第四章熱量傳遞基礎(chǔ)

1、第四章第四章 熱量傳遞基礎(chǔ)熱量傳遞基礎(chǔ)本章重點(diǎn)：本章重點(diǎn)：1)1)穩(wěn)定熱傳導(dǎo)穩(wěn)定熱傳導(dǎo)2)2)流體無(wú)相變時(shí)對(duì)流傳熱系數(shù)的計(jì)算流體無(wú)相變時(shí)對(duì)流傳熱系數(shù)的計(jì)算學(xué)習(xí)目的：學(xué)習(xí)目的：1 1）分析影響傳熱速率的因素，掌握控制熱量傳遞）分析影響傳熱速率的因素，掌握控制熱量傳遞率的一般規(guī)律，以便根據(jù)生產(chǎn)的要求來(lái)強(qiáng)化和削弱率的一般規(guī)律，以便根據(jù)生產(chǎn)的要求來(lái)強(qiáng)化和削弱熱量的傳遞，正確地選擇適宜的傳熱設(shè)備和保溫方熱量的傳遞，正確地選擇適宜的傳熱設(shè)備和保溫方法；法；2 2）學(xué)會(huì)能源的利用（節(jié)能）。）學(xué)會(huì)能源的利用（節(jié)能）。第一節(jié)第一節(jié) 概概 述述 化工生產(chǎn)中的化學(xué)反應(yīng)通常是在一定的溫度下進(jìn)化工生產(chǎn)中的化學(xué)反應(yīng)通常是

2、在一定的溫度下進(jìn)行的，為此需向反應(yīng)物加熱到適當(dāng)?shù)臏囟?；而反?yīng)行的，為此需向反應(yīng)物加熱到適當(dāng)?shù)臏囟?；而反?yīng)后的產(chǎn)物常需冷卻以移去熱量。在其他單元操作后的產(chǎn)物常需冷卻以移去熱量。在其他單元操作中，如蒸餾、吸收、干燥等，物料都有一定的溫度中，如蒸餾、吸收、干燥等，物料都有一定的溫度要求，需要加入或輸出熱量。此外，高溫或低溫下要求，需要加入或輸出熱量。此外，高溫或低溫下操作的設(shè)備和管道都要求保溫，以便減少它們和外操作的設(shè)備和管道都要求保溫，以便減少它們和外界的傳熱。近十多年來(lái)，隨能源價(jià)格的不斷上升和界的傳熱。近十多年來(lái)，隨能源價(jià)格的不斷上升和對(duì)環(huán)保要求增加，熱量的合理利用和廢熱的回收越對(duì)環(huán)保要求增加，

3、熱量的合理利用和廢熱的回收越來(lái)越得到人們的重視。來(lái)越得到人們的重視。化工對(duì)傳熱過(guò)程有兩方面的要求：化工對(duì)傳熱過(guò)程有兩方面的要求：（1）強(qiáng)化傳熱過(guò)程：在傳熱設(shè)備中加熱或冷卻物）強(qiáng)化傳熱過(guò)程：在傳熱設(shè)備中加熱或冷卻物料，希望以高傳熱速率來(lái)進(jìn)行熱量傳遞，使物料達(dá)料，希望以高傳熱速率來(lái)進(jìn)行熱量傳遞，使物料達(dá)到指定溫度或回收熱量，同時(shí)使傳熱設(shè)備緊湊，節(jié)到指定溫度或回收熱量，同時(shí)使傳熱設(shè)備緊湊，節(jié)省設(shè)備費(fèi)用。省設(shè)備費(fèi)用。（2）削弱傳熱過(guò)程：如對(duì)高低溫設(shè)備或管道進(jìn)行保）削弱傳熱過(guò)程：如對(duì)高低溫設(shè)備或管道進(jìn)行保溫，以減少熱損失。溫，以減少熱損失。一、基一、基 本本 概概 念念 1.傳熱速率與熱通量傳熱速率與熱

4、通量傳熱速率傳熱速率Q：又稱熱流量，單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)傳熱面：又稱熱流量，單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)傳熱面?zhèn)鬟f的熱量，傳遞的熱量，J/s或或W。熱通熱通量量q：又稱熱流密度，單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位傳：又稱熱流密度，單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位傳熱面?zhèn)鬟f的熱量，或熱面?zhèn)鬟f的熱量，或W/m2。 式中式中A總傳熱面積，總傳熱面積， m2 。 )()(阻力傳熱熱阻溫差傳熱推動(dòng)力傳熱速率 qQA2. 穩(wěn)態(tài)傳熱與非穩(wěn)態(tài)傳熱穩(wěn)態(tài)傳熱與非穩(wěn)態(tài)傳熱 穩(wěn)態(tài)傳熱：穩(wěn)態(tài)傳熱：傳熱系統(tǒng)中傳熱速率、熱通量及溫度等傳熱系統(tǒng)中傳熱速率、熱通量及溫度等有關(guān)物理量分布規(guī)律不隨時(shí)間而變，僅為位置的有關(guān)物理量分布規(guī)律不隨時(shí)間而變，僅為位置的函數(shù)。連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程的傳

