,,熱量傳遞的推動力,,令,第二節(jié) 熱傳導,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是所需要的熱量,代表

7、物質(zhì)的蓄熱能力,導熱系數(shù)，表明物質(zhì)的導熱能力,,,,,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散,或,,,第二節(jié) 熱傳導,導溫系數(shù),導熱物質(zhì)在單位面積、單位溫度梯度下的導熱速率,表明物質(zhì)導熱性強弱即導熱能力的大小,是物質(zhì)的物理性質(zhì)，與物質(zhì)的種類、溫度和壓力有關,不同物質(zhì)的導熱系數(shù)差異較大,第二節(jié) 熱傳導,二、導熱系數(shù),(4.2.5),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,二、導熱系數(shù),（

8、一） 的影響因素：,液體的導熱系數(shù),,,水,甘油,第二節(jié) 熱傳導,二、導熱系數(shù),（2）液體的導熱系數(shù)隨溫度升高而減?。ㄋ?、甘油例外）,,壓力對其影響不大。,經(jīng)驗公式：,1,6,T,[W?(m ?k)-1],[W?(m ?k)-1],（3）固體的導熱系數(shù)影響因素較多,純金屬的導熱系數(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,二、導熱系數(shù),固體的導熱系數(shù),金屬,液體,

9、隔熱材料,氣體,金屬50～415 W/(m·K)，合金12～120 W/(m·K),0.03～0.17 W/(m·K）,0.17～0.7 W/(m·K),0.007～0.17 W/(m·K),氫,水,水是工程上最常用的導熱介質(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熱系數(shù),第二節(jié) 熱傳導,,（1）在液體中，水的導熱系數(shù)最大

10、，20℃時為0.6W／(m· K)。因此，水是工程上最常用的導熱介質(zhì)。,（3）非金屬中，石墨的導熱系數(shù)最高，可達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）氣體的導熱系數(shù)很小，對導熱不利，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

11、了空隙中存在的氣體，使導熱系數(shù)變小。,第二節(jié) 熱傳導,(一)單層平壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導,平壁厚度為,，壁面兩側溫度分別為,一維穩(wěn)態(tài)熱傳導,,,第二節(jié) 熱傳導,三、通過平壁的穩(wěn)定熱傳導,(4.2.6),(4.2.7),,溫差 為傳熱的推動力。,,,,導熱熱阻，K/W,單位傳熱面積的導熱熱阻，m2·K/W,溫度差,傳導距離越大，傳熱壁面和導熱系數(shù)越小，則導熱熱阻越大,,,,,,第二節(jié) 熱傳導,【例題4.2.1】某平壁厚度

12、為400mm，內(nèi)表面溫度 ＝950℃，外表面溫度 ＝300℃，導熱系數(shù)λW/(m·K)， T 的單位為℃。若將導熱系數(shù)分別按常量（取平均導熱系數(shù)）和變量計算，試求導熱熱通量和平壁內(nèi)的溫度分布。,取為常數(shù),W/m2,W/(m·K),,？,T ？,,解：（1）導熱系數(shù)按平壁的平均溫度,第二節(jié) 熱傳導,(一)單層平壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導,（2）導熱系數(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，熱量通量不變

13、。因此,即溫度分布為直線關系。,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,,整理，得,此時溫度分布為曲線。,在x處,,,第二節(jié) 熱傳導,（二）多層平壁的熱傳導,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,,導熱熱阻,,,第二節(jié) 熱傳導,(4.2.10),附加熱阻——接觸熱阻,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

14、等有關,接觸熱阻,,（三）n層平壁的熱傳導,第二節(jié) 熱傳導,(4.2.11),,,,,,第二節(jié) 熱傳導,【例題4.2.2】,采用圓柱坐標時，即為一維穩(wěn)態(tài)熱傳導,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,四、通過圓管壁的穩(wěn)定熱傳導,(4.2.13),,,,,圓管壁的導熱熱阻，K/W,平壁的導熱熱阻,,對數(shù)平

15、均半徑,對數(shù)平均面積,第二節(jié) 熱傳導,第二節(jié) 熱傳導,n層圓管壁的熱傳導,假設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),設保溫層內(nèi)半徑為r處的溫度為T,,第二節(jié) 熱傳導,【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)

