1、第四章 熱量傳遞 河南城建學院河南城建學院環境工程原理環境工程原理教學課件教學課件在環境工程中，很多過程涉及加熱和冷卻：對水或污泥進行加熱；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。第四章 熱量傳遞環境工程中涉及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 輻射傳熱第五節 換熱器 本章主要內容第四章 熱量傳遞主要內容主要內容1 1熱量傳遞的方式熱量傳遞的方式： 熱傳導熱

2、傳導 對流傳熱對流傳熱 輻射傳熱輻射傳熱2 2熱傳導熱傳導（1 1）傅立葉定律）傅立葉定律傅立葉定律、導熱系數傅立葉定律、導熱系數 導溫系數導溫系數（2 2）通過壁面的穩定熱傳導）通過壁面的穩定熱傳導通過平壁和圓管壁的熱傳導速率方程、串聯熱阻疊加原則、接觸熱阻通過平壁和圓管壁的熱傳導速率方程、串聯熱阻疊加原則、接觸熱阻 3 3對流傳熱對流傳熱（1 1）對流傳熱機理）對流傳熱機理 傳熱邊界層、邊界層厚度、影響對流傳熱的因素傳熱邊界層、邊界層厚度、影響對流傳熱的因素 （2 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、* *對流傳熱系數（管內強制對流、大空間自然對流、蒸氣冷凝）對流傳

3、熱系數（管內強制對流、大空間自然對流、蒸氣冷凝）（3 3）保溫層的臨界直徑）保溫層的臨界直徑 （4 4）間壁傳熱過程）間壁傳熱過程 總傳熱速率方程、總傳熱系數、對流傳熱控制總傳熱速率方程、總傳熱系數、對流傳熱控制 、平均溫差計算、平均溫差計算、* *傳熱單元數法傳熱單元數法 4 4輻射傳熱輻射傳熱（1 1）輻射傳熱的基本概念）輻射傳熱的基本概念 熱輻射、輻射傳熱、物體的輻射能力、單色輻能力、最大單色輻射能熱輻射、輻射傳熱、物體的輻射能力、單色輻能力、最大單色輻射能力的波長與溫度的關系力的波長與溫度的關系（2 2）黑體和灰體的輻射能力）黑體和灰體的輻射能力 斯蒂芬波爾茨曼定律、黑度、克希霍夫定律

4、、物體間的輻射傳熱斯蒂芬波爾茨曼定律、黑度、克希霍夫定律、物體間的輻射傳熱速率速率 （3 3）氣體熱輻射的特點）氣體熱輻射的特點5 5換熱器換熱器 （1 1）換熱器的分類與結構形式）換熱器的分類與結構形式 （2 2）間壁式換熱器的類型與結構）間壁式換熱器的類型與結構 （3 3）強化傳熱的途徑）強化傳熱的途徑第一節 熱量傳遞的方式一、熱傳導二、對流傳熱三、輻射傳熱 本節的主要內容要點：與實際相結合 環境工程中常見的熱量傳遞過程 熱量傳遞的三種方式一、熱傳導第一節 熱量傳遞的方式熱傳導通過物質的通過物質的分子、原子和電子分子、原子和電子的振動、位移和相的振動、位移和相互碰撞發生的熱量傳遞過程。互碰

5、撞發生的熱量傳遞過程。 物體各部分之間物體各部分之間無宏觀運動無宏觀運動 在在氣態、液態和固態氣態、液態和固態物質中都可以發生，但熱量傳遞機理不同。物質中都可以發生，但熱量傳遞機理不同。氣體：氣體：氣體分子作不規則熱運動時相互碰撞的結果。氣體分子作不規則熱運動時相互碰撞的結果。固體固體：晶格振動和自由電子的遷移。在非導電的固體中，主要通過分子、：晶格振動和自由電子的遷移。在非導電的固體中，主要通過分子、原子在原子在晶體結構平衡位置附近晶體結構平衡位置附近的振動傳遞能量；對于良好的導電體，類似的振動傳遞能量；對于良好的導電體，類似氣體分子的運動，氣體分子的運動，自由電子自由電子在在晶格之間運動晶

6、格之間運動，將熱量由高溫區傳向低溫區，將熱量由高溫區傳向低溫區，由于自由電子數目多，傳遞的熱量多余晶格振動所傳遞的熱量。由于自由電子數目多，傳遞的熱量多余晶格振動所傳遞的熱量。液體：液體：其結構介于氣體和固體之間，分子可作幅度不大的位移，熱量的傳其結構介于氣體和固體之間，分子可作幅度不大的位移，熱量的傳遞既依靠遞既依靠分子的振動分子的振動，又靠，又靠分子間的相互碰撞分子間的相互碰撞。二、對流傳熱二、對流傳熱 根據根據引體流體質點位移引體流體質點位移（流體流動）的原因，可分為（流體流動）的原因，可分為: : 自然對流傳熱自然對流傳熱：由于流體：由于流體內部溫度的不均勻分布內部溫度的不均勻分布形成

