1、1,第四章 热量传递基础,4.1 概述 4.2 热传导 4.3 对流传热 4.4 冷凝与沸腾传热 4.5 辐射传热,2,4.1 概述,4.1.1 基本概念4.1.2 热量传递的三种基本方式,3,4.1.1 基本概念,在化工生产中传热的应用主要是两个方面： （1）强化传热 为了使物料满足所要求的操作温度进行的加热或冷却，希望热量以所期望的速率进行传递；（2）削弱传热 为了使物料或设备减少热量散失，而对管道或设备进行保温或保冷。,4,4.1.1 基本概念,1.传热速率与热通量,传热速率Q 是指单位时间内通过传热面的热量，又称热流量，其单位是W。,表征了传热过程进行的快慢程度,热通量q 是指单位传热
2、面积上的传热速率，又称热流密度，单位是W/m2。,热通量与传热速率之间的关系为 ：,5,4.1.1 基本概念,2.稳态传热与非稳态传热,热量传 递过程,稳态传热,非稳态传热,物体的温度分布随时间变化,物体中各点温度不随时间而改变,连续生产过程中的传热,间歇操作的换热设备和连续生产设备的启动、停机过程以及变工况过程的热量传递,6,4.1.1 基本概念,3.温度场与温度梯度,物体内各点温度的集合称为温度场 ，一般地，物体内任意点的温度是时间和空间位置的函数，温度场的数学表达式为,式中 t为温度；x、y、z为空间坐标；t为时间。,温度场,稳态温度场,非稳态温度场,物体的温度分布随时间变化,物体中各点
3、温度与时间无关,7,4.1.1 基本概念,等温面：,在某一时刻，温度场中温度相同的点连成的面，等温面不可能相交。,对于二维传热问题，物体中等温面表现为等温线，等温线也不可能相交。,温度随空间位置的变化率以等温面（线）的法线方向上为最大值，在等温面（线）法线方向上的温度变化率称为温度梯度，可表示为,式中D n为法线n方向上的距离；grad（t）表示温度梯度，是矢量，其方向垂直于等温面（线），与等温面（线）的法线方向一致，并以温度增加的方向为正方向。,等温线：,8,4.1.2 热量传递的三种基本方式,1.热传导 物体各部分之间不发生相对位移时，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动而产生的热量
4、传递称为热传导，又称导热。,热传导现象可以用傅立叶(Fourier)定律来描述。,2.对流传热 对流仅发生于流体中，它是指由于流体的宏观运动使流体各部分之间发生相对位移而导致的热量传递过程 。,9,4.1.2 热量传递的三种基本方式,对流传热通常用牛顿冷却定律来描述，即当主体温度为tf的流体被温度为tw的热壁加热时，单位面积上的加热量可以表示为 ：,当主体温度为tf的流体被温度为tw的冷壁冷却时，有,式中q为对流传热的热通量，W/m2；a为比例系数，称为对流传热系数, W/(m2)。牛顿冷却公式表明，单位面积上的对流传热速率与温差成正比关系。,10,4.1.2 热量传递的三种基本方式,3.热辐
5、射,辐射是一种通过电磁波传递能量的过程。物体因各种原因发出辐射能，其中因热的原因发出辐射能的现象称为热辐射。,与热传导和对流传热不同，辐射传热无须借助中间介质的存在来传递热量，可以在真空中传递。,虽然物体可以热辐射的方式进行热量传递，但一般只在高温或低温下才成为主要传热方式。,11,4.2 热传导,4.2.1 热传导的基本定律傅立叶定律 4.2.2 导热系数 4.2.3 热传导微分方程及其定解条件 4.2.4 稳态热传导 4.2.5 非稳态热传导 4.2.6 热传导问题的数值解法,12,4.2.1 热传导的基本定律傅立叶定律,大量的实践表明,热量以传导形式传递时，单位时间内通过单位面积所传递的
