1、第四章 熱量傳遞 第一節 熱量傳遞的方式第二節 熱傳導第三節 對流傳熱第四節 換熱器及間壁傳熱過程計算第五節 輻射傳熱本章主要內容第四章 熱量傳遞第一節 熱量傳遞的方式一、熱傳導二、對流傳熱三、輻射傳熱 本節的主要內容根據傳熱機理的不同，熱的傳遞主要有三種方式：熱傳導對流傳熱輻射傳熱通過物質的分子、原子和電子的振動、位移和相互碰撞發生的熱量傳遞過程 流體中質點發生相對位移而引起的熱量傳遞過程，僅發生在液體和氣體中。通常認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出輻射能的過程物體各部分之間無宏觀運動 第一節 熱量傳遞的方式在環境工程中，很多過程涉及到加熱和冷卻：對水或污泥進行加熱

2、；對管道及反應器進行保溫以減少系統的熱量散失；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 熱量傳遞的方式環境工程中涉及到的傳熱過程主要有兩種情況：強化傳熱過程，如各種熱交換設備中的傳熱；削弱傳熱過程，如對設備和管道的保溫，以減少熱量損失。傳熱速率問題一、傅立葉定律二、導熱系數三、通過平壁的穩定熱傳導四、通過圓管壁的穩態熱傳導本節的主要內容第二節 熱傳導YTAQyTAQqddy方向上的熱量流量，也稱為傳熱速率，W導熱系數，W/(mK)y方向上熱量通量，即單位時間內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

3、梯度, K/m傅立葉定律第二節 熱傳導一、傅立葉定律：解決一維穩態熱傳導問題 (4.2.1)(4.2.2)yuxdd剪切應力，或稱內摩擦力， N/m2牛頓粘性定律：流體流動的內摩擦力(3.2.3)剪切應力即動量通量，即單位時間內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 低速流體層的轉移剪切應力動量通量yTAQqdd熱量通量與溫度梯度成正比負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。yTccqppdd變換：pcayTcaqpd)d(導溫系數，或稱熱量擴散系數，m2/s熱量濃度,J/m3熱量傳遞的推動力令第二節 熱傳導一、傅立葉定律(

4、4.2.3)(4.2.4)是物質的性質，反映溫度變化在物體中的傳播能力 pca單位體積物質溫度升高1oC是所需要的熱量,代表物質的蓄熱能力 導熱系數，表明物質的導熱能力apc說明物體的某部分一旦獲得熱量，該熱量能在整個物體中很快擴散或第二節 熱傳導導溫系數yTqdd導熱物質在單位面積、單位溫度梯度下的導熱速率表明物質導熱性強弱即導熱能力的大小是物質的物理性質，與物質的種類、溫度和壓力有關不同物質的導熱系數差異較大第二節 熱傳導二、導熱系數(4.2.5)金屬液體隔熱材料氣體金屬50415 W/(mK)，合金12120 W/(mK)0.030.17 W/(mK）0.170.7 W/(mK)0.00

5、70.17 W/(mK) 氫水水是工程上最常用的導熱介質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熱系數第二節 熱傳導（1 1）在液體中，水的導熱系數最大，）在液體中，水的導熱系數最大，2020時為時為0.60.6W W（m m K K）。因此，）。因此，水是工程上最常用的導熱介質。水是工程上最常用的導熱介質。 （3 3）非金屬中，石墨的導熱系數最高，可達）非金屬中，石墨的導熱系數最高，可達100100200W200W（m mK K） ，高于一般金屬；同時，由于其具有耐腐蝕性能，高于一般金屬；同時，由于其具有耐腐蝕性能，因此因此石墨是制作耐腐蝕換熱

6、器的理想材料。石墨是制作耐腐蝕換熱器的理想材料。 水比空氣的導熱系數大得多，隔熱材料受潮后其隔熱性水比空氣的導熱系數大得多，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。能將大幅度下降。因此，露天保溫管道必須注意防潮。 （2 2）氣體的導熱系數很小氣體的導熱系數很小，對導熱不利，但利于絕熱、保，對導熱不利，但利于絕熱、保溫。工業上溫。工業上常用多孔材料作為保溫材料常用多孔材料作為保溫材料，就是利用了空隙，就是利用了空隙中存在的氣體，使導熱系數變小。中存在的氣體，使導熱系數變小。第二節 熱傳導(一)單層平壁的穩態熱傳導平壁厚度為b，壁面兩側溫度分別為1T2T12TT一維穩