7、密度形成密度差，在浮力的作用下流體發生對流而產生的傳熱過程。差，在浮力的作用下流體發生對流而產生的傳熱過程。 強制對流傳熱強制對流傳熱：由于水泵、風機或其他外力引起流體流動：由于水泵、風機或其他外力引起流體流動而產生的傳熱過程。而產生的傳熱過程。 根據流體與壁面傳熱過程中根據流體與壁面傳熱過程中流體狀態是否發生變化流體狀態是否發生變化，可將，可將對流傳熱分為對流傳熱分為無相變的對流傳熱無相變的對流傳熱和和有相變的對流傳熱有相變的對流傳熱。對流傳熱流體中流體中質點發生相對位移質點發生相對位移而引起的熱量傳遞過程，而引起的熱量傳遞過程，通常認為是通常認為是流體與固體壁面之間的熱傳遞過程流體與固體壁

8、面之間的熱傳遞過程。僅發生在僅發生在液體和氣體液體和氣體中。中。第一節 熱量傳遞的方式三、輻射傳熱三、輻射傳熱 物體將熱能變為輻射能，以物體將熱能變為輻射能，以電磁波的形式電磁波的形式在空中傳播，當在空中傳播，當遇到另一個物體時，又被物體全部或部分吸收而變成熱能。遇到另一個物體時，又被物體全部或部分吸收而變成熱能。因此，輻射傳熱不僅是因此，輻射傳熱不僅是能量的傳遞能量的傳遞，同時還伴隨有，同時還伴隨有能量形能量形式的變化式的變化。 注：輻射傳熱注：輻射傳熱不需任何介質作媒介不需任何介質作媒介，它可以在，它可以在真空中真空中傳播。傳播。第一節 熱量傳遞的方式輻射傳熱物體由于熱的原因而發出輻射能的

9、過程。一、傅立葉定律二、導熱系數三、通過平壁的穩定熱傳導四、通過圓管壁的穩定熱傳導本節的主要內容第二節 熱傳導在在氣態、液態氣態、液態和和固態固態物質中物質中都可以發生，但傳遞的方式和機理是不同的。都可以發生，但傳遞的方式和機理是不同的。氣體氣體熱量傳遞是熱量傳遞是氣體分子作不規則熱運動氣體分子作不規則熱運動時相互碰撞的結果；時相互碰撞的結果； 固體固體以兩種方式傳遞熱量：以兩種方式傳遞熱量：晶格振動和自由電子的遷移晶格振動和自由電子的遷移；液體液體的結構的結構介于氣體和固體之間介于氣體和固體之間，分子可作幅度不大的位移，熱量的傳遞既，分子可作幅度不大的位移，熱量的傳遞既由于分子的振動，又依靠

10、分子間的相互碰撞。由于分子的振動，又依靠分子間的相互碰撞。機理：機理：通過物質的分子、原子和電子的振動、位移和相互碰撞通過物質的分子、原子和電子的振動、位移和相互碰撞發生的熱量傳遞過程。發生的熱量傳遞過程。 條件：物體各部分之間無宏觀運動。導熱基本上可看作分子傳遞現象，熱量傳遞規律可用傅里葉定律描述。 第二節 熱傳導T=T0QT=T1熱流流量t=0T=T0T=T0需要一個恒定的熱量流量Q通過，才能維持溫度差01TTT不變第二節 熱傳導一、傅立葉定律YTAQyTAQqddQ Q：y y方向上的方向上的熱量流量熱量流量，也稱為傳熱速率，也稱為傳熱速率，W W導熱系數導熱系數，W/(mW/(mK K

11、) )y y方向上方向上熱量通量熱量通量，即單位時間內通過單位面積傳遞的，即單位時間內通過單位面積傳遞的熱量，又稱為熱流密度，熱量，又稱為熱流密度，W/mW/m2 2垂直于熱流方向的垂直于熱流方向的面積，面積，m m2 2y y方向上的溫度梯方向上的溫度梯度度, , K/m K/m傅立葉定律第二節 熱傳導一、傅立葉定律(4.2.1)(4.2.2)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熱量濃度熱量濃度, ,單位體積流體所單位體積流體所具

12、有的熱量，具有的熱量，J/mJ/m3 3熱量傳遞的推動力令第二節 熱傳導一、傅立葉定律(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時所需要的熱量,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，對于同一種物質， 值可能隨不同的方向變化各向異性第二節 熱傳導二、導熱系數(4.2.5)（1）

13、氣體的導熱系數隨溫度升高而增高，近似與絕對溫度的平方根成正比，在真空下接近零。 一般情況下，壓力對其影響不大，但在高壓（高于200MPa）或低壓（低于2.7kPa）下，氣體的導熱系數隨壓力的升高而增大。 氣體中H2的導熱系數最高。氣體的導熱系數第二節 熱傳導二、導熱系數（一） 的影響因素：氣體的導熱系數很小，不利于導熱，但利于絕熱、保溫氣體的導熱系數很小，不利于導熱，但利于絕熱、保溫液體的導熱系數 水甘油第二節 熱傳導二、導熱系數（2）液體的導熱系數隨溫度升高而減小（水、甘油例外） bTa壓力對其影響不大。 經驗公式：16TW(m k)-1W(m k)-1 （3）固體的導熱系數影響因素較多 金