16、的溫度分布為曲線,第二節(jié) 熱傳導,(1)簡述傅立葉定律的意義和適用條件。(2)分析導溫系數(shù)和導熱系數(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)當平壁面的導熱系數(shù)隨溫度變化時，若分別按變量和平均導熱系數(shù)計算，導熱熱通量和平壁內(nèi)的溫度分布有何差異。(5)若采用兩種導熱系數(shù)不同的材料為管道保溫，試分析應如何布置效果最好。,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、對流傳熱的機理

17、三、對流傳熱速率四、對流傳熱系數(shù)的經(jīng)驗式五、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,流體中質(zhì)點發(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,對流與熱傳導的區(qū)別：,流體質(zhì)點的相對位移,（1）流動對傳熱的貢獻,攪拌杯中熱水,人站在冷風里,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,——與站在背風的地方相比感覺要冷得多,——人會感到?jīng)隹?電扇風速越大，感覺愈涼快些,第三節(jié) 對流傳熱,

18、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與對流聯(lián)合作用的結果。,（2）對流換熱過程,第三節(jié) 對流傳熱,列管式換熱器,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,（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）熱量由壁面的熱側傳到冷側,,（3）熱量由壁面的冷側傳到冷

19、流體,對流傳熱,對流傳熱,導熱,對流,對流,導熱,第三節(jié) 對流傳熱,強制對流傳熱,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）物性特征,（2）幾何特征,（3）流動特征,固體壁面的形狀、尺度、方位、粗糙度、是否處于管道進口段以及是彎管還是直管等。,,v,流體的密度,r,或比熱容,p

20、,c,越大，流體與壁面間的傳熱速率越大,v,導熱系數(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,一、影響對流傳熱的因素,,,,>,熱量傳遞,,固體壁面附近形

21、成溫度分布,,？,傳熱的機理,,第三節(jié) 對流傳熱,二、對流傳熱的機理,(一)流動邊界層的傳熱機理及溫度分布,流體層與層之間無流體質(zhì)點的宏觀運動，在垂直于流動方向上，熱量的傳遞通過導熱進行。,（1）層流邊界層,層流區(qū),湍流區(qū),,與靜止流體中的導熱一樣嗎？,第三節(jié) 對流傳熱,二、對流傳熱的機理,在靜止的流體中,在層流流動的流體中,機理相同,大小變化,質(zhì)點發(fā)生相對位移,對流傳熱,,實際上，流體流動使傳熱增強。,流體的流動增大了壁面處的溫度梯度

22、，使壁面處的熱通量較靜止時大,,(一)流動邊界層的傳熱機理及溫度分布,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，熱量傳導主要依靠導熱進行，符合傅立葉定律，溫度分布幾乎為直線；,,由于流體的導熱系數(shù)較低，使層內(nèi)導熱熱阻很大，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，

23、質(zhì)點的脈動較弱，對流與導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)點強烈脈動，使主體部分的溫度趨于均一，熱量傳遞主要依靠對流進行，導熱所起的作用很??；,,,,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。,?湍流傳熱速率遠大于層流。,層流底層,緩沖層,湍

24、流中心,湍流區(qū),,,,減少層流底層厚度是強化傳熱的重要途徑,湍流流動中存在流體質(zhì)點的隨機脈動，促使流體在y方向上摻混，傳熱過程被強化,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）,

25、(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)Pr,表明分子動量傳遞能力和分子熱量傳遞能力的比值。,Pr＝1時，δ＝δT,δ>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系,

26、Pr,,>,,,,,,,,,,,(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),,,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

27、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)。在實際工程中，常采用平均值進行計算，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，其

28、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,,第三節(jié) 對流傳熱,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?。?如何確定對流傳熱系數(shù)？,對流傳熱微分方程式,——理論上計算對流傳熱系數(shù)的基礎,,,第三節(jié) 對流傳熱,（二）對流傳熱系數(shù),,,層流邊界層或層流底層的厚度減小,通過改

29、善流動狀況使層流底層厚度減小，是工程上強化對流傳熱的主要途徑之一,,,（1）量綱分析,（2）利用動量傳遞與熱量傳遞的類似性（三傳類比）,求解對流傳熱系數(shù)的途徑,對流傳熱系數(shù)的經(jīng)驗式,,第三節(jié) 對流傳熱,（二）對流傳熱系數(shù),(4.3.3),無相變時管內(nèi)強制對流,大空間自然對流,(一)管內(nèi)強制對流傳熱,1．流體在圓形直管內(nèi)呈強烈的湍流狀態(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

