1、本章重点：本章重点：热量传递的基本方式：热量传递的基本方式：导热导热:温度不同的物体相互接触是的热传导。温度不同的物体相互接触是的热传导。对流对流:热量随着流体的流动传递热量。热量随着流体的流动传递热量。热辐射热辐射:依靠红外线传热。依靠红外线传热。传热过程和传热系数传热过程和传热系数介绍建筑采暖工程必需的热量传递的基本介绍建筑采暖工程必需的热量传递的基本知识知识 。第六章第六章 传热及气体射流基本知识传热及气体射流基本知识辐射换热、辐射换热、对流换热、对流换热、热传导热传导典型的传热设备典型的传热设备套管式换热器典型的传热设备典型的传热设备单程列管式换热器 典型的传热设备典型的传热设备1-壳
2、体2-管束3-挡板4-隔板双程列管式换热器第一节第一节 传热学基本知识传热学基本知识一、导热一、导热(1)(1)定义：定义：指温度不同的物体各部分或温度不同的两指温度不同的物体各部分或温度不同的两物体间直接接触时，依靠分子、原子及自由电子物体间直接接触时，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而进行的热量传递现象等微观粒子热运动而进行的热量传递现象(2)(2)物质的属性：物质的属性：可以在固体、液体、气体中发生可以在固体、液体、气体中发生 (3)(3)导热的特点：导热的特点：a a 必须有温差；必须有温差；b b 物体直接接触；物体直接接触；c c 传热依靠分子热运动、原子及自由电子等微观传
3、热依靠分子热运动、原子及自由电子等微观粒子热运动而传递热量；粒子热运动而传递热量；d d 在引力场下单纯的导在引力场下单纯的导热只发生在密实固体中。热只发生在密实固体中。(3)(3)导热的特点：导热的特点：1.1.气体传热依靠气体传热依靠分子热运动分子分子热运动分子运动速度增大，相互碰运动速度增大，相互碰撞而传递热量；撞而传递热量；2.2.绝缘体固体导热主要绝缘体固体导热主要依靠晶格依靠晶格的振动传递热量；的振动传递热量；3.3.导体的导热主要依靠导体的导热主要依靠自由电子热运动自由电子热运动而传递热量；而传递热量；4.4.液体的导热一种是依靠晶格的振动传递热量理论。液体的导热一种是依靠晶格的
4、振动传递热量理论。另一种是依靠另一种是依靠分子热运动分子运动传递热量理论。分子热运动分子运动传递热量理论。导热的基本定律：导热的基本定律：W F21221mW Fq：热流量：单位时间通过某一面积传递的热量：热流量：单位时间通过某一面积传递的热量WW；q q：热流密度：单位时间通过单位面积传递的热量；热流密度：单位时间通过单位面积传递的热量；F F：垂直于导热方向的截面积：垂直于导热方向的截面积mm2 2；：导热系数（热导率）导热系数（热导率）W/(m K)W/(m K)。图图2-1 2-1 一维稳态平板内导热一维稳态平板内导热0 0 x x dtdtQ Q导热量导热量12导热系数导热系数 固体
5、固体液体液体气体气体 导电体导电体绝缘绝缘 工程中需要传热加强的例子工程中需要传热加强的例子:暖气片、空调暖气片、空调风机盘管，过水热，各种热水换热设备。风机盘管，过水热，各种热水换热设备。工程中需要传热减弱的例子工程中需要传热减弱的例子:管道保温、墙体管道保温、墙体保温，窗户保温，人体保暖。保温，窗户保温，人体保暖。保温材料保温材料：国家标准规定，温度低于：国家标准规定，温度低于350350度时度时热导率小于热导率小于0.12W/(mK)0.12W/(mK)的材料（绝热材料）的材料（绝热材料）热电比拟热电比拟 为热阻为热阻传热可以用类似电路计算的方式进行串并联计算。传热可以用类似电路计算的方
6、式进行串并联计算。无限大平板无限大平板)/(AttAAR热阻温度差/ttq单位面积的传热热阻单位面积的传热热阻电阻电压差RURUUI2112312341231234FFF33221141则传热量为则传热量为(1)(1)多层平壁多层平壁例题例题例题例题 1-1 1-1 一块厚度一块厚度=50=50 mm mm 的平板，的平板，两侧表面两侧表面分别维持在分别维持在.100,30021CtCtowow(1)(1)材料为铜，材料为铜，=375=375 w/(mKw/(mK););(2)(2)材料为钢，材料为钢，=36.4=36.4 w/(mKw/(mK););(3)(3)材料为铬砖，材料为铬砖，=2.
