環(huán)境工程基本原理第04章熱量傳遞

環(huán)境工程基本原理第04章熱量傳遞第一節(jié)熱量傳遞的方式第二節(jié)熱傳導(dǎo)第三節(jié)對流傳熱第四節(jié)換熱器及間壁傳熱過程計(jì)算第五節(jié)輻射傳熱本章主要內(nèi)容第四章熱量傳遞第一節(jié)熱量傳遞的方式一、熱傳導(dǎo)二、對流傳熱三、輻射傳熱

本節(jié)的主要內(nèi)容根據(jù)傳熱機(jī)理的不同，熱的傳遞主要有三種方式：熱傳導(dǎo)對流傳熱輻射傳熱通過物質(zhì)的分子、原子和電子的振動、位移和相互碰撞發(fā)生的熱量傳遞過程流體中質(zhì)點(diǎn)發(fā)生相對位移而引起的熱量傳遞過程，僅發(fā)生在液體和氣體中。通常認(rèn)為是流體與固體壁面之間的熱傳遞過程。物體由于熱的原因而發(fā)出輻射能的過程物體各部分之間無宏觀運(yùn)動第一節(jié)熱量傳遞的方式在環(huán)境工程中，很多過程涉及到加熱和冷卻：對水或污泥進(jìn)行加熱；對管道及反應(yīng)器進(jìn)行保溫以減少系統(tǒng)的熱量散失；在冷卻操作中移出熱量。傳熱是極普遍的過程：凡是有溫差存在的地方，就必然有熱量傳遞。第一節(jié)熱量傳遞的方式環(huán)境工程中涉及到的傳熱過程主要有兩種情況：強(qiáng)化傳熱過程，如各種熱交換設(shè)備中的傳熱；削弱傳熱過程，如對設(shè)備和管道的保溫，以減少熱量損失。傳熱速率問題一、傅立葉定律二、導(dǎo)熱系數(shù)三、通過平壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)四、通過圓管壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)本節(jié)的主要內(nèi)容第二節(jié)熱傳導(dǎo)y方向上的熱量流量，也稱為傳熱速率，W導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)y方向上熱量通量，即單位時(shí)間內(nèi)通過單位面積傳遞的熱量，又稱為熱流密度，W/m2垂直于熱流方向的面積，m2y方向上的溫度梯度,K/m傅立葉定律第二節(jié)熱傳導(dǎo)一、傅立葉定律：解決一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)問題(4.2.1)(4.2.2)剪切應(yīng)力，或稱內(nèi)摩擦力，N/m2牛頓粘性定律：流體流動的內(nèi)摩擦力(3.2.3)剪切應(yīng)力即動量通量，即單位時(shí)間內(nèi)通過單位面積傳遞的動量動量傳遞：在流動著的流體中動量由高速流體層向相鄰的