6、热量与当地温度梯度成正比。对于一维问题，可表示为,为x方向上的温度梯度,/m或K/m；,式中l为比例系数，称为导热系数，W/(m) 或W/(mK)；,q为热通量, W/m2；,负号表示热量传递的方向指向温度降低的方向。,13,4.2.1 热传导的基本定律傅立叶定律,当物体温度是三维空间坐标的函数时，则热通量矢量表示为,式中 为空间某点的温度梯度；, 是通过该点的等温线上的法向单位矢量，指向温度升高的方向。,14,4.2.2 导热系数,1.定义式,的物理意义：表示温度梯度为1K/m或1/m时，单位时间通过单位面积的热量。即：单位温度梯度下的热通量。,说明：,（1）导热系数越大，物体的导热性能越好
7、，即在相同的温度梯度下传热速率越大。,（2） 各类物质导热系数的近似关系：,15,4.2.2 导热系数,2.影响因素,大多数均一的固体，其导热系数在一定温度范围内与温度近似成直线关系，可用下式表示：,式中l0为固体在0时的导热系数，k为温度系数，1/, 对大多数金属材料为负值，对大多数非金属固体材料为正值。,有机均相混合液体的导热系数可用下式估算,有机水溶液的导热系数的估算式为,式中wi为组分i的质量分数，li为纯组分i的导热系数。,16,4.2.2 导热系数,气体的导热系数l与粘度m之间有以下简单关系,（单原子气体）,（多原子气体）,式中R为通用气体常数，J/(kmolK)；M为相对分子质量
8、，kg/kmol；cp为定压比热，J/(kgK)；m的单位为Pas。,在相当大的压力范围内，气体的导热系数随压力的变化较小，可以忽略不计。 只有在压力极高（200MPa）或极低（2700Pa）的情况下，才须考虑压力的影响，此时气体的导热系数随压力增加而增大。,17,4.2.3 热传导微分方程及其定解条件,物体内微元体的热量衡算,1.直角坐标系三维物体导热微分方程式,18,4.2.3 热传导微分方程及其定解条件,(1)导热系数为常数时,(2)导热系数为常数且物体内无内热源,(3)常物性，稳态热传导,泊桑（Poisson）方程,19,4.2.3 热传导微分方程及其定解条件,(4)常物性，无内热源，
9、稳态热传导,2.柱坐标三维物体导热微分方程式,3.球坐标三维物体导热微分方程式,(4-1) 拉普拉斯（Laplace）方程,(4-1a),20,4.2.3 热传导微分方程及其定解条件,在物体边界上，传热边界条件可分为以下三类,(1)已知物体边界壁面的温度，称为第一类边界条件,t0,(2)已知物体边界壁面的热通量值，称为第二类边界条件,t0,物体边界处绝热 t0,21,4.2.3 热传导微分方程及其定解条件,(3)已知物体壁面处的对流传热条件，称为第三类边 界条件,物体被加热 t0,物体被冷却 t0,式中a和tf都可以是时间的函数，此时物体壁面的温度是待求解的物理量。,22,4.2.4 稳态热传
10、导,1.通过平壁的热传导,图P175,热传导微分方程式（4-1）可得 :,x=0时,边界条件为,x=b时,对(4-2)连续积分两次，得其通解为,（4-3）,积分常数由二个边界条件确定 ,故有,温度分布为线性函数,（4-2）,23,4.2.4 稳态热传导,将式（4-3）代入傅立叶定律，得到热通量的表达式,对于导热面积为A的平壁，热传导的速率为,可改写为,称为热阻,Q是热传导过程中所传递的热流量，它与过程的推动力Dt成正比，而与传递过程的阻力R成反比，热阻越大，热流量越小，传热速率越低。,24,4.2.4 稳态热传导,在多层壁的热传导中,图P176,各层分界接触面上的温度可以利用式（4-4）依次计