5、熱多為穩(wěn)態(tài)傳熱。函數(shù)。連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程的傳熱多為穩(wěn)態(tài)傳熱。 非穩(wěn)態(tài)傳熱：非穩(wěn)態(tài)傳熱：傳熱系統(tǒng)中傳熱速率、熱通量及溫度傳熱系統(tǒng)中傳熱速率、熱通量及溫度 等有關(guān)物理量分布規(guī)律不僅要隨位置而變，也是等有關(guān)物理量分布規(guī)律不僅要隨位置而變，也是時(shí)間的函數(shù)。時(shí)間的函數(shù)。zyxftqQ,zyxftqQ3.溫度場(chǎng)與溫度梯度溫度場(chǎng)與溫度梯度 溫度場(chǎng)：某一時(shí)刻，物體（或空間）各點(diǎn)的溫度分布。溫度場(chǎng)：某一時(shí)刻，物體（或空間）各點(diǎn)的溫度分布。 式中式中t 某點(diǎn)的溫度，某點(diǎn)的溫度，； x,y,z 某點(diǎn)的坐標(biāo)；某點(diǎn)的坐標(biāo)； 時(shí)間。時(shí)間。不穩(wěn)定溫度場(chǎng)：各點(diǎn)的溫度隨時(shí)間而改變的溫度場(chǎng)。不穩(wěn)定溫度場(chǎng)：各點(diǎn)的溫度隨時(shí)間而改變的溫度場(chǎng)

6、。穩(wěn)定溫度場(chǎng)：任一點(diǎn)的溫度均不隨時(shí)間而改變的溫度場(chǎng)。穩(wěn)定溫度場(chǎng)：任一點(diǎn)的溫度均不隨時(shí)間而改變的溫度場(chǎng)。,zyxft ,zyxft tf x y z, ,等溫面：等溫面：在同一時(shí)刻，溫度場(chǎng)中在同一時(shí)刻，溫度場(chǎng)中所有溫度相同的點(diǎn)組成的面。不所有溫度相同的點(diǎn)組成的面。不同溫度的等溫面不相交。同溫度的等溫面不相交。溫度梯度：溫度梯度：兩兩等溫面的溫度差等溫面的溫度差 t與其間的垂直距離與其間的垂直距離 n之比，在之比，在 n趨于零時(shí)的極限（即表示溫度場(chǎng)趨于零時(shí)的極限（即表示溫度場(chǎng)內(nèi)某一點(diǎn)等溫面法線方向的溫度內(nèi)某一點(diǎn)等溫面法線方向的溫度變化率）。變化率）。t1t2t1t2等溫等溫面面Q溫度梯度與熱流方向

7、的關(guān)系溫度梯度與熱流方向的關(guān)系nQdAtt- tt+ tntnttn0limgrad二、傳熱的三種基本方式二、傳熱的三種基本方式 一個(gè)物系或一個(gè)設(shè)備只要存在溫度差一個(gè)物系或一個(gè)設(shè)備只要存在溫度差就會(huì)發(fā)生熱量傳遞，當(dāng)沒(méi)有外功加入時(shí)，就會(huì)發(fā)生熱量傳遞，當(dāng)沒(méi)有外功加入時(shí)，熱量就總是會(huì)自動(dòng)地從高溫物體傳遞到低熱量就總是會(huì)自動(dòng)地從高溫物體傳遞到低溫物體。根據(jù)傳熱的機(jī)理不同，溫物體。根據(jù)傳熱的機(jī)理不同，熱傳遞有熱傳遞有三種基本方式：熱傳導(dǎo)，熱對(duì)流和熱輻射。三種基本方式：熱傳導(dǎo)，熱對(duì)流和熱輻射?；どa(chǎn)中碰到的各種傳熱現(xiàn)象都屬于這化工生產(chǎn)中碰到的各種傳熱現(xiàn)象都屬于這三種基本方式。三種基本方式。（一）（一）

8、熱傳導(dǎo)（導(dǎo)熱）熱傳導(dǎo)（導(dǎo)熱） 物體各部分之間不發(fā)生相對(duì)位移時(shí)，物體各部分之間不發(fā)生相對(duì)位移時(shí)， 依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子的依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的熱量傳遞稱為熱傳導(dǎo)，又熱運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的熱量傳遞稱為熱傳導(dǎo)，又稱導(dǎo)熱。稱導(dǎo)熱。 特點(diǎn)：在純的熱傳導(dǎo)過(guò)程中，物體各特點(diǎn)：在純的熱傳導(dǎo)過(guò)程中，物體各部分之間不發(fā)生相對(duì)位移，即沒(méi)有物質(zhì)的部分之間不發(fā)生相對(duì)位移，即沒(méi)有物質(zhì)的宏觀位移。宏觀位移。 從微觀角度來(lái)看，氣體、液體、導(dǎo)電固體和從微觀角度來(lái)看，氣體、液體、導(dǎo)電固體和非導(dǎo)電固體的導(dǎo)熱機(jī)理各不相同。非導(dǎo)電固體的導(dǎo)熱機(jī)理各不相同。 氣體：氣體：氣體分子做不規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)時(shí)相互碰撞的

9、氣體分子做不規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)時(shí)相互碰撞的結(jié)果。結(jié)果。 導(dǎo)電固體：自由電子在晶格間的運(yùn)動(dòng)；導(dǎo)電固體：自由電子在晶格間的運(yùn)動(dòng)； 固體固體 非導(dǎo)電固體：晶格結(jié)構(gòu)的振動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。非導(dǎo)電固體：晶格結(jié)構(gòu)的振動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。 液體：液體：存在兩種不同的觀點(diǎn)，類(lèi)似于氣體和類(lèi)存在兩種不同的觀點(diǎn)，類(lèi)似于氣體和類(lèi) 似于非導(dǎo)電固體。似于非導(dǎo)電固體。（二）（二） 對(duì)流傳熱對(duì)流傳熱 熱對(duì)流是指物體中質(zhì)點(diǎn)發(fā)生相對(duì)的位移而引熱對(duì)流是指物體中質(zhì)點(diǎn)發(fā)生相對(duì)的位移而引起的熱量交換，熱對(duì)流是流體所特有的一種傳熱起的熱量交換，熱對(duì)流是流體所特有的一種傳熱的方式。其中只有流體的質(zhì)點(diǎn)能發(fā)生相對(duì)位移。的方式。其中只有流體的質(zhì)點(diǎn)能發(fā)生相對(duì)位移。據(jù)引起對(duì)流的

