第三章热传递的基本原理绪言第一节导热第二节 对流换热第三节 辐射换热第四节传热过程绪言一、什么是传热学?
1、传热学：传热学是研究热量传递规律的一门学科。
? 热量：与过程相关的过程函数，如果不传递，在物体内不叫热量，而是热能。
? 热能：与物体自身温度有关的状态函数。
? 什么时候发生,热量传递” 呢？
? 温差存在——- 热量自发的从高温处传到低温处。
? 日常生活中,
? 烧开水，水壶底结垢后，烧水时间增长，为什么？
? 冬天，上午晒被子，晚上还暖和，为什么？
? 冬夏室内温度都是20 ℃，但是冬穿毛衣夏穿衬衣，
为什么？
? 工程应用中：
? 设备设计、制造、运行离不开传热学绪言
)电子问题：集成电路集成密度↑，发热量↑，每
㎝
2
电路芯片的散热量,20世纪 70年代,10W；20世纪80年代,20~30W；20 世纪 90年代以后,10
2
W，
设计制造时要考虑：运行时，这些热量如何散出去，
如果这些热散不出去，势必影响其寿命及工作可靠性。
)电厂中为了强化传热和节能而进行的锅炉受热面改造，锅炉保温。
)热工测点怎样布置才能减小测温温差？如测壁温
? 2、与热力学的比较
? 都是以热力学第一（能量守恒）、第二定律（熵增原理）为基础，研究热现象，但侧重点不同。
? 传热学：一个平衡状态到另一个平衡状态热量传递规律
? 热力学：总的能量变化及功热能的相互转换，
? 如烧热的铁棒在水中冷却
? 热力学：整个过程铁棒的放热量
? 传热学：整个过程铁棒的放热量，还有任一时刻铁棒的温度 。
绪言二、传热问题的分类（两种类型）
? 1、计算传递的热流量Ф，用来增强或削弱传热量
? Ф--- 单位时间内通过某一给定面积的热量称为热流量。
单位：W
? q---单位时间内通过单位面积的热流量称为热流密度或面积热流量，W/m
2
。
? 增强：汽车发动机中的散热量 及人发烧需迅速退烧
? 削弱：热力设备管道加保温 人冬天防冷
? 2、确定物体内各点的温度 进行现象判断、温度控制、热应力计算等。
? 启停炉时汽包的热应力监测
? 癌细胞温度高绪言三、热量传递的三种基本方式
? 热传递是一种复杂的现象，在不同的条件下，具有不同的机理，为了便于分析，
我们常把它们分成几种基本的传热方式，
一般认为有三种，热传导,热对流和热辐射。在实际中，往往是这三种方式的不同组合而成的传热方式。
绪言
? 四、求解方法
1,直接测量
2,数值模拟绪言第三章热传递的基本原理绪言第一节导热第二节 对流换热第三节 辐射换热第四节传热过程第一节导热一、基本概念
1、导热定义：当物体内有温度差或两个温度不同的物体相互接触时，在物体各部分之间不发生相对位移的情况下，物质微粒的（分子、原子,自由电子）热运动传递了热量，这种现象叫做热传导，
简称导热。
2、温度场：
? 场：某一瞬时，某一物理量的总称。
矢量场（电场，磁场）和标量场（质量场）
? 温度场：某一瞬间物体内各点温度分布的总称，温度场是时间和空间的函数，可表示为
t=f(x,y,z,τ ) 。
一维,t=f(x,τ ) → t=f(x)为一维稳态二维,t=f(x,y,τ )
三维,t=f(x,y,z,τ )
非稳态,t=f(x,y,z,τ )
稳态,t=f(x,y,z)
随空间变化可分为：
温度场随时间变化可分为：
? 3、等温线（面）：在同一时刻，温度场中温度相同的点所连成的线或面称为等温线或等温面。
? 等温面：同一时刻，物体内部温度相同的点连成的面。
可以是曲面、平面、或封闭的圆环面。
? 等温线：等温面与一平面垂直相交得到的一族线。
? 温度场习惯上用等温面图或等温线图来表示。
? 思考：等温线可以相交吗？沿等温线有热流吗？
? 4、温度梯度（重点理解）：等温面上法线方向上的温度变化率，换言之，就是温度变化率的最大值。
k
z
t
j
y
t
i
x
t
gradt
+
+
=
温度梯度是一个矢量，指向温度升高的方向。单位：k/m 。
二、导热机理材料不同，导热机理不同，从微观角度来看。
固体导电固体金属------自由电子——电的良导体也的热的良导体非导电固体------晶格振动（沙发床），水波似的，弹性波
a.固体
b.气体------ 分子碰撞运动传递（热运动）——杂乱无章的布朗运动。
类似于非导电固体------主要靠弹性波的作用。
c.液体 —持两种观点类似于气体：只是情况更复杂，因为液体分子间的距离比较近，分子间的作用于力对碰撞过程的影响力比气体大。
三、导热基本定律
? 1.导热基本定律：在导热现象中，单位时间内通过给定截面的热量，与温度梯度和截面面积成正比，而方向与其相反。
dx
dt
SQ?∝
dx
dt
SQ= λ
W
W
(注：与热力学不一样，热力学中Q ——总传热量，J或KJ)
2
/.........,mW
dx
dt
q= λ
? 2.比例系数λ——导热系数——
W/(m·℃) 或W/(m· K)
? 导热系数的大小取决于物质的种类和温度。故给出导热系数时，必须指明物质所处的温度，才有意义。
即 固体的导热系数最大，气体的最小，液体的介于两者之间。
? 一般我们要用λ时，可以查资料。如 20摄氏度下。
材料 纯铜 黄铜普通钢铁耐火材料保温材料水 空气
λ 398 110 30-50 1 <0.12 0.599
0.0259
保温材料这些材料呈纤维或多孔结构。根据国家标准
GB4272z中规定，将温度低于 350℃时热导率小于 0.12 W/(m?K)的材料称为保温材料（或绝热材料），如 膨胀塑料、膨胀珍珠岩、矿渣绵、
玻璃棉、岩棉、中孔微珠、微孔硅酸钙 等。常温下空气的热导率为 0.0257W/(m?K)，是很好的保温材料。
四、（稳态）导热计算
1.大平壁导热
? （1 ）单层大平壁导热
? 大平壁：是指平壁的高度和宽度远大于其厚度，这样平壁的端部散热所造成的温差可略去不计。
? 工程中，什么情况下，平壁才可作为大平壁？
Q
? 当平壁两侧壁温保持均匀恒定时，就可认为导热是仅沿壁厚方向上的一维稳态导热。
? 变换得,dx
S
Q
dt
λ
=
cx
S
Q
t +?=
λ
? 两边积分得：
? 代入边界条件：x=0,t= t
w1
和 x=，
t= t
w2
：
12 ww
t
S
Q
t +?= δ
λ
故温度分布与壁厚呈直线关系 。
? 所以：
)(
21 ww
ttSQ?=
δ
λ
W
? 热流密度,)(
21 ww
tt
S
Q
q?==
δ
λ
2
/mW
? 为了记忆：与欧姆定律相比较,
R
U
I =
λ
λ
δ
δ
λ
R
t
S
tt
ttSQ
ww
ww
Δ
=
=?=
21
21
)(
λ
λδδ
λ
r
ttt
ttq
ww
ww
Δ
=
=?=
/
)(
)(
21
21
tΔ
——温压
λ
r
)(
S
R
λ
δ
λ
=
——热阻
0
x
t
t
w1
t
w2
t
w1
tw2
λλ
Rr 或
λ
δ
λ
λ
δ
δ
λ
R
t
S
tt
ttSQ
ww
ww
Δ
=
=?=
21
21
)(
λ
λδδ
λ
r
ttt
ttq
ww
ww
Δ
=
=?=
/
)(
)(
21
21
（2 ）不同导热系数多层平壁导热
S
tt
R
tt
Q
wwww
1
1
21
1
21
)(
λ
δ
λ
=
=
S
tt
Q
ww
2
2
32
λ
δ
=
S
tt
Q
ww
3
3
43
λ
δ
=
)()()(
3
3
2
2
1
1
41
321
41
SSS
tt
RRR
tt
Q
wwww
λ
δ
λ
δ
λ
δ
λλλ
++
=
++
=
3
3
2
2
1
1
41
λ
δ
λ
δ
λ
δ
++
==
ww
tt
S
Q
q
W
2
/mW
2.长圆筒壁导热圆管优点：具有制造简便，受力均匀和节省材料。
以圆形和正方形为例：
3.14*R
2
=3.14*2
2
=12.56m
2
2*3.14*R=2*3.14*2=12.56m
L
2
=3.544009
2
=12.56 m
2
4L=4*3.544009=14.176m
（1 ）单层长圆筒壁导热当圆筒壁很长时，可以忽略轴向端部的散热，且因内、
外壁温均匀恒定，温度只沿径向变化，故可采用柱坐标，
认为是一维稳态导热 。
工 程 中,当 管 外 径小 于管 长 的 1/10时,
就 可 按长 圆 筒 壁 处 理 。
dr
dt
SQ λ?=
dr
dt
lrQ πλ2?=
r
dr
l
Q
dt
πλ2
=
积分得：
cr
l
Q
t +?= ln
2πλ
代入边界条件：r=r
1
，t=t
w1
和r=r
2
，t=t
w2
得
1
2
1
2
21
ln
2
ln
2 d
d
l
Q
r
r
l
Q
tt
ww
πλπλ
==?