11、算出。,或,（4-4）,即,对n层平壁，有：,25,4.2.4 稳态热传导,使用(44)式的几个假设：1. 平壁A大，b小；2. 材料均匀，=const；3. 温度仅沿 x 变化，且不随时间变化；4. 各层接触良好，且接触面两侧温度相同；5. 热量损失可以忽略。,26,4.2.4 稳态热传导,2.通过圆筒壁的热传导,图P177,圆筒壁上的热传导满足圆柱坐标系下的热传导微分方程式（4-1a）,经过简化，得到,边界条件为,r=r1时,r=r2时,对(4-5)连续积分两次，得其通解为,（4-5）,27,4.2.4 稳态热传导,式中的积分常数由边界条件确定。可得圆筒壁内的温度分布为,将式（4-6）代入
12、傅立叶定律，即可求得通过圆筒壁的热通量,温度分布为对数函数形式,（4-6）,为热阻,（4-7）,28,4.2.4 稳态热传导,式（4-7）还可改写为,式中， ，为圆筒壁的厚度； ，为平均传热面积，其中 ，称为对数平均半径。,对于n层圆筒壁,图P178,29,4.2.4 稳态热传导,例4-1 为了减少热损失和保证安全工作条件，在外径为159mm的蒸汽管道上包覆保温层。蒸汽管道外壁的温度为300。保温材料为水泥珍珠岩制品，水泥珍珠岩制品的导热系数随温度的变化关系为。要求包覆保温层后外壁的温度不超过50，并要求将每米长度上的热损失控制在300W/m，则保温层的厚度为多少？,30,4.2.4 稳态热传
13、导,3.通过球壳壁的热传导,在球壳壁内的温度分布、热流量和热传导热阻的计算式分别为,对于多层球壳壁热传导问题可仿多层圆筒壁的计算方法写出。,31,4.2.5 非稳态热传导,由于物体内温度场随时间变化，物体内的热流量也随时间发生变化，因此非稳态热传导问题比稳态问题的计算复杂。,（1）集总参数法的简化分析,（2）半无限大物体的非稳态热传导,（3）有限厚度平板的非稳态热传导,32,4.2.6 热传导问题的数值解法,1.有限差分法的一般步骤与基本概念,有限差分方法的应用一般可以分为五个步骤进行，即,（1）建立物理问题的控制方程及定解条件；,（2）控制区域的离散化；,（3）建立离散节点上物理量的代数方程
14、；,（4）求解代数方程组；,（5）计算结果的分析。,33,4.2.6 热传导问题的数值解法,图P186,如图所示的矩形物体的热传导问题，属于无内热源、常物性的二维稳态热传导，其控制方程可采用拉普拉斯方程描述：,34,4.2.6 热传导问题的数值解法,在直角坐标系中，用一系列与坐标轴平行的网格线将求解区域划分为许多子区域，以网格线的交点作为确定待求温度值的空间位置，称为节点（或结点）。,处于物体内部的节点称为内节点，而网格线与物体边界线的交点，称为边界节点。相邻两个节点之间的距离称为步长，分别以Dx、Dy表示。在两个坐标方向上的步长可以等值，称为均分网格；也可以取不同的值，称为非均分网格。,每一
15、个节点都可以看作以它为中心的一个小区域的代表，图中阴影部分所包括的区域即是节点（m，n）所代表的区域，它由相邻两节点连线的中垂线构成。我们将这个节点所代表的小区域称为元体（或控制容积）。,一些基本概念,35,4.2.6 热传导问题的数值解法,2.内节点离散方程建立,建立内节点离散方程的方法有泰勒级数展开法和热平衡法两种，控制容积热平衡法是对节点所属控制容积进行能量平衡，利用傅立叶定律得到离散方程的方法。,当 ，上式简化为,图P187,36,4.2.6 热传导问题的数值解法,3.边界条件的处理与方程的求解,（1）平直边界上的节点,当 ，上式简化为,图P188,（48a）,(48b),37,4.2
