第04章 热量传递.pdf

2012-3-161第四章热量传递第一节 热量传递的方式第二节 热传导第三节 对流传热第四节 辐射传热第五节 换热器本章主要内容第四章 热量传递2012-3-162第一节 热量传递的方式一、热传导二、对流传热三、辐射传热本节的主要内容在环境工程中，很多过程涉及加热和冷却：?对水或污泥进行加热；?对管道及反应器进行保温以减少系统的热量散失；?在冷却操作中移出热量。传热是极普遍的过程：凡是有温差存在的地方，就必然有热量传递。第一节 热量传递的方式环境工程中涉及的传热过程主要有两种情况：?强化传热过程，如各种热交换设备中的传热；?削弱传热过程，如对设备和管道的保温，以减少热量损失。传热速率问题2012-3-163根据传热机理的不同，热的传递主要有三种方式：热传导对流传热辐射传热通过物质的分子、原子和电子的振动、位移和相互碰撞发生的热量传递过程。流体中质点发生相对位移而引起的热量传递过程，仅发生在液体和气体中。通常认为是流体与固体壁面之间的热传递过程。物体由于热的原因而发出辐射能的过程。物体各部分之间无宏观运动第一节 热量传递的方式一、傅立叶定律二、导热系数三、通过平壁的稳定热传导四、通过圆管壁的稳定热传导本节的主要内容第二节 热传导2012-3-164在气态、液态和固态物质中都可以发生，但传递的方式和机理是不同的。?气体热量传递是气体分子作不规则热运动时相互碰撞的结果；?固体以两种方式传递热量：晶格振动和自由电子的迁移；?液体的结构介于气体和固体之间，分子可作幅度不大的位移，热量的传递既由于分子的振动，又依靠分子间的相互碰撞。机理：通过物质的分子、原子和电子的振动、位移和相互碰撞发生的热量传递过程。条件：物体各部分之间无宏观运动。第二节 热传导T=T0QT=T1热流流量t=0T=T0T=T0需要一个恒定的热量流量Q通过，才能维持温度差01TTT=不变热传导的速率？第二节 热传导一、傅立叶定律2012-3-165YTAQ=yTAQqdd=y方向上的热量流量，也称为传热速率，W导热系数，W/(mK)y方向上热量通量，即单位时间内通过单位面积传递的热量，又称为热流密度，W/m2垂直于热流方向的面积，m2y方向上的温度梯度,K/m傅立叶定律第二节 热传导一、傅立叶定律(4.2.1)(4.2.2)yTAQqdd=热量通量与温度梯度成正比负号表示热量通量方向与温度梯度的方向相反，即热量是沿着温度降低的方向传递的。yTccqppdd=变换：pca=yTcaqpd)d(=导温系数，或称热量扩散系数，m2/s热量浓度,J/m3热量传递的推动力令第二节 热传导一、傅立叶定律(4.2.3)(4.2.4)2012-3-166是物质的性质，反映温度变化在物体中的传播能力pca=单位体积物质温度升高1oC时所需要的热量,代表物质的蓄热能力导热系数，表明物质的导热能力apc说明物体的某部分一旦获得热量，该热量能在整个物体中很快扩散或第二节 热传导导温系数yTqdd=导热物质在单位面积、单位温度梯度下的导热速率表明物质导热性强弱即导热能力的大小是物质的物理性质，与物质的种类、温度和压力有关不同物质的导热系数差异较大第二节 热传导二、导热系数(4.2.5)2012-3-167对于同一种物质，值可能随不同的方向变化各向异性（1）气体的导热系数随温度升高而增高，近似与绝对温度的平方根成正比。一般情况下，压力对其影响不大，但在高压（高于200MPa）或低压（低于2.7kPa）下，气体的导热系数随压力的升高而增大。气体的导热系数第二节 热传导二、导热系数（一）的影响因素：液体的导热系数水甘油第二节 热传导二、导热系数（2）液体的导热系数随温度升高而减小（水、甘油例外）bTa+=压力对其影响不大。经验公式：16TW(m k)-1W(m k)-12012-3-168（3）固体的导热系数影响因素较多纯金属的导热系数随温度升高而减小；合金却相反，随温度上升而增大。晶体的导热系数随温度的升高而减小，非晶体则相反。第二节 热传导二、导热系数固体的导热系数金属液体隔热材料气体金属50415 W/(mK)，合金12120 W/(mK)0.030.17 W/(mK）0.170.7 W/(mK)0.0070.17 W/(mK)氢水水是工程上最常用的导热介质换热壁面材料多孔材料作为保温材料保温材料受潮后隔热性能将大幅度下降防潮（二）工程中常用材料的导热系数第二节 热传导2012-3-169（1）在液体中，水的导热系数最大，20时为0.6W(m K)。