故：在圆筒壁内的温度分布与半径呈对数关系，在图上为一对数曲线
λ
πλ
R
tt
d
d
l
tt
Q
wwww 21
1
2
21
ln
2
1
=
=
1
2
ln
2
1
d
d
l
R
πλ
λ
=
-------- 长单层圆筒壁的导热热阻。
l
λ
πλ
r
tt
d
d
tt
l
Q
q
wwww
l
21
1
2
21
ln
2
1
=
==
热流密度：
热流量：
W
mW/
1
2
ln
2
1
d
d
r
πλ
λ
=
-------单位管长上单层圆筒壁的导热热阻。
（2 ）不同导热系数多层圆筒壁导热对于由多层不同材料紧密贴合构成的多层圆筒壁
r
4
r
3
r
2
r
1
t
w1
t
w4
3
4
32
3
21
2
1
41
321
41
ln
2
1
ln
2
1
ln
2
1
d
d
ld
d
ld
d
l
tt
RRR
tt
Q
wwww
πλπλπλ
λλλ
++
=
++
=
3
4
32
3
21
2
1
41
321
41
ln
2
1
ln
2
1
ln
2
1
d
d
d
d
d
d
tt
rrr
tt
l
Q
q
wwww
πλπλπλ
λλλ
++
=
++
==
热流量：
热流密度：
-------- 长多层圆筒壁的导热热阻。
l
W
mW/
-------单位管长上多层圆筒壁的导热热阻。
3
4
32
3
21
2
1
321
ln
2
1
ln
2
1
ln
2
1
d
d
ld
d
ld
d
l
RRRR
πλπλπλ
λλλλ
++=++=
3
4
32
3
21
2
1
321
ln
2
1
ln
2
1
ln
2
1
d
d
d
d
d
d
rrrr
πλπλπλ
λλλλ
++=++=
第三章热传递的基本原理绪言第一节导热第二节 对流换热第三节 辐射换热第四节传热过程第二节 对流换热一、基本概念
1．对流换热：
热对流,流体中，温度不同的各部分之间发生相对运动时所引起的热量传递过程。
对流换热,流体流过固体壁面时的热量传递。它是热传导和热对流综合作用的结果。
对流换热混合对流内部流动外部流动大空间有限空间凝结换热沸腾换热珠状凝结膜状凝结饱和沸腾过冷沸腾流动原因有无相变流体的流态自然对流强迫对流单相介质的对流换热有相变的对流换热层流换热紊流换热
2．层流和紊流流速较小时，流体的黏性力起主导作用，为层流 。
当流速较大时，各流层的脉动加强，惯性力起主导作用，为紊流 。
进水口雷诺数（无因次综合量）
判断方式：
v
dd
R
e
ω
μ
ρω
==
1
1
2
2
3
=
=
=
N
s
m
kg
s
m
N
sm
kg
sP
m
s
m
m
kg
a
当Re<2320 时为稳定层流
Re>1×104 时为旺盛紊流
2320<Re<1× 104时则为流态不确定的过渡阶段二、换热机理层流：主要靠流体与壁面间的导热；
换热机理紊流：层流底层是导热，紊流区是对流换热。比层流换热要大的多。
三、对流换热量的计算（牛顿冷却公式）
S
tt
ttSQ
fw
fw
α
α
1
)(
=?=
W
S——固体壁的换热表面积，m
2;
。，t
t
f
w
约定取正值热温差体
)(t
温度，℃； 换分 别别为壁面温度和流-- t,
w
f
α
——比例系数，称为对流换热系数或放热系数，
W/(m2·℃ )。
Sα
1
-----全壁面的放热热阻。
四、影响对流换热系数因素
——影响流动的因素和流体本身的物理性质
1,流动原因：自然对流、强迫对流
2.流体有无相变（汽化潜热）
3.几何因素：壁面几何形状、大小；
流体与固体接触的相对位置（即内流、外流）。
热面向上内流外流热面向下
4.流体的物理特性：
),,,,,( λμρωα
p
cdf=
普朗特数：
λ
μ
P
r
c
P =
格拉晓夫数,
2
3
v
tdga
G
V
r
Δ
=
努塞尔数：
λ
αd
N
u
=
5.流体有无相变五、对流换热量计算
)(
fw
ttSQ=α
①首先判断流态（层流还是条流）
25043.0
80
)
Pr
Pr
(Pr0210
．
．
．
w
f
f
f
ef
RNu =
2501.043.0
330
)
Pr
Pr
(Pr150
．
．
．
w
f
ff
f
ef
GrRNu =
②根据流体定性温度t
f
（流体）——进出口算术平均值
t
w
（壁面）——壁温
③根据：
λ
αd
N
u
=
λ
α
d
N
u
=
六、流体有相变时对流换热
1．沸腾换热：
沸腾换热：在固体壁面的温度超过与之相接触的液体饱和温度时发生的换热过程。
过冷沸腾（局部沸腾）
沸腾饱和沸腾（整体沸腾）
膜态沸腾核态沸腾
2.凝结换热：
凝结：蒸汽释放出汽化潜热并传给固定壁，凝结后的液体附着在固体壁面上。
凝结换热：在壁面温度低于与之接触的蒸汽压力下的饱和温度时发生的换热过程。
按润湿壁面的能力不同，分：
膜状凝结和珠状凝结。
第三章热传递的基本原理绪言第一节导热第二节 对流换热第三节 辐射换热第四节传热过程第三节 辐射换热一、基本概念
? ⒈辐射：物体通过电磁波传递能量的方式。
电磁波：波长一般用字母 表示，单位 m。
理论波长 0～∞米，本课涉及内容用 m表示。
? ⒉热辐射：由于热的原因物体的内能转化成电磁波的能量而进行的辐射过程。
λ
μ
实际应用：云烟加工；人多屋暖；加工食物（面包）；
加工农作物（东北大豆）；非典红外测温仪。
波长 m
10
-4
10
-8
10
-7
10
-6
10
-5
10
-3
10
-2
10
-1
1 10
4
X
10
7
10
6
10
5
10
3
10
2
10
1
射线射线可见光紫外线红外线无线电波热射线
0.38~0.76
宇宙射线微波γ
μ
波长主要在0.1~ 1000 μ
m
-----热射线
0.38~0.76
μ
m为可见光
0.76~1.4
μ
m的称近红外线
μ
μ1.4~3.0
m称中红外线；3.0~ 1000 m称为远红外线。
只要温度> 绝度零度（0K ）就会产生热辐射。
μ
293K时，可见光占0%,红外线占100%( 而0.76~ 20 m范围内占72.5%),紫外线占 0%。
μ1000K时，可见光占0%,红外线占100%( 而0.76~ 20 m范围内占98.6%),紫外线占 0%。
μ
2000K时，可见光占1.3%,红外线占98.7%( 而 0.76~20 m范围内占98.5%),紫外线占 0%。
μ3000K时，可见光占11.6%,红外线占88.3%( 而 0.76~20 m范围内占88.2%),紫外线占 0.1%。
μ5800K时，可见光占44.8%,红外线占45.1%( 而 0.76~20 m范围内占45.1%),紫外线占 10.1%。
⒊辐射换热：物体之间以热辐射方式进行热量交换的总的效果。
特点,①不需要媒介
②能量转换，即：内能→辐射能→内能
5.吸收率、反射率、透射率：
投射辐射：单位时间内投射到物体单位表面积的能量。
4.辐射力：单位时间内物体单位表面积向外辐射的能量。
E（energy）
③相互性
④辐射表面具有方向性和选择性
Ea
Ed
Ee
Er
edra
EEEE =++
1=++
e
d
e
r
e
a
E
E
E
E
E
E
定义：吸收辐射与投射辐射的比值，称为吸收率，用A 表示。
反射辐射与投射辐射的比值，称为反射率，用R 表示。
透射辐射与投射辐射的比值，称为透射率，用 D表示。
即有：
1=++ DRA
A=1黑体
R=1白体 ——镜面反射时 ——镜体
D=1透热体
①对固体、液体（一般、特殊如：玻璃、水、塑料等透明液体）
进入表面的辐射能在很短的距离内就被物体吸收了。对金属而言，
这个尺寸只有几个微米，对于液体而言，也只有 100微米左右，
这个距离对于整个固体的厚度或液体的深度而言，简直是微乎其微，故一般认为固体、液体不具有透热性，即 D=0，根据
A+R+D=1,有A+R=1，根据该式，不难得出结论,吸收性强的物质其反射性就弱，反之，反射性很强的物质，其吸收性就弱 。
② 对气体，一般认为，R=0,即A+D=1,同理可得出结论
A↑→D ↓或A↓→D ↑
③几种极限情况：
说明
二、热辐射基本定律：
1.黑体模型如：球形空腔内壁的吸收率为0.6,小孔面积为其腔内壁面积的0.6% 时，计算表明，对于从小孔进入空腔的投射辐射，空腔内壁吸收了
0.996。这等效于落到小孔上的投射辐射被小孔吸收了
0.996，即小孔的表观吸收比为0.996。如小孔的面积进一步缩小，小孔的表观吸收比将更接近于1 。
2、斯蒂芬- 玻尔兹曼定律 （俗称四次方定律）：黑体的辐射力E
0
与其热力学温度T 的四次方成正比，即：
4
00
)
100
(
T
CE =
2
/mW
C
0
黑体辐射系数=5.6697W/(m
2
·K
4
)
三、实际物体的辐射和吸收
1．黑度：任何实际物体的辐射力E 均小于同温度下的辐射力E
0
，其比值称为实际物体的黑度，即
0
E
E
=ε
实际物体的辐射力：
4
00
)
100
(
T
CEE εε ==
2
/mW