低速流體層的轉(zhuǎn)移剪切應(yīng)力動量通量熱量通量與溫度梯度成正比負(fù)號表示熱量通量方向與溫度梯度的方向相反，即熱量是沿著溫度降低的方向傳遞的。變換：導(dǎo)溫系數(shù)，或稱熱量擴(kuò)散系數(shù)，m2/s熱量濃度,J/m3熱量傳遞的推動力令第二節(jié)熱傳導(dǎo)一、傅立葉定律(4.2.3)(4.2.4)是物質(zhì)的性質(zhì)，反映溫度變化在物體中的傳播能力單位體積物質(zhì)溫度升高1oC是所需要的熱量,代表物質(zhì)的蓄熱能力導(dǎo)熱系數(shù)，表明物質(zhì)的導(dǎo)熱能力說明物體的某部分一旦獲得熱量，該熱量能在整個(gè)物體中很快擴(kuò)散或第二節(jié)熱傳導(dǎo)導(dǎo)溫系數(shù)導(dǎo)熱物質(zhì)在單位面積、單位溫度梯度下的導(dǎo)熱速率表明物質(zhì)導(dǎo)熱性強(qiáng)弱即導(dǎo)熱能力的大小是物質(zhì)的物理性質(zhì)，與物質(zhì)的種類、溫度和壓力有關(guān)不同物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)差異較大第二節(jié)熱傳導(dǎo)二、導(dǎo)熱系數(shù)(4.2.5)金屬液體隔熱材料氣體金屬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)氫水水是工程上最常用的導(dǎo)熱介質(zhì)換熱壁面材料多孔材料作為保溫材料保溫材料受潮后隔熱性能將大幅度下降－－防潮工程中常用材料的導(dǎo)熱系數(shù)第二節(jié)熱傳導(dǎo)（1）在液體中，水的導(dǎo)熱系數(shù)最大，20℃時(shí)為0.6［W／（m·K）］。因此，水是工程上最常用的導(dǎo)熱介質(zhì)。（3）非金屬中，石墨的導(dǎo)熱系數(shù)最高，可達(dá)100～200[W／（m·K）]，高于一般金屬；同時(shí)，由于其具有耐腐蝕性能，因此石墨是制作耐腐蝕換熱器的理想材料。水比空氣的導(dǎo)熱系數(shù)大得多，隔熱材料受潮后其隔熱性能將大幅度下降。因此，露天保溫管道必須注意防潮。（2）氣體的導(dǎo)熱系數(shù)很小，對導(dǎo)熱不利，但利于絕熱、保溫。工業(yè)上常用多孔材料作為保溫材料，就是利用了空隙中存在的氣體，使導(dǎo)熱系數(shù)變小。第二節(jié)熱傳導(dǎo)(一)單層平壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)平壁厚度為，壁面兩側(cè)溫度分別為一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)第二節(jié)熱傳導(dǎo)三、通過平壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)(4.2.6)(4.2.7)溫差為傳熱的推動力。導(dǎo)熱熱阻，K/W單位傳熱面積的導(dǎo)熱熱阻，m2·K/W溫度差傳導(dǎo)距離越大，傳熱壁面和導(dǎo)熱系數(shù)越小，則導(dǎo)熱熱阻越大傳熱速率=傳熱的推動力導(dǎo)熱熱阻第二節(jié)熱傳導(dǎo)取為常數(shù)W/m2W/(m·K)？T？解：（1）導(dǎo)熱系數(shù)按平壁的平均溫度第二節(jié)熱傳導(dǎo)(一)單層平壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)（2）導(dǎo)熱系數(shù)取為變量分離變量并積分對于平壁上的穩(wěn)態(tài)一維熱傳導(dǎo)，熱量通量不變。因此即溫度分布為直線關(guān)系。以x表示沿壁厚方向上的距離，在x處等溫面上的溫度為第二節(jié)熱傳導(dǎo)整理，得此時(shí)溫度分布為曲線。在x處第二節(jié)熱傳導(dǎo)結(jié)論：（1）（2）（二）多層平壁的熱傳導(dǎo)串聯(lián)熱阻疊加原則層與層之間接觸良好熱阻越大，通過該層的溫度差也越大Q傳熱的推動力導(dǎo)熱熱阻第二節(jié)熱傳導(dǎo)(4.2.10)附加熱阻——接觸熱阻層與層之間存在空氣層與接觸面的材料、接觸界面的粗糙度、接觸面的壓緊力和空隙中的氣壓等有關(guān)接觸熱阻（三）n層平壁的熱傳導(dǎo)第二節(jié)熱傳導(dǎo)(4.2.11)采用圓柱坐標(biāo)時(shí)，即為一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)對于半徑為r的等溫圓柱面，根據(jù)傅立葉定律，有穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱時(shí)，徑向的Q為常數(shù)，將上式分離變量并積分傳熱面積隨半徑發(fā)生變化內(nèi)徑r1外徑r2半徑r第二節(jié)熱傳導(dǎo)四、通過圓管壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)(4.2.13)當(dāng)時(shí)，可以用算術(shù)平均值代替對數(shù)平均值，簡化計(jì)算圓管壁的導(dǎo)熱熱阻，K/W平壁的導(dǎo)熱熱阻對數(shù)平均半徑對數(shù)平均面積第二節(jié)熱傳導(dǎo)第二節(jié)熱傳導(dǎo)n層圓管壁的熱傳導(dǎo)假設(shè)層與層之間接觸良好，根據(jù)串聯(lián)熱阻疊加原則，有(4.2.13)第三節(jié)對流傳熱一、對流傳熱的機(jī)理二、對流傳熱速率三、影響對流傳熱的因素四、對流傳熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)式五、保溫層的臨界直徑本節(jié)的主要內(nèi)容對流傳熱：流體中質(zhì)點(diǎn)發(fā)生相對位移而引起的熱量傳遞過程對流傳熱僅發(fā)生在流體中流體流動使對流傳熱速率加快第三節(jié)對流傳熱列管式換熱器工程中常見的對流換熱過程