14、屬中自由電子的運動速度快，金屬中自由電子的運動速度快，金屬的導熱系數比一般非金屬大的多金屬的導熱系數比一般非金屬大的多。純金屬純金屬的導熱系數隨溫度升高而減小；的導熱系數隨溫度升高而減小；合金合金卻相反，隨溫度上升而增大。卻相反，隨溫度上升而增大。晶體晶體的導熱系數隨溫度的升高而減小，的導熱系數隨溫度的升高而減小，非晶體非晶體則相反。非晶體的導熱系則相反。非晶體的導熱系數均低于晶體。數均低于晶體。非金屬中，非金屬中，石墨石墨的導熱系數最高，高于一般金屬，是制作耐腐蝕換熱器的導熱系數最高，高于一般金屬，是制作耐腐蝕換熱器的理想材料。的理想材料。干燥的多孔性固體導熱性很差，通常作隔熱材料。干燥的多

15、孔性固體導熱性很差，通常作隔熱材料。第二節 熱傳導二、導熱系數固體的導熱系數 對于環境工程中經常遇到的氣體和水，導熱系數隨溫度對于環境工程中經常遇到的氣體和水，導熱系數隨溫度升高而增高，壓力對其影響不大升高而增高，壓力對其影響不大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)0.0070.17 W/(mK) 氫水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換熱壁面材料多孔材料作為保溫材料多孔材料作為保溫材料保溫材料受潮后隔熱性能將保溫材料受潮后隔熱性能將大幅度下降大幅度下降防潮防潮（二）工程中常用

16、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 K)(m 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（mKmK），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能水比空氣的導熱系數大得多，隔熱材料受潮

17、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。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一維穩態熱傳導 xAQddT10:xTT2:xb TT)(21TTAbQb1T2T第二節 熱傳導三、通過平壁的穩態熱傳導(4.2.6)(4.2.

18、7)，T T1 1和和T T2 2不隨時間變化，該平壁的熱傳導為一維不隨時間變化，該平壁的熱傳導為一維穩態熱傳導，熱傳導速率為常數穩態熱傳導，熱傳導速率為常數若材料的若材料的導熱系數不隨溫度導熱系數不隨溫度（或取平均導熱系數），（或取平均導熱系數），邊界條件為邊界條件為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，熱傳導速率越小。傳熱速率=傳熱的推動力導熱熱阻第二節 熱傳導【例題【例題4.2.14.2.1】某平壁厚度】某平壁厚度b b為為400mm

19、400mm，內表面溫度，內表面溫度T T1 1950950，外表面溫度，外表面溫度T T2 2 300300，導熱系數，導熱系數=1.0+0.001T W/(m=1.0+0.001T W/(mK)K)， T T 的單位為的單位為。若將導熱系數。若將導熱系數分別按常量（取平均導熱系數）和變量計算，試求導熱熱通量和平壁內的溫分別按常量（取平均導熱系數）和變量計算，試求導熱熱通量和平壁內的溫度分布。度分布。取為常數取為常數12m95030062522TTTm1.00.001 6251.62512m9503001.62526410.4TTqbW/m2W/(mK)？T ？q解：（解：（1 1）導熱系數按

20、平壁的平均溫度）導熱系數按平壁的平均溫度第二節 熱傳導(一)單層平壁的穩態熱傳導（2 2）導熱系數取為變量）導熱系數取為變量xTTxTqdd)001. 00 . 1 (dd分離變量并積分分離變量并積分bTTxqTT0dd)001.00.1(21對于平壁上的穩態一維熱傳導，熱量通量不變。因此對于平壁上的穩態一維熱傳導，熱量通量不變。因此2212120 .0 0 1()()2TTTTq b1m264195095016251.625qTTxxx即溫度分布為直線關系。即溫度分布為直線關系。以以x x表示沿壁厚方向上的距離，在表示沿壁厚方向上的距離，在x x處處等溫面上的溫度為等溫面上的溫度為第二節 熱

21、傳導xTTqm122110.001()()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(950300)(950300 )0.422641W/mqTTTTb第二節 熱傳導（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 1b1232b3bQ121111()TTTQAbR傳熱的推動力導熱熱阻232222()TTTAbR34

22、3333()TTTAbR第二節 熱傳導(4.2.10)附加熱阻附加熱阻接觸熱阻，若以接觸熱阻，若以r r0 0表示單位面積表示單位面積傳熱面的接觸熱阻，則通過兩層平壁的熱量傳熱面的接觸熱阻，則通過兩層平壁的熱量通量為：通量為： 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的壓緊力和空隙中的氣壓等有關 接觸熱阻接觸熱阻（三）n層平壁的熱傳導111111nnnniiiiiTTTTbRAQ 第二節 熱傳導(4.2.11)AbAbAbTTQ3322114111qrT 22qrT 33qrT

23、33221141bbbTTq211930 117813TTT322813555258TTT2T3Tq第二節 熱傳導【例題【例題4.2.2】采用圓柱坐標時，即為一維穩態熱傳導采用圓柱坐標時，即為一維穩態熱傳導對于半徑為對于半徑為r r的等溫圓柱面，根據傅立葉定律，有的等溫圓柱面，根據傅立葉定律，有dd(2)ddTTQArLrr 穩態導熱時，徑向的穩態導熱時，徑向的Q Q為常數，將上式分離變為常數，將上式分離變量并積分量并積分2211d2drTrTrQLTr 傳熱面積隨半徑發生變化傳熱面積隨半徑發生變化內徑r1外徑r21T2Trd1212212lnTTTTQLrRr半徑r第二節 熱傳導四、通過圓管