7、態熱傳導 xAQddT10:xTT2:xb TT)(21TTAbQb1T2T第二節 熱傳導三、通過平壁的穩定熱傳導(4.2.6)(4.2.7)rTAQqT溫差 為傳熱的推動力。)(21TTAbQAbRRTRTTQ)(21br 導熱熱阻，K/W單位傳熱面積的導熱熱阻，m2K/W溫度差傳導距離越大，傳熱壁面和導熱系數越小，則導熱熱阻越大傳熱速率=傳熱的推動力導熱熱阻第二節 熱傳導取為常數6252300950221TTTm625. 1625001. 00 . 1m26414 . 0300950625. 121bTTqmW/m2W/(mK)？T ？q解：（1）導熱系數按平壁的平均溫度第二節 熱傳導(一

8、)單層平壁的穩態熱傳導（2）導熱系數取為變量xTTxTqdd)001. 00 . 1 (dd分離變量并積分bTTxqTT0dd)001.00 .1 (21對于平壁上的穩態一維熱傳導，熱量通量不變。因此2212120.001()()2TTTTqbxxxqTTm1625950625. 126419501即溫度分布為直線關系。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 熱傳導22110.001()()2TTTTqx20.001(950)(950)26412TTx整理，得20.0011401264102TTx此時溫度分布為曲線。在x處22121222210.001()()210.001(

9、950300)(950300 )0.422641W/mqTTTTb第二節 熱傳導結論：結論：（1）（2）（二）多層平壁的熱傳導AbAbAbTTRRRTTTQ33221141321321串聯熱阻疊加原則 層與層之間接觸良好 11QRT 22QRT 33QRT 熱阻越大，通過該層的溫度差也越大 1b1232b3b1T2T3T4TQ121111()TTTQAbR傳熱的推動力導熱熱阻232222()TTTAbR343333()TTTAbR第二節 熱傳導(4.2.10)附加熱阻接觸熱阻 層與層之間存在空氣層 2201131brbTTq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

10、接觸熱阻（三）n層平壁的熱傳導111111nnnniiiiiTTTTbRAQ 第二節 熱傳導(4.2.11)AbAbAbTTQ3322114111qrT 22qrT 33qrT 33221141bbbTTq211930 117813TTT322813555258TTT2T3Tq采用圓柱坐標時，即為一維穩態熱傳導對于半徑為r的等溫圓柱面，根據傅立葉定律，有rrLrAQddT)2(ddT穩態導熱時，徑向的Q為常數，將上式分離變量并積分2121d2dTTrrTLrrQ傳熱面積隨半徑發生變化內徑r1外徑r21T2TrdRTTrrTTLQ211221ln2半徑r第二節 熱傳導四、通過圓管壁的穩定熱傳導(

11、4.2.13)mAbTTQ21LrrR2ln12mAbR21brr1212lnAAAAAm當21/2rr 時，可以用算術平均值代替對數平均值，簡化計算 2121lnmrrrrrLrAmm2RTTrrTTLQ211221ln2LrrR2ln12圓管壁的導熱熱阻，K/W AbR平壁的導熱熱阻對數平均半徑對數平均面積第二節 熱傳導第二節 熱傳導n層圓管壁的熱傳導假設層與層之間接觸良好，根據串聯熱阻疊加原則，有 111111nnnniiiiimiTTTTQbRA(4.2.13)第三節 對流傳熱 一、對流傳熱的機理二、對流傳熱速率三、影響對流傳熱的因素四、對流傳熱系數的經驗式五、保溫層的臨界直徑本節的主