因此，水是工程上最常用的导热介质。（3）非金属中，石墨的导热系数最高，可达100200W（mK），高于一般金属；同时，由于其具有耐腐蚀性能，因此石墨是制作耐腐蚀换热器的理想材料。水比空气的导热系数大得多，隔热材料受潮后其隔热性能将大幅度下降。因此，露天保温管道必须注意防潮。（2）气体的导热系数很小，对导热不利，但利于绝热、保温。工业上常用多孔材料作为保温材料，就是利用了空隙中存在的气体，使导热系数变小。第二节 热传导(一)单层平壁的稳态热传导平壁厚度为b，壁面两侧温度分别为1T2T12TT一维稳态热传导xAQddT=10:xTT=2:xb TT=)(21TTAbQ=b1T2T第二节 热传导三、通过平壁的稳定热传导(4.2.6)(4.2.7)2012-3-1610rTAQq=T温差为传热的推动力。)(21TTAbQ=AbR=RTRTTQ=)(21br=导热热阻，K/W单位传热面积的导热热阻，m2K/W温度差传导距离越大，传热壁面和导热系数越小，则导热热阻越大传热速率=传热的推动力导热热阻第二节 热传导【例题4.2.1】某平壁厚度b为400mm，内表面温度T1950，外表面温度T2300，导热系数=1.0+0.001T,式中 的单位为W/(mK)，T 的单位为。若将导热系数分别按常量（取平均导热系数）和变量计算，试求导热热通量和平壁内的温度分布。取为常数12m95030062522TTT+=m1.00.001 6251.625=+=12m9503001.62526410.4TTqb=W/m2W/(mK)？T？q解：（1）导热系数按平壁的平均温度第二节 热传导(一)单层平壁的稳态热传导2012-3-1611（2）导热系数取为变量xTTxTqdd)001.00.1(dd+=分离变量并积分=+bTTxqTT0dd)001.00.1(21对于平壁上的稳态一维热传导，热量通量不变。因此2212120.001()()2TTTTqb+=1m2641950950 16251.625qTTxxx=即温度分布为直线关系。以x表示沿壁厚方向上的距离，在x处等温面上的温度为第二节 热传导22110.001()()2TTTTqx+=20.001(950)(950)26412TTx+=整理，得20.0011401264102TTx+=此时温度分布为曲线。在x处22121222210.001()()210.001(950300)(950300)0.422641W/mqTTTTb=+=+=第二节 热传导2012-3-1612（二）多层平壁的热传导AbAbAbTTRRRTTTQ33221141321321+=+=串联热阻叠加原则层与层之间接触良好11QRT=22QRT=33QRT=热阻越大，通过该层的温度差也越大1b1232b3b1T2T3T4TQ121111()TTTQAbR=传热的推动力导热热阻232222()TTTAbR=343333()TTTAbR=第二节 热传导(4.2.10)附加热阻接触热阻层与层之间存在空气层2201131brbTTq+=与接触面的材料、接触界面的粗糙度、接触面的压紧力和空隙中的气压等有关接触热阻（三）n层平壁的热传导111111nnnniiiiiTTTTbRA+=Q=第二节 热传导(4.2.11)2012-3-1613AbAbAbTTQ33221141+=11qrT=22qrT=33qrT=33221141bbbTTq+=211TTT=322TTT=【例】某平壁炉的炉壁由三种材料组成，分别为耐火砖：【例】某平壁炉的炉壁由三种材料组成，分别为耐火砖：11.4 W/(mK)，1b225mm；保温砖：；保温砖：20.15W/(mK)，2b115mm；建筑砖：；建筑砖：30.8W/(mK)，3b225mm。测得炉内壁温度为。测得炉内壁温度为 930，外壁温度为，外壁温度为 55，求单位面积炉壁的热损失及各层间界面上的温度。，求单位面积炉壁的热损失及各层间界面上的温度。