24、壁的穩定熱傳導(4.2.13)12mTTQbA21ln2rrRLmbRA21brr21m21lnAAAAA當21(/ )2rr 時，可以用算術平均值代替對數平均值，簡化計算時，可以用算術平均值代替對數平均值，簡化計算 21m21lnrrrrrmm2Ar L1212212lnTTTTQLrRr21ln2rrRL圓管壁的導熱熱阻，圓管壁的導熱熱阻，K/W K/W AbR平壁的導熱熱阻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 熱傳導對于n層材料組成的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)12

25、212lnTTQLrr12212lnTTQrLr設保溫層內半徑為r處的溫度為T112lnTTQrLr第二節 熱傳導【例題【例題4.2.34.2.3】外徑為】外徑為426mm426mm的蒸汽管道外包裝厚度為的蒸汽管道外包裝厚度為426mm426mm的保溫材料，保溫材的保溫材料，保溫材料的導熱系數為料的導熱系數為0.615W/(m0.615W/(mK)K)。若蒸汽管道外表面溫度為。若蒸汽管道外表面溫度為177177，保溫層的外表，保溫層的外表面溫度為面溫度為3838，試求每米管長的熱損失和保溫層中的溫度分布。，試求每米管長的熱損失和保溫層中的溫度分布。 保溫層內的溫度分布為曲線 第二節 熱傳導(1

26、)(1)簡述傅立葉定律的意義和適用條件。簡述傅立葉定律的意義和適用條件。(2)(2)分析導溫系數和導熱系數的涵義及影響因素。分析導溫系數和導熱系數的涵義及影響因素。(3)(3)為什么多孔材料具有保溫性能？保溫材料為什么需要防潮？為什么多孔材料具有保溫性能？保溫材料為什么需要防潮？(4)(4)當平壁面的導熱系數隨溫度變化時，若分別按變量和平均當平壁面的導熱系數隨溫度變化時，若分別按變量和平均導熱系數計算，導熱熱通量和平壁內的溫度分布有何差異。導熱系數計算，導熱熱通量和平壁內的溫度分布有何差異。(5)(5)若采用兩種導熱系數不同的材料為管道保溫，試分析應如若采用兩種導熱系數不同的材料為管道保溫，試

27、分析應如何布置效果最好。何布置效果最好。本節思考題第三節 對流傳熱 一、影響對流傳熱的因素二、對流傳熱的機理三、對流傳熱速率四、對流傳熱系數的經驗式五、保溫層的臨界直徑六、間壁傳熱過程計算本節的主要內容對流傳熱：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對流與熱傳導的區別： 流體質點的相對位移 （1）流動對傳熱的貢獻 攪拌杯中熱水人站在冷風里在高溫的夏季里，打開電扇流體流動使對流傳熱速率加快加快熱水冷卻與站在背風的地方相比感覺要冷得多人會感到涼快電扇風速越大，感覺愈涼快些第三節 對流傳熱 對流換熱指流體流過與其溫度不同的固體壁面時流體與壁面之間的熱量交換對流換熱過程是熱傳

28、導與對流聯合作用的結果。 （2）對流換熱過程第三節 對流傳熱 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 列管式換熱器（3）間壁式換熱器熱量傳遞過程：（1）熱量由熱流體傳給固體壁面（2）熱量由壁面的熱側傳到冷側（3）熱量由壁面的冷側傳到冷流體對流傳熱對流傳熱導熱對流對流導熱第三節 對流傳熱 強制對流傳熱流體在外加能量的作用下處于流動狀態自然對流傳熱流體由于內部溫度差產生密度差而流動流體在傳熱過程中有無相變熱水冷卻 蒸汽冷凝 套管式換熱器 （4）對流傳熱問題的分類暖氣片第三節 對流傳熱 （1）流體的物性特征（2）固體壁面的幾何特征

29、（3）流體的流動特征固體壁面的形狀、尺寸、方位、粗糙度、是否處于管道進口段以及是彎管還是直管等。pca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，熱量傳遞越迅速；流體的黏度m越大，越不利于流動，會削弱與壁面的傳熱。 第三節 對流傳熱 一、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 WT0TWT0T熱量傳遞固體壁面附近形成溫度分布？傳熱的機理第三節 對流傳熱 二、對流傳熱的機理熱壁面熱壁面(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

30、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 二、對流傳熱的機理在靜止的流體中在層流流動的流體中機理相同大小變化質點發生相對位移 實際上，流體流動使傳熱增強。 流體的流動增大了壁面處的溫度梯度，使壁面處的熱通量較靜止時大 (一)流動邊界層的傳熱機理及溫度分布第三節 對流傳熱 （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

31、定(一)流動邊界層的傳熱機理及溫度分布第三節 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。(一)流動邊界層的傳熱機理及溫度分布第三節 對流傳熱 湍流傳熱時，流體從主流到壁面的傳熱過程也為穩定的串聯傳熱過程，熱阻集中在層流底層上。湍流傳熱速率遠大于層流。層流底層緩沖層湍流中心湍流區減少層流底層厚度是強化傳熱的重要途徑 湍流流動中存在流體質點的隨機脈動，促使流

32、體在y方向上摻混，傳熱過程被強化 熱阻分布情況？湍流傳熱速率的大小？(一)流動邊界層的傳熱機理及溫度分布第三節 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 取決于普蘭德數PrmanprcP表明分子動量傳遞能力和分子熱量傳遞能力的比值。T(T-TW)0.

