第三章 熱量傳遞

1、第四章 熱量傳遞 傳熱即熱量傳遞，凡是有溫度差存在的地方，必然傳熱即熱量傳遞，凡是有溫度差存在的地方，必然有熱的傳遞有熱的傳遞，傳熱是極為普遍的一種能量傳遞過程，化傳熱是極為普遍的一種能量傳遞過程，化學(xué)工業(yè)與傳熱的關(guān)系尤為密切。學(xué)工業(yè)與傳熱的關(guān)系尤為密切。傳熱在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用傳熱在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用：物料的加熱、冷卻或者冷凝、蒸發(fā)過程。物料的加熱、冷卻或者冷凝、蒸發(fā)過程。傳動、傳熱和傳質(zhì)同時發(fā)生的綜合過程。傳動、傳熱和傳質(zhì)同時發(fā)生的綜合過程?；瘜W(xué)過程中的放熱反應(yīng)和吸熱反應(yīng)。化學(xué)過程中的放熱反應(yīng)和吸熱反應(yīng)?；ぴO(shè)備和管道的保溫，以減少熱損失。化工設(shè)備和管道的保溫，以減少熱損失。生產(chǎn)中熱能的合理利

2、用，廢熱回收。生產(chǎn)中熱能的合理利用，廢熱回收。 4.1 概 述傳熱的基本方式傳熱的基本方式 熱的傳遞是由于物體內(nèi)部或物體之間的溫度不同熱的傳遞是由于物體內(nèi)部或物體之間的溫度不同而引起的。當(dāng)無外功輸入時，根據(jù)熱力學(xué)第二定律，而引起的。當(dāng)無外功輸入時，根據(jù)熱力學(xué)第二定律，熱總是自動地從溫度較高的部分傳給溫度較低的部分，熱總是自動地從溫度較高的部分傳給溫度較低的部分，或是溫度較高的物體傳給溫度較低的物體。根據(jù)傳熱或是溫度較高的物體傳給溫度較低的物體。根據(jù)傳熱機理的不同，傳熱的基本方式有傳導(dǎo)機理的不同，傳熱的基本方式有傳導(dǎo)傳熱傳熱、對流、對流傳熱傳熱和輻射和輻射傳熱傳熱三種。三種。 機理：依靠物體內(nèi)自

3、由電子的運動或分子在平衡位置機理：依靠物體內(nèi)自由電子的運動或分子在平衡位置的振動來傳遞熱量。的振動來傳遞熱量。 當(dāng)物體的內(nèi)部或兩個直接接觸的物體之間存在著溫度當(dāng)物體的內(nèi)部或兩個直接接觸的物體之間存在著溫度的差異時，物體中溫度較高的部分的分子因振動而與相鄰的差異時，物體中溫度較高的部分的分子因振動而與相鄰分子碰撞，并將能量的一部分傳給后者，熱能就從物體的分子碰撞，并將能量的一部分傳給后者，熱能就從物體的較高部分傳給溫度較低的部分或從一個溫度較高的物體傳較高部分傳給溫度較低的部分或從一個溫度較高的物體傳遞給直接接觸的溫度較低的物體。遞給直接接觸的溫度較低的物體。傳導(dǎo)傳導(dǎo)特點：物體的分子或質(zhì)點不發(fā)生

4、宏觀的相對位移。特點：物體的分子或質(zhì)點不發(fā)生宏觀的相對位移。金屬固體中，導(dǎo)熱起主要作用的是自由電子的運動；金屬固體中，導(dǎo)熱起主要作用的是自由電子的運動；不良導(dǎo)體的固體和大部分的液體中，導(dǎo)熱是通過質(zhì)點振動，不良導(dǎo)體的固體和大部分的液體中，導(dǎo)熱是通過質(zhì)點振動，能量從一個分子傳遞到另一個分子；能量從一個分子傳遞到另一個分子；氣體中，導(dǎo)熱則是由于分子的不規(guī)則運動而引起的。氣體中，導(dǎo)熱則是由于分子的不規(guī)則運動而引起的。 導(dǎo)熱：固體中導(dǎo)熱：固體中 熱傳遞的主要方式熱傳遞的主要方式 流體中流體中 并不顯著并不顯著4.2 熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo) 4.2-1 傅立葉定律傅立葉定律 ntAdQddd dQ/d 熱傳導(dǎo)速率，