16、.6 热传导问题的数值解法,（2）外部角点,当 ，上式简化为,（3）内部角点,当 ，上式简化为,（49b）,（49a）,（410a）,（410b）,38,4.2.6 热传导问题的数值解法,qw的三种形式,绝热边界条件,对于式（4-8）（4-10）中令qw等于零即可,给定边界上的qw,将给定常数qw的代入方程式（4-9）（4-10）中即可,对流传热边界,39,4.2.6 热传导问题的数值解法,平直边界,外部角点,内部角点,40,4.2.6 热传导问题的数值解法,代数方程组的求解方法,直接解法,迭代法,如矩阵求逆、高斯消去法等，其缺点是计算中需要的内存量较大，当代数方程组庞大时，计算不便。,常用的
17、迭代法有高斯-赛德尔迭代法、牛顿-拉夫森迭代法等。迭代法的一般步骤是：先假定代数方程的初始解，在迭代计算中不断地改进初始解，直到计算前的假定值与计算后的结果相差小于允许值为止，此时称迭代计算收敛。,41,4.3 对流传热,4.3.1 对流传热概述 4.3.2 层流流动对流传热的近似分析解法 4.3.3 因次分析法在对流传热中的应用 4.3.4 管内强制对流传热 4.3.5 管外强制对流传热 4.3.6 自然对流传热,42,4.3.1 对流传热概述,同温度的流体各部分之间，或流体与固体壁面之间作整体相对位移时所发生的热量传递过程，称为对流传热。对流传热过程的传热速率可以用牛顿冷却公式计算，即,或
18、,常见对流传热的分类方法如右图所示：,43,4.3.1 对流传热概述,影响对流传热的因素,流体的集态变化,引起流动的原因,流体的流动型态,流体的物理性质,传热面的几何因素,单相流动,有相变的流动,强制对流,自然对流,层流,湍流,比热、导热系数、密度和粘度等,传热表面的形状、大小、流体与传热面作相对运动的位置和方向以及传热面的表面状况,44,4.3.1 对流传热概述,表4-1 对流传热系数数值的范围,下表给出了几种对流传热条件下，对流传热系数的大致范围,45,4.3.1 对流传热概述,研究对流传热的主要目的是要揭示对流传热的各种影响因素及其内在联系，以及确定对流传热系数a的具体计算式。目前，获得
19、对流传热系数的表达式的方法有以下四种：,分析法,实验法,类比法,数值法,对流传热问题的偏微分方程及其定解条件进行数学求解，速度场和温度场对流传热系数和传热速率的分析解。,采用实验法获得对流传热系数的计算式应当在相似原理或因次分析法的指导下进行 。,类比法是通过研究动量传递与热量传递的类似性，以建立对流传热系数与流动的阻力系数之间相互关系的方法。,将对流传热的偏微分控制方程用离散方程替代， 用代数方法进行求解对流传热系数和传热速率。,46,4.3.2 层流流动对流传热的近似分析解法,流体流过平板时的对流传热也可以分为两个区域：热边界层区和主流区。在主流区，流体的温度变化率接近于零，不发生热量传递
20、，故热量传递主要集中在热边界层内。,图P194,图4-16表示出温度边界层与速度边界层的示意图。,47,4.3.2 层流流动对流传热的近似分析解法,应用边界层积分方程求解对流传热问题的基本思想：,（1）不要求守恒定律对边界层内的每一个微元体都成立，而只是对包括固体边界及边界层外缘在内的有限大小的控制容积建立能量衡算的表达式，即边界层的积分方程。,（2）对边界层中速度分布和温度分布的函数形式作出假设，在这些函数形式中包含有速度边界层厚度、热边界层厚度和一些待定常数。,（3）利用壁面和边界层外缘处的传热边界条件确定这些待定常数，解出温度边界层厚度的表达式，进而确定边界层内的温度分布。,（4）根据温