——間壁式換熱器的換熱過程流體的熱交換熱交換器（換熱器）套管式換熱器第三節(jié)對流傳熱(一)流動邊界層的傳熱機(jī)理及溫度分布

流體層與層之間無流體質(zhì)點(diǎn)的宏觀運(yùn)動，在垂直于流動方向上，熱量的傳遞通過導(dǎo)熱進(jìn)行。（1）層流邊界層層流區(qū)湍流區(qū)

與靜止流體中的導(dǎo)熱一樣嗎？第三節(jié)對流傳熱一、對流傳熱的機(jī)理（2）湍流邊界層層流底層緩沖層湍流中心湍流區(qū)

層流底層中，熱量傳導(dǎo)主要依靠導(dǎo)熱進(jìn)行，符合傅立葉定律，溫度分布幾乎為直線；

由于流體的導(dǎo)熱系數(shù)較低，使層內(nèi)導(dǎo)熱熱阻很大，因此該層中溫度差較大，溫度分布曲線的斜率大由邊界層的流動情況決定第三節(jié)對流傳熱層流底層緩沖層湍流中心湍流區(qū)

緩沖層中，質(zhì)點(diǎn)的脈動較弱，對流與導(dǎo)熱的作用大致處于同等地位，由于對流傳熱的作用，溫度梯度變小。

在湍流中心，質(zhì)點(diǎn)強(qiáng)烈脈動，使主體部分的溫度趨于均一，熱量傳遞主要依靠對流進(jìn)行，導(dǎo)熱所起的作用很??；溫度梯度很小，即傳熱熱阻很小，溫度分布曲線趨于平坦。第三節(jié)對流傳熱(T-TW)＝0.99(T0-TW)

將(T-TW)＝0.99(T0-TW)處作為傳熱邊界層的界限，該界限到壁面的距離稱為邊界層的厚度。

壁面附近因傳熱而使流體溫度發(fā)生變化的區(qū)域（即存在溫度梯度的區(qū)域）(二)傳熱邊界層（1）傳熱邊界層（2）傳熱邊界層的厚度δT

邊界層以外的區(qū)域認(rèn)為不存在溫度梯度。傳熱過程的阻力主要集中在傳熱邊界層內(nèi)，傳熱阻力取決于傳熱邊界層的厚度。δT第三節(jié)對流傳熱>(一)牛頓冷卻定律通過傳熱面dA的局部對流傳熱速率局部對流傳熱系數(shù)第三節(jié)對流傳熱二、對流傳熱速率(4.3.1)(一)牛頓冷卻定律與傳熱方向垂直的微元傳熱面積，m2局部對流傳熱系數(shù)，或稱為膜系數(shù)，W/（m2·K）流體與固體壁面dA之間的溫差，K通過傳熱面dA的局部對流傳熱速率，W流體被冷卻時(shí)在流體被加熱時(shí)與流體相接觸的傳熱壁面的溫度，K流體的溫度通過傳熱面的傳熱速率正比于固體壁面與周圍流體的溫度差和傳熱面積第三節(jié)對流傳熱為對流傳熱熱阻。局部對流傳熱系數(shù)

在傳熱過程中，溫度沿程變化，因此對流系數(shù)為局部的參數(shù)。在實(shí)際工程中，常采用平均值進(jìn)行計(jì)算，因此牛頓冷卻定律可寫成W/（m2·K）對流傳熱速率也可以用對流傳熱熱阻表示，即導(dǎo)熱熱阻第三節(jié)對流傳熱(一)牛頓冷卻定律(4.3.2a)(4.3.2b)

