《热量传递》PPT课件

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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 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 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 第一节热量传递的方式(1)什么是热传导？(2)什么是对流传热？分别举出一个强制对流传热和自然对流传热的实例。(3)简述辐射传热的过程及其特点。(4)试分析在居室内人体所发生的传热过程，设室内空气处于流动状态。(5)若冬季和夏季的室温均为18℃，人对冷暖的感觉是否相同？在哪种情况下觉得更暖和？为什么？本节思考题 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 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，才能维持温度差不变热传导的速率？第二节热传导一、傅立叶定律 y方向上的热量流量，也称为传热速率，W导热系数，W/(m·K)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) 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。变换：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) 是物质的性质，反映温度变化在物体中的传播能力单位体积物质温度升高1oC是所需要的热量,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 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) 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）压力对其影响不大。经验公式：16T[W·(m·k)-1][W·(m·k)-1] （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)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 （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100～200W／（m·K），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，壁面两侧温度分别为一维稳态热传导第二节热传导三、通过平壁的稳定热传导(4.2.6)(4.2.7) 温差为传热的推动力。导热热阻，K/W单位传热面积的导热热阻，m2·K/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】某平壁厚度为400mm，内表面温度＝950℃，外表面温度＝300℃，导热系数λW/(m·K)，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W/m2W/(m·K)？T？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 （2）导热系数取为变量分离变量并积分对于平壁上的稳态一维热传导，热量通量不变。因此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 整理，得此时温度分布为曲线。在x处第二节热传导 （二）多层平壁的热传导串联热阻叠加原则层与层之间接触良好热阻越大，通过该层的温度差也越大Q传热的推动力导热热阻第二节热传导(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层平壁的热传导第二节热传导(4.2.11) 第二节热传导【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，有稳态导热时，径向的Q为常数，将上式分离变量并积分传热面积随半径发生变化内径r1外径r2半径r第二节热传导四、通过圆管壁的稳定热传导(4.2.13) 当时，可以用算术平均值代替对数平均值，简化计算圆管壁的导热热阻，K/W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(4.2.13) 设保温层内半径为r处的温度为T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/(m·K)。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 第二节热传导(1)简述傅立叶定律的意义和适用条件。(2)分析导温系数和导热系数的涵义及影响因素。(3)为什么多孔材料具有保温性能？保温材料为什么需要防潮？(4)当平壁面的导热系数随温度变化时，若分别按变量和平均导热系数计算，导热热通量和平壁内的温度分布有何差异。(5)若采用两种导热系数不同的材料为管道保温，试分析应如何布置效果最好。本节思考题 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 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 （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 （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。