7、32=2.32 w/(mKw/(mK)；(4)(4)材料为铬藻土砖，材料为铬藻土砖，=0.242=0.242 w/(mKw/(mK)。解：参见解：参见图图2-12-1。及一维稳态导热公式有：及一维稳态导热公式有：例题例题2521mW1046.105.01003004.36q2321mW1028.905.010030032.2q铬砖：铬砖：硅藻土砖：硅藻土砖：讨论：讨论：由计算可见，由计算可见，由于铜与硅藻土砖导热系数的巨大差别，由于铜与硅藻土砖导热系数的巨大差别，导致在相同的条件下通过铜板的导热量比通过硅藻土砖的导热导致在相同的条件下通过铜板的导热量比通过硅藻土砖的导热量大三个数量级。量大三个
8、数量级。因而，铜是热的良导体，因而，铜是热的良导体，而硅藻土砖则起而硅藻土砖则起到一定的隔热作用到一定的隔热作用2621mW105.105.0100300375q铜：铜：钢：钢：2221mW1068.905.0100300242.0q（2 2）单层非平行壁面导热）单层非平行壁面导热W 2)ln(2211221RttlrrttrlqwwwwmW)ln(211221ddttlQqwwmW ln21W ln2111)1(111)1(1niiiinwwlniiiinwwrrttqrrLtt由不同材料构成的多层圆筒壁，其导由不同材料构成的多层圆筒壁，其导热热流量可按总温差和总热阻计算热热流量可按总温差和
9、总热阻计算通过单位长度圆筒壁的热流量通过单位长度圆筒壁的热流量 热电厂中有一直径为热电厂中有一直径为0.2m0.2m的过热蒸汽管道，钢管的过热蒸汽管道，钢管壁厚为壁厚为8mm,8mm,钢材的导热系数为钢材的导热系数为451管外包有厚度为管外包有厚度为120.m m的保温层，保温材料的的保温层，保温材料的102.W/(mW/(mK)K)，管内壁面温度为管内壁面温度为1wt300300，保温层外壁面温度为，保温层外壁面温度为3wt5050。试求单位。试求单位例题例题W/(mK)，导热系数为导热系数为管长的散热损失。管长的散热损失。2321213w1wln21ln21ddddttql m216.0m
10、)12.02216.0(ln)Km/(W1.021m2.0m)008.022.0(ln)Km/(W4521K)50300(3.210/)189.110272.0(2503WKmK W/m解：这是一个通过二层圆筒壁的稳态导热问题。解：这是一个通过二层圆筒壁的稳态导热问题。钢管壁的导热热钢管壁的导热热阻与保温层的导阻与保温层的导热热阻相比非常热热阻相比非常小，可以忽略小，可以忽略例题例题二、热对流和对流换热二、热对流和对流换热 流体中（气体或液体）温度不同的各部分之间，流体中（气体或液体）温度不同的各部分之间，由由于发生相对的宏观运动而把热量由一处传递到另一处的于发生相对的宏观运动而把热量由一处传
11、递到另一处的现象。现象。热对流热对流 当流体流过一个物体表面时的热量传递过程，当流体流过一个物体表面时的热量传递过程，它与单纯的对流不同，具有如下特点：它与单纯的对流不同，具有如下特点：a a 导热与热对流同时存在的复杂热传递过程导热与热对流同时存在的复杂热传递过程 b b 必须有直接接触（流体与壁面）和宏观运动；必须有直接接触（流体与壁面）和宏观运动；也必须有温差也必须有温差 c c 壁面处会形成速度梯度很大的边界层壁面处会形成速度梯度很大的边界层 对流换热对流换热牛顿冷却定律牛顿冷却定律为对流传热热阻为对流传热热阻如：如：wtft冷却公式加热公式wffwttttttthqhAttAhqA1