式中，y不是實(shí)際的流體層厚度，而是某個(gè)虛擬的流體層厚度，稱之為有效膜厚度。比較傅立葉定律與牛頓冷卻定律可以發(fā)現(xiàn)y

在厚度y內(nèi)集中了全部的傳熱熱阻，這樣把一個(gè)對流傳熱過程的熱阻相當(dāng)于某個(gè)厚為y的靜止流體膜所造成的導(dǎo)熱熱阻。有效膜厚度第三節(jié)對流傳熱(4.3.1)(4.2.2)（二）對流傳熱系數(shù)不是物性參數(shù)，與很多因素有關(guān)，其大小取決于流體物性、壁面情況、流動原因、流動狀況、流體是否有相變等第三節(jié)對流傳熱換熱方式空氣自然對流5～25氣體強(qiáng)制對流20～100水自然對流200～1000水強(qiáng)制對流1000～15000水蒸氣冷凝5000～15000有機(jī)蒸氣冷凝500～2000水沸騰2500～25000（1）物性特征（2）幾何特征（3）流動特征固體壁面的形狀、尺度、方位、粗糙度、是否處于管道進(jìn)口段以及是彎管還是直管等。v流體的密度r或比熱容pc越大，流體與壁面間的傳熱速率越大v導(dǎo)熱系數(shù)l越大，熱量傳遞越迅速；v流體的粘度m越大，越不利于流動，會削弱與壁面的傳熱。

第三節(jié)對流傳熱三、影響對流傳熱的因素（3）流動特征流動起因（自然對流、強(qiáng)制對流）流動狀態(tài)（層流、湍流）有無相變化（液體沸騰、蒸汽冷凝）流體對流方式（并流、逆流、錯(cuò)流）第三節(jié)對流傳熱三、影響對流傳熱的因素管內(nèi)強(qiáng)制對流傳熱1．流體在圓形直管內(nèi)呈強(qiáng)烈的湍流狀態(tài)流動努塞爾特?cái)?shù)普蘭德數(shù)流體被冷卻時(shí),f＝0.3流體被加熱時(shí),f＝0.4對于低粘度（小于2倍常溫水的粘度）的流體第三節(jié)對流傳熱四、對流傳熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)式(4.3.6a)(4.3.6b)2．流體在圓形直管內(nèi)呈層流狀態(tài)流動第三節(jié)對流傳熱(4.3.10)對于2300≤≤104時(shí)的過渡區(qū)，其傳熱情況非常復(fù)雜，對流傳熱系數(shù)可先用湍流時(shí)的經(jīng)驗(yàn)式計(jì)算，再乘以小于1的修正系數(shù)3.流體在圓形直管內(nèi)呈過渡流狀態(tài)流動(4.3.12)小管徑且流體和壁面的溫差不大時(shí)，，自然對流的影響可以忽略流體在彎曲管道內(nèi)流動時(shí)的對流傳熱系數(shù)兩個(gè)途徑：（1）將特征尺寸改為當(dāng)量直徑，仍用圓管計(jì)算式計(jì)算，方法簡便，但計(jì)算準(zhǔn)確性欠佳；（2）直接實(shí)驗(yàn)找到計(jì)算對流傳熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)方式。R—彎管的曲率半徑由于離心力的作用，擾動加劇，使傳熱系數(shù)增加非圓型管內(nèi)強(qiáng)制對流的傳熱系數(shù)第三節(jié)對流傳熱(4.3.13)大空間自然對流傳熱對流傳熱系數(shù)與和有關(guān)與傳熱表面的性質(zhì)和位置以及有關(guān)

大空間自然對流傳熱是指固體壁面邊界層的發(fā)展不受空間限制或干擾的自然對流傳熱。換熱過程中常用的換熱設(shè)備、中溫或高溫反應(yīng)器、熱水或蒸汽管道等的熱表面向周圍大氣的對流散熱定性溫度取壁面與流體平均溫度的算術(shù)平均值

第三節(jié)對流傳熱一、換熱器的分類與間壁式換熱器二、間壁傳熱過程計(jì)算三、強(qiáng)化換熱器傳熱過程的途徑本節(jié)的主要內(nèi)容第四節(jié)換熱器及間壁傳熱過程計(jì)算一、換熱器的分類與間壁式換熱器按用途分按交換方式分加熱器、預(yù)熱器、過熱器、蒸發(fā)器、再沸器、冷卻器、冷凝器間壁式直接接觸式蓄熱式管式板式熱管第四節(jié)換熱器及間壁傳熱過程計(jì)算（一）管式換熱器1.蛇管式換熱器

第四節(jié)換熱器及間壁傳熱過程計(jì)算（1）

沉浸式蛇管換熱器第四節(jié)換熱器及間壁傳熱過程計(jì)算第四節(jié)換熱器及間壁傳熱過程計(jì)算第四節(jié)換熱器及間壁傳熱過程計(jì)算（2）

