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1、第四章第四章 热量传递热量传递 第一节第一节 热量传递的方式热量传递的方式第二节第二节 热传导热传导第三节第三节 对流传热对流传热第四节第四节 换热器及间壁换热器计算换热器及间壁换热器计算第五节第五节 辐射传热辐射传热 本章主要内容本章主要内容第四章第四章 热量传递热量传递第一节第一节 热量传递的方式热量传递的方式一、热传导一、热传导二、对流传热二、对流传热三、辐射传热三、辐射传热 本节的主要内容本节的主要内容要点：与环境工程中常见的热量传递过程相结合要点：与环境工程中常见的热量传递过程相结合 热量传递的三种方式热量传递的三种方式在环境工程中，很多过程涉及到加热和冷却：在环境工程中，很多过程涉

2、及到加热和冷却：对水或污泥进行加热；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；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。在冷却操作中移出热量。传热是极普遍的过程：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。凡是有温差存在的地方，就必然有热量传递。第一节第一节 热量传递的方式热量传递的方式环境工程中涉及到的传热过程主要有两种情况：环境工程中涉及到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；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。削弱传热过程，如对设备和管道的保温

3、，以减少热量损失。传热速率问题传热速率问题根据传热机理的不同，热根据传热机理的不同，热的传递主要有的传递主要有三种方式三种方式：导热导热热对流热对流热辐射热辐射依靠物质的分子、原子和电依靠物质的分子、原子和电子的振动、位移和相互碰撞子的振动、位移和相互碰撞产生的热量传递产生的热量传递由于流体的宏观运动，冷热由于流体的宏观运动，冷热流体相互掺混而发生的热量流体相互掺混而发生的热量传递。对流必然伴随导热传递。对流必然伴随导热物体由于热的原因而物体由于热的原因而发出辐发出辐射能射能的现象的现象物体各部分之间物体各部分之间无宏观运动，无宏观运动，热量热量以导热方式传递（在固体、静止的以导热方式传递（在

4、固体、静止的液体和气体中）液体和气体中） 第一节第一节 热量传递的方式热量传递的方式物体将物体将热能变为辐射能热能变为辐射能，以电磁波以电磁波的形式传播的形式传播，当遇到另一个物体后，当遇到另一个物体后，又被物体全部或部分又被物体全部或部分吸收而变成热吸收而变成热能能根据传热介质的特征，热量根据传热介质的特征，热量传递可以分为传递可以分为三种过程三种过程：热传导热传导对流传热对流传热当流体流过某一固体壁面时发生的当流体流过某一固体壁面时发生的热量传递，仅发生在热量传递，仅发生在流动的流动的液体和液体和气体中。传热方式可能是导热或对气体中。传热方式可能是导热或对流。流。辐射传热辐射传热导热在导热

5、在气态、液态气态、液态和和固态固态物质中物质中都可以发生，但热传递的方都可以发生，但热传递的方式和机理是不同的：式和机理是不同的：气体气体的热量传递是的热量传递是气体分子作不规则热运动气体分子作不规则热运动时相互碰撞的结果时相互碰撞的结果 固体固体以两种方式传递热量：以两种方式传递热量：晶格振动和自由电子的迁移晶格振动和自由电子的迁移； （金属）（金属）液体液体的结构的结构介于气体和固体之间介于气体和固体之间，分子可作幅度不大的位移，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。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：机理：依靠物质的分子、原子和

6、电子的振动、位移和相互碰撞依靠物质的分子、原子和电子的振动、位移和相互碰撞发生的热量传递发生的热量传递条件：条件：物体各部分之间物体各部分之间无宏观运动无宏观运动 热传导热传导第一节第一节 热量传递的方式热量传递的方式强制对流传热强制对流传热流体在外加能量的作用流体在外加能量的作用下处于流动状态下处于流动状态自然对流传热自然对流传热流体由于内部温度差流体由于内部温度差产生密度差而流动产生密度差而流动流体在传热过程中有无相变流体在传热过程中有无相变热水冷却热水冷却 蒸汽冷凝蒸汽冷凝 套管式换热器套管式换热器 对流传热过程的分类对流传热过程的分类暖气片暖气片第一节第一节 热量传递的方式热量传递的方

7、式对流传热对流传热列管式换热器包含的传热方式包含的热量传递方式？包含的热量传递方式？ 蒸汽和外管壁之间？蒸汽和外管壁之间？ 内管壁和冷水之间？内管壁和冷水之间？ 内外管壁之间？内外管壁之间？ 换热器外壳与室内空气换热器外壳与室内空气之间？之间？ 第一节第一节 热量传递的方式热量传递的方式对流对流对流对流对流对流导热导热辐射辐射涉及热量传递的实际问题：第一节第一节 热量传递的方式热量传递的方式热传导热传导辐射传热辐射传热1. 热力管道保温问题：热力管道保温问题： 两种保温材料如何布置？两种保温材料如何布置？ 保温材料厚度多少合适？保温材料厚度多少合适？2. 冷热流体换热问题：冷热流体换热问题：如