12、要內容對流傳熱：流體中質點發生相對位移而引起的熱量傳遞過程對流傳熱僅發生在流體中流體流動使對流傳熱速率加快第三節 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 對流傳熱 (一)流動邊界層的傳熱機理及溫度分布 流體層與層之間無流體質點的宏觀運動，在垂直于流動方向上，熱量的傳遞通過導熱進行。 （1）層流邊界層層流區湍流區WT0T 與靜止流體中的導熱一樣嗎？第三節 對流傳熱 一、對流傳熱的機理（2）湍流邊界層層流底層緩沖層湍流中心湍流區 層流底層中，熱量傳導主要依靠導熱進行，符合傅立葉定律，溫度分布幾乎為直線； 由于流體的導

13、熱系數較低，使層內導熱熱阻很大，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 對流傳熱 層流底層緩沖層湍流中心湍流區 緩沖層中，質點的脈動較弱，對流與導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，質點強烈脈動，使主體部分的溫度趨于均一，熱量傳遞主要依靠對流進行，導熱所起的作用很小；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 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生變化的區域（即存在溫度梯度的

14、區域）(二)傳熱邊界層（1）傳熱邊界層（2）傳熱邊界層的厚度T 邊界層以外的區域認為不存在溫度梯度。傳熱過程的阻力主要集中在傳熱邊界層內，傳熱阻力取決于傳熱邊界層的厚度。T第三節 對流傳熱 WT0TWT0T2TTAQdd1TdA(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dAQ第三節 對流傳熱 二、對流傳熱速率(4.3.1)(一)牛頓冷卻定律 TAQddWTTTTTTW與傳熱方向垂直的微元傳熱面積，m2局部對流傳熱系數，或稱為膜系數，W/（m2K）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流體被冷卻時在流體被加熱時與流體相接觸的傳熱壁面的溫度，

15、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 對流傳熱 TAQATQ1A1為對流傳熱熱阻。局部對流傳熱系數 在傳熱過程中，溫度沿程變化，因此對流系數為局部的參數。在實際工程中，常采用平均值進行計算，因此牛頓冷卻定律可寫成W/（m2K）對流傳熱速率也可以用對流傳熱熱阻表示，即AbR導熱熱阻第三節 對流傳熱 (一)牛頓冷卻定律 (4.3.2a)(4.3.2b) 式中，y不是實際的流體層厚度，而是某個虛擬的流體層厚度，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現y 在厚度y內集中了全部的傳熱熱阻，這樣把一個對流傳熱過程的熱阻相當于某個厚為y的靜止流體膜

16、所造成的導熱熱阻。有效膜厚度第三節 對流傳熱 ddTQAy TAQddy(4.3.1)(4.2.2)（二）對流傳熱系數 不是物性參數，與很多因素有關，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 對流傳熱 換熱方式空氣自然對流525氣體強制對流20100水自然對流2001000水強制對流100015000水蒸氣冷凝500015000有機蒸氣冷凝5002000水沸騰250025000（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、是否處于管道進口段以及是彎管還是直管等。流體的密度或比熱容pc 越大，流體與壁面間的傳熱速率越大導熱系數越大

17、，熱量傳遞越迅速；流體的粘度越大，越不利于流動，會削弱與壁面的傳熱。 第三節 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、強制對流）流動狀態（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、錯流）第三節 對流傳熱 三、影響對流傳熱的因素管內強制對流傳熱1流體在圓形直管內呈強烈的湍流狀態流動0.8Nu0.023RePrf努塞爾特數 LNucp=Pr普蘭德數 0.80.023fpiicd ud流體被冷卻時,f0.3流體被加熱時,f0.4對于低粘度（小于2倍常溫水的粘度）的流體 第三節 對流傳熱 四、對流傳熱系數的經驗式(4.3.6a)(4.3.6b)2流

18、體在圓形直管內呈層流狀態流動第三節 對流傳熱 14. 0313131PrRe86. 1NuWiLd(4.3.10)對于2300 104時的過渡區，其傳熱情況非常復雜，對流傳熱系數可先用湍流時的經驗式計算，再乘以小于1的修正系數Re8 . 15Re10613.流體在圓形直管內呈過渡流狀態流動(4.3.12)小管徑且流體和壁面的溫差不大時， ，自然對流的影響可以忽略 250000.9；當其0.8時，經濟上不合理，應另選其它形式，如增加殼程數，或將多臺換熱器串聯使用，以使傳熱過程接近逆流。第三節 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