2T3Tq第二节 热传导【例题【例题4.2.2】采用圆柱坐标时，即为一维稳态热传导对于半径为r的等温圆柱面，根据傅立叶定律，有dd(2)ddTTQArLrr=稳态导热时，径向的Q为常数，将上式分离变量并积分2211d2drTrTrQLTr=传热面积随半径发生变化内径r1外径r21T2Trd1212212lnTTTTQLrRr=半径r第二节 热传导四、通过圆管壁的稳定热传导(4.2.13)2012-3-161412mTTQbA=21ln2rrRL=mbRA=21brr=21m21lnAAAAA=当21(/)2rr 时，可以用算术平均值代替对数平均值，简化计算21m21lnrrrrr=mm2Ar L=1212212lnTTTTQLrRr=21ln2rrRL=圆管壁的导热热阻，K/W AbR=平壁的导热热阻对数平均半径对数平均面积第二节 热传导第二节 热传导n层圆管壁的热传导假设层与层之间接触良好，根据串联热阻叠加原则，有111111nnnniiiiimiTTTTQbRA+=(4.2.13)2012-3-161512212lnTTQLrr=12212lnTTQrLr=设保温层内半径为r处的温度为T112lnTTQrLr=第二节 热传导【例题4.2.3】外径为426mm的蒸汽管道外包装厚度为426mm的保温材料，保温材料的导热系数为0.615W/(mK)。若蒸汽管道外表面温度为177，保温层的外表面温度为38，试求每米管长的热损失和保温层中的温度分布。保温层内的温度分布为曲线作业 4.3 4.42012-3-1616第三节 对流传热一、影响对流传热的因素二、对流传热的机理三、对流传热速率四、对流传热系数的经验式五、保温层的临界直径六、间壁传热过程计算本节的主要内容流体中质点发生相对位移而引起的热量传递过程对流传热仅发生在流体中对流与热传导的区别：流体质点的相对位移（1）流动对传热的贡献搅拌杯中热水人站在冷风里在高温的夏季里，打开电扇流体流动使对流传热速率加快加快热水冷却与站在背风的地方相比感觉要冷得多人会感到凉快电扇风速越大，感觉愈凉快些第三节 对流传热2012-3-1617对流换热指流体流过与其温度不同的固体壁面时流体与壁面之间的热量交换对流换热过程是热传导与对流联合作用的结果。（2）对流换热过程第三节 对流传热列管式换热器工程中常见的对流换热过程间壁式换热器的换热过程流体的热交换热交换器（换热器）套管式换热器第三节 对流传热2012-3-1618（3）间壁式换热器热量传递过程：（1）热量由热流体传给固体壁面（2）热量由壁面的热侧传到冷侧（3）热量由壁面的冷侧传到冷流体对流传热对流传热导热对流对流导热第三节 对流传热强制对流传热流体在外加能量的作用下处于流动状态自然对流传热流体由于内部温度差产生密度差而流动流体在传热过程中有无相变热水冷却蒸汽冷凝套管式换热器（4）对流传热问题的分类暖气片第三节 对流传热2012-3-1619（1）物性特征（2）几何特征（3）流动特征固体壁面的形状、尺度、方位、粗糙度、是否处于管道进口段以及是弯管还是直管等。pca=?流体的密度或比热容pc越大，流体与壁面间的传热速率越大?导热系数越大，热量传递越迅速；?流体的黏度越大，越不利于流动，会削弱与壁面的传热。第三节 对流传热一、影响对流传热的因素（3）流动特征流动起因（自然对流、强制对流）流动状态（层流、湍流）有无相变化（液体沸腾、蒸汽冷凝）流体对流方式（并流、逆流、错流）第三节 对流传热一、影响对流传热的因素2012-3-1620WT0TWT0T热量传递固体壁面附近形成温度分布？传热的机理第三节 对流传热二、对流传热的机理(一)流动边界层的传热机理及温度分布流体层与层之间无流体质点的宏观运动，在垂直于流动方向上，热量的传递通过导热进行。（1）层流边界层层流区湍流区WT0T与静止流体中的导热一样吗？第三节 对流传热二、对流传热的机理2012-3-1621在静止的流体中在层流流动的流体中机理相同大小变化质点发生相对位移对流传热实际上，流体流动使传热增强。流体的流动增大了壁面处的温度梯度，使壁面处的热通量较静止时大(一)流动边界层的传热机理及温度分布第三节 对流传热（2）湍流边界层层流底层缓冲层湍流中心湍流区层流底层中，热量传导主要依靠导热进行，符合傅立叶定律，温度分布几乎为直线；由于流体的导热系数较低，使层内导热热阻很大，因此该层中温度差较大，温度分布曲线的斜率大。由边界层的流动情况决定(一)流动边界层的传热机理及温度分布第三节 对流传热2012-3-1622层流底层缓冲层湍流中心湍流区缓冲层中，质点的脉动较弱，对流与导热的作用大致处于同等地位，由于对流传热的作用，温度梯度变小。在湍流中心，质点强烈脉动，使主体部分的温度趋于均一，热量传递主要依靠对流进行，导热所起的作用很小；温度梯度很小，即传热热阻很小，温度分布曲线趋于平坦。(一)流动边界层的传热机理及温度分布第三节 对流传热?湍流传热时，流体从主流到壁面的传热过程也为稳定的串联传热过程，热阻集中在层流底层上。?