30、常溫水的黏度）的流體,第三節(jié) 對流傳熱,四、對流傳熱系數(shù)的經(jīng)驗式,(4.3.6a),(4.3.6b),,,,定性溫度：流體進出口溫度的算術平均值。特征尺寸：管內(nèi)徑,應用條件：,應用范圍：,傳熱面的類型要相同，同時無量綱準數(shù)Re、Pr和Gr應在實驗數(shù)值范圍內(nèi)，原則上不能外推。因此，準數(shù)關聯(lián)式通常給出Re、Pr或Gr的數(shù)值范圍。,無量綱準數(shù)與定性溫度、特征尺寸和特征速度相對應，使用準數(shù)方程時必須嚴格按照該方程的規(guī)定選取定性溫度、特征尺寸和

31、特征速度。,第三節(jié) 對流傳熱,(一)管內(nèi)強制對流傳熱,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。,對于 <50的短管，由于進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。為了修正進口段的影響，乘以大于1的短管修正系數(shù),,,強化傳熱：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),(一)管內(nèi)強制對流傳熱,2．流體在圓形直管內(nèi)呈層流狀態(tài)流動,

32、① 層流流動下進口段影響較大,② 往往需要考慮附加的自然對流傳熱的影響,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,(一)管內(nèi)強制對流傳熱,除黏度 的溫度為壁溫外，其余均為流體進、出口溫度的算術平均值。,定性溫度：,特征尺寸：管內(nèi)徑應用范圍：,應用條件：,小管徑且流體和壁面的溫差不大時， <25 000，自然對流的影響可以忽略,(4.3.10),第三節(jié) 對流傳熱

33、,(一)管內(nèi)強制對流傳熱,對于2300≤ ≤104時的過渡區(qū)，其傳熱情況非常復雜，對流傳熱系數(shù)可先用湍流時的經(jīng)驗式計算，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),4.流體在圓形直管內(nèi)呈強烈的湍流狀態(tài)流動,(4.3.6b),(一)管內(nèi)強制對流傳熱,?流體在彎曲管道內(nèi)流動時的對流傳熱系數(shù),兩個途徑：（1）將特征尺寸改為當量直徑，仍用圓管計算式計算，方法簡便，但計算準確性欠佳；（

34、2）直接實驗找到計算對流傳熱系數(shù)的經(jīng)驗方式。,R——彎管的曲率半徑,由于離心力的作用，擾動加劇，使傳熱系數(shù)增加,?非圓形管內(nèi)強制對流的傳熱系數(shù),第三節(jié) 對流傳熱,(4.3.13),(一)管內(nèi)強制對流傳熱,(二)大空間自然對流傳熱,對流傳熱系數(shù)與 和 有關,與傳熱表面的性質(zhì)和位置以及 有關,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，稱為自然對流。,大空間自然對流傳熱是指固體壁面邊界層

35、的發(fā)展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備、中溫或高溫反應器、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平均值,第三節(jié) 對流傳熱,(二)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？,,,,傳導熱阻,對流傳熱熱阻,當保溫層厚度增加（即 增大）時,,,熱傳導,對

36、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1

37、0 W/(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,當保溫層厚度為2mm時，,,＝0.029m,W

38、/m,℃,,,,,第三節(jié) 對流傳熱,同理，當保溫層厚度為5mm時，,＝0.035m,當保溫層厚度為7mm時，,＝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,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。,第三節(jié) 對流傳熱,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

39、，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。,第三節(jié) 對流傳熱,傳熱設備,換熱器是工業(yè)生產(chǎn)中重要的單元操作設備之一。類型很多，特點不一，可根據(jù)生產(chǎn)工藝要求進行選擇。 依據(jù)傳熱原理和實現(xiàn)熱交換的方法，換熱器可分為間壁式、混合式及蓄熱式三類，其中以間壁式換熱器應用最普通。,一、間壁式換熱器 1．夾套式換熱器 主要應用于反應過程的加熱或冷卻。該種換熱器的傳熱系數(shù)較小，傳熱面又受容器的限制，