? 温度的影响：200 ℃，抛光铝,=0.04，
600℃，抛光铝,=0.06；
ε
ε
ε
取决于物体种类、表面状况、温度
ε
ε
ε
? 材料的影响,200 ℃,抛光铸铁,=0.21，
抛光铝,=0.04，抛光金,=0.02；
εε
ε ? 表面状况,40℃，轻度抛光铜,=0.12，
抛光铜,=0.04，高度抛光铜,=0.02；
? 2．基尔霍夫定律：在热平衡的条件下，
实际物体的吸收率在数值上恒等于同温度下该物体的黑度。即,它表明了物体的辐射能力越强，其吸收能力也就越强。
ε=A
? A：与投射辐射的波长有关，所以物体的吸收率 A除与吸收表面自身的性质和温度有关外，还与投射辐射按波长的能量分布有关，而投射辐射按波长的能量分布与投射辐射物体（辐射源）的表面性质和温度有关。也就是说，物体的吸收率既取决于自身的表面性质和温度，又取决于投射物体的表面性质和温度；
ε,仅取决于物体自身的性质和温度。
小知识------ 选择性吸收黑颜色，对可见光（太的光）全部吸收。
白颜色，对可见光（太的光）全部反射 。
红颜色，对红光不吸收，反射出去。
冬天：篝火旁取暖，不会因人穿的白、黑衣服而会感觉冷热。
μ
玻璃：对于波长为2.5 m的光线是透热体，对于大于或小于的波长是黑体。故给小孩晒太阳不能靠透过玻璃窗（紫外线不能穿过）。
下雪不冷，化雪冷。
物体表面的颜色仅对可见光的吸收率有较大影响，而对红外辐射的吸收率影响不大。
三、物体间辐射换热计算：
? 有效辐射：单位时间内离开单位表面积的总辐射能。在数值上等于辐射力 E和反射辐射
Er的总和，记为 Eef。
E=
4
0
)
100
(
T
Cε
E
e
E
A
=AE
e
E
R
=(1-A)E
e
T
A
R
D=0
E
ef
T
1
A
1
R
1
1
D
1
=0
Q
2ef
T
2
A
2
R
2
2
D
2
=0
Q
1ef
efef
QQQ
2121
=
efef
QASEQ
2111
)1(?+=
efef
QASEQ
1222
)1(?+=
41
101
)
100
(
T
CE ε=
42
202
)
100
(
T
CE ε=
11
ε=A
22
ε=A
①
②
③
④
⑤
⑥
⑦
把③代入②得
2121
211
1
])1([
AAAA
EAES
Q
ef
+
+
=
把②代入③得：
2121
122
2
])1([
AAAA
EAES
Q
ef
+
+
=
⑧
⑨
⑩把⑧,⑨代入⑩得：
把④、⑤,⑥,⑦代入⑩得：
]
1
11
[
21
2
2
1
1
21
+
=
AA
A
E
A
E
SQ
]
1
11
)
100
()
100
(
[
21
4241
0
21
+
=
εε
T
C
T
C
SQ
s
ε
εε
=
+ 1
11
1
21
————称为系统黑度
])
100
()
100
[(
4
2
4
1
021
TT
SCQ
s
=
ε
])
100
()
100
[(
4
2
4
1
0
21
21
TT
C
S
Q
q
s
==
ε
W
2
/mW
2．两实际物体构成封闭系统时的辐射换热
I
II
41
101
)
100
(
T
CE ε=
42
202
)
100
(
T
CE ε=
11
ε=A
22
ε=A
①
②
③
④
⑤
⑥
⑦
efef
QQQ
212121
=?
efef
QASEQ
2121111
)1(
+=?
efefef
QAQASEQ
212212222
)1)(1()1(
+?+=?
解①②③④⑤ ⑥ ⑦方程组，最后得：
])
100
()
100
([
11
42
212
41
1
12
2
12
1
0
21
T
S
T
S
C
Q
+?
=?
ε
ε
热平衡时：
0
21
=
Q
21
TT =
2
1
12
S
S
=
)1
1
(
1
1
22
1
1
+
=
εε
ε
S
S
s
-------该系统的黑度
①当S
1
=S
2
，则成为两块大平板间的辐射换热。
例子：
②一个物体换热面积远大于另一个：则
∞?
2
S
0
2
1
S
S
1
1
1
1
ε
ε
ε =≈
s
])
100
()
100
[(
4
2
4
1
10121
TT
SCQ?=
ε
+
=
4
2
4
1
22
1
1
1
2,1
100100
1
11
6697.5 TT
S
S
S
Q
εε
③ 假定人体皮肤温度为35℃，求人体皮肤的辐射力。
解：附录查表得：
ε
=0.98
4
00
)
100
(
T
CEE εε ==
如环境温度为20 ℃,S
1
=1.5m
2
])
100
()
100
[(
4241
10121
TT
SCQ?=
ε
εE= E
0
=0.98×5.67W/(m
2
·K
4
) ×((273+35)/100)
4
K
4
=500 W/m
2
])
100
20273
()
100
35273
[(5.167.598.0
44
+
+
××=
=136W
如：环境温度为 5℃，则
21?
Q
≈252W
第三章热传递的基本原理绪言第一节导热第二节 对流换热第三节 辐射换热第四节传热过程第四节 传热过程一．传热过程分析管壁周围环境管壁内表面管壁外表面 周围环境热水
Q
热水对流换热导热对流换热辐射换热传热过程方框图传热过程,指通过固体壁面使热流体的热量传给冷流体的过程。
壁面的散热量= 对流换热量Q
c
+辐射换热量Q
r
)()()(
fwfwrCrC
ttSttSQQQ?=+=+= ααα
W
C
α
r
α
----对流换热系数,----辐射换热系数。
把辐射换热当作对流换热解决：
fw
f
w
s
r
tt
T
T
C
=
])
100
()
100
[(
44
0
ε
α
)(])
100
()
100
[(
44
0 fwr
f
w
sr
ttS
T
T
SCQ?=?= αε
dx
dt
SQ λ?=
S
tt
ttSQ
fw
fw
α
α
1
)(
=?=
)(])
100
()
100
[(
44
0 fwr
f
w
sr
ttS
T
T
SCQ?=?= αε
tSKQ Δ=
二．计算：
物理学：
t
1
’
t
2
’
m
2
t
1
t
2
m
1
表面式换热器
)()(
'
1
'
2222111
ttCmttCmQ
pp
=?=
1、单层平壁的一维稳态传热：
固体壁的导热传热过程
0
t
f2
t
w
1
t
w2
t
f1
t
x
Q
Q
S
t
f1
t
w1
t
w2
t
f2
S
R
1
1
1
α
α
=
S
R
λ
δ
λ
=
S
R
2
2
1
α
α
=
对其列方程得
)(
111 wf
ttSQ=α
)(
21 ww
ttSQ=
δ
λ
)(
222 wf
ttSQ=α
热流体到壁面的换热壁面与冷流体的对流换热解之得，传热过程的热流量：
21
21
11
)(
αλ
δ
α
++
=
ff
ttS
Q
W
热流密度：
21
21
11
)(
αλ
δ
α
++
==
ff
tt
S
Q
q
2
/mW
单层平壁的传热系数：
0
21
1
11
1
r
K =
++
=
αλ
δ
α
W/(m
2
﹒℃)
21
0
11
αλ
δ
α
++=r
----单层平壁单位传热面积上的热阻对多层平壁：
2
1
1
21
11
)(
αλ
δ
α
++
=
∑
=
n
i
i
i
ff
tt
q
即通过n 层平壁的传热系数：
2
1
1
11
1
αλ
δ
α
++
=
∑
=
n
i
i
i
K
2、多层平壁的一维稳态传热：
3.对单层圆筒壁
r
2
0
x
t
t
w1
r
1
t
w2
t
f1
t
f2
Q
1
α
2
α
λ
t
w1
t
w2
r
2
r
1
t
f2
t
f1
热流体冷流体
1
α
2
α
λ
)(2)(
1111111 wfwf
ttlrttSQ== παα
1
2
21
ln
2
1
d
d
l
tt
Q
ww
=
πλ
)(2)(
2222222 fwfw
ttlrttSQ== παα
221
2
11
21
1
ln
2
11
)(
dd
d
d
ttL
Q
ff
παπλπα
++
=
解之得：
)(
1
ln
2
11
21
221
2
11
21
ffl
ff
ttK
dd
d
d
tt
l
Q
q?=
++
==
παπλπα
W
mW /
12
1
1
11
21
1
ln
2
11
+
=
+
++
=
∑
i
n
i
i
i
ff
dd
d
d
tt
q
παπλπα
3.对多层圆筒壁三、换热器换热器按设备结构按工作原理按流动形式 逆流换热器混合式板翅式换热器表面式再生式管壳式换热器肋片管式换热器板式换热器螺旋板式换热器顺流换热器复杂换热器换热器的分类（按工作原理）
?混合式混合式换热器的工作特点是冷、热流体通过直接接触、
互相混合来实现热量交换
?回热式（或称蓄热式）
蓄热式换热器的工作特点是冷、热两种流体依次交替地流过同一换热面（蓄热体）
? 表面式 （间壁式）
间壁式换热器的特点是冷、热流体由壁面隔开，热量由热流体到冷流体的传递过程.