8、何实现高效换热？如何实现高效换热？3. 减少高温表面热损失问题：减少高温表面热损失问题： 如何设置热屏？如何设置热屏？4. 极地冰盖融化，温室效应极地冰盖融化，温室效应等环境问题等环境问题 热传导对流传热热传导对流传热热传导对流传热热传导对流传热热辐射热辐射第一节第一节 热量传递的方式热量传递的方式(1)(1)什么是导热？什么是导热？(2)(2)什么是对流传热？分别举出一个强制对流传热和自什么是对流传热？分别举出一个强制对流传热和自然对流传热的实例。然对流传热的实例。(3)(3)简述辐射传热的过程及其特点简述辐射传热的过程及其特点(4)(4)试分析在居室内人体所发生的传热过程，设室内空试分析在

9、居室内人体所发生的传热过程，设室内空气处于流动状态。气处于流动状态。思考题思考题一、傅立叶定律一、傅立叶定律二、导热系数二、导热系数三、通过平壁的稳定热传导三、通过平壁的稳定热传导四、通过圆管壁的稳定热传导四、通过圆管壁的稳定热传导本节的主要内容本节的主要内容第二节第二节 热传导热传导要点：要点：（1）傅立叶定律）傅立叶定律 傅立叶定律、导热系数傅立叶定律、导热系数 导温系数导温系数 工程中常用材料的导热性能工程中常用材料的导热性能（2）通过壁面的稳定热传导）通过壁面的稳定热传导 通过平壁和圆管壁的热传导速率方程及其计算通过平壁和圆管壁的热传导速率方程及其计算 串联热阻叠加原则、接触热阻串联热

10、阻叠加原则、接触热阻第二节第二节 热传导热传导发生在固体、静止的液体和气体中发生在固体、静止的液体和气体中 热传导：热传导：物体各部分之间不发生相对位移，物体以导热的方物体各部分之间不发生相对位移，物体以导热的方式发生的热量传递过程，称为热传导。式发生的热量传递过程，称为热传导。第二节第二节 热传导热传导热传导的速率热传导的速率？T=T0QT=T1热流流量热流流量t=0T=T0T=T0需要一个恒定的热量流量需要一个恒定的热量流量Q Q通过，才能维通过，才能维持温度差持温度差01TTT不变不变第二节第二节 热传导热传导一、傅立叶定一、傅立叶定律律YTAQyTAQqddy y方向上的热量流量，方向

11、上的热量流量，也称为也称为传热速率传热速率，W W导热系数导热系数，W/(mW/(mK)K)y y方向上方向上热量通量热量通量，即单位时间内通过单位面，即单位时间内通过单位面积传递的热量，又称为热流密度，积传递的热量，又称为热流密度，W/mW/m2 2垂直于热流方垂直于热流方向的面积，向的面积，m m2 2y y方向上的温方向上的温度梯度度梯度, K/m, K/m傅立叶定律傅立叶定律第二节第二节 热传导热传导一、傅立叶定一、傅立叶定律律(4.2.1)(4.2.2)微分形式：微分形式：yTAQqdd热量通量与温度梯度成正比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

12、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。沿着温度降低的方向传递的。yTccqppdd变换：变换：pcayTcaqpd)d(导温系数导温系数，或称热量扩散系数，或称热量扩散系数，m m2 2/s/s热量浓度热量浓度,J/m,J/m3 3热量传递的推动力热量传递的推动力令令第二节第二节 热传导热传导一、傅立叶定一、傅立叶定律律(4.2.3)(4.2.4)是是物质的性质物质的性质，反映温度变化在物体中的，反映温度变化在物体中的传播能力传播能力 pca单位体积物质温度升高单位体积物质温度升高1 1o oC C时所需要时所需要的热量的热量, ,代表物质的代表物质的蓄热

13、能力蓄热能力 导热系数，表明物质的导热系数，表明物质的导热能力导热能力apc说明物体的某部分一旦获得热量，该热量能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在整个物体中很快扩散或或第二节第二节 热传导热传导导温系数导温系数yTqdd导热物质在单位面积、单位温度梯度下的导热物质在单位面积、单位温度梯度下的导热速率导热速率表明物质导热性强弱即表明物质导热性强弱即导热能力导热能力的大小的大小是物质的物理性质，与物质的种类、温度和压力有关是物质的物理性质，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不同物质的导热系数差异较大第二节第二节 热传导热传导二、导热系数二、导热系数(

14、4.2.5)对于同一种物质，对于同一种物质， 值可能随不同的方向变化值可能随不同的方向变化各向异性各向异性（1 1）气体的导热系数随温度升高而增高气体的导热系数随温度升高而增高，近似与绝对温度，近似与绝对温度的平方根成正比。的平方根成正比。 一般情况下，一般情况下，压力对其影响不大压力对其影响不大，但在高压（高于，但在高压（高于200MPa200MPa）或低压（低于）或低压（低于2.7kPa2.7kPa）下，气体的导热系数随压）下，气体的导热系数随压力的升高而增大。力的升高而增大。 气体的导热系数气体的导热系数第二节第二节 热传导热传导二、导热系数二、导热系数（一）（一） 的影响因素：的影响因

