热量传递环境工程原理中北.pptx

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1、第一节 热量传递的方式一、热传导二、对流传热三、辐射传热 本节的主要内容第1页/共125页在环境工程中，很多过程涉及加热和冷却：对水或污泥进行加热，在冷却操作中移出热量；对管道及反应器进行保温以减少系统的热量散失；换热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。传热速率问题第2页/共125页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l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

2、体与固体壁面之间的热传递过程。l发生在流体内部l流体有宏观位移l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。l发生在相互接触的物质之间和物质（静止或层流流动）内部。l无物质的宏观位移第一节 热量传递的方式辐射传热l物体由于热的原因而发出辐射能的过程。l靠电磁波传热（热波热）l与热传导和对流传热不同，辐射传热无须借助中间介质的存在来传递热量，可以在真空中传递。第3页/共125页第一节 热量传递的方式第4页/共125页第一节 热量传递的方式 工业上常用的加热剂有热水、饱和水蒸汽、矿物油、联苯混合物、熔盐（熔融体）和烟道气等。当要求温度小于180时，常用饱和水蒸汽。饱和水蒸汽

3、冷凝放出潜热，潜热大大于显热，因此所需的蒸汽量小，且相变过程不发生温度变化。（注：若不将饱和水蒸汽中的不凝性气体及时排走，会大大降低传热效果。）常用的冷却剂是水、空气和各种冷冻剂（氟利昂，干冰）。水和空气可将物料最低冷却至周围环境的温度。当温度不很低时，水是最适宜的冷却剂。载热体及其选择 1.载热体的温度应易于调节；2.载热体毒性要小，使用安全，对设备应基本上没有腐蚀；3.载热体应价格低廉而且容易得到。第5页/共125页第一节 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

4、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？本节思考题第6页/共125页一、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 热传导第7页/共125页在气态、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

5、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 热传导第8页/共125页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、傅立叶定律第9页/共125页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、傅立叶定律第10页/共125页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

6、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、傅立叶定律第11页/共125页是物质的性质，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 热传导导温系数第12页/共125页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、导热系数第13页/共125页 对于同一种物质，值可能随不同的方向变化各向异性（

7、如木材、玻璃纤维），平行于热流方向时，导热系数较大，垂直于热流方向时，导热系数较小。（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。气体的导热系数比较小，约为液体的1/10。气体的导热系数第二节 热传导二、导热系数（一）的影响因素：第14页/共125页液体的导热系数液体的导热系数 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）水的导热系数最大。纯溶液的导热系数大于溶液压力对其影响不大。经验公式：16TW(m k)-1

8、W(m k)-1第15页/共125页固体材料的导热系数随温度而变，绝大多数质地均匀的固体，导热系数与温度呈线性关系，可用下式表示：式中 t时固体的导热系数，W/(m)或W/(mK)；0 0时固体的导热系数，W/(m)或W/(mK)；a 温度系数，1/。对大多数金属材料（汞除外）为负值（a0），t ，。若金属材料的纯度不纯，会使 大大降低。第二节 热传导（3）固体的导热系数影响因素较多 二、导热系数固体的导热系数 第16页/共125页 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。非金属中，石墨的导热系数最高，可达100200W/

9、(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。第二节 热传导一般地一般地，导电固体导电固体 非导电固体非导电固体，液体液体 气体气体 T T ，气体气体，水水，甘油甘油，其它液体的其它液体的 。二、导热系数固体的导热系数 第17页/共125页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 热传导第

10、18页/共125页(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第19页/共125页温差 为传热的推动力。导热热阻，K/W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 热传导第20页/共125页【例题】某平壁厚度 为400mm，内表面温度 950，外表面温度 300，导热系数=1.0+0.001T 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W/m2W/(mK)？T？解：（1）导

11、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第21页/共125页（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 热传导第22页/共125页整理，得此时温度分布为曲线。在x处第二节 热传导第23页/共125页（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 热传导第24页/共125页（三）n层平壁的热传导第二节 热传导附加热阻接触热阻 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

12、触面的压紧力和空隙中的气压等有关 接触热阻第25页/共125页第二节 热传导【例题】某燃烧炉的炉壁由500mm厚的耐火砖、380mm厚的绝热砖及250mm厚的普通砖砌成。其值依次为1.40 W/(mK)，0.10 W/(mK)及0.92 W/(mK)。传热面积A为1m2。已知耐火砖内壁温度为1000，普通砖外壁温度为50。（1）单位面积热通量及层与层之间温度；（2）若耐火砖与绝热砖之间有一2cm的空气层，其热传导系数为0.0459 W/(m)。内外壁温度仍不变，问此时单位面积热损失为多少？第26页/共125页采用圆柱坐标时，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