33、99(T0-TW)mnpcaPr1時，TT溫度變化主要在層流底層中，熱阻主要集中在層流底層中(二)傳熱邊界層第三節 對流傳熱 流動邊界層厚度與傳熱邊界層厚度間的關系Pr動力黏度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，或稱膜系數，W/(m2.k)dAQ第三節 對流傳熱 三、對流傳熱速率(4.3.1)(一)牛頓冷卻定律 TAQddWTTTWTTT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

34、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 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)（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、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，通壁面情況、流動

35、原因、流動狀況、流體是否有相變等，通常由實驗確定常由實驗確定第三節 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 流體與固體壁面之間的熱量傳遞必然通過緊貼壁面速度為零的流流體與固體壁面之間的熱量傳遞必然通過緊貼壁面速度為零的流體層，其傳熱為導熱，因此傳熱規律遵循傅立葉定律。體層，其傳熱為導熱，因此傳熱規律遵循傅立葉定律。用用 表示近壁處的溫度梯度，則表示近壁處的溫度梯度，則0yyT0ddyyTAQ牛頓冷卻定律牛頓冷卻定律0yyTT很難得出！ （一）對流

36、傳熱微分方程（了解）TAQdd對流傳熱微分方程式對流傳熱微分方程式理論上計算對流傳熱系數的基礎y第三節 對流傳熱 四、對流傳熱系數的經驗式0yyTT層流邊界層或層流底層的厚度減小通過改善流動狀況使層流底層厚度減小，是工程上強化對流傳熱的主要途徑之一（1 1）量綱分析并結合實驗，建立相應的經驗關聯式）量綱分析并結合實驗，建立相應的經驗關聯式 （2 2）利用動量傳遞與熱量傳遞的類似性，建立對流傳熱系數與）利用動量傳遞與熱量傳遞的類似性，建立對流傳熱系數與范寧摩擦因子之間的定量關系，通過較易求得的范寧摩擦因子范寧摩擦因子之間的定量關系，通過較易求得的范寧摩擦因子f f來求取來求取 求解對流傳熱系數的

37、途徑 第三節 對流傳熱 (4.3.3) 研究表明，對于一定類型的傳熱面，流體的傳熱系數研究表明，對于一定類型的傳熱面，流體的傳熱系數與下列因素有關與下列因素有關:流流速，熱換面尺寸速，熱換面尺寸L，流體的粘度，流體的粘度、導熱系數、導熱系數、密度、密度、比熱容、比熱容cp以及升浮以及升浮力力gT(為體積膨脹系數為體積膨脹系數)。),(TgcLufpm第三節 對流傳熱 四、對流傳熱系數的經驗式（二）無量綱準數方程式（了解）采用量綱分析法采用量綱分析法, ,可得到各物理量之間的關系可得到各物理量之間的關系, ,即即hfpaTgLcLukL223mmmhfaGrkNuPrRe:努塞爾特數努塞爾特數,

38、 ,無量綱準數無量綱準數, ,表示對流傳熱系數的特征數表示對流傳熱系數的特征數; ;: :普蘭德數普蘭德數, ,由流體物性參數組成的無量綱數由流體物性參數組成的無量綱數; ;: :格拉曉夫數格拉曉夫數, ,無量綱準數無量綱準數, ,表示自然對流影響的特征數表示自然對流影響的特征數; ;NuPrGr 傳熱面的類型要相同，同時無量綱準數傳熱面的類型要相同，同時無量綱準數ReRe、PrPr和和GrGr應在實驗數應在實驗數值范圍內，原則上不能外推。因此，準數關聯式通常給出值范圍內，原則上不能外推。因此，準數關聯式通常給出ReRe、PrPr或或GrGr的數值范圍的數值范圍。 無量綱準數與無量綱準數與定性

39、溫度、特征尺寸和特征速度定性溫度、特征尺寸和特征速度相對應，使用相對應，使用準數方程時必須嚴格按照該方程的規定選取定性溫度、特征尺寸準數方程時必須嚴格按照該方程的規定選取定性溫度、特征尺寸和特征速度。和特征速度。第三節 對流傳熱 要求(三)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0.8f0.023NuRePr努塞爾特數 LNupcPrm普蘭德數 0.8ii0.023fpcd udmm流體被冷卻時,f0.3流體被加熱時,f0.4對于低黏度（小于對于低黏度（小于2 2倍常溫水的黏度）的流體倍常溫水的黏度）的流體, ,通常采用下式計通常采用下式計算對流傳熱系數算對流傳熱系數: :第三節

40、 對流傳熱 (4.3.6a)(4.3.6b)定性溫度：流體進出口溫度的算術平均值。特征尺寸：管內徑id410Re 0.7120Pr管內壁面光滑；管長與管徑之比i/L d50。 應用條件：應用范圍： 傳熱面的類型要相同，同時無量綱準數傳熱面的類型要相同，同時無量綱準數ReRe、PrPr和和GrGr應在實驗數應在實驗數值范圍內，原則上不能外推。因此，準數關聯式通常給出值范圍內，原則上不能外推。因此，準數關聯式通常給出ReRe、PrPr或或GrGr的數值范圍的數值范圍。 無量綱準數與無量綱準數與定性溫度、特征尺寸和特征速度定性溫度、特征尺寸和特征速度相對應，使用相對應，使用準數方程時必須嚴格按照該方