15、素：液体的导热系数 水水甘油甘油第二节第二节 热传导热传导二、导热系数二、导热系数（2 2）液体的导热系数随温度升液体的导热系数随温度升高而减小高而减小（水、甘油例外）（水、甘油例外） bTa压力对其影响不大。压力对其影响不大。 经验公式：经验公式： （3 3）固体的导热系数影响因素较多固体的导热系数影响因素较多 纯金属纯金属的导热系数随温度升高而减小；的导热系数随温度升高而减小；合金合金却相却相反，随温度上升而增大。反，随温度上升而增大。晶体晶体的导热系数随温度的导热系数随温度的升高而减小，的升高而减小，非晶体非晶体则相反。则相反。 第二节第二节 热传导热传导二、导热系数二、导热系数固体的导

16、热系数固体的导热系数 对于环境工程中经常遇到的气体和水，导热系对于环境工程中经常遇到的气体和水，导热系数随温度升高而增高，压力对其影响不大数随温度升高而增高，压力对其影响不大金属金属液体液体保温材料保温材料气体气体金属金属5050415 W/(m415 W/(mK)K)，合金，合金1212120 W/(m120 W/(mK)K)0.030.030.12 W/(m0.12 W/(mK

17、用多孔材料作为保温材料利用多孔材料作为保温材料保温材料受潮后保温性能将保温材料受潮后保温性能将大幅度下降露天保温管大幅度下降露天保温管道必须注意防潮道必须注意防潮（二）工程中常用材料的导热系数（二）工程中常用材料的导热系数第二节第二节 热传导热传导对导热不利，但利于绝热、保温对导热不利，但利于绝热、保温非金属中，石墨的导热系数最高，可达非金属中，石墨的导热系数最高，可达0W（m mK K） ，高于一般金属；同时，由于其具有耐腐蚀性能，高于一般金属；同时，由于其具有耐腐蚀性能，因此因此石墨是制作耐腐蚀换热器的理想材料。石墨是制作耐腐蚀换热器的理想材料。 GB4272规定的

18、保温材料导热系数界定值规定的保温材料导热系数界定值平壁的稳态热传导平壁的稳态热传导池体、设备等的保温池体、设备等的保温 圆管壁的稳态热传导圆管壁的稳态热传导管道、圆柱形设备的保温管道、圆柱形设备的保温傅立叶定律的应用：解决一维稳态热传导问题傅立叶定律的应用：解决一维稳态热传导问题 第二节第二节 热传导热传导( (一一) )单层平壁的稳态热传导单层平壁的稳态热传导平壁厚度为平壁厚度为b，壁面两侧温度分别为，壁面两侧温度分别为1T2T12TT一维稳态热传导一维稳态热传导 xAQddT10:xTT2:xb TT)(21TTAbQb1T2T第二节第二节 热传导热传导三、通过平壁的稳定热传导三、通过平壁

导热热阻，导热速率热阻，导热热阻，导热速率热阻，K/WK/W（按总传热面积计）（按总传热面积计）导热通量热阻，导热通量热阻，m2K/W（按单位传热面积计）（按单位传热面积计）温度差温度差传导距离越大，传热壁面和导热系数越小，传导距离越大，传热壁面和导热系数越小，则导热热阻越大则导热热阻越大传热速率传热速率= =传热的推动力传热的推动力导热热阻导热热阻第二节第二节

20、00 . 1m26414 . . 121bTTqmW/(mK)？T T ？q解：（解：（1）导热系数按平壁的平均温度）导热系数按平壁的平均温度第二节第二节 热传导热传导( (一一) )单层平壁的稳态热传导单层平壁的稳态热传导400mm950300W/m2（2）导热系数取为变量）导热系数取为变量xTTxTqdd)001. 00 . 1 (dd分离变量并积分分离变量并积分bTTxqTT0dd)001.00 .1 (21对于平壁上的稳态一维热传导，热量通量不变对于平壁上的稳态一维热传导，热量通量不变()()2TTTTqbxxxqTTm.