（在以上几种类型的换热器中，间壁式换热器的应用最为广泛，下面重点加以介绍。 ）
换热器的分类（按结构）
?管壳式换热器：由管子和外壳构成的换热装置
?肋片管式换热器：也称为翅片管式换热器，由带肋片的管束构成
?板式换热器：由若干片压制成型的波纹状金属传热板片叠加而成
?板翅式换热器：由金属板和波纹板形翅片层叠、
交错焊接而成，使冷、热流体的流向交叉
?螺旋板式换热器：由两快平行金属板卷制而成，
构成两个螺旋通道，分别供冷、热流体在其中流动管壳式换热器套管式换热器示意图
典型两流程固定管板式管壳式换热器四流程固定管板式管壳式换热器
U形管管壳式换热器肋片管式换热器肋片管式换热器示意图板式换热器
板翅式换热器板翅式换热器结构示意图螺旋板式换热器螺旋板式换热器结构示意图换热器的分类（按结构）
图5-11 流动型式示意图换热器中流体温度沿程变化示意图热流体热流体冷流体冷流体平均温差
? 对数平均温差
? 算术平均温差
min
max
minmax
m
ln
t
t
tt
t
Δ
Δ
ΔΔ
Δ
=
2
minmax
m
tt
t
ΔΔ
Δ
+
=
2
minmax
≤tt ΔΔ
三、传热的强化与削弱
? 1、强化传热技术
? 2、削弱传热技术（又称隔热保温技术）
1、强化传热技术
(1)主要目的是：
? A、增大传热量；
? B,减少传热面积、缩小设备尺寸、降低材料消耗；
? C,降低高温部件的温度，例如各类发动机、核反应堆、电力、电子设备中元器件的冷却，保证设备安全运行；
? D,降低载热流体的输送功率。
（2）传热过程的强化途径从上式可以看出，传热过程的强化有三条途径：K ↑或S↑或△t
21
21
111
αλα
αλ
δ
α
RRR
t
SSS
t
R
t
KS
t
tSKQ
K
++
Δ
=
++
Δ
=
Δ
=
Δ
=Δ=
A、提高传热系数K
0
21
1
11
1
r
K =
++
=
αλ
δ
α
（单层平板）
0
r
K↓，则 ↑
因为
λ ——跟材料有关，一般用碳钢 ——固定
——安全性 ——也固定
δ
故想提高K,选择改善换热系数小的一侧。对整个传热系数有较大的提高。
提高K 的方法：
)a,采用换热系数更好的工质：如电机冷却：空气
→氢→水 （但水冷难以布置）
)b,提高流体的流速以减薄边界层；
)c,采用内螺纹管、波纹管、扰流子等措施来增加流体的扰动以破坏边界层；
波纹管 螺纹管扰流子
)d,改变管子布置方式和管子形状：
顺列 ——错列 圆管 ——椭圆管
)e,改变表面状况：光滑 ——粗糙；黑度增加强化辐射换热
)f,机械搅拌
)g,表面振动
)h,流体振动
)i,将电磁场作用于流体以促使换热表面附近流体的混合
)j,将异种或同种流体喷入换热介质或将流体从换热表面抽吸走
k,清污除垢
)工程上，绝大多数换热设备的换热面都是由导热系数较高的金属材料制造，又比较薄，所以在没有污垢的情况下，其导热热阻与对流换热热阻相比较小，一般可以忽略。
)由于污垢的导热系数很小，一旦有了污垢（如水垢、
油垢或灰垢），污垢的导热热阻就不可忽视。例如，
1mm厚水垢的导热热阻相当于约40mm 厚普通钢板的导热热阻；1mm 厚灰垢的导热热阻相当于约400mm 厚普通钢板的导热热阻。
)所以防止和及时清除污垢是保证换热设备正常高效运行的重要技术措施。故：吹灰装置，连续及定期排污装置。
B,S↑
)采用小直径管或给换热表面加装肋片，可以在金属耗量不变或增加不多的情况下，使换热面积大增加。
)合理的扩展换热表面还会使表面传热系数增加，同样可以起到减小热阻的作用，因此扩展换热面是工程技术中容易实施、采用最为广泛的强化传热措施。
)例如肋片管式换热器、板式换热器等各种形式的紧凑式换热器，通过加装肋片等方法扩展换热面，取得了高效紧凑的效果，如暖气片。如：水冷壁，由光管密排→
鳍片管膜式水冷壁，不仅改善了密封性，且增加了换热面积。
传热过程的强化有三条途径：K ↑或S↑或△t
C,△ t ↑ （如暖气取暖）
)在对换热器进行分析时已指出，在冷、热流体进、出口温度相同的情况下，逆流的平均温差最大，顺流的平均温差最小，因此从强化传热的角度出发，换热器应当尽量布置成逆流或接近于逆流的混合流布置。
)/ln(
minmax
minmax
tt
tt
t
ar
ΔΔ
Δ?Δ
=Δ
传热过程的强化有三条途径：K ↑或S↑或△t
2、削弱传热技术
(1) 主要目的是：
? A、减少热力设备、载热流体的热损失，节约能源，例如火力发电厂锅炉、汽轮机以及过热蒸汽输送管道的保温等；
? B、维护低温工程中的人工低温环境，防止外界热量的传入，例如冷冻仓库、冷藏车、储液罐以及电冰箱的隔热等；
? C、保护工程技术人员的人身安全，避免遭受热或冷的伤害，创造温度适宜的工作和生活环境。
（2）削弱传热的方法
? 工程上使用最为广泛的方法是在管道和设备上覆盖保温隔热材料使其热阻成千上万倍地增加，
进而总热阻大大增加，从而削弱了传热
? 对于平壁，敷设隔热层必使传热热阻增大，且隔热层越厚热阻越大
2
1
1
0
11
αλ
δ
α
++=
∑
=
n
i
i
i
R
（3）临界热绝缘直径
? 对于圆筒壁，敷设隔热层热阻不一定增大
ldd
d
lld
R
l
221
2
11
1
ln
2
11
παπλπα
++=
ldd
d
ld
d
lld
R
022
0
01
2
111
0
1
ln
2
1
ln
2
11
παπλπλπα
+++=
对于单层圆筒壁：
加一隔热层后：
2
0
0
3
ln
2
1
d
d
l
R
πλ
=
ld
R
02
4
1
πα
=
当隔热层的外径 d
0
增大时，由于分热阻与对流热阻的变化反向，故总热阻 R
0
随 d
0
的变化不直观。
R
0min
R
0
R
3
R
4
R
0
d
0
d
2
d
c
0
总热阻R
0
最小（R
0
min）时所对应的隔热层外径d
0
，称为圆筒壁的临界热绝缘直径，以d
c
表示。
从图中可以看出，当d
0
<d
c
时，d
0
↑时（即加厚隔热层），R
0
↓，
即散热量反面增大。d
0
=d
c
时，散热量达到最大。
只有当d
0
>d
c
时，d
0
↑时( 即加厚隔热层),R
0
↑，即散热量减少。
? 在工程上，绝大多数需要加保温层的管道外径都大于临界绝缘直径，只有当管径很小，保温材料的热导率又很大时，才会考虑临界绝缘直径的问题
0
1
2
1
2
2
0000
0
=?=
αππλ dddd
dR
c
2
0
0
2
dd ==
α
λ
ldd
d
ld
d
lld
R
022
0
01
2
111
0
1
ln
2
1
ln
2
11
παπλπλπα
+++=
临界热绝缘直径，可通过总热阻R
0
对d
0
的一阶导数并令其为零的办法求得，其值为：
本章重点
Z导热基本定理
Z流动流型及判别准则
Z热辐射
Z黑体
Z有效辐射
Z传热系数
Z换热器的类型
Z传热强化及削弱
1、传热学：传热学是研究热量传递规律的一门学科。
? 热量：与过程相关的过程函数，如果不传递，在物体内不叫热量，而是热能。
? 热能：与物体自身温度有关的状态函数。
? 什么时候发生,热量传递” 呢？
? 温差存在——- 热量自发的从高温处传到低温处。
? 日常生活中,
? 烧开水，水壶底结垢后，烧水时间增长，为什么？
? 冬天，上午晒被子，晚上还暖和，为什么？
? 冬夏室内温度都是20 ℃，但是冬穿毛衣夏穿衬衣，
为什么？
? 工程应用中：
? 设备设计、制造、运行离不开传热学绪言
)电子问题：集成电路集成密度↑，发热量↑，每
㎝
2
电路芯片的散热量,20世纪 70年代,10W；20世纪80年代,20~30W；20 世纪 90年代以后,10
2
W，
设计制造时要考虑：运行时，这些热量如何散出去，