噴淋式蛇管換熱器第四節(jié)換熱器及間壁傳熱過程計(jì)算2.套管式換熱器第四節(jié)換熱器及間壁傳熱過程計(jì)算第四節(jié)換熱器及間壁傳熱過程計(jì)算第四節(jié)換熱器及間壁傳熱過程計(jì)算3.列管式換熱器第四節(jié)換熱器及間壁傳熱過程計(jì)算單殼程兩管程1－2型第四節(jié)換熱器及間壁傳熱過程計(jì)算兩殼程四管程2－4型殼程:

流體在殼體內(nèi)每通過一次為一殼程管程:

流體在管內(nèi)每通過一次為一管程第四節(jié)換熱器及間壁傳熱過程計(jì)算第四節(jié)換熱器及間壁傳熱過程計(jì)算第四節(jié)換熱器及間壁傳熱過程計(jì)算第四節(jié)換熱器及間壁傳熱過程計(jì)算第四節(jié)換熱器及間壁傳熱過程計(jì)算（二）板式換熱器1.夾套式換熱器第四節(jié)換熱器及間壁傳熱過程計(jì)算第四節(jié)換熱器及間壁傳熱過程計(jì)算2.平板式換熱器第四節(jié)換熱器及間壁傳熱過程計(jì)算第四節(jié)換熱器及間壁傳熱過程計(jì)算第四節(jié)換熱器及間壁傳熱過程計(jì)算第四節(jié)換熱器及間壁傳熱過程計(jì)算第四節(jié)換熱器及間壁傳熱過程計(jì)算第四節(jié)換熱器及間壁傳熱過程計(jì)算第四節(jié)換熱器及間壁傳熱過程計(jì)算第四節(jié)換熱器及間壁傳熱過程計(jì)算第四節(jié)換熱器及間壁傳熱過程計(jì)算第四節(jié)換熱器及間壁傳熱過程計(jì)算第四節(jié)換熱器及間壁傳熱過程計(jì)算第四節(jié)換熱器及間壁傳熱過程計(jì)算第四節(jié)換熱器及間壁傳熱過程計(jì)算第四節(jié)換熱器及間壁傳熱過程計(jì)算第四節(jié)換熱器及間壁傳熱過程計(jì)算第四節(jié)換熱器及間壁傳熱過程計(jì)算翅片管換熱器第四節(jié)換熱器及間壁傳熱過程計(jì)算第四節(jié)換熱器及間壁傳熱過程計(jì)算熱流體通過間壁將熱量傳給冷流體的過程分為三步：－對流傳熱－導(dǎo)熱－對流傳熱A1

A2

Am

b外側(cè)內(nèi)側(cè)熱流體冷流體（1）熱流體將熱量傳給固體壁面；（2）熱量從壁的熱側(cè)面?zhèn)鞯嚼鋫?cè)面；（3）熱量從壁面?zhèn)鹘o冷流體二、間壁傳熱過程計(jì)算第四節(jié)換熱器及間壁傳熱過程計(jì)算熱側(cè)流體對壁面的傳熱速率為通過間壁的傳熱速率為在穩(wěn)態(tài)情況下A1