21、即温度分布为直线关系。即温度分布为直线关系。以以x表示沿壁厚方向上的距离，表示沿壁厚方向上的距离，在在x处等温面上的温度为处等温面上的温度为第二节第二节 热传导热传导结论：结论：（1）q（2）T（二）多层平壁的热传导（二）多层平壁的热传

热传导热传导(4.2.10)稳态传热下：稳态传热下： 附加热阻附加热阻接触热阻接触热阻 若层与层之间存在空气层若层与层之间存在空气层 2201131brbTTq与接触面的材料、接触界面的

28 1 35 5 52 5 8TTT 2T3Tq采用圆柱坐标时，即为一维稳态热传导采用圆柱坐标时，即为一维稳态热传导对于半径为对于半径为r r的等温圆柱面，根据傅立叶定律，有的等温

24、圆柱面，根据傅立叶定律，有rrLrAQddT)2(ddT稳态导热时，径向的稳态导热时，径向的Q Q为常数，将上式分为常数，将上式分离变量并积分离变量并积分2121d2dTTrrTLrrQ传热面积随半径发生变化传热面积随半径发生变化内径内径r r1 1外径外径r r2 21T2TdrRTTrrTTLQ半径半径r r第二节第二节

25、平均值代替对数平均值，简化计算 2121lnmrrrrrLrAmm2RTTrrTTLQLrrR2ln12圆管壁的导热热阻，圆管壁的导热热阻，K/W AbR平壁的导热热阻平壁的导热热阻对数平均半径对数平均半径对数平均面积对数平均面积第二节第二节 热传导热传导薄壁管圆管壁：圆管壁：第二节第二节 热传导热传导n层圆管壁的稳态热传导层圆管壁的稳态热传导假设层与层之间接触良好，根据串联热阻叠加原则，有假设层与层之间接触良好，根据串联热阻叠加原则，有 111111nnnniiiiimiTTTTQbRA(4.2.13)通过各层的传热速率相同通过各层的传热速率相同通过各层的热量通量？通过各层

热传导热传导(1)(1)简述傅立叶定律的意义和适用条件。简述傅立叶定律的意义和适用条件。(2)(2)分析导温系数和导热系数的涵义及影响因素。分析导温系数和导热系数的涵义及影响因素。(3)(3)为什么多孔材料具有保温性能？保温材料为什么为什么多孔材料具有保温性能？保温材料为什么需要防潮？需要防潮？(4)(4)当平

27、壁面的导热系数随温度变化时，若分别按变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。温度分布有何差异。(5)(5)若采用若采用两种导热系数不同的材料为管道保温两种导热系数不同的材料为管道保温，试，试分析应如何布置效果最好。分析应如何布置效果最好。思考题思考题第三节第三节 对流传热对流传热 一、对流传热的特点一、对流传热的特点二、对流传热的机理二、对流传热的机理三、对流传热速率三、对流传热速率四、对流传热系数的经验式四、对流传热系数的经验式五、影响对流传热的因素五、影响对流传热的因素六、保温层的临界

28、直径六、保温层的临界直径本节的主要内容本节的主要内容要点：要点：（1）对流传热的特点，流动对传热的影响）对流传热的特点，流动对传热的影响（2）对流传热）对流传热机理机理 传热边界层、边界层厚度传热边界层、边界层厚度（3）对流传热）对流传热速率速率 牛顿冷却定律、典型情况下的对流传热系数，对流传热影牛顿冷却定律、典型情况下的对流传热系数，对流传热影响因素响因素（4）保温层的临界）保温层的临界直径直径第三节第三节 对流传热对流传热 对流传热：对流传热：流体中流体中质点发生相对位移质点发生相对位移时发生的热量传递过程时发生的热量传递过程对流传热对流传热仅发生在流动的流体中仅发生在流动的流体中对流与热

29、传导的区别：对流与热传导的区别： 流体质点的相对位移流体质点的相对位移 （1 1）流动对传热的贡献）流动对传热的贡献 搅拌杯中热水搅拌杯中热水人站在冷风里人站在冷风里在高温的夏季里，打开电扇在高温的夏季里，打开电扇流体流动使传热速率加快流体流动使传热速率加快加快热水冷却加快热水冷却与站在背风的地方相比感觉要冷得多与站在背风的地方相比感觉要冷得多人会感到凉快人会感到凉快电扇转速越大，感觉愈凉快电扇转速越大，感觉愈凉快第三节第三节 对流传热对流传热 一、对流传热的特点一、对流传热的特点对流传热对流传热指流体流过与其温度不同的固体壁面时指流体流过与其温度不同的固体壁面时流体流体与壁面之间的热量交换与

30、壁面之间的热量交换换热器的换热过程是导热与对流联合作用的结果。换热器的换热过程是导热与对流联合作用的结果。 （2 2）对流传热过程）对流传热过程第三节第三节 对流传热对流传热 间壁式换热器间壁式换热器热量传递过程：热量传递过程： 热量由热流体传给固体壁面热量由热流体传给固体壁面 热量由壁面的热侧传到冷侧热量由壁面的热侧传到冷侧 热量由壁面的冷侧传到冷流体热量由壁面的冷侧传到冷流体对流传热对流传热对流传热对流传热热传导热传导对流传热对流传热对流传热对流传热热传导热传导第三节第三节 对流传热对流传热 列管式换热器列管式换热器（3 3）工程中常见的对流换热过程）工程中常见的对流换热过程间壁式换热器间