如果这些热散不出去，势必影响其寿命及工作可靠性。
)电厂中为了强化传热和节能而进行的锅炉受热面改造，锅炉保温。
)热工测点怎样布置才能减小测温温差？如测壁温
? 2、与热力学的比较
? 都是以热力学第一（能量守恒）、第二定律（熵增原理）为基础，研究热现象，但侧重点不同。
? 传热学：一个平衡状态到另一个平衡状态热量传递规律
? 热力学：总的能量变化及功热能的相互转换，
? 如烧热的铁棒在水中冷却
? 热力学：整个过程铁棒的放热量
? 传热学：整个过程铁棒的放热量，还有任一时刻铁棒的温度 。
绪言二、传热问题的分类（两种类型）
? 1、计算传递的热流量Ф，用来增强或削弱传热量
? Ф--- 单位时间内通过某一给定面积的热量称为热流量。
单位：W
? q---单位时间内通过单位面积的热流量称为热流密度或面积热流量，W/m
2
。
? 增强：汽车发动机中的散热量 及人发烧需迅速退烧
? 削弱：热力设备管道加保温 人冬天防冷
? 2、确定物体内各点的温度 进行现象判断、温度控制、热应力计算等。
? 启停炉时汽包的热应力监测
? 癌细胞温度高绪言三、热量传递的三种基本方式
? 热传递是一种复杂的现象，在不同的条件下，具有不同的机理，为了便于分析，
我们常把它们分成几种基本的传热方式，
一般认为有三种，热传导,热对流和热辐射。在实际中，往往是这三种方式的不同组合而成的传热方式。
绪言
? 四、求解方法
1,直接测量
2,数值模拟绪言第三章热传递的基本原理绪言第一节导热第二节 对流换热第三节 辐射换热第四节传热过程第一节导热一、基本概念
1、导热定义：当物体内有温度差或两个温度不同的物体相互接触时，在物体各部分之间不发生相对位移的情况下，物质微粒的（分子、原子,自由电子）热运动传递了热量，这种现象叫做热传导，
简称导热。
2、温度场：
? 场：某一瞬时，某一物理量的总称。
矢量场（电场，磁场）和标量场（质量场）
? 温度场：某一瞬间物体内各点温度分布的总称，温度场是时间和空间的函数，可表示为
t=f(x,y,z,τ ) 。
一维,t=f(x,τ ) → t=f(x)为一维稳态二维,t=f(x,y,τ )
三维,t=f(x,y,z,τ )
非稳态,t=f(x,y,z,τ )
稳态,t=f(x,y,z)
随空间变化可分为：
温度场随时间变化可分为：
? 3、等温线（面）：在同一时刻，温度场中温度相同的点所连成的线或面称为等温线或等温面。
? 等温面：同一时刻，物体内部温度相同的点连成的面。
可以是曲面、平面、或封闭的圆环面。
? 等温线：等温面与一平面垂直相交得到的一族线。
? 温度场习惯上用等温面图或等温线图来表示。
? 思考：等温线可以相交吗？沿等温线有热流吗？
? 4、温度梯度（重点理解）：等温面上法线方向上的温度变化率，换言之，就是温度变化率的最大值。
k
z
t
j
y
t
i
x
t
gradt
+
+
=
温度梯度是一个矢量，指向温度升高的方向。单位：k/m 。
二、导热机理材料不同，导热机理不同，从微观角度来看。
固体导电固体金属------自由电子——电的良导体也的热的良导体非导电固体------晶格振动（沙发床），水波似的，弹性波
a.固体
b.气体------ 分子碰撞运动传递（热运动）——杂乱无章的布朗运动。
类似于非导电固体------主要靠弹性波的作用。
c.液体 —持两种观点类似于气体：只是情况更复杂，因为液体分子间的距离比较近，分子间的作用于力对碰撞过程的影响力比气体大。
三、导热基本定律
? 1.导热基本定律：在导热现象中，单位时间内通过给定截面的热量，与温度梯度和截面面积成正比，而方向与其相反。
dx
dt
SQ?∝
dx
dt
SQ= λ
W
W
(注：与热力学不一样，热力学中Q ——总传热量，J或KJ)
2
/.........,mW
dx
dt
q= λ
? 2.比例系数λ——导热系数——
W/(m·℃) 或W/(m· K)
? 导热系数的大小取决于物质的种类和温度。故给出导热系数时，必须指明物质所处的温度，才有意义。
即 固体的导热系数最大，气体的最小，液体的介于两者之间。
? 一般我们要用λ时，可以查资料。如 20摄氏度下。
材料 纯铜 黄铜普通钢铁耐火材料保温材料水 空气
λ 398 110 30-50 1 <0.12 0.599
0.0259
保温材料这些材料呈纤维或多孔结构。根据国家标准
GB4272z中规定，将温度低于 350℃时热导率小于 0.12 W/(m?K)的材料称为保温材料（或绝热材料），如 膨胀塑料、膨胀珍珠岩、矿渣绵、
玻璃棉、岩棉、中孔微珠、微孔硅酸钙 等。常温下空气的热导率为 0.0257W/(m?K)，是很好的保温材料。
四、（稳态）导热计算
1.大平壁导热
? （1 ）单层大平壁导热
? 大平壁：是指平壁的高度和宽度远大于其厚度，这样平壁的端部散热所造成的温差可略去不计。
? 工程中，什么情况下，平壁才可作为大平壁？
Q
? 当平壁两侧壁温保持均匀恒定时，就可认为导热是仅沿壁厚方向上的一维稳态导热。
? 变换得,dx
S
Q
dt
λ
=
cx
S
Q
t +?=
λ
? 两边积分得：
? 代入边界条件：x=0,t= t
w1
和 x=，
t= t
w2
：
12 ww
t
S
Q
t +?= δ
λ
故温度分布与壁厚呈直线关系 。
? 所以：
)(
21 ww
ttSQ?=
δ
λ
W
? 热流密度,)(
21 ww
tt
S
Q
q?==
δ
λ
2
/mW
? 为了记忆：与欧姆定律相比较,
R
U
I =
λ
λ
δ
δ
λ
R
t
S
tt
ttSQ
ww
ww
Δ
=
=?=
21
21
)(
λ
λδδ
λ
r
ttt
ttq
ww
ww
Δ
=
=?=
/
)(
)(
21
21
tΔ
——温压
λ
r
)(
S
R
λ
δ
λ
=
——热阻
0
x
t
t
w1
t
w2
t
w1
tw2
λλ
Rr 或
λ
δ
λ
λ
δ
δ
λ
R
t
S
tt
ttSQ
ww
ww
Δ
=
=?=
21
21
)(
λ
λδδ
λ
r
ttt
ttq
ww
ww
Δ
=
=?=
/
)(
)(
21
21
（2 ）不同导热系数多层平壁导热
S
tt
R
tt
Q
wwww
1
1
21
1
21
)(
λ
δ
λ
=
=
S
tt
Q
ww
2
2
32
λ
δ
=
S
tt
Q
ww
3
3
43
λ
δ
=
)()()(
3
3
2
2
1
1
41
321
41
SSS
tt
RRR
tt
Q
wwww
λ
δ
λ
δ
λ
δ
λλλ
++
=
++
=
3
3
2
2
1
1
41
λ
δ
λ
δ
λ
δ
++
==
ww
tt
S
Q
q
W
2
/mW
2.长圆筒壁导热圆管优点：具有制造简便，受力均匀和节省材料。
以圆形和正方形为例：
3.14*R
2
=3.14*2
2
=12.56m
2
2*3.14*R=2*3.14*2=12.56m
L
2
=3.544009
2
=12.56 m
2
4L=4*3.544009=14.176m
（1 ）单层长圆筒壁导热当圆筒壁很长时，可以忽略轴向端部的散热，且因内、
外壁温均匀恒定，温度只沿径向变化，故可采用柱坐标，
认为是一维稳态导热 。
工 程 中,当 管 外 径小 于管 长 的 1/10时,
就 可 按长 圆 筒 壁 处 理 。
dr
dt
SQ λ?=
dr
dt
lrQ πλ2?=
r
dr
l
Q
dt
πλ2
=
积分得：
cr
l
Q
t +?= ln
2πλ
代入边界条件：r=r
1
，t=t
w1
和r=r
2
，t=t
w2
得
1
2
1
2
21
ln
2
ln
2 d
d
l
Q
r
r
l
Q
tt
ww
πλπλ
==?