5、熱傳導(dǎo)速率，W或或J/s； A 導(dǎo)熱面積，導(dǎo)熱面積，m2； dt/dn 溫度梯度，溫度梯度，K/m； 導(dǎo)熱系數(shù)，導(dǎo)熱系數(shù)，W/(mK)。t1t2tndn經(jīng)過大量實驗，可得： 負(fù)號表示傳熱方向上的溫度梯度為負(fù)負(fù)號表示傳熱方向上的溫度梯度為負(fù) 表征材料導(dǎo)熱性能的物性參數(shù)表征材料導(dǎo)熱性能的物性參數(shù) 導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù) 越大，導(dǎo)熱性能越好越大，導(dǎo)熱性能越好說明：說明：ddQ 對穩(wěn)定熱傳導(dǎo)對穩(wěn)定熱傳導(dǎo) dndtA單位時間內(nèi)傳導(dǎo)的熱量單位時間內(nèi)傳導(dǎo)的熱量Aq稱為熱流密度或熱通量4.2-2 導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù) dndtA/ 在數(shù)值上等于單位溫度梯度下的熱通量。在數(shù)值上等于單位溫度梯度下的熱通量。 是是分子微觀運

6、動的宏觀表現(xiàn)。分子微觀運動的宏觀表現(xiàn)。 = f( = f(結(jié)構(gòu)、組成、密度、溫度、壓力）結(jié)構(gòu)、組成、密度、溫度、壓力） 各種物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)各種物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù) 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 1)1)固體固體 金屬：金屬： 純金屬純金屬 合金合金 非金屬：同樣溫度下，非金屬：同樣溫度下， 越大，越大， 越大。越大。2)2)液體液體 金屬液體金屬液體 較高，非金屬液體較高，非金屬液體 低，低，水的水的 最大。最大。t t ， （除水和甘油）（除水和甘油） 一般來說，純液體的大于溶液一般來說，純液體的大于溶液3)3)氣體氣體t t ，氣體不利于導(dǎo)熱，但可用來保溫或隔熱液體

7、混合物的導(dǎo)熱系數(shù)液體混合物的導(dǎo)熱系數(shù) 混合液和各組分的導(dǎo)熱系數(shù)混合液和各組分的導(dǎo)熱系數(shù)W/(mW/(m)或或W/(mW/(mK)K)； ai各組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；各組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)； K K 常數(shù)，對一般混合物或溶液為常數(shù)，對一般混合物或溶液為1.01.0，對有機物的，對有機物的水溶液為水溶液為0.90.9。mi 、niiimaK1質(zhì)量加和法進(jìn)行估算：質(zhì)量加和法進(jìn)行估算：氣體混合物的導(dǎo)熱系數(shù)氣體混合物的導(dǎo)熱系數(shù)iyiM 氣體混合物中各組分的導(dǎo)熱系數(shù)氣體混合物中各組分的導(dǎo)熱系數(shù)W/(mW/(m)或或W/(mW/(mK)K)； 各組分的摩爾分?jǐn)?shù)；各組分的摩爾分?jǐn)?shù)； 各組分的摩爾質(zhì)量，各組分的摩爾質(zhì)量，g

8、/mol.g/mol. im、niiiniiiimMyMy131131/)()(摩爾加和法進(jìn)行估算：摩爾加和法進(jìn)行估算： 1. 1. 通過單層平面壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)通過單層平面壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)假設(shè)：假設(shè)： A A大，大，??；??； 材料均勻；材料均勻； 溫度僅沿溫度僅沿n n變化，且不變化，且不隨時間變化。隨時間變化。t1t2tndn4.2-3 通過平面壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)通過平面壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo) 熱流量或傳熱速率，熱流量或傳熱速率，W W或或J/sJ/s； A A 平壁的面積，平壁的面積，m m2 2； 平壁的厚度，平壁的厚度，m m； 平壁的導(dǎo)熱系數(shù)，平壁的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(mW/(m)或或W/(mW/(m

9、K)K)； t t1 1, t, t2 2 平壁兩側(cè)的溫度，平壁兩側(cè)的溫度，。AttttA2121將微分方程寫成代數(shù)方程的形式后，可得：將微分方程寫成代數(shù)方程的形式后，可得：討論：討論： 熱阻推動力Rt1 1可表示為可表示為ttt()12推動力：推動力：AR熱阻：熱阻： 2. 2. 通過多層平面壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)通過多層平面壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)假設(shè)：假設(shè)： A A大，大，?。恍?； 材料均勻；材料均勻； 溫度僅沿溫度僅沿x x變化，變化， 且不隨時間變化。且不隨時間變化。 各層接觸良好，接各層接觸良好，接觸面兩側(cè)溫度相同。觸面兩側(cè)溫度相同。t1t211tx2323t2t4t3Att11211第一層第一層(

10、 (耐火磚）：耐火磚）： 第二層第二層( (保溫磚）：保溫磚）： Att22322第三層第三層( (青磚）：青磚）： Att33433AttAttAtt334322321121321對于穩(wěn)定熱傳導(dǎo)：對于穩(wěn)定熱傳導(dǎo)： 1111tA2222tA3333tA321332211tttAAA總熱阻總推動力iiiiiiiRttAttAt413141推廣至推廣至n n層：層： niinniiinRttAtt111111 為多層串聯(lián)壁面兩邊外表面的溫度差，為多層串聯(lián)壁面兩邊外表面的溫度差， 為壁的層數(shù)，為壁的層數(shù)， 為壁層的序數(shù)。為壁層的序數(shù)。 11nttni式中：式中： 4.2-4 4.2-4 通過圓筒壁的