A2

Am

b冷側(cè)流體對壁面的傳熱速率為外側(cè)內(nèi)側(cè)熱流體冷流體（一）總傳熱速率方程第三節(jié)對流傳熱(4.3.20)(4.3.21)(4.3.22)傳熱過程總推動力傳熱總熱阻總熱阻等于各項(xiàng)熱阻之和（一）總傳熱速率方程第三節(jié)對流傳熱(4.3.23)取定的面積傳熱基本方程式總傳熱系數(shù)表示換熱設(shè)備性能的極為重要的參數(shù)總傳熱系數(shù)以外表面積作為基準(zhǔn)對于平壁或薄管壁熱側(cè)為外側(cè)時(shí)（二）總傳熱系數(shù)第三節(jié)對流傳熱(4.3.25)污垢熱阻外側(cè)表面上單位傳熱面積的污垢熱阻內(nèi)側(cè)表面上單位傳熱面積的污垢熱阻比間壁的熱阻大得多難以準(zhǔn)確估計(jì)，采用經(jīng)驗(yàn)值對于平壁或薄管壁，有第三節(jié)對流傳熱(4.3.26)若間壁外側(cè)對流傳熱控制間壁內(nèi)側(cè)對流傳熱控制若污垢熱阻很大，則稱為污垢熱阻控制，此時(shí)欲提高必須設(shè)法減慢污垢形成速度或及時(shí)清除污垢第三節(jié)對流傳熱【例題】一空氣冷卻器，空氣在管外橫向流過，對流傳熱系數(shù)為80W/（m2·K）；冷卻水在管內(nèi)流過，對流傳熱系數(shù)為5000W/（m2·K）。冷卻管為φ25×2.5mm的鋼管，其導(dǎo)熱系數(shù)為45W/（m·K）。求（1）該狀態(tài)下的總傳熱系數(shù)；（2）若將管外對流傳熱系數(shù)提高一倍，其它條件不變，總傳熱系數(shù)如何變化？（3）若將管內(nèi)對流傳熱系數(shù)提高一倍，其它條件不變，總傳熱系數(shù)如何變化？第三節(jié)對流傳熱解：（1）以管外表面積為基準(zhǔn)的總傳熱系數(shù)滿足即=25mm，=20mmW/（m2·K）mm4.222025ln2025ln211=-=-=ddd2ddm第三節(jié)對流傳熱（2）若提高一倍，則W/（m2·K）

（3）若提高一倍，則結(jié)果分析：氣側(cè)熱阻遠(yuǎn)大于水側(cè)熱阻，因此增加氣側(cè)對流傳熱系數(shù)，所引起的總傳熱系數(shù)的提高遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于增加水側(cè)對流傳熱系數(shù)。W/（m2·K）第三節(jié)對流傳熱與換熱器中兩流體的溫度變化情況及兩流體的相互流動方向有關(guān)間壁式換熱器并流逆流折流錯(cuò)流變溫傳熱(三)傳熱推動力第三節(jié)對流傳熱以套管式換熱器為例計(jì)算平均溫差第三節(jié)對流傳熱Th1Tc1Th2Tc2（1）逆流和并流時(shí)的傳熱溫差Th1Tc1Th2Tc2Th1Th2Tc1Tc2Th1Th2Tc1Tc2Th1Th2Tc2Tc1逆流并流第三節(jié)對流傳熱Th1Th2Tc1Tc2通過微元面的傳熱量為在微元中熱、冷流體的溫差為熱流體放出熱量，溫度下降冷流體得到熱量，溫度上升分別對熱流體和冷流體進(jìn)行熱量衡算第三節(jié)對流傳熱(4.3.27)(4.3.28)(4.3.29)(4.3.30)積分，得熱容流量第三節(jié)對流傳熱平均傳熱溫差，對數(shù)平均溫差換熱器兩端溫差大的數(shù)值換熱器兩端溫差小的數(shù)值

時(shí)，對數(shù)平均值與算術(shù)平均值的差小于4％，此時(shí)在工程計(jì)算中可以用算術(shù)平均值代替對數(shù)平均值。計(jì)算并流和逆流情況下平均溫差的通式第三節(jié)對流傳熱【例題】在套管換熱器中用冷水將100℃的熱水冷卻到60℃，冷水溫度從20℃升至30℃。試求在這種溫度條件下，逆流和并流時(shí)的平均溫差。第三節(jié)對流傳熱在冷熱流體的初、終溫度相同的條件下，逆流的平均溫差較并流的大。＝60－20＝40℃，＝100－30＝70℃＝60－30＝30℃，＝100－20＝80℃℃℃并流時(shí)解：逆流時(shí)結(jié)論：

在換熱器的傳熱量及總傳熱系數(shù)相同的條件下，采用逆流操作，其優(yōu)點(diǎn)是：（1）可以節(jié)省傳熱面積，減少設(shè)備費(fèi)；（2）或可以減少換熱介質(zhì)的流量，降低運(yùn)行費(fèi)。因此，在實(shí)際工程中多采用逆流操作

熱、冷流體的最高溫度集中在換熱器的一端，使得該處的壁溫較高。對于高溫?fù)Q熱器，應(yīng)避免采用逆流操作逆流操作的缺點(diǎn)：第三節(jié)對流傳熱（2）錯(cuò)流和折流時(shí)的傳熱溫差

按逆流計(jì)算對數(shù)平均溫差，再乘以溫度修正系數(shù)