41、程的規定選取定性溫度、特征尺寸準數方程時必須嚴格按照該方程的規定選取定性溫度、特征尺寸和特征速度。和特征速度。第三節 對流傳熱 4.3.6式的應用條件第三節 對流傳熱 對于高黏度的液體,采用以下修正公式14. 033. 08 . 0PrRe027. 0wNumm定性溫度下的液體黏度壁溫下的液體黏度定性溫度定性溫度：除黏度：除黏度w w的溫度為壁溫外的溫度為壁溫外, ,其余均為流體進出口溫度其余均為流體進出口溫度的算術平均值。的算術平均值。特征尺寸特征尺寸：管內徑：管內徑d di i管內壁面光滑；管長與管徑之比i/L d50。 應用條件：應用范圍應用范圍：0.7Pr16700;湍流情況下，對流傳

42、熱系數與流速的0.8次方成正比，與管徑的0.2次方成反比。0.8ii0.023fpcd udmm強化傳熱：提高流速或采用小直徑的管道，其中提高流速更為有效。第三節 對流傳熱 (4.3.6b)討論第三節 對流傳熱 對于 50的短管i/L d 由于進口段流體的速度和溫度在不斷變化，因此對流傳熱系數變化由于進口段流體的速度和溫度在不斷變化，因此對流傳熱系數變化較大。為了修正進口段的影響，乘以較大。為了修正進口段的影響，乘以大于大于1 1的短管修正系數的短管修正系數0 .7il1dL對式對式4.3.64.3.6和和4.3.74.3.7進行修正進行修正, ,得得fiLdNuPrRe1023.08 .07

43、 .014. 033. 08 . 07 . 0PrRe1027. 0wiLdNumm4.3.84.3.92流體在圓形直管內呈層流狀態流動 層流流動下進口段影響較大層流流動下進口段影響較大: :當當PrPr值接近于值接近于1 1、ReRe接近接近20002000時，進口段時，進口段的長度大約為管徑的的長度大約為管徑的100100倍；當倍；當PrPr值大于值大于1 1，則進口段的長度可能超過管徑，則進口段的長度可能超過管徑的幾千倍或上萬倍，使得整個管長均在進口段范圍內，因此計算傳熱系數的幾千倍或上萬倍，使得整個管長均在進口段范圍內，因此計算傳熱系數時應考慮進口段的影響。時應考慮進口段的影響。 往往

44、需要考慮附加的自然對流傳熱的影響往往需要考慮附加的自然對流傳熱的影響 ：在小管徑且流體和壁面的在小管徑且流體和壁面的溫差不大溫差不大的情況下，的情況下，GrGr2500025000，自然對流的影響可忽略自然對流的影響可忽略。此時，可采用下。此時，可采用下列關聯式：列關聯式：322Lg TGr m格拉曉夫數，表示自然對流影響的特征數為體積膨脹系數 層流與湍流流動傳熱的區別：層流與湍流流動傳熱的區別：第三節 對流傳熱 (三)管內強制對流傳熱除黏度除黏度 的溫度為壁溫外，其余均為流體進、出口的溫度為壁溫外，其余均為流體進、出口溫度的算術平均值。溫度的算術平均值。定性溫度：定性溫度：Wm特征尺寸：管內

45、徑特征尺寸：管內徑應用范圍：應用范圍：2300Re 0.66700Pri10dRe PrLid應用條件：小管徑且流體和壁面的溫差不大時，小管徑且流體和壁面的溫差不大時， 25 0002500025000時，時，層流的溫度差引起的自然對流傳熱的影響不能忽層流的溫度差引起的自然對流傳熱的影響不能忽略，此時在上式的基礎山乘以修正系數略，此時在上式的基礎山乘以修正系數)015. 01 ( 8 . 031Gr(4.3.11)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Re51.86 101Re 3.流體在圓形直管內呈過渡流狀態流動第三節

46、 對流傳熱 (4.3.12)流體在圓形直管內呈強烈的湍流狀態流動：0.8ii0.023fpcd udmm(4.3.6b)(三)管內強制對流傳熱R彎管的曲率半徑，m由于離心力的作用，擾動加劇，層流底層變薄，使傳熱系數增加(1 1.77/ )idR第三節 對流傳熱 (4.3.13)(三)管內強制對流傳熱4.流體在圓形彎管內流動的對流傳熱系數Rdi77. 11例例4.3.1 4.3.1 常壓下空氣在內徑為常壓下空氣在內徑為30mm30mm的管中流動，溫度由的管中流動，溫度由170170升升高到高到230 230 ，平均流速為，平均流速為15m/s15m/s。試求：。試求：（1 1）空氣與管壁之間的對