11、穩(wěn)定熱傳導(dǎo)通過圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo) 1. 通過單層圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)通過單層圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)邊界條件邊界條件 rrtt11時，rrtt22時，得：得：212121ttrrLdtdrr設(shè)設(shè) 不隨不隨t t而變而變 熱流量或傳熱速率，熱流量或傳熱速率，W W或或J/sJ/s； 導(dǎo)熱系數(shù)，導(dǎo)熱系數(shù)，W/(mW/(m)或或W/(mW/(mK)K)； 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)外半徑，圓筒壁內(nèi)外半徑，m m。12211221ln12ln2rrttLrrttL討論：討論： 上式可以寫為上式可以寫為rLA212rr AAAAAm2121ln/對數(shù)平均面積對數(shù)平均

12、面積 當(dāng)當(dāng)212rr，可以把圓筒的傳熱看成為壁厚為，可以把圓筒的傳熱看成為壁厚為面積為面積為)2(221rrlAm的平壁的熱傳導(dǎo)。的平壁的熱傳導(dǎo)。計算結(jié)果誤差小于計算結(jié)果誤差小于4%4% 熱阻推動力mAttAAAAttrrrrrrttL2112122112121221lnln2 圓筒壁內(nèi)的溫度分布圓筒壁內(nèi)的溫度分布1111ln2ln/2rrLttrrttL212121ttrrdtLdrr上限從上限從rrtt22時，改為改為rrtt時，t tr r成對數(shù)曲線變化成對數(shù)曲線變化( (假設(shè)假設(shè) 不隨不隨t t變化變化) ) 2. 通過多層圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)通過多層圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)311413434

13、32323212121ln1)(2ln1)(2ln1)(2ln1)(2iiiirrttLrrttLrrttLrrttL對于對于n n層圓筒壁：層圓筒壁： niinniiiinniiiinRttAttrrttL1111m111111ln1)(2對于穩(wěn)定熱傳導(dǎo)：對于穩(wěn)定熱傳導(dǎo)： 344332332212211321ln)(2ln)(2ln)(2rrttlrrttlrrttl11121ln2trrl22232ln2trrl33343ln2trrlttttttrrrrrrl41321334223112)lnlnln(2ttttttrrrrrrl41321334223112)lnlnln(2niiiii

14、rrtl11ln12例：有一外徑為100mm的蒸汽總管，外包扎= 0.1Wm-1K-1的保溫材料層。飽和蒸汽溫度為144(壓強為405kPa)，周圍平均溫度以10計。包括敷裝和維修的絕熱材料費用為800元/米3，可以5年折舊計算(包括投資利率)。能源費用為8元/109J(約相當(dāng)于20元/噸蒸汽)。試估算絕熱層的經(jīng)濟(jì)厚度。 作為近似估算時，可忽略蒸汽膜(包括污垢層)、管壁及絕熱層外壁空氣膜的熱阻，而認(rèn)為熱阻由絕熱層決定。4.3-1 對流傳熱過程分析對流傳熱過程分析4.3-2 對流傳熱速率對流傳熱速率4.3-3 影響對流傳熱系數(shù)的因素影響對流傳熱系數(shù)的因素4.3-4 對流傳熱系數(shù)經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式的建立對

15、流傳熱系數(shù)經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式的建立 機理：機理：由于流體中質(zhì)點發(fā)生相對位移和混合，而將熱能由于流體中質(zhì)點發(fā)生相對位移和混合，而將熱能由一處傳遞到另一處。由一處傳遞到另一處。 分類分類自然對流：自然對流：流體質(zhì)點的相對運動是因流體內(nèi)部各處溫度不同流體質(zhì)點的相對運動是因流體內(nèi)部各處溫度不同而引起的局部密度差異所致。而引起的局部密度差異所致。強制對流：強制對流：用用機械能（如攪拌流體）使流體發(fā)生對流運動。機械能（如攪拌流體）使流體發(fā)生對流運動。對流傳熱對流傳熱 實質(zhì)：實質(zhì)：流體的質(zhì)點攜帶著熱能在不斷的流動中，把熱流體的質(zhì)點攜帶著熱能在不斷的流動中，把熱能給出或傳入的過程。能給出或傳入的過程。 對流傳熱的同時