溫度修正系數(shù)小于1，即錯(cuò)流和折流時(shí)的傳熱溫差小于逆流時(shí)的溫差。按逆流計(jì)算的對數(shù)平均溫差溫度修正系數(shù)，無量綱

工程上采用折流和其它復(fù)雜流動的目的是提高傳熱系數(shù)，其代價(jià)是使平均溫差減少。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)最好使溫度修正系數(shù)>0.9；當(dāng)其<0.8時(shí)，經(jīng)濟(jì)上不合理，應(yīng)另選其它形式，如增加殼程數(shù)，或?qū)⒍嗯_換熱器串聯(lián)使用，以使傳熱過程接近逆流。第三節(jié)對流傳熱(4.3.35)（1）增大傳熱面積采用小直徑管、異形表面、加裝翅片等（2）增大平均溫度差提高蒸汽的壓強(qiáng)可以提高蒸汽的溫度改變兩側(cè)流體相互流向增加管殼式換熱器的殼程數(shù)（3）提高傳熱系數(shù)①提高流體的速度②增強(qiáng)流體的擾動③在流體中加固體顆粒④在氣流中噴入液滴⑤采用短管換熱器⑥防止結(jié)垢和及時(shí)清除污垢設(shè)法減少對傳熱系數(shù)影響最大的熱阻三、強(qiáng)化換熱器傳熱過程的途徑第四節(jié)換熱器及間壁傳熱過程計(jì)算思考題問：有一個(gè)套管換熱器，內(nèi)管外側(cè)裝有翅片，用水冷卻空氣，空氣和水各應(yīng)走哪里（管內(nèi)和殼間）？試解釋原因。

第四節(jié)換熱器及間壁傳熱過程計(jì)算答：裝翅片的目的一方面是為了加大接觸面積；另一方面是為了破壞邊界層形成以提高對流傳熱系數(shù)。要提高傳熱器的傳熱效果，應(yīng)當(dāng)提高限制步驟的傳熱效果。因此，在用水冷卻空氣的換熱過程中，空氣對流傳熱慢，是制約因素。所以，翅片應(yīng)放在空氣一側(cè)，即空氣走殼間，水走管內(nèi)。第四節(jié)換熱器及間壁傳熱過程計(jì)算一、輻射傳熱的基本概念二、物體的輻射能力三、物體間的輻射傳熱四、氣體的熱輻射（略）五、對流和輻射聯(lián)合傳熱（略）本節(jié)的主要內(nèi)容第五節(jié)輻射傳熱(一)熱輻射熱輻射：由于熱的原因而發(fā)出輻射能的過程

絕對溫度在零度以上的任何物體，總是不斷地把熱能變?yōu)檩椛淠?，向外發(fā)出輻射；同時(shí)也不斷地吸收周圍物體投射到它上面的熱輻射，并轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?。輻射傳熱熱平衡時(shí)，熱輻射存在，但輻射傳熱量為0第五節(jié)輻射傳熱一、輻射傳熱的基本概念

熱輻射的能力與溫度有關(guān)，高溫時(shí)，熱輻射起決定作用。有實(shí)際意義的熱輻射波長在0.4～20μm，而且大部分能量位于紅外線區(qū)段，即0.8～20μm。電磁波譜第五節(jié)輻射傳熱(二)熱輻射對物體的作用總能量反射吸收穿透物體對投射輻射的吸收率反射率穿透率投射輻射第五節(jié)輻射傳熱(4.4.1a)(4.4.1b)(4.4.1c)若A＝1，則表示落在物體表面上的輻射能全部被物體吸收，這種物體稱為絕對黑體。沒有光澤的黑漆表面的吸收率為0.96～0.98，接近黑體；磨光的銅表面的反射率為0.97，接近鏡體；單原子和對稱的雙原子氣體可視為透熱體。若R=1，則表示落在物體表面上的輻射能全部被反射出去。此時(shí)，若入射角等于反射角，則物體稱為鏡體；若反射情況為漫反射，該物體稱為絕對白體。若D＝1，則表示落在物體上的輻射能將全部穿透過去，這類物體稱為絕對透明體或透熱體。引入理想物體的概念，作為實(shí)際物體與之比較的標(biāo)準(zhǔn)，可以使輻射傳熱計(jì)算大大簡化。境面反射漫反射表面粗糙度第五節(jié)輻射傳熱物體的吸收率、反射率和穿透率的大小取決于物體的性質(zhì)、表面狀況、溫度和投射輻射的波長。吸收能力大的物體其反射能力就小固體和液體（1）物體的性質(zhì)－物態(tài)，物質(zhì)結(jié)構(gòu)一般固體和液體都是不透熱體，即D＝0，A+R=1輻射能進(jìn)入其表面后，在極短的距離內(nèi)被吸收完金屬導(dǎo)體：1μm的數(shù)量級，非導(dǎo)電體材料：<1mm第五節(jié)輻射傳熱氣體吸收能力大的氣體，其穿透能力就差氣體對輻射能幾乎沒有反射能力，可以認(rèn)為R=0，A+D=1第五節(jié)輻射傳熱固體和液體物體對外界的輻射，以及對投射輻射的吸收和反射過程，都是在物體表面上進(jìn)行的（2）表面狀況