31、壁式换热器的换热过程的换热过程流体的热交换流体的热交换热交换器（换热器）热交换器（换热器）套管式换热器套管式换热器 第三节第三节 对流传热对流传热 WT0TWT0T 热量传递热量传递固体壁面附近形成温度分布固体壁面附近形成温度分布？传热的机理传热的机理第三节第三节 对流传热对流传热 二、对流传热的机理二、对流传热的机理冷流体冷流体热壁面热壁面y0uWT0TQ QTX( (一一) )流动边界层的传热机理及温度分布流动边界层的传热机理及温度分布 流体流体层与层之间无流体质点的掺混层与层之间无流体质点的掺混，在垂直于流动方向，在垂直于流动方向上，热量的传递主要通过上，热量的传递主要通过导热方式导热方

32、式进行。进行。 （1 1）层流边界层）层流边界层层流区层流区湍流区湍流区0T第三节第三节 对流传热对流传热 0u冷流体冷流体流动边界层流动边界层 有其它传热方式吗？有其它传热方式吗？ 有自然对流，但不是主要的！有自然对流，但不是主要的！yTXWT（2 2）湍流边界层）湍流边界层层流底层层流底层缓冲层缓冲层湍流中心湍流中心湍流区湍流区 层流底层中层流底层中，热量传递主要依靠，热量传递主要依靠导热导热进行，符合傅立叶定进行，符合傅立叶定律，温度分布律，温度分布几乎几乎为直线；为直线； 由于流体的由于流体的导热系数较低导热系数较低，使层内，使层内导热热阻很大导热热阻很大，因此该，因此该层中温度差较大

33、，层中温度差较大，温度分布温度分布曲线的斜率大曲线的斜率大由边界层的流动情况决定由边界层的流动情况决定第三节第三节 对流传热对流传热 0u冷流体冷流体yTX层流底层层流底层缓冲层缓冲层湍流中心湍流中心湍流区湍流区 缓冲层中缓冲层中，质点的脉动较弱，质点的脉动较弱，对流与导热对流与导热的作用大致处于同的作用大致处于同等地位，由于对流传热的作用，等地位，由于对流传热的作用，温度梯度变小。温度梯度变小。 在湍流中心在湍流中心，质点强烈脉动，使主体部分的温度趋于均一，质点强烈脉动，使主体部分的温度趋于均一，热量传递主要依靠热量传递主要依靠对流对流进行，导热所起的作用很小；进行，导热所起的作用很小；温度

34、梯度很小，即传热热阻很小，温度分布温度梯度很小，即传热热阻很小，温度分布曲线趋于平坦。曲线趋于平坦。第三节第三节 对流传热对流传热 0u冷流体冷流体yTX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，传热过程，热阻集中在层流底层上热阻集中在层流底层上。湍流流动的传热速率远大于层流。湍流流动的传热速率远大于层流。层流底层层流底层缓冲层缓冲层湍流中心湍流中心湍流区湍流区减少层流底层厚度是强化传热的重要途径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，促使流体在湍流流动中存在流体质点的随机脉动，促使流体在y

35、 y方向上方向上掺混，传热过程被强化掺混，传热过程被强化 热阻分布情况？热阻分布情况？湍流传热速率的大小？湍流传热速率的大小？第三节第三节 对流传热对流传热 yTX(T-TW)0.99(T0-TW)( (二二) )传热边界层传热边界层（1 1）什么是传热边界层）什么是传热边界层T T第三节第三节 对流传热对流传热 壁面附近因传热而使流体温度发生较大变化的区域壁面附近因传热而使流体温度发生较大变化的区域（即（即温度梯度较大的区域温度梯度较大的区域） 也称为热边界层，温度边界层也称为热边界层，温度边界层yTX(T-TW)0.99(T0-TW) 将将( (T-TW)0.99(T0-TW)处处作为传热

36、边界层的界限，该界限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。到壁面的距离称为边界层的厚度。（2 2）传热边界层的厚度）传热边界层的厚度T T 边界层以外的区域认为不存在温度梯度。边界层以外的区域认为不存在温度梯度。传热过程的传热过程的阻力主要集中在传热边界层内阻力主要集中在传热边界层内，传热传热阻力阻力取决于取决于传热边界层的厚度传热边界层的厚度。T

37、度间的关系流动边界层厚度与传热边界层厚度间的关系运动粘度运动粘度, , 或称或称动量扩散系数，动量扩散系数，m m2 2/s /s 导温系数，或称导温系数，或称热量扩散系数热量扩散系数，m m2 2/s/s m man nprcP 表明表明分子动量传递能力分子动量传递能力和和分子热量传递能力分子热量传递能力的比值。的比值。yTXT T(T-TW)0.99(T0-TW)u=0.99u0PrPr1 1时，时，T T对于高黏度流体对于高黏度流体T T温度变化主要在层流底层中，热温度变化主要在层流底层中，热阻主要集中在层流底层中阻主要集中在层流底层中第三节第三节 对流传热对流传热 流动边界层厚度与传热