19、蒸汽的壓強可以提高蒸汽的溫度 改變兩側流體相互流向 增加管殼式換熱器的殼程數 （3）提高傳熱系數提高流體的速度增強流體的擾動在流體中加固體顆粒在氣流中噴入液滴采用短管換熱器防止結垢和及時清除污垢設法減少對傳熱系數影響最大的熱阻三、強化換熱器傳熱過程的途徑mTKAQ第四節 換熱器及間壁傳熱過程計算 思考題問：有一個套管換熱器，內管外側裝有翅片，用水冷卻空氣，空氣和水各應走哪里（管內和殼間）？試解釋原因。 第四節 換熱器及間壁傳熱過程計算 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。要提高傳熱器的傳熱效果，應當提高限制步驟的傳熱效果。因此，在用水冷卻空

20、氣的換熱過程中，空氣對流傳熱慢，是制約因素。所以，翅片應放在空氣一側，即空氣走殼間，水走管內。第四節 換熱器及間壁傳熱過程計算 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、對流和輻射聯合傳熱（略）本節的主要內容第五節 輻射傳熱(一)熱輻射熱輻射：由于熱的原因而發出輻射能的過程 絕對溫度在零度以上的任何物體，總是不斷地把熱能變為輻射能，向外發出輻射；同時也不斷地吸收周圍物體投射到它上面的熱輻射，并轉變為熱能。輻射傳熱熱平衡時，熱輻射存在，但輻射傳熱量為0第五節 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，高溫時，熱輻射起決定作用。 有實際意義

21、的熱輻射波長在0.420m，而且大部分能量位于紅外線區段，即0.820m。電磁波譜第五節 輻射傳熱(二)熱輻射對物體的作用 QQQQDRA1QQQQQQDRAAQQARQQRDQQD1DRA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 輻射傳熱(4.4.1a)(4.4.1b)(4.4.1c)若A1，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0.960.98，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，若入射角等

22、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D1，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，作為實際物體與之比較的標準，可以使輻射傳熱計算大大簡化。境面反射漫反射表面粗糙度第五節 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、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）物體的性質物態，物質結構一般固體和液體都是不透熱體，即D 0，A+R=1輻射能進入其表面后，在極短的距離內被吸收完金屬導體：1m的數量級，非導電體材料：1mm第五節 輻射傳熱氣體吸收能力大的氣體，其穿透能力就

23、差氣體對輻射能幾乎沒有反射能力，可以認為R=0，A+D=1第五節 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重要氣體發射和吸收輻射能發生在整體氣體體積內部，即吸收和輻射與熱射線所經歷的路程有關灰體: 能以相同的吸收率吸收所有波長范圍的輻射能大多數工程材料可視為灰體實際物體對投入輻射的吸收率不僅和物體本身的情況有關，而且還與輻射物體投入的輻射波長有關 （3）投射輻射的波長 氣體不能近似地作為灰體處理第五節 輻射傳熱輻射能力:物體在一定溫度下，單位表面積、單位時間內所發出的全部

24、波長的總能量E表征物體發射輻射能的能力發射能量與波長有關第五節 輻射傳熱二、物體的輻射能力0dEEW/m2物體的單色輻射能力 :物體在一定溫度下發射某種波長的能力,單位為 W/m3E輻射能力:第五節 輻射傳熱(4.4.2)(一)黑體的輻射能力0dbbEE黑體的輻射能力黑體的單色輻射能力（1），（2），（3）第五節 輻射傳熱黑體單色輻射能力按波長的分布規律(4.4.3)最大值最大值短波強短波強輻射輻射隨溫度隨溫度變化變化40TEb40100TCEb黑體的輻射系數，其值為5.67 W/ (m2K4)黑體的輻射常數，其值為5.67108 W/ (m2K4) 熱輻射對溫度非常敏感，低溫時熱輻射往往可以

25、忽略，高溫時則起主要作用。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3109 . 2常數Tm第五節 輻射傳熱(4.4.7)4100TCEbEE0140100TCE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由于黑體具有最大的輻射能力，因此定義：物體的黑度灰體的輻射能力同溫度下黑體的輻射能力第五節 輻射傳熱(4.4.10)(4.4.8)(4.4.9) 物體的性質、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，一般可通過實驗確定。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