v流体的密度r或比热容pc越大，流体与壁面间的传热速率越大v导热系数l越大，热量传递越迅速；v流体的黏度m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 >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 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 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 (T-TW)＝0.99(T0-TW)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δT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。δT第三节对流传热 取决于普兰德数PrlmanprcP==表明分子动量传递能力和分子热量传递能力的比值。δTδ(T-TW)＝0.99(T0-TW)Pr＝1时，δ＝δTδ>δT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Pr >(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第三节对流传热三、对流传热速率(4.3.1) (一)牛顿冷却定律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/（m2·K）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 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/（m2·K）对流传热速率也可以用对流传热热阻表示，即导热热阻第三节对流传热(一)牛顿冷却定律(4.3.2a)(4.3.2b) （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5～25气体强制对流20～100水自然对流200～1000水强制对流1000～15000水蒸气冷凝5000～15000有机蒸气冷凝500～2000水沸腾2500～25000 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，则牛顿冷却定律很难得出！！如何确定对流传热系数？对流传热微分方程式——理论上计算对流传热系数的基础第三节对流传热（二）对流传热系数 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（三传类比）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努塞尔特数普兰德数流体被冷却时,f＝0.3流体被加热时,f＝0.4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) 定性温度：流体进出口温度的算术平均值。特征尺寸：管内径管内壁面光滑；管长与管径之比≥50。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。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 2．流体在圆形直管内呈层流状态流动①层流流动下进口段影响较大②往往需要考虑附加的自然对流传热的影响格拉晓夫数，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：特征尺寸：管内径应用范围：应用条件：小管径且流体和壁面的温差不大时，<25000，自然对流的影响可以忽略(4.3.10)第三节对流传热(一)管内强制对流传热 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(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第三节对流传热(4.3.13)(一)管内强制对流传热 (二)大空间自然对流传热对流传热系数与和有关与传热表面的性质和位置以及有关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 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？传导热阻对流传热热阻当保温层厚度增加（即增大）时热传导对流传热?第三节对流传热五、保温层的临界直径(4.3.19) 由此得到热损失为最大值时的保温层直径：为正值保温层的临界直径保温层的临界厚度如果保温层的外径小于临界直径即即增加保温层的厚度反而使热损失增加。第三节对流传热 【例4.3.4】外径为25mm的钢管，其外壁温度保持350℃，为减少热损失，在管外包一层导热系数为0.2W/(m·K)的保温材料。已知保温层外壁对空气的对流传热系数近似为10W/(m2·K)，空气温度为20℃。试求（1）保温层厚度分别为2mm、5mm和7mm时，每米管长的热损失及保温层外表面的温度；（2）保温层厚度为多少时热损失量最大？此时每米管长的热损失及保温层外表面的温度各为多少？（3）若要起到保温作用，保温层厚度至少为多少？设保温层厚度对管外空气对流传热系数的影响可忽略。第三节对流传热 解：（1）稳态传热时，各层传热速率相等，即当保温层厚度为2mm时，＝0.029mW/m℃第三节对流传热 同理，当保温层厚度为5mm时，＝0.035m当保温层厚度为7mm时，＝0.039m在保温层为2～7mm时，随着厚度的增加，热损失量增加。