湍流传热速率远大于层流。层流底层缓冲层湍流中心湍流区减少层流底层厚度是强化传热的重要途径湍流流动中存在流体质点的随机脉动，促使流体在y方向上掺混，传热过程被强化热阻分布情况？湍流传热速率的大小？(一)流动边界层的传热机理及温度分布第三节 对流传热2012-3-1623将(T-TW)0.99(T0-TW)处作为传热边界层的界限，该界限到壁面的距离称为边界层的厚度。壁面附近因传热而使流体温度发生变化的区域（即存在温度梯度的区域）(二)传热边界层（1）传热边界层（2）传热边界层的厚度T边界层以外的区域认为不存在温度梯度。传热过程的阻力主要集中在传热边界层内，传热阻力取决于传热边界层的厚度。T第三节 对流传热取决于普兰德数PraprcP=表明分子动量传递能力和分子热量传递能力的比值。T=pca=Pr1时，TT温度变化主要在层流底层中，热阻主要集中在层流底层中(二)传热边界层第三节 对流传热流动边界层厚度与传热边界层厚度间的关系Pr2012-3-1624WT0TWT0T2TTAQ=dd1TdA(一)牛顿冷却定律通过传热面dA的局部对流传热速率局部对流传热系数dAQ第三节 对流传热三、对流传热速率(4.3.1)(一)牛顿冷却定律TAQ=ddWTTT=WTTT=与传热方向垂直的微元传热面积，m2局部对流传热系数，或称为膜系数，W/（m2K）流体与固体壁面dA之间的温差，K通过传热面dA的局部对流传热速率，W流体被冷却时在流体被加热时与流体相接触的传热壁面的温度，K流体的温度通过传热面的传热速率正比于固体壁面与周围流体的温度差和传热面积第三节 对流传热2012-3-1625TAQ=ATQ1=A1为对流传热热阻。局部对流传热系数在传热过程中，温度沿程变化，因此对流系数为局部的参数。在实际工程中，常采用平均值进行计算，因此牛顿冷却定律可写成W/（m2K）对流传热速率也可以用对流传热热阻表示，即AbR=导热热阻第三节 对流传热(一)牛顿冷却定律(4.3.2a)(4.3.2b)式中，y不是实际的流体层厚度，而是某个虚拟的流体层厚度，称之为有效膜厚度。比较傅立叶定律与牛顿冷却定律可以发现y在厚度y内集中了全部的传热热阻，这样把一个对流传热过程的热阻相当于某个厚为y的静止流体膜所造成的导热热阻。有效膜厚度第三节 对流传热ddTQAy=TAQ=ddy=(4.3.1)(4.2.2)2012-3-1626（二）对流传热系数不是物性参数，与很多因素有关，其大小取决于流体物性、壁面情况、流动原因、流动状况、流体是否有相变等第三节 对流传热换热方式空气自然对流525气体强制对流20100水自然对流2001000水强制对流100015000水蒸气冷凝500015000有机蒸气冷凝5002000水沸腾250025000流体与固体壁面之间的热量传递必然通过紧贴壁面速度为零的流体层，其传热为导热，因此传热规律遵循傅立叶定律。用表示近壁处的温度梯度，则0=yyT0dd=yyTAQ牛顿冷却定律0=yyTT很难得出！如何确定对流传热系数？TAQ=dd对流传热微分方程式理论上计算对流传热系数的基础y第三节 对流传热（二）对流传热系数2012-3-16270=yyTT层流边界层或层流底层的厚度减小通过改善流动状况使层流底层厚度减小，是工程上强化对流传热的主要途径之一（1）量纲分析（2）利用动量传递与热量传递的类似性求解对流传热系数的途径对流传热系数的经验式第三节 对流传热（二）对流传热系数(4.3.3)无相变时管内强制对流大空间自然对流(一)管内强制对流传热1流体在圆形直管内呈强烈的湍流状态流动0.8f0.023NuRePr=努塞尔特数LNu=pcPr=普兰德数0.8ii0.023fpcd ud=流体被冷却时,f0.3流体被加热时,f0.4对于低黏度（小于2倍常温水的黏度）的流体第三节 对流传热四、对流传热系数的经验式(4.3.6a)(4.3.6b)2012-3-1628定性温度：流体进出口温度的算术平均值。特征尺寸：管内径id410Re 0.7120Pr管内壁面光滑；管长与管径之比i/L d50。应用条件：应用范围：传热面的类型要相同，同时无量纲准数Re、Pr和Gr应在实验数值范围内，原则上不能外推。因此，准数关联式通常给出Re、Pr或Gr的数值范围。无量纲准数与定性温度、特征尺寸和特征速度相对应，使用准数方程时必须严格按照该方程的规定选取定性温度、特征尺寸和特征速度。