21、度分布的表达式计算壁面处的温度梯度，利用傅立叶定律计算热传递速率。一般将计算结果整理成对流传热系数的形式。,48,4.3.2 层流流动对流传热的近似分析解法,对控制容积A-B-C-D-A进行热量衡算，通过AB，CD,BC和DA面进入控制容积的传热速率分别为,在稳态条件下，对控制容积作热量衡算，即,49,4.3.2 层流流动对流传热的近似分析解法,将上述各个分量的表达式代入上式，经整理和化简后，得,边界层的积分能量方程,上式适用于层流或湍流，但仅适用于流体粘性和流速均不是很高的场合。,50,4.3.3 因次分析法在对流传热中的应用,对流传热系数可以表示为,对流传热系数a可以用一个简单的指数函数表
22、示,式中：流体的流速u、传热设备的特征长度L、流体的粘度m、导热系数l、密度r、比热cp和浮升力gbDt等。,无因次准数的函数形式,51,4.3.3 因次分析法在对流传热中的应用,1.努塞尔准数（Nusselt）， Nu :,2.雷诺准数（Reynold）， Re :,准数的定义与物理意义,对流传热与厚度为L的流体层内的热传导之比。 努塞尔数越大，对流传热的传热强度也越大。它反映了固体壁面处的无因次温度梯度的大小。,惯性力与粘性力之比。 雷诺数小，表示流体的粘性力起控制作用，抑制流层的扰动，随着雷诺数的增大，流体中流体微团的扰动加剧，壁面处的温度梯度增大，对流传热系数增大。,52,4.3.3
23、因次分析法在对流传热中的应用,3.普朗特准数（Prandtl）， Pr :,4.格拉晓夫准数（Grashof）， Gr :,动量扩散与热量扩散之比。 它表征了流体的动量传递能力与热量传递能力的相对强弱。普朗特数越小，流体的传热能力越强；反之，则流体的传热能力越差。,浮升力与粘性力之比 。 它反映了由于流体中温度差引起密度差所导致的浮升力对对流传热的影响。它在自然对流中的作用与强制对流中雷诺数的作用相当。,53,4.3.3 因次分析法在对流传热中的应用,对于不同的传热情况，准数方程还可以简化：,对于湍流强制对流传热，自然对流的影响可以忽略，准数关联式变为,对于自然对流传热，可以忽略惯性力的影响而
24、将准则方程写为,对于层流和过渡流区的强制对流传热，浮升力的影响不能忽略，准数关联式仍表示为式,54,4.3.4 管内强制对流传热,1.流体在圆形直管内作湍流时的对流传热系数,由于流体呈湍流时有利于传热，故工业上一般使对流传热过程在湍流条件下进行。,或,适用范围： Re104；0.7Pr120；2mPas(低粘度)；l/d60,定性温度取 ，特征尺寸为管内径di流体被加热时，n0.4；被冷却时，n0.3。, 对于低粘度流体：,55,4.3.4 管内强制对流传热, u,u0.8 d, 1/d0.2 流体物性的影响，选、较大或较小的流体 ,强化对流传热的措施：, 对高粘度流体的修正式：,适用范围：R
25、e104,0.7Pr160,l/d60;定性温度取 tm，特征尺寸为di， W取壁温下的粘度。,56,4.3.4 管内强制对流传热,对于短管（管长与管径之比 ）内的强制对流传热计算对流传热系数时应进行入口效应的修正，即,57,4.3.4 管内强制对流传热,2.流体在圆形直管内呈过渡流时的对流传热系数 （2300Re104 ）,对流传热系数可先用湍流时的经验关联式计算，然后将计算所得到的对流传热系数再乘以小于1的修正系数，即,还可以采用格尼林斯基公式计算，该式既适用于过渡流状态也适用于湍流状态,58,4.3.4 管内强制对流传热,对于液体,对于气体,式中,式中以流体平均温度作为定性温度，下标w表
26、示以壁面温度为定性温度，T的单位为K。关联式的应用范围为：Re=2300106，Pr=0.6105。注意，格尼林斯基公式中已包含了入口效应的修正系数，在应用于短管的计算时不需要再乘入口修正系数。,59,4.3.4 管内强制对流传热,特点： 物性(特别是粘度)受管内温度不均匀性的影响，导致速度分布受热流方向影响； 因受热而产生的自然对流对层流的影响大，使得对流传热系数提高； 层流要求的进口段长度长，实际进口段长度小时，对流传热系数提高。,热流方向对层流速度分布的影响,3.流体在圆形直管内作层流时的对流传热系数,关联式：,60,4.3.4 管内强制对流传热,定性温度均取流体的平均温度，特征长度为管