38、边界层厚度间的关系流动边界层厚度与传热边界层厚度间的关系PrPr的量级：的量级：油：油： 3水：水：1 11010气体：气体：0.70.71 1液态金属：液态金属： 10-2-2对于低黏度流体对于低黏度流体 2TTAQdd1TdA( (一一) )牛顿冷却定律牛顿冷却定律 通过传热面通过传热面dA的的局部对流传热速率局部对流传热速率dAQ第三节第三节 对流传热对流传热 三、对流传热速率三、对流传热速率(4.3.1)冷流体冷流体0u(一一)牛顿冷却定律牛顿冷却定律 TAQddWTTTTTTW与传热方向垂直的与传热方向垂直的微元微元传热面积传热面积，m m

39、2 2局部对流传热系数局部对流传热系数，或，或称为膜系数，称为膜系数，W/W/（m m2 2K K）流体与固体壁面流体与固体壁面dAdA之间的之间的温差温差，K K通过传热面通过传热面dAdA的局部的局部对流传热速率对流传热速率，W W流体被冷却时流体被冷却时在流体被加热时在流体被加热时与流体相接触的传热与流体相接触的传热壁面的温度，壁面的温度，K K流体的温度流体的温度传热速率传热速率正比于正比于固体壁面与周围流体的固体壁面与周围流体的温度差和传热面积温度差和传热面积 第三节第三节 对流传热对流传热 TAQATQ1A1为为对流传热热阻，对流传热热阻，K/WK/W。局部局部对流传热系数对流传热

40、系数 在传热过程中，温度沿程变化，因此在传热过程中，温度沿程变化，因此对流传热系数对流传热系数为局部的参数为局部的参数。在实际工程中，常采用平均值进行计算在实际工程中，常采用平均值进行计算，因此牛顿冷却定律可写成，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，即对流传热速率也可以用对流传热热阻表示，即AbR导热热阻导热热阻第三节第三节 对流传热对流传热 (一一)牛顿冷却定律牛顿冷却定律 (4.3.2a)(4.3.2b) 式中，式中，y y不是实际的流体层厚度，而是某个虚拟的流体层厚不是实际的流体层厚度，而是某个虚拟的流体层厚度，称之为度，称之为有效膜厚度有效膜厚度。

41、比较傅立叶定律比较傅立叶定律与牛顿冷却定律与牛顿冷却定律可以发现可以发现y y 在厚度在厚度y y内集中了全部的传热热阻，这样一个对流传热过内集中了全部的传热热阻，这样一个对流传热过程的热阻程的热阻相当于某个厚为相当于某个厚为y y的静止流体膜所造成的导热热阻。的静止流体膜所造成的导热热阻。有效膜厚度有效膜厚度第三节第三节 对流传热对流传热 ddTQAy TAQddy(4.3.1)(4.2.2)（二）对流传热系数（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、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、流体是否有相变等壁面情况、流动

42、原因、流动状况、流体是否有相变等第三节第三节 对流传热对流传热 换热方式换热方式空气自然对流空气自然对流5 52525气体强制对流气体强制对流水自然对流水自然对流00水强制对流水强制对流015000水蒸气冷凝水蒸气冷凝015000有机蒸气冷凝有机蒸气冷凝00水沸腾水沸腾025000 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。的流体层，其传热为导

43、热，因此传热规律遵循傅立叶定律。用用 表示近壁处的温度梯度，则表示近壁处的温度梯度，则0yyT0ddyyTAQ牛顿冷却定律牛顿冷却定律0yyTT很难得出！很难得出！ 如何确定对流传热系数？如何确定对流传热系数？TAQdd对流传热微分方程式对流传热微分方程式理论上计算对流传热系数的基础理论上计算对流传热系数的基础y第三节第三节 对流传热对流传热 （1 1）量纲分析）量纲分析 （2 2）利用动量传递与热量传递的类似性）利用动量传递与热量传递的类似性 求解对流传热系数的途径求解对流传热系数的途径 对流传热系数的经验式对流传热系数的经验式第三节第三节 对流传热对流传热 但是这二种传递过程但是这二种传递

44、过程具有类似性具有类似性，这种类似性不仅表现在分，这种类似性不仅表现在分子传递中，在涡流传递中也具有类似性。子传递中，在涡流传递中也具有类似性。动量、热量传递在动量、热量传递在传递机理传递机理、数学表达式数学表达式以及以及传递特征量传递特征量等等方面表现出类似性。方面表现出类似性。 动量传递、热量传递动量传递、热量传递二种不同的物理现象二种不同的物理现象分子传递过程只有在固体、静止流体或层流流动的流体分子传递过程只有在固体、静止流体或层流流动的流体中才会单独发生。中才会单独发生。 分子传递：分子传递：由分子的不规则热运动而导致的传递由分子的不规则热运动而导致的传递涡流传递：涡流传递： 由宏观流