W/m℃W/m℃第三节对流传热 第三节对流传热 一般情况下，热损失随保温层厚度增加而减小。但对于小直径的管道，则可能出现相反的情况，即随保温层的厚度增加，热损失加大。第三节对流传热 一般情况下，热损失随保温层厚度增加而减小。但对于小直径的管道，则可能出现相反的情况，即随保温层的厚度增加，热损失加大。第三节对流传热 传热设备换热器是工业生产中重要的单元操作设备之一。类型很多，特点不一，可根据生产工艺要求进行选择。依据传热原理和实现热交换的方法，换热器可分为间壁式、混合式及蓄热式三类，其中以间壁式换热器应用最普通。 一、间壁式换热器1．夹套式换热器主要应用于反应过程的加热或冷却。该种换热器的传热系数较小，传热面又受容器的限制，因此适用于传热量不太大的场合。为了提高其传热性能，可在容器内安装搅拌器，使器内液体作强制对流；为了弥补传热面的不足，还可在器内安装蛇管等。 2．蛇管式换热器（1）沉浸式蛇管换热器优点：结构简单，价格低廉，便于防腐蚀，能承受高压缺点：由于容器的体积较蛇管的体积大得多，故管外流体的a较小，因而总传热系数K值也较小。（2）喷淋式换热器和沉浸式蛇管换热器相比，具有便于检修和清洗、传热效果较好等优点，缺点是喷淋不易均匀。 列管式换热器的基本型式和设计计算列管式换热器是目前化工生产中应用最广泛的传热设备，与前述的各种换热器相比，主要优点是单位体积所具有的传热面积大以及传热效果好。此外，结构简单，制造的材料范围较广，操作弹性也较大等，因此，在高温、高压和大型装置上多采用列管式换热器。 列管式换热器的基本型式(按补偿应力方式分）1．固定管板式 固定管板式 2．U型管换热器 3．浮头式换热器 新型的换热器一、翅片式换热器 板式换热器优点：结构紧凑、单位体积设备提供的传热面积大；总传热系数高，如对低粘度液体的传热，K值可高达7000W/（m.℃）；可根据需要增减板数以调节传热面积；检修和清洗都较方便等。缺点：处理量不大；操作压强比较低，一般低于15atm，最高也不超过20atm；因受垫片耐热性能的限制，操作温度不能太高，一般对合成橡胶垫圈不超过130℃，压缩石棉垫圈也低于250℃ 热流体通过间壁将热量传给冷流体的过程分为三步：－对流传热－导热－对流传热A1A2Amb外侧内侧热流体冷流体（1）热流体将热量传给固体壁面（2）热量从壁的热侧面传到冷侧面（3）热量从壁面传给冷流体第三节对流传热六、间壁传热过程计算 热侧流体对壁面的传热速率为通过间壁的传热速率为在稳态情况下冷侧流体对壁面的传热速率为外侧内侧热流体冷流体（一）总传热速率方程第三节对流传热(4.3.20)(4.3.21)(4.3.22)A1A2Amb 传热过程总推动力传热总热阻总热阻等于各项热阻之和（一）总传热速率方程第三节对流传热(4.3.23) 取定的面积传热基本方程总传热系数以外表面积作为基准对于平壁或薄管壁热侧为外侧时表示换热设备性能的极为重要的参数（二）总传热系数第三节对流传热(4.3.25) 污垢热阻外侧表面上单位传热面积的污垢热阻内侧表面上单位传热面积的污垢热阻比间壁的热阻大得多难以准确估计，采用经验值对于平壁或薄管壁，有第三节对流传热(4.3.26) 若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80W/（m2·K）；冷却水在管内流过，对流传热系数为5000W/（m2·K）。冷却管为φ25×2.5mm的钢管，其导热系数为45W/（m·K）。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 解：（1）以管外表面积为基准的总传热系数满足即=25mm，=20mmW/（m2·K）mm4.222025ln2025ln211=-=-=ddd2ddm第三节对流传热 （2）若提高一倍，则W/（m2·K）（3）若提高一倍，则可见，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。W/（m2·K）第三节对流传热 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 （1）逆流和并流时的传热温差Th1Tc1Th2Tc2Th1Th2Tc1Tc2Th1Th2Tc1Tc2Th1Th2Tc2Tc1逆流并流第三节对流传热 Th1Th2Tc1Tc2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，温度下降冷流体得到热量，温度上升分别对热流体和冷流体进行热量衡算第三节对流传热(4.3.27)(4.3.28)(4.3.29)(4.3.30) Th1Th2Tc1Tc2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，温度下降冷流体得到热量，温度上升分别对热流体和冷流体进行热量衡算第三节对流传热(4.3.27)(4.3.28)(4.3.29)(4.3.30) 积分，得热容流量第三节对流传热 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。平均传热温差，对数平均温差换热器两端温差大的数值换热器两端温差小的数值计算并流和逆流情况下平均温差的通式第三节对流传热 结论：在冷热流体的初、终温度相同的条件下，逆流的平均温差较并流的大。【例题4.3.6】在套管换热器中用冷水将100℃的热水冷却到60℃，冷水温度从20℃升至30℃。试求在这种温度条件下，逆流和并流时的平均温差。