27、内径d。上式的适用范围为：,61,4.3.4 管内强制对流传热,4.流体在圆形弯管内的流动,可先按圆形直管的经验关联式计算对流传热系数a，然后再乘以大于1的修正系数，即可得在弯管中的对流传热系数a，即,62,4.3.4 管内强制对流传热,5.流体在非圆形管内的流动, 当量直径法, 直接实验法,例如对套管环隙：水-空气系统,水-空气系统的套管环隙；12000Re220000；d2/d1=1.6517 其中 d1为内管外径，d2为外管内径，de=d2-d1为套管环隙中流通截面的当量直径 。,用de代替圆管内径di计算，但u求解时不用de直接计算，而要用实际的流通面积计算。,适用范围：,63,4.3
28、.5 管外强制对流传热,1.流体横向流过管束,流体在横向流过管束时，每一排管上的平均对流传热系数可用以下关联式计算,对整个管束：,适用范围：,定性温度：,特征尺寸：管的外径do,64,4.3.5 管外强制对流传热,在整个管束上的平均对流传热系数可由下式计算,i=1，n,式中ai为第i排管子的平均对流传热系数，Ai为第i排管子的总传热面积。,65,4.3.5 管外强制对流传热,2.流体在管壳间的对流传热,对于装有弓形折流挡板的列管式换热器，可以采用以下关联式计算管壳间的对流传热系数,定性温度：,特征尺寸：当量直径de,适用范围Re=2103106,66,4.3.5 管外强制对流传热,正方形排列：
29、,正三角形排列：,特征速度按流体通过管束间的最大流通截面积A,s为两相邻折流挡板之间的距离， D为换热器壳体的内径。,67,4.3.6 自然对流传热,由于流体内部存在温度差导致流体中质量力分布不均匀所引起的流动，称为自然对流。自然对流传热可分为大空间自然对流传热和有限空间自然对流传热两类。,自然对流的对流传热系数仅与Gr数和Pr数有关,或,定性温度： 特征尺寸：垂直的管或板为高度，水平管为管外径,适用范围：,注意： c、n与传热面的形状（管或板）、传热面的放置位置（垂直、水平）有关， 式中t = tw-t。,68,4.4 冷凝与沸腾传热,4.4.1 冷凝传热 4.4.2 影响冷凝传热的因素和冷
30、凝传热的强化4.4.3 沸腾传热过程 4.4.4 影响沸腾传热的因素及强化途径,69,4.4.1 冷凝传热,蒸汽与低于饱和温度的壁面接触时有两种不同的冷凝形式。如下图所示。,膜状冷凝,珠状冷凝,70,4.4.1 冷凝传热,1.纯蒸汽在竖壁上进行膜状冷凝时的对流传热系数,湍流(Re1800)时：,层流(Re1800)时 ：,特征尺寸L：管或板高H； 定性温度：膜温,适用范围：,71,4.4.1 冷凝传热,2.水平单管和管束外的冷凝传热,适用范围：,式中：n水平管束在垂直列上的管子数；r汽化潜热（ts下），kJ/kg。,特征尺寸l：水平管外径do,定性温度：膜温,72,4.4.2 影响冷凝传热的因
31、素和冷凝传热的强化, 流体物性：冷凝液 、 ；潜热r 温差：液膜层流流动时，t=tstW，, 不凝气体：不凝气体的存在会导致（1%不凝气可使 60%），所以应该定期排放, 蒸汽流速与流向(u10m/s)：蒸汽与液膜同向时u,；反向时u,；u时(无论方向)。因此蒸汽进口一般设在换热器上部，以避免蒸汽与液膜逆向流动使。, 蒸汽过热：包括冷却和冷凝两个过程。, 冷凝面的形状和位置：以减少冷凝液膜的厚度并作为 目的。垂直板或管：可开纵向沟槽；水平管束：可采用错列,73,4.4.3 沸腾传热过程,液体与高温壁面接触被加热汽化并产生气泡的过程称为沸腾传热。,大容积沸腾：加热面沉浸在无宏观流速的液体表 面下