45、体微团的不规则掺混运动导致的传递由宏观流体微团的不规则掺混运动导致的传递涡流传递在湍流中发生。涡流传递在湍流中发生。传递机理传递机理 在湍流运动中，流体中充满了旋涡，因此除分子传在湍流运动中，流体中充满了旋涡，因此除分子传递现象外，宏观流体微团的不规则掺混运动也引起动量、递现象外，宏观流体微团的不规则掺混运动也引起动量、热量的传递，其结果使动量、热量的传递过程大大加剧。热量的传递，其结果使动量、热量的传递过程大大加剧。 分子传递速率分子传递速率 由分子运动引起的动量传递由分子运动引起的动量传递牛顿粘性定律牛顿粘性定律 由分子运动引起的热量传递由分子运动引起的热量传递傅立叶定律傅立叶定律数学表达

46、式数学表达式yuxddm傅立叶定律傅立叶定律d()dxuyn 单位体积流体中的动量，称单位体积流体中的动量，称为动量浓度，为动量浓度，kgkg (m/s)/m(m/s)/m3 3 动量浓度梯度动量浓度梯度 kgkg (m/s)/(m/s)/（m m3 3m m）运动粘度运动粘度, , 或称或称动量扩散系数，动量扩散系数，m m2 2/s/s yTcaqpd)d(热量扩散系数，热量扩散系数，m m2 2/s/s剪切应力，或称剪切应力，或称动量通量动量通量， N/m2热量浓度热量浓度,J/m,J/m3 3牛顿黏性定律牛顿黏性定律分子传递类比表分子传递类比表 传递特征量传递特征量（2 2）非常相似的

47、数学表达式）非常相似的数学表达式现象方程现象方程 （1 1）共同的物理本质，即都是基于分子的热运动）共同的物理本质，即都是基于分子的热运动 （3 3）对于）对于理想气体理想气体，根据气体动力学理论可以推导，根据气体动力学理论可以推导二者的二者的分子传递系数相等分子传递系数相等。典型情况：无相变时管内强制对流典型情况：无相变时管内强制对流 大空间自然对流大空间自然对流( (一一) )管内强制对流传热管内强制对流传热1 1流体流体在圆形直管内在圆形直管内呈强烈的湍流状态呈强烈的湍流状态流动流动0.8Nu0.023RePrf努塞尔特数努塞尔特数 NuidmpcPr普兰德数普兰德数 0.80.023f

48、piicd udmm流体被冷却时流体被冷却时, ,f f0.30.3流体被加热时流体被加热时, ,f f0.40.4对于低粘度（小于对于低粘度（小于2 2倍常温水的粘度）的流体倍常温水的粘度）的流体 第三节第三节 对流传热对流传热 四、对流传热系数的经验式四、对流传热系数的经验式？定性温度定性温度：流体进出口温度的算术平均值。：流体进出口温度的算术平均值。特征尺寸特征尺寸：管内径：管内径id4Re100.7Pr120管内壁面光滑；管内壁面光滑；管长与管径之比管长与管径之比/iL d5050。 应用条件：应用条件：应用范围：应用范围： 传热面的类型要相同，同时无量纲数传热面的类型要相同，同时无量

49、纲数Re、Pr和和Gr应在实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或或Gr的数值范围的数值范围。 无量纲数与无量纲数与定性温度、特征尺寸和特征速度定性温度、特征尺寸和特征速度相对应，使相对应，使用经验式时必须严格按照该公式的规定选取定性温度、特征用经验式时必须严格按照该公式的规定选取定性温度、特征尺寸和特征速度。尺寸和特征速度。第三节第三节 对流传热对流传热 应用经验式的注意事项：应用经验式的注意事项：0.80.023fpiicd udmmPrPr的量级：的量级：油：油：10102

50、 11010气体：气体：0.70.71 1液态金属：液态金属： 10-2-2/iL d对于对于 5050的短管，由于进口段流体的速度和温度在不的短管，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，乘以影响，乘以大于大于1 1的短管修正系数的短管修正系数7 . 01Ldil第三节第三节 对流传热对流传热 进口段热边界层薄，局部对流传热系数较充分发展段进口段热边界层薄，局部对流传热系数较充分发展段大，且沿主流方向降低大，且沿主流方向降低若出现湍流，则局部对流传热系数又提高，再逐渐降若出现湍

51、流，则局部对流传热系数又提高，再逐渐降低，趋于充分发展段低，趋于充分发展段2 2流体在圆形直管内流体在圆形直管内呈层流状态呈层流状态流动流动 层流流动下进口段影响较大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往往需要考虑附加的自然对流传热的影响 223GrmTgL格拉晓夫数，表示自然对流影响的特征数格拉晓夫数，表示自然对流影响的特征数 为体积膨胀系数为体积膨胀系数 层流与湍流流动传热的区别：层流与湍流流动传热的区别：第三节第三节 对流传热对流传热 除粘度除粘度 的温度为壁温外，其余均为流体进、出口温的温度为壁温外，其余均为流体进、出口温度的算术平均值。度的算术平均值。定性温