13、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第27页/共125页圆管壁的导热热阻，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28页/共125页第二节 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 Q=常数，但常数，但 q 常数常数当时，可以用算术平均值代替对数平均值，简化计算 第29页/共125页设保温层内半径为r处的温度为T第二节 热传导【例题】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

14、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30页/共125页【例题】为了减少热损失和保证安全工作条件，在外径为159mm的蒸汽管道上包覆保温层。蒸汽管道外壁的温度为300。保温材料为水泥珍珠岩制品，水泥珍珠岩制品的导热系数随温度的变化关系为=0.0651+0.000105t(使用平均导热系数)。要求包覆保温层后外壁的温度不超过50，并要求将每米长度上的热损失控制在300W/m，则保温层的厚度为多少？第二节 热传导第31页/共125页思考：思考：气气温温下下降降，应应添添加加衣衣服服，应应把把保保暖暖性性好好的的衣衣服服穿穿在在里

15、面好，还是穿在外面好？里面好，还是穿在外面好？bb 1 2Qbb 2 1Q 第二节 热传导第32页/共125页第二节 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33页/共125页第三节 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、保温层的临界直径本节的

16、主要内容第34页/共125页存在速度梯度的区域即为边界层。存在速度梯度u01904年，普兰德（Prandtl）提出了“边界层”概念，认为即使对于空气、水这样黏性很低的流体，黏性也不能忽略，但其影响仅限于壁面附近的薄层，即边界层，离开表面较远的区域，则可视为理想流体。边界层理想流体受阻减速无滑移u0yx一、边界层的概念 第三节 对流传热 第35页/共125页绕平板流动的边界层的形成分界面u=0.99u0u=0.99u0边界层的厚度xx随着x增大，边界层不断增厚二、边界层的形成过程 黏性底层黏性底层第三节 对流传热 第36页/共125页层流边界层湍流边界层过渡区速度梯度大黏性力大临界距离速度梯度减

17、小，黏性力下降，扰动迅速发展层流底层湍流中心缓冲层厚度突然增加绕平板流动的边界层的形成第三节 对流传热 第37页/共125页临界距离，与壁面粗糙度、平板前缘的形状、流体性质和流速有关，壁面越粗糙，前缘越钝，越短临界雷诺数对于平板，临界雷诺数的范围为31052106，通常情况下取5105 边界层流态的判别：2.边界层内的流动状态第三节 对流传热 第38页/共125页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 流体流动使对流传热速率加快第三节 对流传热 对流换热过程是热传导与对流联合作用的结果。第39页/共125页间壁式换热器热量传递过程

18、：（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 第40页/共125页第三节 对流传热 第41页/共125页第三节 对流传热 第42页/共125页第三节 对流传热 第43页/共125页第三节 对流传热 第44页/共125页（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。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导热系数越大，热量传递越迅速；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

19、对流传热的因素第45页/共125页（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、折流）第三节 对流传热 一、影响对流传热的因素第46页/共125页间壁式换热器 并流逆流错流折流流体流动方式第三节 对流传热 第47页/共125页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、对流传热的机理第48页/共125页(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

20、 二、对流传热的机理第49页/共125页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 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 第50页/共125页（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。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 第51页/共125页层流底层缓冲层湍流中心湍流区 缓冲层中，质点的脉动

21、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 第52页/共125页湍流传热时，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

22、热机理及温度分布第三节 对流传热 第53页/共125页(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 第54页/共125页取决于普兰德数PrmanprcP=表明分子动量传递能力和分子热量传递能力的比值。T(T-TW)0.99(T0-TW)Pr1时，TT温度变化主要在层流

23、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第55页/共125页(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、对流传热速率第56页/共125页(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/（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 第57页/共125页为对流传热热

24、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，即导热热阻第三节 对流传热(一)牛顿冷却定律 第58页/共125页 式中，b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。可以发现y 在厚度b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b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 为对流传热热阻。导热热阻第59页/共125页量纲分析法在对流传热中的应用 对流传热系数可以表示为 对流传热系数a可以用一个简单

25、的指数函数表示 式中：流体的流速u、传热设备的特征长度L、流体的粘度m、导热系数l、密度r、比热cp和浮升力gbDt等。无量纲准数的函数形式 第三节 对流传热 第60页/共125页1.努塞尔特准数（Nusselt），Nu:2.雷诺准数（Reynold），Re:准数的定义与物理意义 对流传热与厚度为L的流体层内的热传导之比。努塞尔数越大，对流传热的传热强度也越大。它反映了固体壁面处的无因次温度梯度的大小。惯性力与粘性力之比。雷诺数小，表示流体的粘性力起控制作用，抑制流层的扰动，随着雷诺数的增大，流体中流体微团的扰动加剧，壁面处的温度梯度增大，对流传热系数增大。第三节 对流传热 第61页/共125