47、流傳熱系數。）空氣與管壁之間的對流傳熱系數。（2 2）若流速增大為）若流速增大為25m/s25m/s時，則結果如何？時，則結果如何？第三節 對流傳熱 解：定性溫度：（解：定性溫度：（170+230170+230）/2=200 /2=200 ，通過查表得常壓和，通過查表得常壓和200 200 下空氣的物性參數下空氣的物性參數計算計算ReRe，判斷流動狀態（湍流、層流還是過渡狀態），判斷流動狀態（湍流、層流還是過渡狀態）計算計算PrPr計算對流傳熱系數計算對流傳熱系數(四)大空間自然對流傳熱對流傳熱系數與 和 有關GrPrC、n與傳熱表面的形狀和位置以及 有關，見表4.3.2Gr Pr（） 固體壁

48、面與靜止流體之間，由于固體壁面與靜止流體之間，由于流體內部存在溫差流體內部存在溫差造成密度差，使流造成密度差，使流體在體在升浮力作用下流動升浮力作用下流動，即產生自然對流，稱自然對流傳熱。，即產生自然對流，稱自然對流傳熱。 大空間自然對流傳熱是指固體壁面周圍的自然對流不受空間限制或干大空間自然對流傳熱是指固體壁面周圍的自然對流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備、中溫或高溫反應器、熱擾的自然對流傳熱。換熱過程中常用的換熱設備、中溫或高溫反應器、熱水或蒸汽管道等的熱表面向周圍大氣的對流散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平均值

49、，特征尺寸見表4.3.2第三節 對流傳熱 nGrCNuPr)(四)大空間自然對流傳熱第三節 對流傳熱 表4.3.2 常見大空間自然對流時的C和n值設備和管道保溫的方法是在其外部包裝絕熱材料問題：保溫層的厚度？越厚越好？c1TfT1d2d1f1f21122ln(/)12ccTTTTQddRRLd L211ln(/)2ddRL221Rd L傳導熱阻對流傳熱熱阻當保溫層厚度增加（即 增大）時2d1R2R熱傳導對流傳熱Q?第三節 對流傳熱 五、保溫層的臨界直徑(4.3.19)12222212112 ()2d0dln(/)1cfL TTddQdddd由此得到熱損失 為最大值時的保溫層直徑：Q2c2dd2

50、dddQ為正值保溫層的臨界直徑保溫層的臨界厚度c12dd如果保溫層的外徑小于臨界直徑即2cdd即增加保溫層的厚度反而使熱損失增加。第三節 對流傳熱 【例【例4.3.44.3.4】外徑為】外徑為25mm25mm的鋼管，其的鋼管，其外壁溫度外壁溫度保持保持350350，為減少熱損失，為減少熱損失，在管外包一層在管外包一層導熱系數導熱系數為為0.2W/(m0.2W/(mK)K)的保溫材料。已知保溫層外壁對空氣的的保溫材料。已知保溫層外壁對空氣的對流傳熱系數對流傳熱系數近似為近似為10 W/(m10 W/(m2 2K)K)，空氣溫度空氣溫度為為2020。試求。試求（1 1）保溫層厚度分別為）保溫層厚度

51、分別為2mm2mm、5mm5mm和和7mm7mm時，每米管長的熱損失及保溫層外時，每米管長的熱損失及保溫層外表面的溫度；表面的溫度；（2 2）保溫層厚度為多少時熱損失量最大？此時每米管長的熱損失及保溫層）保溫層厚度為多少時熱損失量最大？此時每米管長的熱損失及保溫層外表面的溫度各為多少？外表面的溫度各為多少？（3 3）若要起到保溫作用，保溫層厚度至少為多少？設保溫層厚度對管外空）若要起到保溫作用，保溫層厚度至少為多少？設保溫層厚度對管外空氣對流傳熱系數的影響可忽略。氣對流傳熱系數的影響可忽略。第三節 對流傳熱 解：（1）c1f2122235020ln(/)ln(/0.025)11220.210T

52、TQdddLdd穩態傳熱時，各層傳熱速率相等，即穩態傳熱時，各層傳熱速率相等，即c1f212ln(/)12TTQddLd1f21QTTLd當保溫層厚度為當保溫層厚度為2mm2mm時，時，35020271.3ln(0.029/0.025)12 0.2 0.029 10QL1120271.3318 0.029 10T d20.029mW/mo1350 CcT o20 CfT1d2d1?T ?QL1f21TTd第三節 對流傳熱 同理，當保溫層厚度為同理，當保溫層厚度為5mm5mm時，時，d20.035m0 .280LQ2751T當保溫層厚度為當保溫層厚度為7mm7mm時，時，d20.039m6.28

53、1LQ2501T在保溫層為在保溫層為2 27mm7mm時，隨著厚度的增加，熱損失量增加。時，隨著厚度的增加，熱損失量增加。W/mW/m第三節 對流傳熱 （2）熱損失達到最大值時的保溫層直徑為臨界直徑，即 04. 0102 . 0222cddm 保溫層的臨界厚度為 （cd1d）/2（0.04-0.025）/2=0.0075m 此時，得 9 .281maxLQW/m 2441T 第三節 對流傳熱 （3 3）為了起到保溫作用，加保溫層后應使熱損失小于裸管時的熱損失。）為了起到保溫作用，加保溫層后應使熱損失小于裸管時的熱損失。因此保溫層的外徑應滿足因此保溫層的外徑應滿足第三節 對流傳熱 c1fc1f2