10、原因不同可分為：自然對(duì)流和強(qiáng)制據(jù)引起對(duì)流的原因不同可分為：自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流。對(duì)流。 自然對(duì)流：自然對(duì)流：流體原來(lái)是靜止的，但內(nèi)部由于溫度流體原來(lái)是靜止的，但內(nèi)部由于溫度不同、密度不同，造成流體內(nèi)部上升下降運(yùn)動(dòng)而不同、密度不同，造成流體內(nèi)部上升下降運(yùn)動(dòng)而發(fā)生對(duì)流。發(fā)生對(duì)流。 強(qiáng)制對(duì)流：強(qiáng)制對(duì)流：流體在某種外力的強(qiáng)制作用下運(yùn)動(dòng)而流體在某種外力的強(qiáng)制作用下運(yùn)動(dòng)而發(fā)生的對(duì)流。發(fā)生的對(duì)流。（三）熱輻射（三）熱輻射 熱輻射是一種通過(guò)電磁波傳遞能量的過(guò)熱輻射是一種通過(guò)電磁波傳遞能量的過(guò)程。一切物體都能以這種方式傳遞能量，程。一切物體都能以這種方式傳遞能量，而不借助任何傳遞介質(zhì)。通常在高溫下熱而不借助任何傳

11、遞介質(zhì)。通常在高溫下熱輻射才是主要方式。輻射才是主要方式。第二節(jié)第二節(jié) 熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)傅里葉定律：某一微元的熱傳導(dǎo)速率（單位時(shí)傅里葉定律：某一微元的熱傳導(dǎo)速率（單位時(shí)間內(nèi)傳導(dǎo)的熱量）與該微元等溫面的法向溫度梯度間內(nèi)傳導(dǎo)的熱量）與該微元等溫面的法向溫度梯度及該微元的導(dǎo)熱面積成正比。及該微元的導(dǎo)熱面積成正比。一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)：一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)： 比例系數(shù)，稱為導(dǎo)熱系數(shù)，比例系數(shù)，稱為導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m)或或W/(mK)。 t/ x x方向上的溫度梯度，方向上的溫度梯度，/m或或K/m； q熱通量，熱通量，W/m2xtq一、熱傳導(dǎo)的基本定律一、熱傳導(dǎo)的基本定律傅里葉定律傅里葉定律 三維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)：三維穩(wěn)態(tài)

12、熱傳導(dǎo)： t/ n 空間某點(diǎn)的溫度梯度空間某點(diǎn)的溫度梯度 n通過(guò)該點(diǎn)的等溫線上的法向單位矢量，指向溫度升通過(guò)該點(diǎn)的等溫線上的法向單位矢量，指向溫度升 高的方向。高的方向。 物理意義：溫度梯度為物理意義：溫度梯度為1時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位傳熱面積的熱通量；導(dǎo)熱系數(shù)在數(shù)值上等于單單位傳熱面積的熱通量；導(dǎo)熱系數(shù)在數(shù)值上等于單位溫度梯度下的熱通量，位溫度梯度下的熱通量， ，導(dǎo)熱性能越好。，導(dǎo)熱性能越好。 nntqnntq二、導(dǎo)熱系數(shù)二、導(dǎo)熱系數(shù)各種物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)：各種物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)： （1）固體）固體純金屬溫度純金屬溫度 ， ，純金屬比合金的，純金屬比合金的 大。大。非金屬溫度非金屬

13、溫度 ， ，同樣溫度下，同樣溫度下， 越大，越大， 越大。越大。在一定溫度范圍內(nèi)（溫度變化不太大）：在一定溫度范圍內(nèi)（溫度變化不太大）： t時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)，時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m)或或W/(mK)； 0時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)，時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m)或或W/(mK)； k 溫度系數(shù)，對(duì)大多數(shù)金屬材料為負(fù)值，溫度系數(shù)，對(duì)大多數(shù)金屬材料為負(fù)值， 對(duì)大多數(shù)非金屬材料為正值，對(duì)大多數(shù)非金屬材料為正值，1/。 T T 0)1 (0kt（2）液體）液體 金屬液體導(dǎo)熱系數(shù)較高，非金屬液體較低。在非金屬液體導(dǎo)熱系數(shù)較高，非金屬液體較低。在非 金屬液體中，水的導(dǎo)熱系數(shù)最大。金屬液體中，水的導(dǎo)熱系數(shù)最大。 除水和甘油等少量液

14、體物質(zhì)外，絕大多數(shù)液體除水和甘油等少量液體物質(zhì)外，絕大多數(shù)液體 ，（略微）。一般來(lái)說(shuō)，純液體的（略微）。一般來(lái)說(shuō)，純液體的 大于溶液大于溶液 。有機(jī)均相混合液體的導(dǎo)熱系數(shù)估算式：有機(jī)均相混合液體的導(dǎo)熱系數(shù)估算式：有機(jī)水溶液的導(dǎo)熱系數(shù)估算式：有機(jī)水溶液的導(dǎo)熱系數(shù)估算式： wi組分組分i 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的質(zhì)量分?jǐn)?shù) i純組分純組分i 的導(dǎo)熱系數(shù)的導(dǎo)熱系數(shù)T iinimixw1iinimixw19 . 0（3）氣體）氣體氣體氣體 ， 。氣體的導(dǎo)熱系數(shù)氣體的導(dǎo)熱系數(shù)與黏度與黏度之間有以下簡(jiǎn)單關(guān)系：之間有以下簡(jiǎn)單關(guān)系： （單原子氣體）（單原子氣體） （多原子氣體）（多原子氣體） T pcMR25415)415