第三节 对流传热(一)管内强制对流传热湍流情况下，对流传热系数与流速的0.8次方成正比，与管径的0.2次方成反比。/iL d对于50的短管，由于进口段流体的速度和温度在不断变化，因此对流传热系数变化较大。为了修正进口段的影响，乘以大于1的短管修正系数0.7il1dL=+0.8ii0.023fpcd ud=强化传热：提高流速或采用小直径的管道，其中提高流速更为有效。第三节 对流传热(4.3.6b)(一)管内强制对流传热i/L d2012-3-16292流体在圆形直管内呈层流状态流动 层流流动下进口段影响较大 往往需要考虑附加的自然对流传热的影响322Lg TGr=格拉晓夫数，表示自然对流影响的特征数为体积膨胀系数层流与湍流流动传热的区别：第三节 对流传热(一)管内强制对流传热除黏度的温度为壁温外，其余均为流体进、出口温度的算术平均值。定性温度：W特征尺寸：管内径应用范围：2300Re 0.66700Prid应用条件：小管径且流体和壁面的温差不大时，25 000，自然对流的影响可以忽略Gr10.14113Wi331.86dNuRe PrL=(4.3.10)第三节 对流传热(一)管内强制对流传热2012-3-1630对于2300 104时的过渡区，其传热情况非常复杂，对流传热系数可先用湍流时的经验式计算，再乘以小于1的修正系数Re51.86 101Re=3.流体在圆形直管内呈过渡流状态流动第三节 对流传热(4.3.12)4.流体在圆形直管内呈强烈的湍流状态流动0.8ii0.023fpcd ud=(4.3.6b)(一)管内强制对流传热?流体在弯曲管道内流动时的对流传热系数两个途径：（1）将特征尺寸改为当量直径，仍用圆管计算式计算，方法简便，但计算准确性欠佳；（2）直接实验找到计算对流传热系数的经验方式。R弯管的曲率半径由于离心力的作用，扰动加剧，使传热系数增加?非圆形管内强制对流的传热系数(1 1.77/)idR=+第三节 对流传热(4.3.13)(一)管内强制对流传热2012-3-1631(二)大空间自然对流传热对流传热系数与和有关GrPr()nNuC Gr Pr=?Cn与传热表面的性质和位置以及有关Gr Pr（）固体壁面与静止流体之间由于流体内部存在温差造成密度差，由此产生升浮力使流体流动，称为自然对流。大空间自然对流传热是指固体壁面边界层的发展不受空间限制或干扰的自然对流传热。换热过程中常用的换热设备、中温或高温反应器、热水或蒸汽管道等的热表面向周围大气的对流散热定性温度取壁面与流体平均温度的算术平均值第三节 对流传热(二)大空间自然对流传热第三节 对流传热表4.3.2 常见大空间自然对流时的C和n值2012-3-1632设备和管道保温的方法是在其外部包装绝热材料问题：保温层的厚度？越厚越好？c1TfT1d2d1f1f21122ln(/)12ccTTTTQddRRLd L=+211ln(/)2ddRL=221Rd L=传导热阻对流传热热阻当保温层厚度增加（即增大）时2d1R2R热传导对流传热Q?第三节 对流传热五、保温层的临界直径(4.3.19)12222212112()2d0dln(/)1cfL TTddQdddd=由此得到热损失为最大值时的保温层直径：Q2c2dd=2dddQ为正值保温层的临界直径保温层的临界厚度c12dd如果保温层的外径小于临界直径即2cdd111K12211K间壁外侧对流传热控制间壁内侧对流传热控制若污垢热阻很大，则称为污垢热阻控制，此时欲提高必须设法减慢污垢形成速度或及时清除污垢S1S212111brrK=+第三节 对流传热【例题4.3.5】一空气冷却器，空气在管外横向流过，对流传热系数为80 W/（m2K）；冷却水在管内流过，对流传热系数为5000 W/（m2K）。冷却管为252.5mm的钢管，其导热系数为45 W/（mK）。求（1）该状态下的总传热系数；（2）若将管外对流传热系数提高一倍，其他条件不变，总传热系数如何变化？（3）若将管内对流传热系数提高一倍，其他条件不变，总传热系数如何变化？