52、度：定性温度：Wm特征尺寸：特征尺寸：Re0010PrReLdiid应用条件：应用条件：小管径且流体和壁面的温差不大时，小管径且流体和壁面的温差不大时， 0.90.9；当其；当其0.80.8时，经时，经济上不合理，应另选其它形式，如济上不合理，应另选其它形式，如增加壳程数增加壳程数，或将，或将多台换多台换热器串联热器串联使用，以使传热过程接近逆流。使用，以使传热过程接近逆流。第四节第四节 换热器及间壁传热过程计算换热器及间壁传热过程计算 流体在壳体内每通流体在壳体内每通过一次为一壳程过一次为一壳程单壳程两管程单壳程两管程 12型型两壳程四管程两壳程四管程 24型型壳程壳程

53、: 流体在壳体内每通过一次流体在壳体内每通过一次为一壳程为一壳程管程管程: 流体在管内每通过一次为流体在管内每通过一次为一管程一管程第四节第四节 换热器及间壁传热过程计算换热器及间壁传热过程计算 单壳程单壳程 两壳程两壳程 第四节第四节 换热器及间壁传热过程计算换热器及间壁传热过程计算 三壳程三壳程第四节第四节 换热器及间壁传热过程计算换热器及间壁传热过程计算 ,phpcccmQAK T12()mhphhhQq cTT21()mcpcccQq cTT（1 1）当）当K K变化不大时变化不大时，工程中可采用换热器进出口处传热系数，工程中可采用换热器进出口处传热系数的平均值作为常数处理。的平均值作

54、为常数处理。或或按换热器进出口处温度的平均值计算按换热器进出口处温度的平均值计算（2 2）当）当K K变化很大时变化很大时，ddhcQK TTAddmcpccQq cT K K随温度变化随温度变化ddhcQAK TT21dccTmcpccThcq cATK TT( (四四) )传热面积传热面积计算传热速率：计算传热速率：mTKAQ第四节第四节 换热器及间壁传热过程计算换热器及间壁传热过程计算 当换热器出口温度未知时，无法直接计算平均温差，当换热器出口温度未知时，无法直接计算平均温差，因此需通过反复试算因此需通过反复试算mTKAQ传热单元数法（传热单元数法（NTU）传热效率传热单元数法（传热效率

55、传热单元数法（-NTU）1.1.传热效率传热效率意义：流体可用的热量被利用的程度意义：流体可用的热量被利用的程度maxQQ最大可能传热量实际传热量( (五五) )传热单元数传热单元数(4.3.28)第四节第四节 换热器及间壁传热过程计算换热器及间壁传热过程计算 若换热器的热损失可以忽略，两流体均无相变，则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：实际传热量：2112mcpcccmhphhhQq cTTq cTT最大可能传热量：最大可能传热量： max11minmphcQq cTT理论上换热器中可能达到的最大温差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两流体中最小

cTTQ2cT2hT(4.3.36)(4.3.37)若已知若已知第四节第四节 换热器及间壁传热过程计算换热器及间壁传热过程计算 如何确定传热效率？如何确定传热效率？可根据传热速率方程和热量衡量式导出可根据传热速率方程和热量衡量式导出 单程并流换热器单程

58、cmcpcTK ATTq c21cchcmcpcmTTKATTq c21ccchcmcpcmTTKANTUTTq c对于冷流体对于冷流体:pcc当当K与与为常数为常数换热器两端温差的对数平均值换热器两端温差的对数平均值以冷流体计的以冷流体计的传热单元数传热单元数:以热流体计的传热单元数以热流体计的传热单元数:21hhhhcmhphmTTKANTUTTq c传热单元数是温度的无量纲函数，传热单元数是温度的无量纲函数，在数值上等于单位传热推动力引在数值上等于单位传热推动力引起流体温度变化的大小，表明换起流体温度变化的大小，表明换热器传热能力的强弱。热器传热能力的强弱。第四节第四节 换热器及间壁传热

59、过程计算换热器及间壁传热过程计算 mT使用传热单元数进行传热计算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基于热容流量小的流体的传热单元长度传热单元长度，单位为，单位为mminmpKANTUq cminmpK n dLNTUq cmin()mpq cLNTUn dKminminmpq cHn dK设换热器的换热管的直径为设换热器的换热管的直径为d，长度为，长度为L，管数为，管数为n，则，则传热单元长度是传热热阻的函数传热单元长度是传热热阻的函数，总传热系数越大，传，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。热

60、单元长度越小，即传热所需的传热面积越小。min()LHNTU第四节第四节 换热器及间壁传热过程计算换热器及间壁传热过程计算 3.3.传热效率和传热单元数的关系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量式导出可根据传热速率方程和热量衡量式导出 单程并流换热器单程并流换热器 1exp11RRNTUcc单程逆流换热器单程逆流换热器 1exp11exp1RRRNTUccNTUc任一流体发生相变时任一流体发生相变时 1exp()NTU (4.3.45)(4.3.44)(4.3.46)第四节第四节 换热器及间壁传热过程计算换热器及间壁传热过程计算 根据换热器的操作工况，计算传热系数；根据换热器