15、(MRcp式中：式中：R通用氣體常數(shù)，通用氣體常數(shù)，J/(kmolK)； M摩爾質(zhì)量，摩爾質(zhì)量，kg/kmol； cp定壓比熱容，定壓比熱容，J/(kgK)； 黏度，黏度，Pas(金屬固體金屬固體) (非金屬固體非金屬固體) (液體液體) (氣體氣體)。 三、通過(guò)平壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)三、通過(guò)平壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo) （一）、通過(guò)單層平壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)（一）、通過(guò)單層平壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo) 假設(shè)：假設(shè)：(1) 平壁內(nèi)溫度只沿平壁內(nèi)溫度只沿x方向變化，方向變化，y和和z方向上方向上 無(wú)溫度變化，即這是一維溫度場(chǎng)。無(wú)溫度變化，即這是一維溫度場(chǎng)。 (2) 各點(diǎn)的溫度不隨時(shí)間而變，穩(wěn)定的溫度場(chǎng)。各點(diǎn)的溫度不隨時(shí)間而變，穩(wěn)定

16、的溫度場(chǎng)。一維穩(wěn)定的溫度場(chǎng)：一維穩(wěn)定的溫度場(chǎng)：傅里葉定律可寫(xiě)為：傅里葉定律可寫(xiě)為：熱量衡算：熱量衡算： tf xxtAQddtcAxQQpdxxxd對(duì)于穩(wěn)定溫度場(chǎng)，對(duì)于穩(wěn)定溫度場(chǎng)， ，薄層內(nèi)無(wú)熱量積累，薄層內(nèi)無(wú)熱量積累 在穩(wěn)定溫度場(chǎng)中，各傳熱面的傳熱速率相同，不隨在穩(wěn)定溫度場(chǎng)中，各傳熱面的傳熱速率相同，不隨x而而變，統(tǒng)一用變，統(tǒng)一用Q來(lái)表示，代入上面的傅里葉公式中：來(lái)表示，代入上面的傅里葉公式中：邊界條件為：邊界條件為： ； 0tconstQQQdxxxQAtx ddxtt01時(shí)，xbtt時(shí)，2QdxAdtbtt012 式中式中 Q 熱流量，即單位時(shí)間通過(guò)平壁的熱量，熱流量，即單位時(shí)間通過(guò)平壁

17、的熱量，W或或J/s； A 平壁的面積，平壁的面積，m2； b 平壁的厚度，平壁的厚度，m； 平壁的導(dǎo)熱系數(shù)，平壁的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m)或或W/(mK)； t1,t2 平壁兩側(cè)的溫度，平壁兩側(cè)的溫度，。 稱為熱阻，稱為熱阻，Q與與t成正比，與成正比，與R成反比，熱阻成反比，熱阻越大，熱流量越小，傳熱速率越低。越大，熱流量越小，傳熱速率越低。 RtAbtAbttttAbQ2121)(積分得：積分得：AbR 的上限從 改為 ；積分得： 從上式可知，當(dāng)從上式可知，當(dāng) 不隨不隨t變化，變化，tx直線關(guān)系；直線關(guān)系；若若 隨隨t變化關(guān)系為：變化關(guān)系為： ，則，則tx拋物拋物線關(guān)系。線關(guān)系。QdxAdtb

18、tt012 xbtt時(shí)，2xxtt時(shí)，AQxttttAxQ11)()1 (0kt（二）、通過(guò)多層平壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)（二）、通過(guò)多層平壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)假定：（假定：（1）一維、穩(wěn)定的溫度場(chǎng)；）一維、穩(wěn)定的溫度場(chǎng)； （2）各層接觸良好，接觸面兩側(cè)溫度相同。）各層接觸良好，接觸面兩側(cè)溫度相同。AbttAbttAbttQ334322321121總熱阻總推動(dòng)力iiiiiiiRttAbttAbtQ413141推廣至推廣至n層：層： QttbAttRniiinniin111111（三）、各層的溫差（三）、各層的溫差 上式說(shuō)明，在穩(wěn)定多層壁導(dǎo)熱過(guò)程中，上式說(shuō)明，在穩(wěn)定多層壁導(dǎo)熱過(guò)程中，哪層熱阻大，哪層溫差就大；反

19、之，哪層哪層熱阻大，哪層溫差就大；反之，哪層溫差大，哪層熱阻一定大。當(dāng)總溫差一定溫差大，哪層熱阻一定大。當(dāng)總溫差一定時(shí)，傳熱速率的大小取決于總熱阻的大小。時(shí)，傳熱速率的大小取決于總熱阻的大小。 ttttttbAbAbARRR122334112233123:四、通過(guò)圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)四、通過(guò)圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)（一）、通過(guò)單層圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)（一）、通過(guò)單層圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo) 假設(shè)：假設(shè)：(1) 各點(diǎn)溫度不隨時(shí)間而變，穩(wěn)定溫度場(chǎng)；各點(diǎn)溫度不隨時(shí)間而變，穩(wěn)定溫度場(chǎng)； (2) 各點(diǎn)溫度只沿徑向變化，一維溫度場(chǎng)。各點(diǎn)溫度只沿徑向變化，一維溫度場(chǎng)。 一維穩(wěn)定的溫度場(chǎng)：一維穩(wěn)定的溫度場(chǎng)： rft 傅里葉定