26、页3.普兰德准数（Prandtl），Pr:4.格拉晓夫准数（Grashof），Gr:动量扩散与热量扩散之比。它表征了流体的动量传递能力与热量传递能力的相对强弱。普朗特数越小，流体的传热能力越强；反之，则流体的传热能力越差。浮升力与粘性力之比。它反映了由于流体中温度差引起密度差所导致的浮升力对对流传热的影响。它在自然对流中的作用与强制对流中雷诺数的作用相当。第三节 对流传热 第62页/共125页对于不同的传热情况，准数方程还可以简化：对于湍流强制对流传热，自然对流的影响可以忽略，准数关联式变为 对于自然对流传热，可以忽略惯性力的影响而将准则方程写为 对于层流和过渡流区的强制对流传热，浮升力的影响

27、不能忽略，准数关联式仍表示为式 第三节 对流传热 第63页/共125页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,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第64页/共125页定性温度：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

28、、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)管内强制对流传热第65页/共125页湍流情况下，对流传热系数与流速的0.8次方成正比，与管径的0.2次方成正比。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(一)管内强制对流传热 适用范围：适用范围：Re104,0.7Pr160,l/d50;定性温度取 tm，特征尺寸为di，W取壁温下的粘度。对于高黏度的流体 第66页/共125页对于 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

29、的短管修正系数第三节 对流传热(一)管内强制对流传热第67页/共125页 对流传热系数可先用湍流时的经验关联式计算，然后将计算所得到的对流传热系数再乘以小于1的修正系数，即还可以采用格尼林斯基公式计算，该式既适用于过渡流状态也适用于湍流状态 2流体在圆形直管内呈过渡流状态流动第三节 对流传热(一)管内强制对流传热第68页/共125页第三节 对流传热 对于液体 对于气体 式中 式中以流体平均温度作为定性温度，下标w表示以壁面温度为定性温度，T的单位为K。关联式的应用范围为：Re=2300106，Pr=0.6105。注意，格尼林斯基公式中已包含了入口效应的修正系数，在应用于短管的计算时不需要再乘入

30、口修正系数。(一)管内强制对流传热第69页/共125页3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 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)管内强制对流传热第70页/共125页除黏度 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：（1）小管径且流体和壁面的温差不大时，25000时，自然对流的影响不能忽略时，乘以校正系数第三节 对流传热(一)管内强制对流传热第72页/共125页第三节 对流传热 4.流体在圆形弯管内流动(一)管内强制

31、对流传热 可可先先按按圆圆形形直直管管的的经经验验关关联联式式计计算算对对流流传传热热系系数数a a，然然后后再再乘乘以以大大于于1 1的的修修正正系系数数，即可得在弯管中的对流传热系数即可得在弯管中的对流传热系数a a，即，即R弯管的曲率半径由于离心力的作用，扰动加剧，使传热系数增加第73页/共125页 5.5.流体在非圆形管内的流动 当量直径法 用de代替圆管内径di计算，仍用圆管计算式计算，但u求解时不用de直接计算，而要用实际的流通面积计算。方法简便，但计算准确性欠佳；(一)管内强制对流传热第三节 对流传热 第74页/共125页(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

32、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特性尺寸对水平管取外径，垂直管或板取管长和板高H。第三节 对流传热 第75页/共125页(二)大空间自然对流传热第三节 对流传热 表常见大空间自然对流时的C和n值第76页/共125页第三节 对流传热 蒸汽传热不发生相变发生相变过热蒸汽壁面温度高于饱和温度的壁面过热蒸汽饱和蒸汽

33、壁面温度低于饱和温度的壁面第77页/共125页(三)冷凝传热第三节 对流传热 蒸汽与低于饱和温度的壁面接触时有两种不同的冷凝形式。如下图所示。膜状冷凝珠状冷凝第78页/共125页(三)冷凝传热第三节 对流传热 1.纯蒸汽在竖壁上进行膜状冷凝时的对流传热系数 湍流(Re2000)时：层流(Re2000)时：特征尺寸L：管或板高H；定性温度：膜平均温度适用范围：适用范围：第79页/共125页(三)冷凝传热第三节 对流传热 2.水平单管外的冷凝传热 适用范围适用范围：式中：r汽化潜热（Ts下），kJ/kg。特征尺寸：水平管外径do定性温度：膜平均温度 第80页/共125页(三)冷凝传热第三节 对流传

34、热 3.管束外的冷凝传热 适用范围适用范围：式中：n水平管束在垂直列上的管子数；r汽化潜热（Ts下），kJ/kg。特征尺寸：水平管外径do定性温度：膜平均温度 第81页/共125页(三)冷凝传热第三节 对流传热 冷凝传热的影响因素和强化措施1 不凝气体的影响液膜气膜twtstv 在实际的工业冷凝器中，由于蒸汽中常含有微量的不凝性气体，如空气。当蒸汽冷凝时，不凝气体会在液膜表面浓集形成气膜。这样冷凝蒸汽到达液膜表面冷凝前，必须先以扩散的方式通过这层气膜。这相当于额外附加了一热阻，而且由于气体的导热系数小，使蒸汽冷凝的对流传热系数大大下降。实验可证明：当蒸汽中含空气量达1%时，下降60%左右。因此