16、，伴隨著流體質(zhì)點間的熱傳導(dǎo)，一般討論對流傳熱的同時，伴隨著流體質(zhì)點間的熱傳導(dǎo)，一般討論對流傳熱多指熱由流體傳到固體的壁面（或反之）的傳熱過程。對流傳熱多指熱由流體傳到固體的壁面（或反之）的傳熱過程。 將熱量由流體傳至固體壁（容器壁、導(dǎo)管壁等）或由固將熱量由流體傳至固體壁（容器壁、導(dǎo)管壁等）或由固體壁傳入周圍的流體。這種由壁面?zhèn)鳠峤o流體或相反的過程，體壁傳入周圍的流體。這種由壁面?zhèn)鳠峤o流體或相反的過程，也稱為也稱為給熱給熱。對流傳熱對流傳熱蓄熱式間壁式直接混合三種換熱方式給熱給熱 = 傳導(dǎo)傳熱傳導(dǎo)傳熱 + 質(zhì)點位置移動引起的傳熱質(zhì)點位置移動引起的傳熱4.3-1 對流傳熱過程分析對流傳熱過程分析

17、層流底層層流底層溫度梯度大，熱傳導(dǎo)方式溫度梯度大，熱傳導(dǎo)方式 湍流主體湍流主體溫度梯度消失溫度梯度消失 過渡區(qū)域過渡區(qū)域熱傳導(dǎo)和對流方式熱傳導(dǎo)和對流方式1. 對流傳熱過程對流傳熱過程對流傳熱對流傳熱是層流底層的熱傳導(dǎo)和層流是層流底層的熱傳導(dǎo)和層流底層外質(zhì)點位移產(chǎn)生熱傳遞的總稱。底層外質(zhì)點位移產(chǎn)生熱傳遞的總稱。湍流主體湍流主體 層流底層層流底層 t t傳熱邊界層傳熱邊界層A2A1tW tTW T傳熱壁傳熱壁冷流體冷流體熱流體熱流體 f 虛擬膜厚度虛擬膜厚度過渡區(qū)域過渡區(qū)域2. 流動邊界層和傳熱邊界層流動邊界層和傳熱邊界層（1 1）意義上的區(qū)別：）意義上的區(qū)別： 流動邊界層：存在速度梯度的區(qū)域，表

18、示速度分流動邊界層：存在速度梯度的區(qū)域，表示速度分布的情況。布的情況。 傳熱邊界層：存在溫度梯度的區(qū)域，表示溫度分傳熱邊界層：存在溫度梯度的區(qū)域，表示溫度分布的情況。布的情況。（2 2）厚度上的差異：）厚度上的差異： 流動邊界層：流動邊界層： 實際存在的實際存在的 傳熱邊界層：傳熱邊界層：i i =+=+f ff f ：人為引入的虛擬厚度，是與層流底層處熱阻：人為引入的虛擬厚度，是與層流底層處熱阻相當(dāng)?shù)暮穸葏^(qū)域。相當(dāng)?shù)暮穸葏^(qū)域。對流傳熱可以看作是在傳熱邊界層內(nèi)的熱傳導(dǎo)過程。對流傳熱可以看作是在傳熱邊界層內(nèi)的熱傳導(dǎo)過程。（3 3）引入傳熱邊界層的意義：）引入傳熱邊界層的意義：4.3-1 對流傳熱

19、過程分析對流傳熱過程分析化簡分析拓廣法-化簡牛頓冷卻定律的推導(dǎo)牛頓冷卻定律的推導(dǎo)傳熱邊界層：傳熱邊界層：ibf 根據(jù)傳熱邊界層的概念，根據(jù)傳熱邊界層的概念，按傅里葉導(dǎo)熱定律：按傅里葉導(dǎo)熱定律：TtTWtWi i i虛擬傳熱邊界層；虛擬傳熱邊界層； b b層流底層厚度；層流底層厚度； f虛擬湍流或過渡流相當(dāng)層流的膜厚度。虛擬湍流或過渡流相當(dāng)層流的膜厚度。式中式中: :4.3-2 對流傳熱速率對流傳熱速率-牛頓冷卻定律牛頓冷卻定律)(wiTTA-分析i令：令：)(wTTA則：則：-牛頓冷卻定律牛頓冷卻定律4.3-2 對流傳熱速率對流傳熱速率-牛頓冷卻定律牛頓冷卻定律 對流傳熱速率，對流傳熱速率，W

20、 W或或J/sJ/s； 對流傳熱系數(shù)，對流傳熱系數(shù)，W/(mW/(m2 2K)K)或或W/(mW/(m2 2) ) ； T Tw w 壁溫，壁溫， ； T T 流體主體溫度，流體主體溫度， ； A A 熱流體側(cè)的器壁面積，熱流體側(cè)的器壁面積，m m2 2。)(wTTA對流傳熱速率：對流傳熱速率：牛頓冷卻牛頓冷卻（給熱給熱）定律定律2. 2. 復(fù)雜問題簡單化表示。復(fù)雜問題簡單化表示。 1. 1. 牛頓冷卻定律是一種推論。牛頓冷卻定律是一種推論。 RTATTTTAww1)(wTTTRA1推動力推動力：阻力阻力：討討 論：論：4.3-2 對流傳熱速率對流傳熱速率-牛頓冷卻定律牛頓冷卻定律4.3-3