32、所产生的沸腾 强制对流沸腾 ：液体以一定流速在加热管管内（或其他形状截面通道内）流动时的沸腾,沸腾分类,1.大容器沸腾传热机理,液体内部不断地产生汽泡是沸腾过程最主要的特征。,汽化核心生成汽泡长大脱离壁面新汽泡形成搅动液层,74,4.4.3 沸腾传热过程,沸腾曲线,自然对流阶段(区) 核状沸腾阶段(区) 不稳定膜状沸腾(区左) 稳定膜状沸腾(区右),将由核状沸腾膜状沸腾的转变点称为临界点或烧毁点。,75,4.4.3 沸腾传热过程,2.大容器沸腾的传热关系式,大容器饱和核态沸腾,罗森诺提出以下实验关联式用于计算沸腾热流通量q或壁面上沸腾温差Dt：,式中 为沸腾温差，；q为热流通量，W/m2；cp
33、l为饱和液体的定压比热，J/（kgK）；Prl为饱和液体的普朗特数；rl、rv分别为饱和液体和饱和气体的密度，kg/m3；r为饱和温度下的汽化潜热，J/kg；s为液体-蒸汽界面上的表面张力，N/m；n为液相普朗特数的指数；Cwl为取决于加热表面与液体组合情况的经验常数。仅适用于单组分饱和液体在清洁表面上的核态沸腾 。,76,4.4.3 沸腾传热过程,大容器沸腾的临界热通量,沸腾传热临界热通量的经验方程可以表示为,77,4.4.4 影响沸腾传热的因素及强化途径,强化措施：加表面活性剂（乙醇、丙酮等）, 操作压强：, 液体的性质：, 温差：,在核状沸腾阶段温差提高，, 加热面：,新的、洁净的、粗糙
34、的加热面，大；强化措施：将表面腐蚀，烧结金属粒。,对于水在1054106Pa下，有：,78,4.5 辐射传热,4.5.1 热辐射的基本概念4.5.2 辐射基本定律4.5.3 固体间的辐射传热4.5.4 气体的热辐射4.5.5对流与辐射的复合传热,79,4.5.1 热辐射的基本概念,1. 辐射：物体通过电磁波来传递能量的过程。,2. 热辐射：物体由于热的原因以电磁波的形式向外发射能量的过程。,1. 辐射与热辐射,电磁波的波长范围极广，但是在工业中所遇到的温度范围内，能够被物体吸收而转变为热能的辐射主要是红外线（0.76100m）和可见光(0.380.76 m)两部分 。红外线和可见光统称为热射线
35、 。,特点：能量传递的同时还伴随着能量形式的转换；不需要任何介质，可在真空中传播。,80,4.5.1 热辐射的基本概念,如图4-35所示，热辐射的能量投射到物体表面时，在入射的总辐射能量Q中，有Qa的能量被吸收，Qr的能量被反射，其余Qt的能量穿透了物体。根据能量守恒定律，得,图4-35 辐射能的吸收、反射和穿透,或,吸收率,反射率,穿透率,令,则,2.热辐射对物体的作用,81,4.5.1 热辐射的基本概念,3.辐射体的分类,若a=1，则表示投射到物体表面上的辐射能可以全部被物体所吸收。这种物体称为绝对黑体，或简称黑体。均匀温度封闭空腔上小孔的辐射特性接近于黑体。,若r=1，则表示投射到物体表
36、面上的辐射能可以全部被物体所反射出去。这种物体称为绝对白体或镜体。,若t=1，则表示投射到物体表面上的辐射能可以全部穿透物体。这种物体称为绝对透明体，或透热体。, 能以相同吸收率吸收所有波长的辐射能的物体。是一种理想化的物体，属于不透体，称为灰体。 t=0,82,4.5.2 辐射基本定律,1.辐射能力与斯蒂芬波尔茨曼定律, 辐射能力E：指物体在一定温度下，单位表面积在单位时间内所发射的全部辐射能（波长从0到），以E表示，W/m2。, 物体的黑度：指同温度下物体与黑体辐射能力之比。,因同一温度下，实际物体的辐射能力恒小于同温度下黑体的 辐射能力，故(1)是物体辐射能力接近黑体辐射能力的程度。,与