54、112ln()112TTTTQddLdd2121ln()112dddd22ln(/0.025)1120.2100.025 10dd解得解得d d2 2=0.07m=0.07m，則保溫層的厚度應大于，則保溫層的厚度應大于（0.07-0.0250.07-0.025）/2=0.0225m/2=0.0225m 可見，對于外徑為可見，對于外徑為25mm25mm的鋼管，保溫層厚度需大于的鋼管，保溫層厚度需大于22.5mm22.5mm，才能，才能起到保溫作用。起到保溫作用。一般情況下，一般情況下，熱損失隨保溫熱損失隨保溫層厚度增加而減小層厚度增加而減小。但對于。但對于小直徑小直徑的管道，則可能出現的管道，則

55、可能出現相反的情況，即相反的情況，即隨保溫層的隨保溫層的厚度增加，熱損失加大厚度增加，熱損失加大。 熱流體通過間壁將熱量傳給冷熱流體通過間壁將熱量傳給冷流體的過程分為三步流體的過程分為三步 ：對流傳熱導熱對流傳熱1A1 2A2 Am b外側內側熱流體冷流體QhTcT（1 1）熱流體將熱量傳給固體壁面）熱流體將熱量傳給固體壁面（2 2）熱量從壁的熱側面傳到冷側面）熱量從壁的熱側面傳到冷側面（3 3）熱量從壁面傳給冷流體）熱量從壁面傳給冷流體第三節 對流傳熱 六、間壁傳熱過程計算2Q熱側流體對壁面的傳熱速率為111hhW()QA TTQQQ21mhWcW()QA TTb通過間壁的傳熱速率為在穩態情

56、況下12冷側流體對壁面的傳熱速率為222cWc()QA TT外側內側熱流體冷流體1QhTcTQcWThWT（一）總傳熱速率方程第三節 對流傳熱 (4.3.20)(4.3.21)(4.3.22)A1 A2 Am bhc11m2211TTQbAAAhcTTT傳熱過程總推動力傳熱總熱阻11m2211bRAAA總熱阻等于各項熱阻之和（一）總傳熱速率方程第三節 對流傳熱 (4.3.23)TKAQ1A2AmA取定的面積傳熱基本方程總傳熱系數表示換熱設備性能的極為重要的參數 總傳熱速率方程，或傳熱基本方程第三節 對流傳熱 一般情況下，K值以外表面積作為基準111m22111bKAAAA111m2211bAA

57、KAA熱側為外側時12mAAA21111bK對于平壁或薄管壁(4.3.25)第三節 對流傳熱 （二）總傳熱系數污垢熱阻：實際運行中的換熱器，其傳熱表面常有污垢沉積，對傳熱產生附加熱阻。111S1S21m22211bAAArrKAAA外側表面上單位傳熱面積外側表面上單位傳熱面積的污垢熱阻的污垢熱阻 內側表面上單位傳熱面積內側表面上單位傳熱面積的污垢熱阻的污垢熱阻比間壁的熱阻大得多比間壁的熱阻大得多難以準確估計，采用經驗值，見附錄難以準確估計，采用經驗值，見附錄1111對于平壁或薄管壁，有S1S212111brrK第三節 對流傳熱 (4.3.26)21111K若12111K12211K間壁外側對流

58、傳熱控制間壁內側對流傳熱控制若污垢熱阻很大，則稱為污垢熱阻控制，此時欲提高必須設法若污垢熱阻很大，則稱為污垢熱阻控制，此時欲提高必須設法減慢污垢形成速度或及時清除污垢減慢污垢形成速度或及時清除污垢常見的列管式換熱器總傳熱系數常見的列管式換熱器總傳熱系數K K值見表值見表4.3.34.3.3S1S212111brrK第三節 對流傳熱 【例題【例題4.3.54.3.5】一空氣冷卻器，】一空氣冷卻器，空氣在管外空氣在管外橫向流過，對流傳熱系數橫向流過，對流傳熱系數為為80 80 W/W/（m m2 2K K）；）；冷卻水在管內冷卻水在管內流過，對流傳熱系數為流過，對流傳熱系數為5000 5000 W

59、/W/（m m2 2K K）。冷卻管為）。冷卻管為25252.5mm2.5mm的鋼管，其導熱系數為的鋼管，其導熱系數為45 W/45 W/（m mK K）。求：）。求：（1 1）該狀態下的總傳熱系數；）該狀態下的總傳熱系數；（2 2）若將管外對流傳熱系數提高一倍，其他條件不變，總傳熱系數）若將管外對流傳熱系數提高一倍，其他條件不變，總傳熱系數如何變化？如何變化？（3 3）若將管內對流傳熱系數提高一倍，其他條件不變，總傳熱系數）若將管內對流傳熱系數提高一倍，其他條件不變，總傳熱系數如何變化？如何變化？第三節 對流傳熱 解：（解：（1 1）以管外表面積為基準的總傳熱系數滿足）以管外表面積為基準的總

60、傳熱系數滿足111m2211bAAKAA即 111m2211bddKddd1=25mm，d2=20mm012812. 000025. 0000062. 00125. 0205000254 .2245250025. 08011K1 .78K W/（m2K）mm4 .222025ln2025ln21 1d d d2dd m第三節 對流傳熱 （2）若 提高一倍，則1006562. 000025. 0000062. 000625. 0205000254 .2245250025. 080211K4 .152K W/（m2K） 2 （3）若 提高一倍，則012687. 0000125. 0000062.