21、影響對流傳熱系數(shù)影響對流傳熱系數(shù) 的因素的因素)(wTTA流體的種類液體、氣體、蒸汽的給熱系數(shù)不同；流體的種類液體、氣體、蒸汽的給熱系數(shù)不同；流體的物性流體的物性 ， ， ，C CP P等；等；流動形態(tài)流動形態(tài) 層流、過渡流、湍流層流、過渡流、湍流 湍湍 層層 流體對流狀況流體對流狀況 自然對流：流體質(zhì)點的相對運動是因流體內(nèi)自然對流：流體質(zhì)點的相對運動是因流體內(nèi)部各處的溫度不同而引起的局部密度差異所致。部各處的溫度不同而引起的局部密度差異所致。 強制對流：用機械能使流體發(fā)生對流運動強制對流：用機械能使流體發(fā)生對流運動（如攪拌流體）。（如攪拌流體）。 強強 自自 4.3-3 影響對流傳熱系數(shù)影響

22、對流傳熱系數(shù) 的因素的因素 是否發(fā)生相變是否發(fā)生相變 蒸汽冷凝、液體沸騰蒸汽冷凝、液體沸騰 相變相變 無相變無相變 傳熱面的形狀，大小和位置傳熱面的形狀，大小和位置 形狀：如管、板、管束等；形狀：如管、板、管束等； 大小：如管徑和管長等；大小：如管徑和管長等； 位置：如管子的排列方式（管或板是垂直位置：如管子的排列方式（管或板是垂直放置還是水平放置）。放置還是水平放置）。4.3-3 影響對流傳熱系數(shù)影響對流傳熱系數(shù) 的因素的因素4.3-4 對流傳熱系數(shù)經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式的建立對流傳熱系數(shù)經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式的建立1.1.因次分析因次分析 式中式中: l特性尺寸；特性尺寸； u特征流速。特征流速。qf (u、l、

23、 、 、T、cp、 、 g)基本物理量：長度基本物理量：長度L，時間，時間T，質(zhì)量，質(zhì)量M，溫度，溫度 ，熱量，熱量Q變變 量量 總總 數(shù)：數(shù)： 9 9個個)(wTTA牛頓給熱定律：牛頓給熱定律：TqAq則：q 熱通量熱通量-拓廣q 可表示為冪函數(shù)的形式表示為冪函數(shù)的形式(伯明翰定理伯明翰定理-Birmingham)：ihpfedcbagcTlukq)(則上式中各物理量的單位及因次式為：則上式中各物理量的單位及因次式為：物物 理理 量量單單 位位因因 次次quLT cp gJ/m2sm / smKkg/ msJ/ mKskg/ m3J/kgKm / s2 KQ L-2 T -1 L T 1L

24、M L 1 T 1Q L-1 -1 T -1 M L 3Q M 1 -1L T 2 -1(1)4.3-4 對流傳熱系數(shù)經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式的建立對流傳熱系數(shù)經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式的建立QL-2T-1 =k(LT1)a (L) b ( ) c ( ML1T1) d ( QT1L1 -1) e ( ML -3 ) f (QM - 1 - 1 )h (LT 2 -1) i 因此（因此（1）式兩邊物理量的因次式分別為：）式兩邊物理量的因次式分別為：QL-2T-1 =kQ( e+h) L( a+b-d-e-3f+i) T( -a-d-e-2i) ( c-e-h-i) M ( d+f-h)根據(jù)因次式一致性原則，等式兩邊各物理量

25、的因次相等根據(jù)因次式一致性原則，等式兩邊各物理量的因次相等 對于熱量對于熱量Q 對于時間對于時間T 對于溫度對于溫度 對于質(zhì)量對于質(zhì)量M 對于長度對于長度L 1= e + h1=ade2i 0= ceh i 0= d + f h 2 = a + bde3f + i (2)4.3-4對流傳熱系數(shù)經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式的建立對流傳熱系數(shù)經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式的建立 用用a, h, i 表示另外幾個字母表示另外幾個字母 e = 1 h d =a + h 2i c= 1+ i f= a + 2i b= a + 3i 1 代入（代入（1）式，得：）式，得：ihpiahihaiiaagcTlukq)(212113ihpalTgc