37、物体种类、表面温度、表面状况、波长有关，是物体的 一种性质，只与物体本身状况有关，与外界因素无关。, 黑度的影响因素：,83,4.5.2 辐射基本定律,斯蒂芬波尔茨曼定律,式中 0黑体辐射常数，=5.67 10-8W/(m2 .K4)；C0黑体辐射系数，=5.67W/(m2 .K4),由于多数工程材料在波长范围内的吸收率随波长变化不大，可把这些物体视为灰体。其辐射能力为：,式中C灰体的辐射系数，C=5.669W/(m2.K4),84,4.5.2 辐射基本定律,2.克希霍夫定律,图4-36 平行平壁间的辐射传热,T1=T2,对任意物体：,则,两个壁面温度相等时 ：,克希霍夫定律,克希霍夫定律表明
38、，物体的吸收率越大，其发射能力也越强，也就是说善于吸收的物体必然善于发射。因而，在所有物体中，黑体的辐射能力最强。,85,4.5.3 固体间的辐射传热,1.角系数,角系数表示物体i的表面辐射总能量落到另一物体j上的份额，即,它与物体的形状、大小、相互位置以及两物体之间的距离等几何因素有关，因而又称为几何因子。,86,4.5.3 固体间的辐射传热,理论上可以证明，对于任意两物体壁面之间的辐射，如图4-38所示，其角系数可以表示为,图4-38 任意两个表面间辐射的几何关系,式中 和 为辐射射线与壁面微元法线之间的夹角；和为两任意物体壁面的面积；r为两壁面微元面积之间的距离。,87,4.5.3 固体
39、间的辐射传热,2.角系数的性质,角系数的相对性,角系数的完整性,角系数的可加性,88,4.5.3 固体间的辐射传热,3.灰体间的辐射传热,任意两个壁面A1和A2作相互辐射传热时，壁面A1与壁面A2的净辐射传热量Q12可以表示为,式中J1、J2分别表示壁面A1与壁面A2的有效辐射,由角系数的相对性，可得：,定义 为壁面辐射的空间热阻。空间热阻仅与角系数和壁面的表面积有关。,89,4.5.3 固体间的辐射传热,对于辐射传热计算，可以采用与电路中电流计算相类似的方法来计算辐射传热量。这种将辐射热阻类比为等效电阻从而通过等效网络图来求解辐射传热的方法，称为辐射传热的网络法。,辐射传热的网络法,如两个灰
40、体表面间的辐射传热,由两个灰体表面组成的封闭腔,辐射传热等效网络,90,4.5.4 气体的热辐射,与固体间辐射传热相比，气体的热辐射具有以下两个主要特点：,1气体的辐射和吸收对波长具有强烈的选择性,气体只能辐射或吸收某些波长范围内的辐射能，通常把这种有辐射或吸收能力的波长范围称为光带。,如：,由于气体辐射对波长具有选择性的特点，气体不是灰体！,91,4.5.4 气体的热辐射,2气体的辐射和吸收是在整个容积内进行,固体或液体的辐射都是在物体的表面上进行，而气体的辐射和吸收是在整个容积内进行。气体的辐射和吸收与气体层的形状和容积大小有关。,虽然气体的辐射能力不遵从四次方定律，但在工程上，为了计算方便，气体的辐射能力仍写成四次方定律的形式,平均射线行程的概念,将计算误差归结到气体的黑度中进行修正,92,4.5.5对流与辐射的复合传热,由对流传热而散失的热量为,由辐射而散失的热量为,为了计算方便，常将辐射传热的传热速率也表达为牛顿冷却方程的形式，即,ar称为辐射传热系数,93,4.5.5对流与辐射的复合传热,总热损失Q为,对于有保温层的设备、管道等，外壁对周围环境气体的复合传热系数aT，可以用以下近似计算式进行估算。,管道或圆筒保温层外 ：,（2）空气沿粗糙壁面的强制对流,空气流速 时：,空气流速 时：,平壁保温层外：,即：,