＝60－20＝40℃，＝100－30＝70℃＝60－30＝30℃，＝100－20＝80℃℃℃并流时解：逆流时第三节对流传热 在换热器的传热量及总传热系数相同的条件下，采用逆流操作，其优点是：（1）可以节省传热面积，减少设备费；（2）或可以减少换热介质的流量，降低运行费。因此，在实际工程中多采用逆流操作热、冷流体的最高温度集中在换热器的一端，使得该处的壁温较高。有的化工物料受限制。对于高温换热器，应避免采用逆流操作逆流操作的缺点：第三节对流传热 （2）错流和折流时的传热温差按逆流计算对数平均温差，再乘以温度修正系数温度修正系数小于1，即错流和折流时的传热温差小于逆流时的温差。按逆流计算的对数平均温差温度修正系数，无量纲工程上采用折流和其他复杂流动的目的是提高传热系数，其代价是使平均温差减少。因此，在设计时最好使温度修正系数>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) 单壳程两管程1－2型两壳程四管程2－4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 第三节对流传热 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 当换热器出口温度未知时，需通过反复试算传热单元数法（NTU）传热效率－传热单元数法（ε-NTU）1.传热效率ε意义：流体可用的热量被利用的程度(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：最大可能传热量：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热流体的热容流量较小：冷流体的热容流量较小：ε第三节对流传热(4.3.36)(4.3.37) 2.传热单元数由换热器的热量衡算及总传热速率方程得对于冷流体: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: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。第三节对流传热(4.3.41)(4.3.42)(4.3.43) 3.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两流体的热容量比单程逆流换热器任一流体发生相变时第三节对流传热(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ε；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 第三节对流传热(1)简述影响对流传热的因素。(2)简述对流传热的机理、传热阻力的分布及强化传热的措施。(3)为什么流体层流流动时其传热过程较静止时增强？(4)传热边界层的范围如何确定？试分析传热边界层与流动边界层的关系。(5)试分析影响对流传热系数的因素。(6)分析圆直管内湍流流动的对流传热系数与流量和管径的关系，若要提高对流传热系数，采取哪种措施最有效？(7)流体由直管流入短管和弯管，其对流传热系数将如何变化？为什么？(8)什么情况下保温层厚度增加反而会使热损失加大？保温层的临界直径由什么决定？(9)间壁传热热阻包括哪几部分？若冷热流体分别为气体和液体，要强化换热过程，需在哪一侧采取措施？(10)什么是传热效率和传热单元数？本节思考题 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 (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0.38～100μm，而且大部分能量位于红外线区段，即0.76～20μm。电磁波谱第四节辐射传热 (二)热辐射对物体的作用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A＝1，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0.96～0.98，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D＝1，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 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：1μm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 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）投射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 W/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/m3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) 黑体的辐射系数，其值为5.67W/(m2·K4)黑体的辐射常数，其值为5.67×10－8W/(m2·K4)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第四节辐射传热(4.4.7) 只要知道物体的黑度，就可求得该物体的辐射能力。(二)灰体的辐射能力灰体的辐射系数由于黑体具有最大的辐射能力，因此定义：物体的黑度ε灰体的辐射能力与同温度下黑体的辐射能力之比第四节辐射传热(4.4.10)(4.4.8)(4.4.9) 物体的性质、温度以及表面状况，包括粗糙度及氧化程度，是物体本身的特性，一般可通过实验确定。