固體和液體物體的表面狀況對吸收率、反射率和穿透率的影響至關(guān)重要?dú)怏w發(fā)射和吸收輻射能發(fā)生在整體氣體體積內(nèi)部，即吸收和輻射與熱射線所經(jīng)歷的路程有關(guān)灰體:能以相同的吸收率吸收所有波長范圍的輻射能大多數(shù)工程材料可視為灰體實(shí)際物體對投入輻射的吸收率不僅和物體本身的情況有關(guān)，而且還與輻射物體投入的輻射波長有關(guān)（3）投射輻射的波長

氣體不能近似地作為灰體處理第五節(jié)輻射傳熱輻射能力:物體在一定溫度下，單位表面積、單位時(shí)間內(nèi)所發(fā)出的全部波長的總能量E表征物體發(fā)射輻射能的能力發(fā)射能量與波長有關(guān)第五節(jié)輻射傳熱二、物體的輻射能力W/m2物體的單色輻射能力:物體在一定溫度下發(fā)射某種波長的能力,單位為W/m3輻射能力:第五節(jié)輻射傳熱(4.4.2)(一)黑體的輻射能力黑體的輻射能力黑體的單色輻射能力（1），（2），（3）第五節(jié)輻射傳熱黑體單色輻射能力按波長的分布規(guī)律(4.4.3)最大值短波強(qiáng)輻射隨溫度變化黑體的輻射系數(shù)，其值為5.67W/(m2·K4)黑體的輻射常數(shù)，其值為5.67×10－8

W/(m2·K4)

熱輻射對溫度非常敏感，低溫時(shí)熱輻射往往可以忽略，高溫時(shí)則起主要作用。工程上（2）黑體的輻射能力斯蒂芬－波爾茨曼定律四次方定律（1）最大單色輻射能力的波長第五節(jié)輻射傳熱(4.4.7)只要知道物體的黑度，就可求得該物體的輻射能力。(二)灰體的輻射能力灰體的輻射系數(shù)由于黑體具有最大的輻射能力，因此定義：物體的黑度ε灰體的輻射能力同溫度下黑體的輻射能力第五節(jié)輻射傳熱(4.4.10)(4.4.8)(4.4.9)

物體的性質(zhì)、溫度以及表面狀況，包括粗糙度及氧化程度，是物體本身的特性，一般可通過實(shí)驗(yàn)確定。材料溫度/oC黑度紅磚耐火磚鋼板（氧化的）鋼板（磨光的）鉛（氧化的）鉛（磨光的）銅（氧化的）銅（磨光的）鑄鐵（氧化的）鑄鐵（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、旱地和絕大部分的林地的黑度近似為0.90；水、海灘、冰川則約為0.95；人體無論是什么膚色黑度均為0.96左右。影響物體表面的黑度的因素第五節(jié)輻射傳熱【例題】若將地球看成是平均溫度為15℃、表面積為5.1×1014m2的黑體，求單位時(shí)間地球熱輻射的能量和最大單色輻射能力時(shí)的波長，并將此波長與太陽輻射的波長相比（表面溫度5800K）。

地球最大單色輻射能力時(shí)的波長解：單位時(shí)間地球熱輻射的能量為：太陽最大單色輻射能力時(shí)的波長波長的變化CO2等溫室氣體溫室效應(yīng)第五節(jié)輻射傳熱(三)物體的輻射能力與吸收能力的關(guān)系灰體黑體熱平衡時(shí)對任意灰體，有透熱體(＝1)

對壁面1，熱量的收支差額為兩