第三节 对流传热2012-3-1639解：（1）以管外表面积为基准的总传热系数满足111m2211bAAKAA=+即111m2211bddKdd=+=25mm，=20mm012812.000025.0000062.00125.0205000254.2245250025.08011=+=+=K1.78=KW/（m2K）1d2dmm4.222025ln2025ln211=d d d2dd m第三节 对流传热（2）若提高一倍，则1006562.000025.0000062.000625.0205000254.2245250025.080211=+=+=K4.152=KW/（m2K）2（3）若提高一倍，则012687.0000125.0000062.00125.02050002254.2245250025.08011=+=+=K可见，气侧热阻远大于水侧热阻，增加气侧对流传热系数，所引起的总传热系数的提高远远大于增加水侧对流传热系数。8.78=KW/（m2K）第三节 对流传热2012-3-1640与换热器中两流体的温度变化情况及两流体的相互流动方向有关间壁式换热器并流逆流错流折流变温传热(三)传热推动力第三节 对流传热以列管式换热器为例计算平均温差(三)传热推动力第三节 对流传热2012-3-1641（1）逆流和并流时的传热温差Th1Tc1Th2Tc2Th1Th2Tc1Tc2Th1Th2Tc1Tc2Th1Th2Tc2Tc12T1T1T2T逆流并流第三节 对流传热Th1Th2Tc1Tc22T1TThTcThcTTT=()hcdddQK TTAK T A=通过微元面的传热量为在微元中热、冷流体的温差为热流体放出热量，温度下降QdhdT冷流体得到热量，温度上升mhphhddQqcT=mcpccddQqcT=分别对热流体和冷流体进行热量衡算cdTQdhdTcdT第三节 对流传热(4.3.27)(4.3.28)(4.3.29)(4.3.30)假 定：（a）换 热 器 在 稳 定 情 况 下 操 作，热、冷 流 体 的 质 量 流量h和c沿 换 热 面 为 常 数；（b）流 体 的 比 热 容phc和pcc及 传 热 系 数 沿 换 热 面 不 变；（c）换 热 器 无 热 损 失。mhqm cqhpccpc2012-3-1642Th1Th2Tc1Tc22T1TThTcThcTTT=()hcdddQK TTAK T A=通过微元面的传热量为在微元中热、冷流体的温差为热流体放出热量，温度下降QdhdT冷流体得到热量，温度上升mhphhddQqcT=ddhmhphQTq c=mcpccddQqcT=ddcmcpcQTq c=分别对热流体和冷流体进行热量衡算cdTQdhdTcdT第三节 对流传热(4.3.27)(4.3.28)(4.3.29)(4.3.30)()hcdddTTT=()cchh11ddmpmpTQq cqc=21cchh11mpmpTTQq cqc=21cchh11mpmpTTq cqcQ=()cchhdd11mpmpTK T Aq cqc=()cchhd11dmpmpTK Aq cqcT=积分，得()ATKATTKQchddd=()cchhdd11mpmpTQq cqc=2121lnTTTKAQT=hhhddmpQTqc=cccddmpQTq c=热容流量第三节 对流传热()cchhdd11mpmpTQq cqc=2012-3-1643时，对数平均值与算术平均值的差小于4，此时在工程计算中可以用算术平均值代替对数平均值。()122TT+0.9；当其0.8时，经济上不合理，应另选其他形式，如增加壳程数，或将多台换热器串联使用，以使传热过程接近逆流。第三节 对流传热(4.3.35)2012-3-1645单壳程两管程12型两壳程四管程24型壳程:流体在壳体内每通过一次为一壳程管程:流体在管内每通过一次为一管程第三节 对流传热温度修正系数温度修正系数T与换热器内流体温度变化有关，对于不同的流动方式，用计算因数与换热器内流体温度变化有关，对于不同的流动方式，用计算因数P P和和R R表示这种变化，则 表示这种变化，则()RPfT,=其中 其中c2c1h1c1TTPTT=冷流体的温升两流体的最初温差 冷流体的温升热流体的温降=1221cchhTTTTR 第三节 对流传热2012-3-1646单壳程两壳程第三节 对流传热三壳程错流第三节 对流传热2012-3-1647当换热器出口温度未知时，需通过反复试算mQKA T=传热单元数法（NTU）传热效率传热单元数法（-NTU）1.