26、lulTkq223TqihpalTgclukl223（3）式（式（3）為包括四個無因次準(zhǔn)數(shù)群。）為包括四個無因次準(zhǔn)數(shù)群。4.3-4 對流傳熱系數(shù)經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式的建立對流傳熱系數(shù)經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式的建立lNuluRe 努塞爾（努塞爾（Nusselt）準(zhǔn)數(shù)）準(zhǔn)數(shù): : 雷諾（雷諾（Reynolds）準(zhǔn)數(shù)）準(zhǔn)數(shù):2. 2. 對流傳熱中的幾個準(zhǔn)數(shù)及其物理意義對流傳熱中的幾個準(zhǔn)數(shù)及其物理意義 物理涵義：物理涵義：包含包含的準(zhǔn)數(shù)，表明流體與器壁換熱時，器的準(zhǔn)數(shù)，表明流體與器壁換熱時，器壁尺寸和流體物性的影響。壁尺寸和流體物性的影響。物理涵義：物理涵義：確定傳熱時流體流動的形態(tài)對器壁換熱時確定傳熱時流體流動的形態(tài)對器壁

27、換熱時的影響。的影響。4.3-4 對流傳熱系數(shù)經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式的建立對流傳熱系數(shù)經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式的建立pcPr223ltgGr普蘭特（普蘭特（Prandtl）準(zhǔn)數(shù)）準(zhǔn)數(shù):格拉斯霍夫（格拉斯霍夫（Grashof）準(zhǔn)數(shù)）準(zhǔn)數(shù):物理涵義：物理涵義：表明流體物理性質(zhì)對傳熱的影響。表明流體物理性質(zhì)對傳熱的影響。物理涵義：物理涵義：表明流體因受熱膨脹對傳熱的影響，主要表明流體因受熱膨脹對傳熱的影響，主要是自然對流對傳熱的影響。是自然對流對傳熱的影響。4.3-4 對流傳熱系數(shù)經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式的建立對流傳熱系數(shù)經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式的建立3. 3. 討討 論論（4 4）式中，準(zhǔn)數(shù)）式中，準(zhǔn)數(shù)ReRe，PrPr，GrGr確定了，確定了，Nu

28、Nu就確定了。就確定了。將（將（3 3）式的準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式可以寫成：）式的準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式可以寫成：)GrPrRe(，fNu （4）1.1. )GrPrRe(，fNu 適用于一般情況。適用于一般情況。 2. 2. 自然對流時，升力影響較大，自然對流時，升力影響較大，ReRe的影響可以忽略。的影響可以忽略。)GrPr(，fNu 3. 3. 強制對流時，代表自然對流的強制對流時，代表自然對流的 GrGr準(zhǔn)數(shù)的可以忽略。準(zhǔn)數(shù)的可以忽略。)PrRe(，fNu 寫成冪函數(shù)的形式：寫成冪函數(shù)的形式：mncNuPrRe c，m，n 可由實驗確定可由實驗確定4.3-4 對流傳熱系數(shù)經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式的建立對流傳熱系數(shù)經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式

29、的建立4. 圓形直管內(nèi)的湍流時的準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式圓形直管內(nèi)的湍流時的準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式mNuPrRe023. 08 . 0mpcdud)()(023. 08 . 0適用范圍：適用范圍： Re104，0.7 Pr 50半經(jīng)驗公式lNu4.3-4 對流傳熱系數(shù)經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式的建立對流傳熱系數(shù)經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式的建立4.1 4.1 熱輻射的基本概念熱輻射的基本概念4.2 4.2 斯蒂芬斯蒂芬波爾茨曼定律波爾茨曼定律4.3 4.3 兩固體間的輻射傳熱兩固體間的輻射傳熱 4 熱熱 輻輻 射射4.1 4.1 熱輻射的基本概念熱輻射的基本概念輻射傳熱以電磁波的形式進(jìn)行熱量傳遞的方式。 熱射線在物理本質(zhì)上與光射線一樣服從反射和折射定律

30、。熱射線在物理本質(zhì)上與光射線一樣服從反射和折射定律。當(dāng)物體發(fā)射的輻射能投射到另一物體的表面上時，一部分被物當(dāng)物體發(fā)射的輻射能投射到另一物體的表面上時，一部分被物體吸收體吸收(q(qA A),),一部分被反射回去一部分被反射回去(q(qR R), ), 一部分透過物體一部分透過物體(q(qD D), ), 其其中被吸收的這部分可以轉(zhuǎn)化為熱能。中被吸收的這部分可以轉(zhuǎn)化為熱能。1qqqqqqDRA1DRAqqqqDRAqqDDqqRR吸收率為吸收率為qqAA反射率為反射率為透過率為透過率為4.1 4.1 熱輻射的基本概念熱輻射的基本概念黑體黑體：能吸收全部輻射能的物體。：能吸收全部輻射能的物體。 A

31、=1, R=D=0A=1, R=D=0，鏡體鏡體：能全部反射輻射能的物體。：能全部反射輻射能的物體。 R=1, A=D=0 R=1, A=D=0黑體 白體 透熱體 灰體4.1 4.1 熱輻射的基本概念熱輻射的基本概念透熱體：透熱體：輻射能全部透過物體。輻射能全部透過物體。D=1, A=R=0D=1, A=R=0。例如對稱雙原子氣體。例如對稱雙原子氣體O O2 2、N N2 2、H H2 2等都是透等都是透熱體。熱體?；殷w：灰體：只能部分地吸收所有波長范圍的輻射能。工業(yè)上只能部分地吸收所有波長范圍的輻射能。工業(yè)上常見固體材料被稱作常見固體材料被稱作“灰體灰體”。 固體材料的吸收率和反射率的大小取