20、律可寫(xiě)為：傅里葉定律可寫(xiě)為：QAtr dd熱量衡算：熱量衡算：tcrLdrQQpdrrr20tQQQrr drconst穩(wěn)定溫度場(chǎng)：穩(wěn)定溫度場(chǎng)： 即在穩(wěn)定溫度場(chǎng)中，各傳熱面的傳熱速率相同，即在穩(wěn)定溫度場(chǎng)中，各傳熱面的傳熱速率相同，不隨不隨r而變，統(tǒng)一用而變，統(tǒng)一用Q來(lái)表示，代入上面的傅里葉公來(lái)表示，代入上面的傅里葉公式中：式中：drdtrLdrdtAQ2rrtt11時(shí)，rrtt22時(shí)，21212ttrrrLdtQdr12211221ln1)(2ln)(2rrttLrrttLQ邊界條件為：邊界條件為：；設(shè)設(shè) 不隨不隨t而變，所以而變，所以 和和Q均可提到積分號(hào)外，得：均可提到積分號(hào)外，得：式中式

21、中 Q 熱流量，即單位時(shí)間通過(guò)圓筒壁的熱量，熱流量，即單位時(shí)間通過(guò)圓筒壁的熱量，W或或J/s； 圓筒壁的導(dǎo)熱系數(shù)，圓筒壁的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m)或或W/(mK)； t1,t2 圓筒壁兩側(cè)的溫度，圓筒壁兩側(cè)的溫度，。 r1,r2 圓筒壁內(nèi)外半圓筒壁內(nèi)外半徑，徑，m。幾點(diǎn)說(shuō)明幾點(diǎn)說(shuō)明熱阻推動(dòng)力RtAbttbttArrrrrrttLQmm212112121221ln)()(2mmLrA2)/ln(1212rrrrrmrr212221rrrm1上式可以變?yōu)椋荷鲜娇梢宰優(yōu)椋浩渲衅渲衎=r2-r1，為圓筒壁的厚度；，為圓筒壁的厚度；，為平均傳熱面積；，為平均傳熱面積；，為對(duì)數(shù)平均半徑。，為對(duì)數(shù)平均半徑。的圓

22、筒壁，以算術(shù)平均值代替對(duì)數(shù)平均值導(dǎo)的圓筒壁，以算術(shù)平均值代替對(duì)數(shù)平均值導(dǎo)。2對(duì)于對(duì)于致的誤差致的誤差Re10000，0.7Pr120， 210-5Pa.s，l/d60 注意事項(xiàng)：（注意事項(xiàng)：（1）定性溫度取流體進(jìn)出溫度的算術(shù)平均值）定性溫度取流體進(jìn)出溫度的算術(shù)平均值tm； （2）特征尺寸為管內(nèi)徑）特征尺寸為管內(nèi)徑di； （3）流體被加熱時(shí)，）流體被加熱時(shí)，n0.4，流體被冷卻時(shí)，流體被冷卻時(shí)，n0.3； （4）特征速度為管內(nèi)平均流速。）特征速度為管內(nèi)平均流速。以下是對(duì)上面的公式進(jìn)行修正：以下是對(duì)上面的公式進(jìn)行修正：a高黏度高黏度14. 0318 . 0)()()(027. 0wpcdud05.

23、 1)(14. 0w95. 0)(14. 0w對(duì)于液體，加熱時(shí)：對(duì)于液體，加熱時(shí)：冷卻時(shí)：冷卻時(shí)：b當(dāng)當(dāng)l/d50時(shí)則為短管時(shí)則為短管，由于管入口擾，由于管入口擾 動(dòng)增大，動(dòng)增大， 較大，乘上入口效應(yīng)的修正系數(shù)。較大，乘上入口效應(yīng)的修正系數(shù)。1 7 . 0ld 是在是在tm下下；而；而 W是在是在tw下下 c過(guò)渡區(qū)過(guò)渡區(qū) 2300Re10000時(shí)，先按湍流計(jì)算時(shí)，先按湍流計(jì)算 ，然，然后乘以小于后乘以小于1 的修正系數(shù)。的修正系數(shù)。Re1061 8 . 15 過(guò)渡區(qū)內(nèi)流體比劇烈的湍流區(qū)內(nèi)的流過(guò)渡區(qū)內(nèi)流體比劇烈的湍流區(qū)內(nèi)的流體的體的Re小，流體流動(dòng)的湍動(dòng)程度減少，層小，流體流動(dòng)的湍動(dòng)程度減少，層

24、流底層變厚，流底層變厚， 減小。減小。d流體在彎管中的對(duì)流傳熱系數(shù)流體在彎管中的對(duì)流傳熱系數(shù) 由于彎管處受離心力的作用，存在二次由于彎管處受離心力的作用，存在二次環(huán)流，湍動(dòng)加劇，環(huán)流，湍動(dòng)加劇， 增大。增大。先按直管計(jì)算，然先按直管計(jì)算，然后乘以大于后乘以大于1 的修正系數(shù)。的修正系數(shù)。式中式中d管徑；管徑； R彎管的曲率半徑彎管的曲率半徑)77. 11 (RdII4A4de潤(rùn)濕周邊流動(dòng)截面積54102.2101.2Ree非圓形直管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流非圓形直管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流 采用圓形管內(nèi)相應(yīng)的公式計(jì)算，特征尺寸采用圓形管內(nèi)相應(yīng)的公式計(jì)算，特征尺寸采用當(dāng)量直徑。采用當(dāng)量直徑。套管環(huán)隙：套管環(huán)隙：式中式中 d