传热效率意义：流体可用的热量被利用的程度maxQQ=实际传热量最大可能传热量(四)传热单元数第三节 对流传热(4.3.28)若换热器的热损失可以忽略，两流体均无相变，则实际传热量：()()ccc2c1hhh1h2mpmpQq cTTq cTT=最大可能传热量：()()maxh1c1minmpQq cTT=理论上换热器中可能达到的最大温差两流体中最小的热容流量()()hhh1h2h1h2hhh1c1h1c1mpmpq cTTTTq cTTTT=()()ccc2c1c2c1cch1c1h1c1mpmpq cTTTTq cTTTT=热流体的热容流量较小：冷流体的热容流量较小：()()maxh1c1minmpQQq cTT=Qc2Th2T第三节 对流传热(4.3.36)(4.3.37)()()ccc2c1hhh1h2mpmpQq cTTq cTT=2012-3-16482.传热单元数()hhhccchcddddmpmpQq cTq cTK A TT=由换热器的热量衡算及总传热速率方程得chccddmpTK ATTq c=21c0hccddccTATmpTK ATTq c=()c2c1hcccmpmTTKATTq c=()c2c1chcccNTUmpmTTKATTq c=对于冷流体:pcc当K与为常数换热器两端温差的对数平均值以冷流体计的传热单元数:以热流体计的传热单元数:()h2h1hhchhNTUmpmTTKATTq c=传热单元数是温度的函数，在数值上等于单位传热推动力引起流体温度变化的大小，表明换热器传热能力的强弱。第三节 对流传热(4.3.39)(4.3.40)(4.3.38)使用传热单元数进行传热计算时，应以热容流量小的流体为基准基于热容流量小的流体的传热单元长度，单位为m()minNTUmpKAq c=()()minNTUmpK n dLq c=()min(NTU)mpq cLn dK=()minminmpq cHn dK=设换热器的换热管的直径为d，长度为L，管数为n，则传热单元长度是传热热阻的函数，总传热系数越大，传热单元长度越小，即传热所需的传热面积越小。min(NTU)LH=第三节 对流传热(4.3.41)(4.3.42)(4.3.43)2012-3-16493.传热效率和传热单元数的关系可根据传热速率方程和热量衡算式导出单程并流换热器()RR1expNTU 11cc+=+()()minRmaxmpmpq ccq c=两流体的热容量比单程逆流换热器()()RRR1expNTU 11expNTU 1ccc=任一流体发生相变时1 exp(NTU)=第三节 对流传热(4.3.45)(4.3.44)(4.3.46)根据换热器的操作条件，计算传热系数；计算传热单元数NTU和热容量比cR；根据换热器中流体流动的形式和NTU、cR，计算或利用算图查得相应的；根据冷热流体进口温度等已知量，计算传热速率；根据热量衡算，求出冷热流体的出口温度。4.传热单元数法步骤：第三节 对流传热2012-3-1650作业 4.6 4.9一、辐射传热的基本概念二、物体的辐射能力三、物体间的辐射传热四、气体的热辐射五、对流和辐射联合传热本节的主要内容第四节 辐射传热2012-3-1651(一)热辐射热辐射：由于热的原因而发出辐射能的过程辐射：物体通过电磁波来传递能量的方式热辐射的电磁波是物体内部微观粒子的热运动状态改变时激发出来的热力学温度在零度以上的任何物体，总是不断地把热能变为辐射能，向外发出辐射；同时也不断地吸收周围物体投射到它上面的热辐射，并转变为热能。辐射传热热平衡时，热辐射存在，但辐射传热量为0第四节 辐射传热一、辐射传热的基本概念热辐射的能力与温度有关，随着温度的升高，热辐射的作用将变得越加重要；高温时，热辐射将起决定作用。理论上，物体热辐射的电磁波波长可以包括电磁波的整个波谱范围在工程中有实际意义的热辐射波长在0.38100m，而且大部分能量位于红外线区段，即0.7620m。电磁波谱第四节 辐射传热2012-3-1652(二)热辐射对物体的作用ARDQQQQ+=ARD1QQQQQQ+=AQAQ=RQRQ=DQDQ=1=+DRA总能量反射吸收穿透物体对投射辐射的吸收率反射率穿透率投射辐射第四节 辐射传热(4.4.1a)(4.4.1b)(4.4.1c)?若A1，则表示落在物体表面上的辐射能全部被物体吸收，这种物体称为绝对黑体。没有光泽的黑漆表面的吸收率为0.960.98，接近黑体；磨光的铜表面的反射率为0.97，接近镜体；单原子和对称的双原子气体可视为透热体。?若R=1，则表示落在物体表面上的辐射能全部被反射出去。此时，若入射角等于反射角，则物体称为镜体；若反射情况为漫反射，该物体称为绝对白体。?若D1，则表示落在物体上的辐射能将全部穿透过去，这类物体称为绝对透明体或透热体。引入理想物体的概念，作为实际物体与之比较的标准，可以使辐射传热计算大大简化。