32、決于物體的固體材料的吸收率和反射率的大小取決于物體的性質(zhì)，溫度和表面狀況。性質(zhì)，溫度和表面狀況。4.1 4.1 熱輻射的基本概念熱輻射的基本概念灰體的黑度：灰體的黑度：灰體吸收輻射能的能力與同溫度下黑體吸灰體吸收輻射能的能力與同溫度下黑體吸收輻射能的能力之比，以收輻射能的能力之比，以表示表示qqAAAqAq說明：物體的黑度在數(shù)值上等于物體的吸收率說明：物體的黑度在數(shù)值上等于物體的吸收率4.1 4.1 熱輻射的基本概念熱輻射的基本概念材料材料溫度溫度紅磚紅磚200.93耐火磚耐火磚0.80.9鋼板鋼板(氧化的氧化的)2006000.8鋼板鋼板(拋光的拋光的)94011000.550.61鋁鋁(氧

33、化的氧化的)2006000.110.19鋁鋁(拋光的拋光的)2255750.0390.057銅銅(氧化的氧化的)2006000.570.87銅銅(拋光的拋光的)0.03鑄鐵鑄鐵(氧化的氧化的)2006000.640.78鑄鐵鑄鐵(拋光的拋光的)3309100.60.7某些工業(yè)材料的黑度某些工業(yè)材料的黑度4.1 4.1 熱輻射的基本概念熱輻射的基本概念4.2 斯蒂芬斯蒂芬-波爾茨曼定律波爾茨曼定律1. 普朗克定律 物體的輻射能與溫度及其發(fā)射光波的波長有關(guān)。1251TCeCE(千卡米3時-1)式中：C1 = 0.3216 千卡米2時 C2 = 1.438710-2 米K2. 斯蒂芬波爾茨曼定律 黑

34、體的輻射能力與溫度的四次方成正比。0510012deCdEETC,2TCx;,222dxTxCdTxC若令 則代入上式后，可得：)(906)4636266(11 -2-4040444214444421033244210344210時米千卡TCTTCCTCCdxxeeeTCCdxexTCCExxxx式中：C0-黑體的輻射系數(shù)，其值為5.77 Wm-2K-4。400100TCE黑體的輻射能力與絕對溫度的四次方成正比。高溫下輻射傳黑體的輻射能力與絕對溫度的四次方成正比。高溫下輻射傳熱成為主要的傳熱方式。熱成為主要的傳熱方式。物體的輻射能力物體的輻射能力-E :單位時間內(nèi)物體單位面積發(fā)射總輻射能，單位

35、時間內(nèi)物體單位面積發(fā)射總輻射能，因次為因次為W/m2。C0黑體輻射系數(shù)，黑體輻射系數(shù)，C0=5.77W/(m2K4)。黑體輻射能力黑體輻射能力E0與絕對溫度與絕對溫度T關(guān)系為：關(guān)系為：4.2 斯蒂芬斯蒂芬-波爾茨曼定律波爾茨曼定律實際物體的輻射能力：實際物體的輻射能力： 4400100100TCTCEE4.2 斯蒂芬斯蒂芬-波爾茨曼定律波爾茨曼定律 發(fā)射或反射的能量不一定能全部投射到對方物發(fā)射或反射的能量不一定能全部投射到對方物體上，因此，在計算兩固體間輻射傳熱時，必須考體上，因此，在計算兩固體間輻射傳熱時，必須考慮兩物體的吸收率與反射率，形狀與大小，以及兩慮兩物體的吸收率與反射率，形狀與大小

36、，以及兩者之間的距離和位置。者之間的距離和位置。4.3 兩固體間的輻射傳熱兩固體間的輻射傳熱42412121100100TTACqC1-2總輻射系數(shù)，它與兩個灰體的黑度和相對位置有關(guān)總輻射系數(shù)，它與兩個灰體的黑度和相對位置有關(guān); A輻射面積，輻射面積，m2;角系數(shù)，表示物體角系數(shù)，表示物體1發(fā)射能量被物體發(fā)射能量被物體2截獲的百分率。截獲的百分率。 較高溫度的物體較高溫度的物體1 1傳給較低溫度的物體傳給較低溫度的物體2 2的輻射熱量：的輻射熱量：4.3 兩固體間的輻射傳熱兩固體間的輻射傳熱1211225.7711(1)CAA44121 215.77100100TTqA1212111225.7