25、1、d2分別為套管外管內(nèi)徑或內(nèi)管外徑。分別為套管外管內(nèi)徑或內(nèi)管外徑。適用范圍：適用范圍：d1/d2=1.6517，例例4-3 教材教材p/195318053012PrRe020.edd.dNu2圓形直管內(nèi)的層流圓形直管內(nèi)的層流14. 03/1)()Pr(Re86. 1wldNu0044. 0w2)()Pr(Re14. 03/1wld（1）Gr25000時(shí)，自然對(duì)流影響小可忽略時(shí)，自然對(duì)流影響小可忽略適用范圍：適用范圍：Re25000時(shí)，自然對(duì)流的影響不能時(shí)，自然對(duì)流的影響不能忽略時(shí)，乘以修正系數(shù)得忽略時(shí)，乘以修正系數(shù)得)01501 (8031/Gr. 在換熱器設(shè)計(jì)中，應(yīng)盡量避免在強(qiáng)制在換熱器設(shè)

26、計(jì)中，應(yīng)盡量避免在強(qiáng)制層流條件下進(jìn)行傳熱，因?yàn)榇藭r(shí)對(duì)流傳熱層流條件下進(jìn)行傳熱，因?yàn)榇藭r(shí)對(duì)流傳熱系數(shù)小，從而使總傳熱系數(shù)也很小。系數(shù)小，從而使總傳熱系數(shù)也很小。例例4-4 教材教材p/198（二）、管外強(qiáng)制對(duì)流傳熱（二）、管外強(qiáng)制對(duì)流傳熱1流體垂直流過(guò)管束流體垂直流過(guò)管束 流體垂直流過(guò)管束時(shí)，管束流體垂直流過(guò)管束時(shí)，管束的排列情況可以有直列和錯(cuò)列的排列情況可以有直列和錯(cuò)列兩種。兩種。 各排管各排管 的變化規(guī)律：第一的變化規(guī)律：第一排管，直列和錯(cuò)列基本相同；排管，直列和錯(cuò)列基本相同；第二排管，直列和錯(cuò)列相差較第二排管，直列和錯(cuò)列相差較大；第三排管以后（直列第二大；第三排管以后（直列第二排管以后），

27、基本恒定；從圖排管以后），基本恒定；從圖中可以看出，錯(cuò)列傳熱效果比直列好。中可以看出，錯(cuò)列傳熱效果比直列好。 流體流過(guò)管束時(shí)，每一排管上的平均對(duì)流傳流體流過(guò)管束時(shí)，每一排管上的平均對(duì)流傳熱系數(shù)用下式計(jì)算熱系數(shù)用下式計(jì)算x2x14 . 0PrRennCNuiiimAAAAAA321332211AA適用范圍：適用范圍：5000Re70000，x1/d=1.25，x2/d=1.25。（1）特性尺寸取管外徑）特性尺寸取管外徑do，定性溫度取法與前，定性溫度取法與前tm相同；相同；（2）流速）流速u(mài)取每列管子中最窄流道處的流速，即最大流速。取每列管子中最窄流道處的流速，即最大流速。（3）C， ，n取決于

28、排列方式和管排數(shù)，由實(shí)驗(yàn)測(cè)定，具體取決于排列方式和管排數(shù)，由實(shí)驗(yàn)測(cè)定，具體 取值。取值。 對(duì)于前幾列而言，各列的對(duì)于前幾列而言，各列的 ，n不同，因此不同，因此 也不同。也不同。 排列方式不同（直列和錯(cuò)列），對(duì)于相同的列，排列方式不同（直列和錯(cuò)列），對(duì)于相同的列， ，n不不 同，同， 也不同。也不同。(表表4-3 p/201)（4）對(duì)某一排列方式，由于各列的）對(duì)某一排列方式，由于各列的 不同，應(yīng)按下式求平均不同，應(yīng)按下式求平均 的對(duì)流傳熱系數(shù)：的對(duì)流傳熱系數(shù)：式中式中 i各列的對(duì)流傳熱系數(shù)；各列的對(duì)流傳熱系數(shù)； Ai各列傳熱管的外表面積。各列傳熱管的外表面積。2流體在管殼間的對(duì)流傳熱流體在管殼

29、間的對(duì)流傳熱14. 03155. 0)(PrRe36. 0weudN 一般在列管換熱器的殼程加折流擋板，折流擋一般在列管換熱器的殼程加折流擋板，折流擋板分為圓形和圓缺形兩種。由于裝有不同形式的折流板分為圓形和圓缺形兩種。由于裝有不同形式的折流擋板，流動(dòng)方向不斷改變，在較小擋板，流動(dòng)方向不斷改變，在較小Re下（下（Re=100）即可達(dá)到湍流。即可達(dá)到湍流。 圓缺形折流擋板，圓缺形折流擋板， 的計(jì)算式：的計(jì)算式：適用范圍：適用范圍：Re=2103106。定性溫度：進(jìn)、出口溫度平均值定性溫度：進(jìn)、出口溫度平均值tm w為以管壁溫為定性溫度的流體黏度為以管壁溫為定性溫度的流體黏度0202)4(4ddt

30、de0202)423(4ddtde)1 (A0tdsD特征尺寸：（特征尺寸：（1）當(dāng)量直徑）當(dāng)量直徑de 正方形排列：正方形排列： 正三角形排列：正三角形排列：（2）流速）流速u(mài)根據(jù)流體流過(guò)的最大根據(jù)流體流過(guò)的最大截面積截面積A計(jì)算計(jì)算式中式中 s相鄰擋板間的距離；相鄰擋板間的距離； D殼體的內(nèi)徑。殼體的內(nèi)徑。（三）、大空間的自然對(duì)流傳熱（三）、大空間的自然對(duì)流傳熱 所謂大空間自然對(duì)流傳熱是指冷表面或熱表面所謂大空間自然對(duì)流傳熱是指冷表面或熱表面（傳熱面）放置在大空間內(nèi)，并且四周沒(méi)有其它阻（傳熱面）放置在大空間內(nèi)，并且四周沒(méi)有其它阻礙自然對(duì)流的物體存在，如沉浸式換熱器的傳熱過(guò)礙自然對(duì)流的物體存