故：在圆筒壁内的温度分布与半径呈对数关系，在图上为一对数曲线
λ
πλ
R
tt
d
d
l
tt
Q
wwww 21
1
2
21
ln
2
1
=
=
1
2
ln
2
1
d
d
l
R
πλ
λ
=
-------- 长单层圆筒壁的导热热阻。
l
λ
πλ
r
tt
d
d
tt
l
Q
q
wwww
l
21
1
2
21
ln
2
1
=
==
热流密度：
热流量：
W
mW/
1
2
ln
2
1
d
d
r
πλ
λ
=
-------单位管长上单层圆筒壁的导热热阻。
（2 ）不同导热系数多层圆筒壁导热对于由多层不同材料紧密贴合构成的多层圆筒壁
r
4
r
3
r
2
r
1
t
w1
t
w4
3
4
32
3
21
2
1
41
321
41
ln
2
1
ln
2
1
ln
2
1
d
d
ld
d
ld
d
l
tt
RRR
tt
Q
wwww
πλπλπλ
λλλ
++
=
++
=
3
4
32
3
21
2
1
41
321
41
ln
2
1
ln
2
1
ln
2
1
d
d
d
d
d
d
tt
rrr
tt
l
Q
q
wwww
πλπλπλ
λλλ
++
=
++
==
热流量：
热流密度：
-------- 长多层圆筒壁的导热热阻。
l
W
mW/
-------单位管长上多层圆筒壁的导热热阻。
3
4
32
3
21
2
1
321
ln
2
1
ln
2
1
ln
2
1
d
d
ld
d
ld
d
l
RRRR
πλπλπλ
λλλλ
++=++=
3
4
32
3
21
2
1
321
ln
2
1
ln
2
1
ln
2
1
d
d
d
d
d
d
rrrr
πλπλπλ
λλλλ
++=++=
第三章热传递的基本原理绪言第一节导热第二节 对流换热第三节 辐射换热第四节传热过程第二节 对流换热一、基本概念
1．对流换热：
热对流,流体中，温度不同的各部分之间发生相对运动时所引起的热量传递过程。
对流换热,流体流过固体壁面时的热量传递。它是热传导和热对流综合作用的结果。
对流换热混合对流内部流动外部流动大空间有限空间凝结换热沸腾换热珠状凝结膜状凝结饱和沸腾过冷沸腾流动原因有无相变流体的流态自然对流强迫对流单相介质的对流换热有相变的对流换热层流换热紊流换热
2．层流和紊流流速较小时，流体的黏性力起主导作用，为层流 。
当流速较大时，各流层的脉动加强，惯性力起主导作用，为紊流 。
进水口雷诺数（无因次综合量）
判断方式：
v
dd
R
e
ω
μ
ρω
==
1
1
2
2
3
=
=
=
N
s
m
kg
s
m
N
sm
kg
sP
m
s
m
m
kg
a
当Re<2320 时为稳定层流
Re>1×104 时为旺盛紊流
2320<Re<1× 104时则为流态不确定的过渡阶段二、换热机理层流：主要靠流体与壁面间的导热；
换热机理紊流：层流底层是导热，紊流区是对流换热。比层流换热要大的多。
三、对流换热量的计算（牛顿冷却公式）
S
tt
ttSQ
fw
fw
α
α
1
)(
=?=
W
S——固体壁的换热表面积，m
2;
。，t
t
f
w
约定取正值热温差体
)(t
温度，℃； 换分 别别为壁面温度和流-- t,
w
f
α
——比例系数，称为对流换热系数或放热系数，
W/(m2·℃ )。
Sα
1
-----全壁面的放热热阻。
四、影响对流换热系数因素
——影响流动的因素和流体本身的物理性质
1,流动原因：自然对流、强迫对流
2.流体有无相变（汽化潜热）
3.几何因素：壁面几何形状、大小；
流体与固体接触的相对位置（即内流、外流）。
热面向上内流外流热面向下
4.流体的物理特性：
),,,,,( λμρωα
p
cdf=
普朗特数：
λ
μ
P
r
c
P =
格拉晓夫数,
2
3
v
tdga
G
V
r
Δ
=
努塞尔数：
λ
αd
N
u
=
5.流体有无相变五、对流换热量计算
)(
fw
ttSQ=α
①首先判断流态（层流还是条流）
25043.0
80
)
Pr
Pr
(Pr0210
．
．
．
w
f
f
f
ef
RNu =
2501.043.0
330
)
Pr
Pr
(Pr150
．
．
．
w
f
ff
f
ef
GrRNu =
②根据流体定性温度t
f
（流体）——进出口算术平均值
t
w
（壁面）——壁温
③根据：
λ
αd
N
u
=
λ
α
d
N
u
=
六、流体有相变时对流换热
1．沸腾换热：
沸腾换热：在固体壁面的温度超过与之相接触的液体饱和温度时发生的换热过程。
过冷沸腾（局部沸腾）
沸腾饱和沸腾（整体沸腾）
膜态沸腾核态沸腾
2.凝结换热：
凝结：蒸汽释放出汽化潜热并传给固定壁，凝结后的液体附着在固体壁面上。
凝结换热：在壁面温度低于与之接触的蒸汽压力下的饱和温度时发生的换热过程。
按润湿壁面的能力不同，分：
膜状凝结和珠状凝结。
第三章热传递的基本原理绪言第一节导热第二节 对流换热第三节 辐射换热第四节传热过程第三节 辐射换热一、基本概念
? ⒈辐射：物体通过电磁波传递能量的方式。
电磁波：波长一般用字母 表示，单位 m。
理论波长 0～∞米，本课涉及内容用 m表示。
? ⒉热辐射：由于热的原因物体的内能转化成电磁波的能量而进行的辐射过程。
λ
μ
实际应用：云烟加工；人多屋暖；加工食物（面包）；
加工农作物（东北大豆）；非典红外测温仪。
波长 m
10
-4
10
-8
10
-7
10
-6
10
-5
10
-3
10
-2
10
-1
1 10
4
X
10
7
10
6
10
5
10
3
10
2
10
1
射线射线可见光紫外线红外线无线电波热射线
0.38~0.76
宇宙射线微波γ
μ
波长主要在0.1~ 1000 μ
m
-----热射线
0.38~0.76
μ
m为可见光
0.76~1.4
μ
m的称近红外线
μ
μ1.4~3.0
m称中红外线；3.0~ 1000 m称为远红外线。
只要温度> 绝度零度（0K ）就会产生热辐射。
μ
293K时，可见光占0%,红外线占100%( 而0.76~ 20 m范围内占72.5%),紫外线占 0%。
μ1000K时，可见光占0%,红外线占100%( 而0.76~ 20 m范围内占98.6%),紫外线占 0%。
μ
2000K时，可见光占1.3%,红外线占98.7%( 而 0.76~20 m范围内占98.5%),紫外线占 0%。
μ3000K时，可见光占11.6%,红外线占88.3%( 而 0.76~20 m范围内占88.2%),紫外线占 0.1%。
μ5800K时，可见光占44.8%,红外线占45.1%( 而 0.76~20 m范围内占45.1%),紫外线占 10.1%。
⒊辐射换热：物体之间以热辐射方式进行热量交换的总的效果。
特点,①不需要媒介
②能量转换，即：内能→辐射能→内能
5.吸收率、反射率、透射率：
投射辐射：单位时间内投射到物体单位表面积的能量。
4.辐射力：单位时间内物体单位表面积向外辐射的能量。
E（energy）
③相互性
④辐射表面具有方向性和选择性
Ea
Ed
Ee
Er
edra
EEEE =++
1=++
e
d
e
r
e
a
E
E
E
E
E
E
定义：吸收辐射与投射辐射的比值，称为吸收率，用A 表示。
反射辐射与投射辐射的比值，称为反射率，用R 表示。
透射辐射与投射辐射的比值，称为透射率，用 D表示。
即有：
1=++ DRA
A=1黑体
R=1白体 ——镜面反射时 ——镜体
D=1透热体
①对固体、液体（一般、特殊如：玻璃、水、塑料等透明液体）
进入表面的辐射能在很短的距离内就被物体吸收了。对金属而言，
这个尺寸只有几个微米，对于液体而言，也只有 100微米左右，
这个距离对于整个固体的厚度或液体的深度而言，简直是微乎其微，故一般认为固体、液体不具有透热性，即 D=0，根据
A+R+D=1,有A+R=1，根据该式，不难得出结论,吸收性强的物质其反射性就弱，反之，反射性很强的物质，其吸收性就弱 。
② 对气体，一般认为，R=0,即A+D=1,同理可得出结论
A↑→D ↓或A↓→D ↑
③几种极限情况：
说明
二、热辐射基本定律：
1.黑体模型如：球形空腔内壁的吸收率为0.6,小孔面积为其腔内壁面积的0.6% 时，计算表明，对于从小孔进入空腔的投射辐射，空腔内壁吸收了
0.996。这等效于落到小孔上的投射辐射被小孔吸收了
0.996，即小孔的表观吸收比为0.996。如小孔的面积进一步缩小，小孔的表观吸收比将更接近于1 。
2、斯蒂芬- 玻尔兹曼定律 （俗称四次方定律）：黑体的辐射力E
0
与其热力学温度T 的四次方成正比，即：
4
00
)
100
(
T
CE =
2
/mW
C
0
黑体辐射系数=5.6697W/(m
2
·K
4
)
三、实际物体的辐射和吸收
1．黑度：任何实际物体的辐射力E 均小于同温度下的辐射力E
0
，其比值称为实际物体的黑度，即
0
E
E
=ε
实际物体的辐射力：
4
00
)
100
(
T
CEE εε ==
2
/mW