12、hAR1对流换热的计算对流换热的计算 h W/(m2K)110 501000 20100 100015000 250035000 500035000三、热辐射及辐射三、热辐射及辐射 换热换热(1)(1)定义定义：有热运动产生的，以电磁波形式传递能量的现象：有热运动产生的，以电磁波形式传递能量的现象热辐射热辐射(2)(2)特点特点：a a 任何物体，只要温度高于任何物体，只要温度高于0 K0 K，就会不停就会不停地向周围空间发出热辐射；地向周围空间发出热辐射；b b 可以在真空中传播；可以在真空中传播；c c 伴伴随能量形式的转变；随能量形式的转变；d d 具有强烈的方向性；具有强烈的方向性；e
13、 e 辐射能与辐射能与温度和波长均有关；温度和波长均有关；f f 发射辐射取决于温度的发射辐射取决于温度的4 4次方。次方。(3)(3)生活中的例子：生活中的例子：a a 当你靠近火的时候，会感到面向火的一面比背面热；当你靠近火的时候，会感到面向火的一面比背面热；b b 冬天的夜晚，呆在有窗帘的屋子内会感到比没有窗冬天的夜晚，呆在有窗帘的屋子内会感到比没有窗帘时要舒服；帘时要舒服；c c 太阳能传递到地面太阳能传递到地面(5)(5)辐射换热的特点辐射换热的特点a a 不需要冷热物体的直接接触；即：不需要介质的不需要冷热物体的直接接触；即：不需要介质的存在，在真空中就可以传递能量存在，在真空中就
14、可以传递能量b b 在辐射换热过程中伴随着能量形式的转换在辐射换热过程中伴随着能量形式的转换 物体热能物体热能 电磁波能电磁波能 物体热能物体热能c c 无论温度高低，物体都在不停地相互发射电磁无论温度高低，物体都在不停地相互发射电磁 波能、相互辐射能量；高温物体辐射给低温物体的波能、相互辐射能量；高温物体辐射给低温物体的能量大于低温物体辐射给高温物体的能量；总的结能量大于低温物体辐射给高温物体的能量；总的结果是热由高温传到低温果是热由高温传到低温(4)(4)辐射换热：辐射换热：物体间靠热辐射进行的热量传递，它物体间靠热辐射进行的热量传递，它与单纯的热辐射不同，就像对流和对流换热一样，与单纯的
15、热辐射不同，就像对流和对流换热一样，2.3.22.3.2辐射能的计算辐射能的计算1 1、辐射换热的研究方法：辐射换热的研究方法：假设一种黑体，它只关假设一种黑体，它只关心热辐射的共性规律，忽略其他因素，然后，真心热辐射的共性规律，忽略其他因素，然后，真实物体的辐射则与黑体进行比较和修正，通过实实物体的辐射则与黑体进行比较和修正，通过实验获得修正系数，从而获得真实物体的热辐射规验获得修正系数，从而获得真实物体的热辐射规律律2 2、黑体的定义：黑体的定义：能吸收投入到其表面上的所有热能吸收投入到其表面上的所有热辐射的物体，包括所有方向和所有波长，因此辐射的物体，包括所有方向和所有波长，因此,相同温
16、度下，黑体的吸收能力最强相同温度下，黑体的吸收能力最强.)(424121TTq 42T1T2T图图2-3 2-3 两黑体表面间的辐射换热两黑体表面间的辐射换热41T3 3、Stefan-Boltzmann Stefan-Boltzmann 定律定律 ，4TA4Tq，4TA真实物体则为：真实物体则为：4 4、两黑体表面间的辐射换热两黑体表面间的辐射换热)(4241TTA第二节第二节 传热过程和传热系数传热过程和传热系数1 1 传热过程的定义：传热过程的定义：两流体间通过固体壁面进行两流体间通过固体壁面进行的换热的换热2 2 传热过程包含的传热方式：传热过程包含的传热方式：导热、对流、热辐射导热、
17、对流、热辐射辐射换热、辐射换热、对流换热、对流换热、热传导热传导稳定传热方程稳定传热方程3 3 一维稳态传热过程中的热量传递一维稳态传热过程中的热量传递忽略热辐射换热，则忽略热辐射换热，则左侧对流换热热阻左侧对流换热热阻111AhRh固体的导热热阻固体的导热热阻右侧对流换热热阻右侧对流换热热阻111AhRhAR 上面传热过程中传递的热量为：上面传热过程中传递的热量为：2121212111)()(AhAAhttRRRttffhhfftAkttAkff)(21传热系数传热系数 ，是表征传热过程强，是表征传热过程强烈程度的标尺，不是物性参数，与过程烈程度的标尺，不是物性参数，与过程有关。有关。KmW