31、在，如沉浸式換熱器的傳熱過(guò)程、換熱設(shè)備或管道的熱表面向周?chē)髿獾纳?。程、換熱設(shè)備或管道的熱表面向周?chē)髿獾纳?。?duì)流傳熱系數(shù)僅與反映自然對(duì)流的對(duì)流傳熱系數(shù)僅與反映自然對(duì)流的Gr和反映物性和反映物性的的Pr有關(guān)，依經(jīng)驗(yàn)式計(jì)算：有關(guān)，依經(jīng)驗(yàn)式計(jì)算： NuC（Gr Pr）nnptLgcLC)(223（1）特性尺寸對(duì)水平管取外徑）特性尺寸對(duì)水平管取外徑do，垂直管或板取管長(zhǎng)和板高，垂直管或板取管長(zhǎng)和板高H。（2）定性溫度取膜溫（）定性溫度取膜溫（tm+tw）/2。（3）C，n值列在書(shū)表值列在書(shū)表4-4中中(p/204)。第五節(jié)第五節(jié) 熱熱 輻輻 射射 任何物體，只要其絕對(duì)溫度大于零度，任何物體，只要

32、其絕對(duì)溫度大于零度，都會(huì)不停地以電磁波的形式向外輻射能量；都會(huì)不停地以電磁波的形式向外輻射能量；同時(shí)，又不斷吸收來(lái)自外界其他物體的輻射同時(shí)，又不斷吸收來(lái)自外界其他物體的輻射能。當(dāng)物體向外界輻射的能量與其從外界吸能。當(dāng)物體向外界輻射的能量與其從外界吸收的輻射能不等時(shí)，該物體與外界就產(chǎn)生熱收的輻射能不等時(shí)，該物體與外界就產(chǎn)生熱量的傳遞，這種傳熱方式稱為熱輻射。量的傳遞，這種傳熱方式稱為熱輻射。 輻射能可以在真空中傳播，不需要任何輻射能可以在真空中傳播，不需要任何物質(zhì)作媒介。物質(zhì)作媒介。 一、熱輻射的基本概念一、熱輻射的基本概念 輻射：輻射：物體通過(guò)電磁波來(lái)傳遞能量的過(guò)程。物體通過(guò)電磁波來(lái)傳遞能量的

33、過(guò)程。熱輻射：熱輻射：物體由于熱的原因以電磁波的形式物體由于熱的原因以電磁波的形式 向外發(fā)射能量的過(guò)程。向外發(fā)射能量的過(guò)程。 如圖所示，假設(shè)外界投射到物如圖所示，假設(shè)外界投射到物體表面上的總能體表面上的總能量量Q，其中一部，其中一部分進(jìn)入表面后被物體吸收分進(jìn)入表面后被物體吸收Q，一部分被物體反射一部分被物體反射Q，其余部，其余部分穿透物體分穿透物體Q。QQQQ1QQQQQQQQQQQQ1按能量守恒定律：按能量守恒定律：或或式中式中吸收率，用吸收率，用表示；表示；反射率，用反射率，用表示；表示；穿透率，用穿透率，用表示。表示。001 吸收率、反射率和透過(guò)率的大小取決于物體吸收率、反射率和透過(guò)率的

34、大小取決于物體的性質(zhì)、溫度、表面狀況和輻射線的波長(zhǎng)等，一的性質(zhì)、溫度、表面狀況和輻射線的波長(zhǎng)等，一般來(lái)說(shuō)，表面粗糙的物體吸收率大。般來(lái)說(shuō)，表面粗糙的物體吸收率大。 對(duì)于固體和液體不允許熱輻射透過(guò)，即對(duì)于固體和液體不允許熱輻射透過(guò)，即 ；而氣體對(duì)熱輻射幾乎無(wú)反射能力，即而氣體對(duì)熱輻射幾乎無(wú)反射能力，即 ； 黑體黑體：能全部吸收輻射能的物體。即：能全部吸收輻射能的物體。即 ；白體白體：能全部反射輻射能的物體。即：能全部反射輻射能的物體。即 ；1 透熱體透熱體：能透過(guò)全部輻射能的物體。即：能透過(guò)全部輻射能的物體。即 ；1灰體：灰體：指能夠以相同的吸收率吸收所有波長(zhǎng)指能夠以相同的吸收率吸收所有波長(zhǎng)的輻

35、射能的物體。的輻射能的物體。 二、輻射基本定律二、輻射基本定律 物體在一定溫度下，單位表面積、單位時(shí)物體在一定溫度下，單位表面積、單位時(shí)間內(nèi)所發(fā)射的全部輻射能（波長(zhǎng)從間內(nèi)所發(fā)射的全部輻射能（波長(zhǎng)從0到到 ），稱），稱為該物體在該溫度下的發(fā)射能力，以為該物體在該溫度下的發(fā)射能力，以E表示，表示，單位單位W/ 。 2m40bTEEb0567108.W / (mK )24T1. 黑體的發(fā)射能力黑體的發(fā)射能力 斯蒂芬斯蒂芬-波爾茨曼定律：黑體的輻射能力與波爾茨曼定律：黑體的輻射能力與其表面的絕對(duì)溫度的四次方成正比。其表面的絕對(duì)溫度的四次方成正比。式中式中黑體的輻射能力，黑體的輻射能力，W/m2；黑體輻