? 温度的影响：200 ℃，抛光铝,=0.04，
600℃，抛光铝,=0.06；
ε
ε
ε
取决于物体种类、表面状况、温度
ε
ε
ε
? 材料的影响,200 ℃,抛光铸铁,=0.21，
抛光铝,=0.04，抛光金,=0.02；
εε
ε ? 表面状况,40℃，轻度抛光铜,=0.12，
抛光铜,=0.04，高度抛光铜,=0.02；
? 2．基尔霍夫定律：在热平衡的条件下，
实际物体的吸收率在数值上恒等于同温度下该物体的黑度。即,它表明了物体的辐射能力越强，其吸收能力也就越强。
ε=A
? A：与投射辐射的波长有关，所以物体的吸收率 A除与吸收表面自身的性质和温度有关外，还与投射辐射按波长的能量分布有关，而投射辐射按波长的能量分布与投射辐射物体（辐射源）的表面性质和温度有关。也就是说，物体的吸收率既取决于自身的表面性质和温度，又取决于投射物体的表面性质和温度；
ε,仅取决于物体自身的性质和温度。
小知识------ 选择性吸收黑颜色，对可见光（太的光）全部吸收。
白颜色，对可见光（太的光）全部反射 。
红颜色，对红光不吸收，反射出去。
冬天：篝火旁取暖，不会因人穿的白、黑衣服而会感觉冷热。
μ
玻璃：对于波长为2.5 m的光线是透热体，对于大于或小于的波长是黑体。故给小孩晒太阳不能靠透过玻璃窗（紫外线不能穿过）。
下雪不冷，化雪冷。
物体表面的颜色仅对可见光的吸收率有较大影响，而对红外辐射的吸收率影响不大。
三、物体间辐射换热计算：
? 有效辐射：单位时间内离开单位表面积的总辐射能。在数值上等于辐射力 E和反射辐射
Er的总和，记为 Eef。
E=
4
0
)
100
(
T
Cε
E
e
E
A
=AE
e
E
R
=(1-A)E
e
T
A
R
D=0
E
ef
T
1
A
1
R
1
1
D
1
=0
Q
2ef
T
2
A
2
R
2
2
D
2
=0
Q
1ef
efef
QQQ
2121
=
efef
QASEQ
2111
)1(?+=
efef
QASEQ
1222
)1(?+=
41
101
)
100
(
T
CE ε=
42
202
)
100
(
T
CE ε=
11
ε=A
22
ε=A
①
②
③
④
⑤
⑥
⑦
把③代入②得
2121
211
1
])1([
AAAA
EAES
Q
ef
+
+
=
把②代入③得：
2121
122
2
])1([
AAAA
EAES
Q
ef
+
+
=
⑧
⑨
⑩把⑧,⑨代入⑩得：
把④、⑤,⑥,⑦代入⑩得：
]
1
11
[
21
2
2
1
1
21
+
=
AA
A
E
A
E
SQ
]
1
11
)
100
()
100
(
[
21
4241
0
21
+
=
εε
T
C
T
C
SQ
s
ε
εε
=
+ 1
11
1
21
————称为系统黑度
])
100
()
100
[(
4
2
4
1
021
TT
SCQ
s
=
ε
])
100
()
100
[(
4
2
4
1
0
21
21
TT
C
S
Q
q
s
==
ε
W
2
/mW
2．两实际物体构成封闭系统时的辐射换热
I
II
41
101
)
100
(
T
CE ε=
42
202
)
100
(
T
CE ε=
11
ε=A
22
ε=A
①
②
③
④
⑤
⑥
⑦
efef
QQQ
212121
=?
efef
QASEQ
2121111
)1(
+=?
efefef
QAQASEQ
212212222
)1)(1()1(
+?+=?
解①②③④⑤ ⑥ ⑦方程组，最后得：
])
100
()
100
([
11
42
212
41
1
12
2
12
1
0
21
T
S
T
S
C
Q
+?
=?
ε
ε
热平衡时：
0
21
=
Q
21
TT =
2
1
12
S
S
=
)1
1
(
1
1
22
1
1
+
=
εε
ε
S
S
s
-------该系统的黑度
①当S
1
=S
2
，则成为两块大平板间的辐射换热。
例子：
②一个物体换热面积远大于另一个：则
∞?
2
S
0
2
1
S
S
1
1
1
1
ε
ε
ε =≈
s
])
100
()
100
[(
4
2
4
1
10121
TT
SCQ?=
ε
+
=
4
2
4
1
22
1
1
1
2,1
100100
1
11
6697.5 TT
S
S
S
Q
εε
③ 假定人体皮肤温度为35℃，求人体皮肤的辐射力。
解：附录查表得：
ε
=0.98
4
00
)
100
(
T
CEE εε ==
如环境温度为20 ℃,S
1
=1.5m
2
])
100
()
100
[(
4241
10121
TT
SCQ?=
ε
εE= E
0
=0.98×5.67W/(m
2
·K
4
) ×((273+35)/100)
4
K
4
=500 W/m
2
])
100
20273
()
100
35273
[(5.167.598.0
44
+
+
××=
=136W
如：环境温度为 5℃，则
21?
Q
≈252W
第三章热传递的基本原理绪言第一节导热第二节 对流换热第三节 辐射换热第四节传热过程第四节 传热过程一．传热过程分析管壁周围环境管壁内表面管壁外表面 周围环境热水
Q
热水对流换热导热对流换热辐射换热传热过程方框图传热过程,指通过固体壁面使热流体的热量传给冷流体的过程。
壁面的散热量= 对流换热量Q
c
+辐射换热量Q
r
)()()(
fwfwrCrC
ttSttSQQQ?=+=+= ααα
W
C
α
r
α
----对流换热系数,----辐射换热系数。
把辐射换热当作对流换热解决：
fw
f
w
s
r
tt
T
T
C
=
])
100
()
100
[(
44
0
ε
α
)(])
100
()
100
[(
44
0 fwr
f
w
sr
ttS
T
T
SCQ?=?= αε
dx
dt
SQ λ?=
S
tt
ttSQ
fw
fw
α
α
1
)(
=?=
)(])
100
()
100
[(
44
0 fwr
f
w
sr
ttS
T
T
SCQ?=?= αε
tSKQ Δ=
二．计算：
物理学：
t
1
’
t
2
’
m
2
t
1
t
2
m
1
表面式换热器
)()(
'
1
'
2222111
ttCmttCmQ
pp
=?=
1、单层平壁的一维稳态传热：
固体壁的导热传热过程
0
t
f2
t
w
1
t
w2
t
f1
t
x
Q
Q
S
t
f1
t
w1
t
w2
t
f2
S
R
1
1
1
α
α
=
S
R
λ
δ
λ
=
S
R
2
2
1
α
α
=
对其列方程得
)(
111 wf
ttSQ=α
)(
21 ww
ttSQ=
δ
λ
)(
222 wf
ttSQ=α
热流体到壁面的换热壁面与冷流体的对流换热解之得，传热过程的热流量：
21
21
11
)(
αλ
δ
α
++
=
ff
ttS
Q
W
热流密度：
21
21
11
)(
αλ
δ
α
++
==
ff
tt
S
Q
q
2
/mW
单层平壁的传热系数：
0
21
1
11
1
r
K =
++
=
αλ
δ
α
W/(m
2
﹒℃)
21
0
11
αλ
δ
α
++=r
----单层平壁单位传热面积上的热阻对多层平壁：
2
1
1
21
11
)(
αλ
δ
α
++
=
∑
=
n
i
i
i
ff
tt
q
即通过n 层平壁的传热系数：
2
1
1
11
1
αλ
δ
α
++
=
∑
=
n
i
i
i
K
2、多层平壁的一维稳态传热：
3.对单层圆筒壁
r
2
0
x
t
t
w1
r
1
t
w2
t
f1
t
f2
Q
1
α
2
α
λ
t
w1
t
w2
r
2
r
1
t
f2
t
f1
热流体冷流体
1
α
2
α
λ
)(2)(
1111111 wfwf
ttlrttSQ== παα
1
2
21
ln
2
1
d
d
l
tt
Q
ww
=
πλ
)(2)(
2222222 fwfw
ttlrttSQ== παα
221
2
11
21
1
ln
2
11
)(
dd
d
d
ttL
Q
ff
παπλπα
++
=
解之得：
)(
1
ln
2
11
21
221
2
11
21
ffl
ff
ttK
dd
d
d
tt
l
Q
q?=
++
==
παπλπα
W
mW /
12
1
1
11
21
1
ln
2
11
+
=
+
++
=
∑
i
n
i
i
i
ff
dd
d
d
tt
q
παπλπα
3.对多层圆筒壁三、换热器换热器按设备结构按工作原理按流动形式 逆流换热器混合式板翅式换热器表面式再生式管壳式换热器肋片管式换热器板式换热器螺旋板式换热器顺流换热器复杂换热器换热器的分类（按工作原理）
?混合式混合式换热器的工作特点是冷、热流体通过直接接触、
互相混合来实现热量交换
?回热式（或称蓄热式）
蓄热式换热器的工作特点是冷、热两种流体依次交替地流过同一换热面（蓄热体）
? 表面式 （间壁式）
间壁式换热器的特点是冷、热流体由壁面隔开，热量由热流体到冷流体的传递过程.