材料温度/oC黑度红砖耐火砖钢板（氧化的）钢板（磨光的）铅（氧化的）铅（磨光的）铜（氧化的）铜（磨光的）铸铁（氧化的）铸铁（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、旱地和绝大部分的林地的黑度近似为0.90；水、海滩、冰川的黑度约为0.95；人体无论是什么肤色黑度均为0.96左右。影响物体表面的黑度的因素第四节辐射传热 【例题4.4.1】若将地球看成是平均温度为15℃、表面积为5.1×1014m2的黑体，求单位时间地球热辐射的能量和最大单色辐射能力时的波长λm，并将此波长与太阳辐射的波长相比（表面温度5800K）。地球最大单色辐射能力时的波长解：单位时间地球热辐射的能量为：太阳最大单色辐射能力时的波长波长的变化CO2温室效应第四节辐射传热 (三)物体的辐射能力与吸收能力的关系灰体黑体热平衡时对任意灰体，有透热体(＝1)对壁面1，热量的收支差额为两壁面间辐射传热的热通量，W/m2第四节辐射传热(4.4.12) 灰体黑体克希霍夫定律灰体的吸收率数值等于同温度下该物体的黑度善于吸收的物体必善于辐射；黑体的辐射能力最大。透热体(三)物体的辐射能力与吸收能力的关系第四节辐射传热(4.4.8)(4.4.13)(＝1) 两个无限大灰体平行平壁间的辐射传热过程壁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：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) 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。单位时间内两壁面单位面积的辐射传热量为平壁壁面面积为A，则辐射传热速率为壁1壁2第四节辐射传热(4.4.17)(4.4.19) 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 对于任意形状的两个物体物体1对物体2辐射的角系数，它与物体的形状、大小及两物体的相互位置和距离有关第四节辐射传热(4.4.20) 【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＝1，A=A1，627℃铝板铸铁炉门27℃123第四节辐射传热 （2）放置铝板后，因炉门与铝板之间距离很小，二者之间的辐射传热可视为两个无限大平行面间的相互辐射，且稳态情况下与铝板对周围四壁的辐射传热量相等。设铝板的温度为，，＝1＝1＝755K627℃铝板铸铁炉门27℃123第四节辐射传热 此时炉门的辐射散热量为散热量降低（14329－1347）/14329＝90.6％第四节辐射传热 N2、H2、O2等具有非极性对称结构的气体，在低温时几乎不具有吸收和辐射能力，故可视为透热体；（1）不同气体的辐射能力和吸收能力差别很大CO、CO2、H2O以及各种碳氢化合物的气体则具有相当大的辐射能力和吸收率。第四节辐射传热四、气体的热辐射（2）气体的辐射和吸收对波长具有选择性气体辐射光谱具有不连续性，决定了气体不能近似地作为灰体处理（一）气体辐射的特点 二氧化碳及其他温室气体对于来自太阳的短波相对透明，但是它们往往吸收那些由地球辐射出去的长波。在大气中积累的温室气体就像一个包裹在地球外表面的毯子，搅乱了地球的辐射平衡，导致地球温度升高。CO2的主要光带第四节辐射传热 （3）气体发射和吸收辐射能发生在整体气体体积内部，即吸收和辐射与热射线所经历的路程有关吸收：辐射能被沿途的气体分子吸收而逐渐减少。辐射：气体表面上的辐射应为达到表面的整个容积气体辐射的总和。光谱辐射穿过气体层时的减弱第四节辐射传热 第四节辐射传热（二）气体辐射的辐射能力和黑度容积过程，实际上不遵守四次方定律。将误差归到εg中进行修正与温度、分压和气体层的形状和容积有关(4.4.21)气体只能选择性地吸收某些波长的辐射能，因此气体的吸收率不仅与本身状况有关，而且与外来辐射有关。气体的吸收率不等于黑度 当设备的外壁温度高于周围大气温度时，热量将由壁面散失到周围环境中。由于这种情况下壁面对气体的对流传热强度较小，因而不论壁面温度高低，热辐射的作用一般都不能忽视。对流－辐射联合传热系数，单位为W/(m2.K)。对流和辐射联合传热时，设备的热损失应为对流传热和辐射传热之和第四节辐射传热五、对流和辐射联合传热(4.4.23) 第四节辐射传热(1)分析热辐射对固体、液体和气体的作用特点。(2)比较黑体和灰体的特性及其辐射能力的差异。(3)温度对热辐射和辐射传热的影响。(4)分析物体辐射能力和吸收能力的关系。(5)简述气体发射和吸收辐射能的特征，分析温室效应产生的机理。本节思考题 一、换热器的分类与结构形式二、管式换热器三、板式换热器四、强化换热器传热过程的途径本节的主要内容第五节换热器 第五节换热器一、换热器的分类与结构形式按用途分按交换方式分加热器、预热器、过热器、蒸发器、再沸器、冷却器、冷凝器间壁式直接接触式蓄热式 第五节换热器二、管式换热器蛇管式换热器列管式换热器套管式换热器 第五节换热器三、板式换热器夹套式换热器平板式换热器 （1）增大传热面积采用小直径管、异形表面、加装翅片等（2）增大平均温度差提高蒸汽的压强可以提高蒸汽的温度改变两侧流体相互流向增加管壳式换热器的壳程数（3）提高传热系数①提高流体的速度②增强流体的扰动③在流体中加固体颗粒④在气流中喷入液滴⑤采用短管换热器⑥防止结垢和及时清除污垢设法减少对传热系数影响最大的热阻第五节换热器四、强化换热器传热过程的途径 第五节换热器(1)简述换热器的类型。(2)什么是间壁式换热器，主要包括哪几种类型？(3)列管式换热器式最常用的换热器，说明什么是管程、壳程，并分析当气体和液体换热时，气体宜通入哪一侧？(4)简述增加传热面积的方法。(5)试分析提高间壁式换热器传热系数的途径。本节思考题