40、因此適用于傳熱量不太大的場合。為了提高其傳熱性能，可在容器內(nèi)安裝攪拌器，使器內(nèi)液體作強制對流；為了彌補傳熱面的不足，還可在器內(nèi)安裝蛇管等。,2．蛇管式換熱器（1）沉浸式蛇管換熱器優(yōu)點：結構簡單，價格低廉，便于防腐蝕，能承受高壓缺點：由于容器的體積較蛇管的體積大得多，故管外流體的a較小，因而總傳熱系數(shù)K值也較小。（2）噴淋式換熱器 和沉浸式蛇管換熱器相比，具有便于檢修和清洗、傳熱效果較好等優(yōu)點，缺點是噴淋不易均勻。,列管式換熱

41、器的基本型式和設計計算 列管式換熱器是目前化工生產(chǎn)中應用最廣泛的傳熱設備，與前述的各種換熱器相比，主要優(yōu)點是單位體積所具有的傳熱面積大以及傳熱效果好。此外，結構簡單，制造的材料范圍較廣，操作彈性也較大等，因此，在高溫、高壓和大型裝置上多采用列管式換熱器。,列管式換熱器的基本型式(按補償應力方式分） 1．固定管板式,固定管板式,2．U型管換熱器,3．浮頭式換熱器,新型的換熱器一、翅片式換熱器,,板式換熱器

42、優(yōu)點：結構緊湊、單位體積設備提供的傳熱面積大；總傳熱系數(shù)高，如對低粘度液體的傳熱，K值可高達7000W/（m.℃）；可根據(jù)需要增減板數(shù)以調(diào)節(jié)傳熱面積；檢修和清洗都較方便等。缺點：處理量不大；操作壓強比較低，一般低于15atm，最高也不超過20atm；因受墊片耐熱性能的限制，操作溫度不能太高，一般對合成橡膠墊圈不超過130℃，壓縮石棉墊圈也低于250℃,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

43、熱,－導熱,－對流傳熱,A1,A2,Am b,外側,內(nèi)側,,,,,,（1）熱流體將熱量傳給固體壁面,（2）熱量從壁的熱側面?zhèn)鞯嚼鋫让?（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,冷側流體對壁面的傳熱速率為,外側,內(nèi)側,,,,,,,,（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,

44、傳熱過程總推動力,傳熱總熱阻,總熱阻等于各項熱阻之和,（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),,,以外表面積作為基準,對于平壁或薄管壁,熱側為外側時,表示換熱設備性能的極為重要的參數(shù),（二）總傳熱系數(shù),第三節(jié) 對流傳熱,(4.3.25),污垢熱阻,外側表面上單位傳熱面積的污垢熱阻,內(nèi)側表面上單位傳熱面積的污垢熱阻,,,比間壁的熱阻大得多,難以準確估計，采用經(jīng)驗值,對于平壁或薄管壁

45、，有,第三節(jié) 對流傳熱,(4.3.26),若,間壁外側對流傳熱控制,間壁內(nèi)側對流傳熱控制,若污垢熱阻很大，則稱為污垢熱阻控制，此時 欲提高必須設法減慢污垢形成速度或及時清除污垢,,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80 W/（m2·K）；冷卻水在管內(nèi)流過，對流傳熱系數(shù)為5000 W/（m2·K）。冷卻管為φ25×2.5mm的鋼管，其導熱系數(shù)為45 W/（

46、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的總傳熱系數(shù)滿足,即,=25mm，,=20mm,W/（m2·K）,第三節(jié) 對流傳熱,（2）若 提高一倍，則,W/（m2·K）,,可見，氣側熱阻遠大于水側熱阻，增加氣側對流

47、傳熱系數(shù)，所引起的總傳熱系數(shù)的提高遠遠大于增加水側對流傳熱系數(shù)。,W/（m2·K）,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,間壁式換熱器,并流,,,逆流,,,錯流,,,折流,,,變溫傳熱,(三)傳熱推動力,第三節(jié) 對流傳熱,以列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,Th1,Tc1,Th2,Tc2,Th1,Th2,Tc1,Tc2,Th1,

48、Th2,Tc1,Tc2,Th1,Th2,Tc2,Tc1,,,,,逆流,并流,第三節(jié) 對流傳熱,Th1,Th2,Tc1,Tc2,,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),Th1,Th2,Tc1,Tc2,,通過微元面的傳熱量為,,在微元中