26、（氧化的）銅（磨光的）鑄鐵（氧化的）鑄鐵（磨光的）2020060094011002006002255752006002006003309100.88-0.930.8-0.90.80.55-0.610.11-0.190.039-0.0570.57-0.870.030.64-0.780.6-0.7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 輻射傳熱【例題例題】若將地球看成是平均溫度為若將地球看成是平均溫度為1515、表面積為、表面積為5.15.110101414m m2 2的的黑體，求單位時間

27、地球熱輻射的能量和黑體，求單位時間地球熱輻射的能量和最大單色輻射能力時的波最大單色輻射能力時的波長長 ，并將此波長與太陽輻射的波長相比（表面溫度，并將此波長與太陽輻射的波長相比（表面溫度5800K5800K）。）。m4041417100273 155.675.1 102.0 10100bTE ACAW地球地球最大單色輻射能力時的波長最大單色輻射能力時的波長mmTm10100 . 115273109 . 2109 . 2533mmTm5 . 0100 . 55800109 . 2109 . 2733解：單位時間地球熱輻射的能量為：解：單位時間地球熱輻射的能量為：太陽太陽最大單色輻射能力時的波長最

28、大單色輻射能力時的波長波長的變化波長的變化CO2等溫等溫室氣體室氣體溫室效應溫室效應第五節 輻射傳熱(三)物體的輻射能力與吸收能力的關系灰體黑體bEAEq110q熱平衡時對任意灰體，有)(12211TfEAEAEAEb透熱體1T1E1A2TbEbA(1) 對壁面1 ，熱量的收支差額為 兩壁面間輻射傳熱的熱通量，W/m2 21TT bEAE11第五節 輻射傳熱(4.4.12)灰體黑體bEEA bEEA克希霍夫定律灰體的吸收率數值等于同溫度下該物體的黑度)(12211TfEAEAEAEb善于吸收的物體必善于輻射；黑體的輻射能力最大。透熱體1T1E1A2TbEbA(1) 第五節 輻射傳熱(4.4.8

29、)(4.4.13)兩個無限大灰體平行平壁間的輻射傳熱過程 12TT壁1壁2輻射能多次被吸收和多次被反射 單位時間內離開壁1表面單位面積的總輻射能： 22232111211211212212222221121212121222112121211212()()(1)(1)()(1)1()1effEER R ER R ER ER R ER R EER RR RR ER RR RER ER RR RER ER R2221121()1effEER ER R單位時間內離開壁2表面單位面積的總輻射能： 發出輻射能的過程第五節 輻射傳熱三、物體間的輻射傳熱(4.4.15)42412121100100TTACQ

30、11121021CC物體1對物體2的總輻射系數，取決于壁面的性質和兩個壁面的幾何因素。 1 212112221121211effeffqEEER EER ER RR RRA1A424121021100100111TTCq單位時間內兩壁面單位面積的輻射傳熱量為40100TCE，平壁壁面面積為A，則輻射傳熱速率為 12TT第五節 輻射傳熱(4.4.17)(4.4.19)無限平行平板間放射熱授受無限平行平板間放射熱授受物質生産専攻李笛2003年7月14日黒體場合4TW灰色體場合4TW ： 絶対溫度： ： 放射率-T428/101714.0RfthrBtu/106697.5428kmw 4122211

31、11T411T4121T41211T412211T4121111T41221111T41212111T412212111Tetc 4122212111T 4122212141212141212111111TTTAAWQ表面溫度 面積 放射率吸収率1T11表面溫度 面積 放射率吸収率2T22 422221211T422T4221T42121T421221T4221211T 42221211T42212111T 422212211Tetc 4222212111T 4222212142212142211221111TTTAAWQ表面溫度面積 放射率吸収率1T11表面溫度面積 放射率吸収率2T22 4122212141212141211111TTTA12212112AWAWQQQ 4222212142212142211111TTTA 22212121212142411111TTA02142412111iiTTA424121121/1/1TTAQ21021111111ii： 兩個表面之間的輻射傳熱量與兩個表面的相對位置有很大的關系兩個表面間的相對位置不同時，一個表面發出而落到另一個表面上的輻射能的百分數隨