37、75.7711(1)CCAA當(dāng)被加熱物很大，把熱源包在里面:A2A1, =1,5.1 總傳熱系數(shù)和總傳熱速率總傳熱系數(shù)和總傳熱速率5.2 傳熱平均溫度差傳熱平均溫度差5.3 傳熱過程的強化途徑傳熱過程的強化途徑 5 傳熱過程的計算傳熱過程的計算5.4 傳熱過程的計算傳熱過程的計算2.5.1 總傳熱系數(shù)和總傳熱速率方程總傳熱系數(shù)和總傳熱速率方程 t2 t1dAT1 T2一、實際生產(chǎn)過程中的傳熱：一、實際生產(chǎn)過程中的傳熱：主要形式為對流傳熱和熱傳導(dǎo)過程。dddtcqdTcqdPMPM22,2,1 ,1 ,1tdtttdCcqcqtTddPMPM122,2,1 ,1 ,011)( 熱流體以對流傳熱形

38、式將熱量傳給固體壁面一側(cè)固體壁面一側(cè)以熱傳導(dǎo)形式將熱量傳給壁面另一側(cè)固體壁面另一側(cè)以對流傳熱形式將熱量傳給冷流體對流對流對流對流熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)twTw冷冷流流體體t熱熱流流體體T1. 1. 實際生產(chǎn)中的傳熱過程分析實際生產(chǎn)中的傳熱過程分析 （3 3）冷流體一側(cè)對流）冷流體一側(cè)對流111)(dATTdwmwwdAtTd)(2223)(dAttdw（1 1）熱流體一側(cè)對流）熱流體一側(cè)對流（2 2）壁間熱傳導(dǎo)）壁間熱傳導(dǎo)對于穩(wěn)定傳熱對于穩(wěn)定傳熱 321dddd2. 總傳熱速率dAdAdATTdw111)(1dAdAdAtTdmww)(2（1）（2）（3）dAdAdAdAdAdAdAtTdAdAdAtt

39、dAdAdAtTdAdAdATTdmwmwww22112211dAdAdAttdw232)(1式中：式中： K總傳熱系數(shù)，W/(m2K)。dAtKd3. 3. 總傳熱系數(shù)總傳熱系數(shù)推動力推動力:熱阻熱阻:tTt221111dAdAdARmdAKtd1則：RdAdAdAdAdAdAdAtTdm221122111dAdAdAdAdAdAKmtdttdAtKd121212120ln21ttttttdttdAKttA或或mtAKttttAK1212ln討討 論：論： 1 1當(dāng)傳熱面為平面時，當(dāng)傳熱面為平面時，A=AA=A1 1=A=A2 2=A=Am m12111 2 2傳熱面為圓筒時，傳熱面為圓筒時

40、，mmtAKAAAtT221111mmtAKrrrtTL2211112當(dāng)當(dāng)：212rr221rrrm1212lnrrrrrm式中：3.當(dāng)圓筒壁厚度不大時，當(dāng)圓筒壁厚度不大時，mtAK,21rrrm上式可簡化為：注意：注意：式中221rrrm列管換熱器總傳熱系數(shù)K的經(jīng)驗數(shù)據(jù)流體種類總傳熱系數(shù)K W/(m2K)水氣體1260水水8001800水煤油350左右水有機溶劑280850氣體氣體1235飽和水蒸氣水14004700飽和水蒸氣氣體30300飽和水蒸氣油60350飽和水蒸氣沸騰油290870一、恒溫傳熱一、恒溫傳熱t(yī)Tttm二、變溫傳熱二、變溫傳熱 tm 與流體流向有關(guān)與流體流向有關(guān)2.5.2

41、. 傳熱平均溫度差傳熱平均溫度差逆流并流錯流折流mtAK總傳熱速率方程以逆流為例以逆流為例mt假設(shè)：假設(shè)：1 1）定態(tài)傳熱、定態(tài)流動）定態(tài)傳熱、定態(tài)流動 2 2）CpCp1 1、CpCp2 2為常數(shù)為常數(shù)3 3）K K沿管長不變化沿管長不變化4 4）熱損失忽略不計）熱損失忽略不計2121lntttttm211tTt122tTtT2t1t2T1dTdtdAAtt2t1Tt1 1）也適用于并流）也適用于并流 111tTt222tTtT2t1t2T1At2t1t2121lntttttm2 2）較大溫差記為）較大溫差記為 t t1 1，較小溫差記為，較小溫差記為 t t2 23 3）當(dāng)）當(dāng) t t1 1/ / t t2 222，則可用算術(shù)平均值代替，則可用算術(shù)平均值代替2/ )(21tttm21tttm4 4）當(dāng)）當(dāng) t t1 1= = t t2 2，討討 論：論：mmtt流型）,(RPf1221ttTTR冷流體溫升熱流體溫降1112tTttP兩流體的最初溫差冷流體溫升mt：逆流時的平均溫度差：逆流時的平