镜面反射漫反射表面粗糙度第四节 辐射传热2012-3-1653物体的吸收率、反射率和穿透率的大小取决于物体的性质、表面状况、温度和投射辐射的波长。吸收能力大的物体其反射能力就小?固体和液体（1）物体的性质物态，物质结构一般固体和液体都是不透热体，即D 0，A+R=1辐射能进入其表面后，在极短的距离内被吸收完金属导体：1m的数量级非导电体材料：1mm第四节 辐射传热?气体对辐射能几乎没有反射能力，可以认为R=0，A+D=1吸收能力大的气体，其穿透能力就差第四节 辐射传热?固体和液体物体对外界的辐射，以及对投射辐射的吸收和反射过程，都是在物体表面上进行的（2）表面状况固体和液体物体的表面状况对吸收率、反射率和穿透率的影响至关重要?气体发射和吸收辐射能发生在整体气体内部，即吸收和辐射与热射线所经历的路程有关2012-3-1654灰体:能以相同的吸收率吸收所有波长范围的辐射能大多数工程材料可视为灰体?实际物体对投入辐射的吸收率不仅和物体本身的情况有关，而且还与辐射物体投入的辐射波长有关灰体对投入辐射的吸收率与外界无关（3）投入辐射的波长气体不能近似地作为灰体处理第四节 辐射传热辐射能力:物体在一定温度下，单位表面积、单位时间内所发出的全部波长的总能量E表征物体发射辐射能的能力发射能量与波长有关第四节 辐射传热二、物体的辐射能力2012-3-1655=0dEEW/m2物体的单色辐射能力:物体在一定温度下发射某种波长的能力,单位为 W/m3E辐射能力:第四节 辐射传热二、物体的辐射能力(4.4.2)(一)黑体的辐射能力bb0dEE=黑体的辐射能力黑体的单色辐射能力第四节 辐射传热二、物体的辐射能力黑体单色辐射能力按波长的分布规律(4.4.3)2012-3-16564b0ET=4b0100TEC=黑体的辐射系数，其值为5.67 W/(m2K4)黑体的辐射常数，其值为5.67108W/(m2K4)热辐射对温度非常敏感，低温时热辐射往往可以忽略，高温时则起主要作用。工程上（2）黑体的辐射能力斯蒂芬波尔茨曼定律四次方定律（1）最大单色辐射能力的波长3m2.9 10T=常数第四节 辐射传热(4.4.7)4100=TCEbEE=01壁1壁2辐射能多次被吸收和多次被反射单位时间内离开壁1表面单位面积的总辐射能：22232ef 111211211212212222221121212121222112121211212()()(1)(1)()(1)1()1fEER R ER R ER ER R ER R EER RR RR ER RR RER ER RR RER ER R=+=+=+=+LLLLLeff2221121()1EER ER R=+单位时间内离开壁2表面单位面积的总辐射能：发出辐射能的过程第四节 辐射传热三、物体间的辐射传热(4.4.15)=42412121100100TTACQ11121021+=CC物体1对物体2的总辐射系数，取决于壁面的性质和两个壁面的几何因素。1 2eff1ef 2112221121211fqEEER EER ER RR R=+=RA=1A=+=424121021100100111TTCq单位时间内两壁面单位面积的辐射传热量为40100=TCE平壁壁面面积为A，则辐射传热速率为12TT壁1壁2第四节 辐射传热(4.4.17)(4.4.19)2012-3-1660两个表面之间的辐射传热量与两个表面时间的相对位置有很大的关系两个表面间的相对位置不同时，一个表面发出而落到另一个表面上的辐射能的百分数随之而异，从而影响到传热量定义：表面1发出的辐射能中落到表面2上的百分数称为表面1对表面2的角系数物体间的辐射传热受物体的形状、大小和相互位置等的影响第四节 辐射传热几种典型情况下的21C和21值 序号 辐射情况 面积A 角系数1 2总辐射系数1 2C 1 极大的两平行面 1A或2A 1 01211/1C+2 面积有限的两相等的平行面 1A A1时时特例特例2：11121021+=CC1021CC=第四节 辐射传热【例题4.4.2】某车间内有一高0.5m、宽1m的铸铁炉门，表面温度为627，室温为27。试求（1）因炉门辐射而散失的热量；（2）若在距炉门前30mm外放置一块同等大小的铝板作为热屏，散热量可降低多少？已知铸铁和铝板的黑度分别为0.78和0.15。解：以下标1、2和3分别表示铸铁炉门、周围四壁和铝板。（1）未放置热屏前，炉门被四壁包围，故211，A=A1，012