35、，在冷凝器的设计中，在高处安装气体排放口；操作时，定期排放不凝气体，减少不凝气体对的影响。第82页/共125页(三)冷凝传热第三节 对流传热 冷凝传热的影响因素和强化措施2 蒸汽过热的影响 整个过程是过热蒸汽首先在气相下冷却到饱和温度，然后在液膜表面继续冷凝，冷凝的推动力仍为t=tstw。一般过热蒸汽的冷凝过程可按饱和蒸汽冷凝来处理，所以前面的公式仍适用。但此时应把显热和潜热都考虑进来，为过热蒸汽的比热和温度。工业中过热蒸汽显热增加较小，可近似用饱和蒸汽计算。第83页/共125页(三)冷凝传热第三节 对流传热 冷凝传热的影响因素和强化措施3 蒸汽流速和流向的影响 前面介绍的公式只适用于蒸汽静止

36、或流速不大的情况。蒸汽的流速对有较大的影响，蒸汽流速较小u10m/s时，还要要考虑蒸汽与液膜之间的摩擦作用力。蒸汽与液膜流向相同时，会加速液膜流动，使液膜变薄,；蒸汽与液膜流向相反时，会阻碍液膜流动，使液膜变厚，；但u时，会吹散液膜，。一般冷凝器设计时，蒸汽入口在其上部，此时蒸汽与液膜流向相同，有利于。第84页/共125页(三)冷凝传热第三节 对流传热 冷凝传热的影响因素和强化措施4 冷凝传热过程的强化 冷凝液的热导率低.减小液膜厚度最直接的方法是从冷凝壁面的高度和布置方式入手。如在垂直壁面上开纵向沟槽，以减薄壁面上的液膜厚度。还可在壁面上安装金属丝或翅片，使冷凝液在表面张力的作用下，流向金属

37、丝或翅片附近集中，从而使壁面上的液膜减薄；使冷凝传热系数得到提高。强化冷凝传热的另一途径是维持珠状冷凝，为此可在壁面上涂以疏水性涂层，或在蒸气中喷入少量油性添加物，但都难以得到持久的滴状冷凝，这有待进一步研究。第85页/共125页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、保温层的临界直径第86页/共125页由此得到热损失 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 第87页/共

38、125页【例】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/(mK)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10 W/(m2K)，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 第88页/共125页解：（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

39、节 对流传热 第89页/共125页同理，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27mm时，随着厚度的增加，热损失量增加。W/mW/m第三节 对流传热 第90页/共125页第三节 对流传热 第91页/共125页一般情况下，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 第92页/共125页一般情况下，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 第93页/共125页【例题】水以1m/s的速度在长为3m

40、的252.5mm管内，由20加热到40。试求水与管壁之间的对流传热系数。30 水的995.7 kg/m3，80.0710-5 Pas，Cp=4.174103J/(kgK),=0.6176W/(mK)第94页/共125页一、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 辐射传热第95页/共125页(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

41、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第96页/共125页 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0.420m，而且大部分能量位于红外线区段，即0.820m。电磁波谱第四节 辐射传热第97页/共125页(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 辐射传热第98页/共125页若A1，则表示落在物体表面

42、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 辐射传热第99页/共125页物体的吸收率、反射率和穿透率的大小取决于物体的性质、表面状况、温

43、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 辐射传热第100页/共125页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

44、第101页/共125页灰体: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 辐射传热第102页/共125页辐射能力: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、物体的辐射能力第103页/共125页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、物体的辐射能力第

45、104页/共125页(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第105页/共125页黑体的辐射系数，其值为5.67 W/(m2K4)黑体的辐射常数，其值为5.67108 W/(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第四节 辐射传热第106页/共125页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：物体的黑度灰体的辐射能力与同温度

46、下黑体的辐射能力之比第四节 辐射传热第107页/共125页 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）20200600940 1100200 600225 575200 600200 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

47、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 辐射传热第108页/共125页【例题】若将地球看成是平均温度为15、表面积为5.11014m2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m，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 辐射传热第109页/共125页(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

48、节 辐射传热第110页/共125页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(1)第111页/共125页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、物体间的辐射传热第112页/共125页物体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

49、 壁1壁2第四节 辐射传热第113页/共125页 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 辐射传热第114页/共125页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 辐射传热第115页/共125页【例题】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（

50、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27123第四节 辐射传热第116页/共125页（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，11755K627铝板铸铁炉门27123第四节 辐射传热第117页/共125页此时炉门的辐射散热量为散热量降低（14