49、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,時，對數(shù)平均值與算術平均值的差小于4％，此時在工程計算中可以用算術平均值代替對數(shù)平均值。,,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

50、,,,,,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,結論：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。,【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

51、傳熱系數(shù)相同的條件下，采用逆流操作，其優(yōu)點是：（1）可以節(jié)省傳熱面積，減少設備費；（2）或可以減少換熱介質(zhì)的流量，降低運行費。 因此，在實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。有的化工物料受限制。,對于高溫換熱器，應避免采用逆流操作,逆流操作的缺點：,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

52、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，在設計時最好使溫度修正系數(shù)>0.9；當其<0.8時，經(jīng)濟上不合理，應另選其他形式，如增加殼程數(shù)，或將多臺換熱器串聯(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:

53、 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,,,,,,,單殼程,兩殼程,第三節(jié) 對流傳熱,,,,,三殼程,錯流,第三節(jié) 對流傳熱,當換熱器出口溫度未知時，需通過反復試算,傳熱單元數(shù)法（NTU）,,傳熱效率－傳熱單元數(shù)法（ε-NTU）,,1.傳熱效率ε,意義：流體可用的熱量被利用的程度,(四)傳熱單元數(shù),第三節(jié) 對流傳熱,(4.3.28),若換熱

54、器的熱損失可以忽略，兩流體均無相變，則,實際傳熱量：,最大可能傳熱量：,理論上換熱器中可能達到的最大溫差,兩流體中最小的熱容流量,,,,,熱流體的熱容流量較?。?冷流體的熱容流量較?。?ε,,,第三節(jié) 對流傳熱,(4.3.36),(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:,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

55、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)進行傳熱計算時，應以熱容流量小的流體為基準,基于熱容流量小的流體的傳熱單元長度，單位為m,設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),(4.3.4

56、2),(4.3.43),3.傳熱效率和傳熱單元數(shù)的關系,可根據(jù)傳熱速率方程和熱量衡算式導出,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,,第三節(jié) 對流傳熱,(4.3.45),(4.3.44),(4.3.46),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的ε； 根據(jù)冷熱流體進口溫度等已知量，計算傳熱速率；

57、 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,第三節(jié) 對流傳熱,(1)簡述影響對流傳熱的因素。(2)簡述對流傳熱的機理、傳熱阻力的分布及強化傳熱的措施。(3)為什么流體層流流動時其傳熱過程較靜止時增強？(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)與流量和管徑的關系，若要提高對流傳熱系數(shù)

58、，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，要強化換熱過程，需在哪一側采取措施？(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)

59、容,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)部微觀粒子的熱運動狀態(tài)改變時激發(fā)出來的,熱力學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；同時也不斷地吸收周圍物體投射到它上面的熱輻射，并轉變?yōu)闊崮堋?——輻射傳熱,熱平衡時，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，隨著溫度

60、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,在工程中有實際意義的熱輻射波長在0.38～100μm，而且大部分能量位于紅外線區(qū)段，即0.76～20μm。,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

61、),?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

62、體或透熱體。,引入理想物體的概念，作為實際物體與之比較的標準，可以使輻射傳熱計算大大簡化。,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)結構,一般固體和液體都是不透熱體，即D ＝0，A+R=1,輻射能進入其表面后，在極短的距離內(nèi)被吸收完,金屬導體：1μm的數(shù)量級非導電體材料：<1mm

63、,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重要,?氣體發(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,灰體: 能以相同的吸收率吸收所有波長范圍的輻射能,大多數(shù)工程材

64、料可視為灰體,?實際物體對投入輻射的吸收率不僅和物體本身的情況有關，而且還與輻射物體投入的輻射波長有關,灰體對投入輻射的吸收率與外界無關,（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,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,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

65、,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,黑體單色輻射能力按波長的分布規(guī)律,(4.4.3),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5.67×10－8 W/ (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

66、時則起主要作用。,工程上,（2）黑體的輻射能力,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,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),由于黑體具有最大的輻射能力，因此,,定義：物體的黑度ε,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

67、糙度及氧化程度，是物體本身的特性，一般可通過實驗確定。,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5.1×1014m2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

68、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,,溫室效應,第四節(jié) 輻射傳熱,(三)物體的輻射能力與吸收能力的關系,灰體,黑體,,,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),灰體,黑體,,,克?；舴蚨?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