36、射常數(shù)，其值為黑體輻射常數(shù)，其值為；黑體表面的絕對(duì)溫度，黑體表面的絕對(duì)溫度，K。 斯蒂芬斯蒂芬-波爾茨曼定律表明黑體的輻射能力與其波爾茨曼定律表明黑體的輻射能力與其表面的絕對(duì)溫度的四次方成正比，表面的絕對(duì)溫度的四次方成正比，也稱為四次方也稱為四次方定律。定律。顯然熱輻射與對(duì)流和傳導(dǎo)遵循完全不同的顯然熱輻射與對(duì)流和傳導(dǎo)遵循完全不同的規(guī)律。斯蒂芬規(guī)律。斯蒂芬-波爾茨曼定律表明輻射傳熱對(duì)溫度波爾茨曼定律表明輻射傳熱對(duì)溫度異常敏感，低溫時(shí)熱輻射往往可以忽略，而高溫異常敏感，低溫時(shí)熱輻射往往可以忽略，而高溫時(shí)則成為主要的傳熱方式。時(shí)則成為主要的傳熱方式。ECTb04100C0567.W / (mK )2

37、4式中式中黑體輻射系數(shù)，其值為黑體輻射系數(shù)，其值為2. 實(shí)際物體的發(fā)射能力實(shí)際物體的發(fā)射能力黑度黑度 ： 0EE 物體的黑度物體的黑度 表示為實(shí)際物體的輻射能力與黑體的表示為實(shí)際物體的輻射能力與黑體的輻射能力之比。由于實(shí)際物體的輻射能力小于同溫度下輻射能力之比。由于實(shí)際物體的輻射能力小于同溫度下黑體的輻射能力，黑度表示實(shí)際物體接近黑體的程度，黑體的輻射能力，黑度表示實(shí)際物體接近黑體的程度， T2。 灰體灰體1所發(fā)射的能量所發(fā)射的能量E1投射到黑體投射到黑體2上上被全部吸收；黑體被全部吸收；黑體2所發(fā)射的能量所發(fā)射的能量Eb投射到投射到灰體灰體1上只能被部分吸收，即上只能被部分吸收，即 1Eb的

38、能量被的能量被吸收，其余部分吸收，其余部分(1 1)Eb被反射回黑體后被反射回黑體后被黑體被黑體2吸收。吸收。 兩平板間熱交換的結(jié)果，以灰體兩平板間熱交換的結(jié)果，以灰體1為例，發(fā)射的為例，發(fā)射的能量為能量為E1，吸收的能量為，吸收的能量為a1Eb，兩者的差為：，兩者的差為： bEEQ11當(dāng)兩平壁間的熱交換達(dá)到平衡時(shí)，且灰體當(dāng)兩平壁間的熱交換達(dá)到平衡時(shí)，且灰體1所發(fā)射的所發(fā)射的輻射能與其吸收的能量必然相等，即輻射能與其吸收的能量必然相等，即E1=1Eb或或bEE11推廣到任一平壁，得：推廣到任一平壁，得： )(11TfEEEb 克希霍夫定律克?；舴蚨?說(shuō)明任何物體的輻射能力與其吸收率的比值恒為

39、常說(shuō)明任何物體的輻射能力與其吸收率的比值恒為常數(shù)，且等于同溫度下黑體的輻射能力，故其數(shù)值與物體數(shù)，且等于同溫度下黑體的輻射能力，故其數(shù)值與物體的溫度有關(guān)。與黑度的公式相比較，得：的溫度有關(guān)。與黑度的公式相比較，得： bEE三、固體間的輻射傳熱三、固體間的輻射傳熱 兩固體間的輻射傳熱總的結(jié)果是熱量從高溫物體兩固體間的輻射傳熱總的結(jié)果是熱量從高溫物體傳向低溫物體。它們之間的輻射傳熱計(jì)算非常復(fù)雜，傳向低溫物體。它們之間的輻射傳熱計(jì)算非常復(fù)雜，與兩固體的吸收率、反射率、形狀及大小有關(guān)，還與與兩固體的吸收率、反射率、形狀及大小有關(guān)，還與兩固體間的距離和相對(duì)位置有關(guān)。兩固體間的距離和相對(duì)位置有關(guān)。 角系數(shù)

40、角系數(shù) ij表示物體表示物體i的表面輻射總能量落到另一物的表面輻射總能量落到另一物體體j上的份額，即上的份額，即發(fā)出的總輻射能由表面發(fā)出的輻射能上的由表面落到表面iijijAAA工業(yè)上常遇到以下幾種情況的固體之間的相互輻射：工業(yè)上常遇到以下幾種情況的固體之間的相互輻射：（1）兩平行物面之間的輻射，一般又可分為極大的）兩平行物面之間的輻射，一般又可分為極大的兩平行面的輻射和面積有限的兩相等平行面間的輻射兩平行面的輻射和面積有限的兩相等平行面間的輻射兩種情況。兩種情況。（2）一物體被另一物體）一物體被另一物體 包圍時(shí)的輻射。包圍時(shí)的輻射。兩固體之間的輻射傳熱兩固體之間的輻射傳熱,可用下式表示：可用下式表示： 4241212121)100()100(TTACQ式中式中Q1-2高溫物體高溫物體1向低溫物體向低溫物體2傳遞的熱量，傳遞的熱量，W；C1-2總輻射系數(shù)，總輻射系數(shù)，W/(m2.K4)； 1-2幾何因子或角系數(shù)幾何因子或角系數(shù)(總能量被攔截分率總能量被攔截分率)； A輻射面積，輻射面積，m2； T1高溫物體的溫度，高溫物體的溫度，K； T2低溫物體的溫度，低溫物體的溫度，K。 其中總輻射系數(shù)其中總輻射系數(shù)C1-2和角系數(shù)和角系數(shù) 1-2的數(shù)值與物體黑的數(shù)值與物體黑度、形狀、大小、距離及