18、2 2.4.2 2.4.2 传热系数传热系数21211111hhrrrhhk单位热阻或面积单位热阻或面积热阻热阻a a k k 越大，传热越好。若要增大越大，传热越好。若要增大 k k，可增可增大大或减小21 ,hhc c h h1 1、h h2 2的计算方法及增加的计算方法及增加k k值的措施是本值的措施是本课程的重要内容课程的重要内容注意：注意：b b 非稳态传热过程以及有内热源时，不非稳态传热过程以及有内热源时，不能用热阻分析法能用热阻分析法1 1 冬天，经过在白天太阳底下晒过的棉被，晚上冬天，经过在白天太阳底下晒过的棉被，晚上盖起来感到很暖和，并且经过拍打以后，效果更盖起来感到很暖和，
19、并且经过拍打以后，效果更加明显。试解释原因。加明显。试解释原因。解：棉被经过晾晒以后，可使棉花的空隙里进入更解：棉被经过晾晒以后，可使棉花的空隙里进入更多的空气。而空气在狭小的棉絮空间里的热量传递多的空气。而空气在狭小的棉絮空间里的热量传递方式主要是导热，由于空气的导热系数较小（方式主要是导热，由于空气的导热系数较小（20，1.01325105Pa时，空气导热系数为时，空气导热系数为0.0259W/mK），），具有良好的保温性能。而经过拍具有良好的保温性能。而经过拍打的棉被可以让更多的空气进入，因而效果更明显。打的棉被可以让更多的空气进入，因而效果更明显。思思 考考 题题2 2 冬天，在相同的
20、室外温度条件下，为什么冬天，在相同的室外温度条件下，为什么有风比无风时感到更冷些？有风比无风时感到更冷些？思思 考考 题题解：假定人体表面温度相同时，人体的散热解：假定人体表面温度相同时，人体的散热在有风时相当于强制对流换热，而在无风时在有风时相当于强制对流换热，而在无风时属自然对流换热（不考虑热辐射或假定辐射属自然对流换热（不考虑热辐射或假定辐射换热量相同时）。而空气的强制对流换热强换热量相同时）。而空气的强制对流换热强度要比自然对流强烈。因而在有风时从人体度要比自然对流强烈。因而在有风时从人体带走的热量更多，所以感到更冷一些。带走的热量更多，所以感到更冷一些。解：当其他条件相同时，冰箱的结
21、霜相当于解：当其他条件相同时，冰箱的结霜相当于在冰箱蒸发器和冰箱冷冻室（或冷藏室）之在冰箱蒸发器和冰箱冷冻室（或冷藏室）之间增加了一个附加热阻，因此要达到相同的间增加了一个附加热阻，因此要达到相同的制冷室温度，必然要求蒸发器处于更低的温制冷室温度，必然要求蒸发器处于更低的温度，所以，结霜的冰箱耗电量更大。度，所以，结霜的冰箱耗电量更大。思思 考考 题题3 利用同一冰箱储存相同的物质时，试问结霜的利用同一冰箱储存相同的物质时，试问结霜的冰箱耗电量大还是未结霜的冰箱耗电量大？冰箱耗电量大还是未结霜的冰箱耗电量大？4 有人将一碗热稀饭置于一盆凉水中进行有人将一碗热稀饭置于一盆凉水中进行冷却。为使稀饭凉得更快一些，你认为他冷却。为使稀饭凉得更快一些，你认为他应该搅拌碗中的稀饭还是盆中的凉水？为应该搅拌碗中的稀饭还是盆中的凉水？为什么？什么？解：从稀饭到凉水是一个传热过程。显然，解：从稀饭到凉水是一个传热过程。显然，稀饭和水的换热在不搅动时属自然对流。稀饭和水的换热在不搅动时属自然对流。而稀饭的换热比水要差。因此，要强化传而稀饭的换热比水要差。因此，要强化传热增加散热量，应该用搅动的方式强化稀热增加散热量，应该用搅动的方式强化稀饭侧的传热。饭侧的传热。思思 考考 题题第三节 气体射流简介（一）无限空间紊流射流的特征（二）有限空间射流