（在以上几种类型的换热器中，间壁式换热器的应用最为广泛，下面重点加以介绍。 ）
换热器的分类（按结构）
?管壳式换热器：由管子和外壳构成的换热装置
?肋片管式换热器：也称为翅片管式换热器，由带肋片的管束构成
?板式换热器：由若干片压制成型的波纹状金属传热板片叠加而成
?板翅式换热器：由金属板和波纹板形翅片层叠、
交错焊接而成，使冷、热流体的流向交叉
?螺旋板式换热器：由两快平行金属板卷制而成，
构成两个螺旋通道，分别供冷、热流体在其中流动管壳式换热器套管式换热器示意图
典型两流程固定管板式管壳式换热器四流程固定管板式管壳式换热器
U形管管壳式换热器肋片管式换热器肋片管式换热器示意图板式换热器
板翅式换热器板翅式换热器结构示意图螺旋板式换热器螺旋板式换热器结构示意图换热器的分类（按结构）
图5-11 流动型式示意图换热器中流体温度沿程变化示意图热流体热流体冷流体冷流体平均温差
? 对数平均温差
? 算术平均温差
min
max
minmax
m
ln
t
t
tt
t
Δ
Δ
ΔΔ
Δ
=
2
minmax
m
tt
t
ΔΔ
Δ
+
=
2
minmax
≤tt ΔΔ
三、传热的强化与削弱
? 1、强化传热技术
? 2、削弱传热技术（又称隔热保温技术）
1、强化传热技术
(1)主要目的是：
? A、增大传热量；
? B,减少传热面积、缩小设备尺寸、降低材料消耗；
? C,降低高温部件的温度，例如各类发动机、核反应堆、电力、电子设备中元器件的冷却，保证设备安全运行；
? D,降低载热流体的输送功率。
（2）传热过程的强化途径从上式可以看出，传热过程的强化有三条途径：K ↑或S↑或△t
21
21
111
αλα
αλ
δ
α
RRR
t
SSS
t
R
t
KS
t
tSKQ
K
++
Δ
=
++
Δ
=
Δ
=
Δ
=Δ=
A、提高传热系数K
0
21
1
11
1
r
K =
++
=
αλ
δ
α
（单层平板）
0
r
K↓，则 ↑
因为
λ ——跟材料有关，一般用碳钢 ——固定
——安全性 ——也固定
δ
故想提高K,选择改善换热系数小的一侧。对整个传热系数有较大的提高。
提高K 的方法：
)a,采用换热系数更好的工质：如电机冷却：空气
→氢→水 （但水冷难以布置）
)b,提高流体的流速以减薄边界层；
)c,采用内螺纹管、波纹管、扰流子等措施来增加流体的扰动以破坏边界层；
波纹管 螺纹管扰流子
)d,改变管子布置方式和管子形状：
顺列 ——错列 圆管 ——椭圆管
)e,改变表面状况：光滑 ——粗糙；黑度增加强化辐射换热
)f,机械搅拌
)g,表面振动
)h,流体振动
)i,将电磁场作用于流体以促使换热表面附近流体的混合
)j,将异种或同种流体喷入换热介质或将流体从换热表面抽吸走
k,清污除垢
)工程上，绝大多数换热设备的换热面都是由导热系数较高的金属材料制造，又比较薄，所以在没有污垢的情况下，其导热热阻与对流换热热阻相比较小，一般可以忽略。
)由于污垢的导热系数很小，一旦有了污垢（如水垢、
油垢或灰垢），污垢的导热热阻就不可忽视。例如，
1mm厚水垢的导热热阻相当于约40mm 厚普通钢板的导热热阻；1mm 厚灰垢的导热热阻相当于约400mm 厚普通钢板的导热热阻。
)所以防止和及时清除污垢是保证换热设备正常高效运行的重要技术措施。故：吹灰装置，连续及定期排污装置。
B,S↑
)采用小直径管或给换热表面加装肋片，可以在金属耗量不变或增加不多的情况下，使换热面积大增加。
)合理的扩展换热表面还会使表面传热系数增加，同样可以起到减小热阻的作用，因此扩展换热面是工程技术中容易实施、采用最为广泛的强化传热措施。
)例如肋片管式换热器、板式换热器等各种形式的紧凑式换热器，通过加装肋片等方法扩展换热面，取得了高效紧凑的效果，如暖气片。如：水冷壁，由光管密排→
鳍片管膜式水冷壁，不仅改善了密封性，且增加了换热面积。
传热过程的强化有三条途径：K ↑或S↑或△t
C,△ t ↑ （如暖气取暖）
)在对换热器进行分析时已指出，在冷、热流体进、出口温度相同的情况下，逆流的平均温差最大，顺流的平均温差最小，因此从强化传热的角度出发，换热器应当尽量布置成逆流或接近于逆流的混合流布置。
)/ln(
minmax
minmax
tt
tt
t
ar
ΔΔ
Δ?Δ
=Δ
传热过程的强化有三条途径：K ↑或S↑或△t
2、削弱传热技术
(1) 主要目的是：
? A、减少热力设备、载热流体的热损失，节约能源，例如火力发电厂锅炉、汽轮机以及过热蒸汽输送管道的保温等；
? B、维护低温工程中的人工低温环境，防止外界热量的传入，例如冷冻仓库、冷藏车、储液罐以及电冰箱的隔热等；
? C、保护工程技术人员的人身安全，避免遭受热或冷的伤害，创造温度适宜的工作和生活环境。
（2）削弱传热的方法
? 工程上使用最为广泛的方法是在管道和设备上覆盖保温隔热材料使其热阻成千上万倍地增加，
进而总热阻大大增加，从而削弱了传热
? 对于平壁，敷设隔热层必使传热热阻增大，且隔热层越厚热阻越大
2
1
1
0
11
αλ
δ
α
++=
∑
=
n
i
i
i
R
（3）临界热绝缘直径
? 对于圆筒壁，敷设隔热层热阻不一定增大
ldd
d
lld
R
l
221
2
11
1
ln
2
11
παπλπα
++=
ldd
d
ld
d
lld
R
022
0
01
2
111
0
1
ln
2
1
ln
2
11
παπλπλπα
+++=
对于单层圆筒壁：
加一隔热层后：
2
0
0
3
ln
2
1
d
d
l
R
πλ
=
ld
R
02
4
1
πα
=
当隔热层的外径 d
0
增大时，由于分热阻与对流热阻的变化反向，故总热阻 R
0
随 d
0
的变化不直观。
R
0min
R
0
R
3
R
4
R
0
d
0
d
2
d
c
0
总热阻R
0
最小（R
0
min）时所对应的隔热层外径d
0
，称为圆筒壁的临界热绝缘直径，以d
c
表示。
从图中可以看出，当d
0
<d
c
时，d
0
↑时（即加厚隔热层），R
0
↓，
即散热量反面增大。d
0
=d
c
时，散热量达到最大。
只有当d
0
>d
c
时，d
0
↑时( 即加厚隔热层),R
0
↑，即散热量减少。
? 在工程上，绝大多数需要加保温层的管道外径都大于临界绝缘直径，只有当管径很小，保温材料的热导率又很大时，才会考虑临界绝缘直径的问题
0
1
2
1
2
2
0000
0
=?=
αππλ dddd
dR
c
2
0
0
2
dd ==
α
λ
ldd
d
ld
d
lld
R
022
0
01
2
111
0
1
ln
2
1
ln
2
11
παπλπλπα
+++=
临界热绝缘直径，可通过总热阻R
0
对d
0
的一阶导数并令其为零的办法求得，其值为：
本章重点
Z导热基本定理
Z流动流型及判别准则
Z热辐射
Z黑体
Z有效辐射
Z传热系数
Z换热器的类型
Z传热强化及削弱
