传热学

绪论

§1-1 “三个W”

§1-2 热量传递的三种基本方式

§1-3 传热过程和传热系数

要求：通过本章的学习，读者应对热量传递的三种基本方式、传热过程及热阻的概念有所了解，并能进行简单的计算，能对工程实际中简单的传热问题进行分析（有哪些热量传递方式和环节）。作为绪论，本章对全书的主要内容作了初步概括但没有深化，具体更深入的讨论在随后的章节中体现。

本章重点：

1.传热学研究的基本问题

物体内部温度分布的计算方法

热量的传递速率

增强或削弱热传递速率的方法

2.热量传递的三种基本方式

(1).导热：依靠微观粒子的热运动而产生的热量传递。传热学重点研究的是在宏观温差作用下所发生的热量传递。

傅立叶导热公式：

(2).对流换热：当流体流过物体表面时所发生的热量传递过程。

牛顿冷却公式：

(3).辐射换热：任何一个处于绝对零度以上的物体都具有发射热辐射和吸收热辐射的能力，辐射换热就是这两个过程共同作用的结果。由于电磁波只能直线传播，所以只有两个物体相互看得见的部分才能发生辐射换热。

黑体热辐射公式：

实际物体热辐射：

3.传热过程及传热系数：热量从固壁一侧的流体通过固壁传向另一侧流体的过程。

最简单的传热过程由三个环节串联组成。

4.传热学研究的基础

傅立叶定律

能量守恒定律+ 牛顿冷却公式 + 质量动量守恒定律

四次方定律

本章难点

1.对三种传热形式关系的理解

各种方式热量传递的机理不同，但却可以（串联或并联）同时存在于一个传热现象中。

2.热阻概念的理解

严格讲热阻只适用于一维热量传递过程，且在传递过程中热量不能有任何形式的损耗。思考题：

1.冬天经太阳晒过的棉被盖起来很暖和，经过拍打以后，效果更加明显。为什么？

2.试分析室内暖气片的散热过程。

3.冬天住在新建的居民楼比住旧楼房感觉更冷。试用传热学观点解释原因。

4.从教材表1-1给出的几种h数值，你可以得到什么结论？

5.夏天，有两个完全相同的液氮贮存容器放在一起，一个表面已结霜，另一个则没有。请问哪个容器的隔热性能更好，为什么?

导热基本定律及稳态导热

§2-1 导热的基本概念和定律

§2-2 导热微分方程

§2-3 一维稳态导热

§2-4伸展体的一维稳态导热

要求：本章应着重掌握Fourier定律及其应用，影响导热系数的因素及导热问题的数学描写——导热微分方程及定解条件。在此基础上，能对几种典型几何形状物体的一维稳态导热问题用分析方法确定物体内的温度分布和通过物体的导热量。

本章重点：

1.基本概念

温度场 t=f(x,y,z,τ)，稳态与非稳态，一维与二维

导热系数λ

２.导热基本定律：

可以认为是由傅立叶导热公式引深而得到，并具有更广泛的适应性。

可以应用于三维温度场中任何一个指定的方向

不要求物体的导热系数必须是常数

不要求沿x方向的导热量处处相等

不要求沿x方向的温度梯度处处相等

不要求是稳态导热

3.导热微分方程式及定解条件

1)导热微分方程式控制了物体内部的温度分布规律，故亦称为温度控制方程只适用于物体的内部，不适用于物体的表面或边界。受到坐标系形式的限制。其推导依据是能量守恒定律和傅立叶定律。

2)定解条件

定解条件包括初始条件和边界条件。

第一类边界条件给定边界上的温度值

第二类边界条件给定边界上的热流密度值

第三类边界条件给定边界对流换热条件

3)求解思路

求解导热问题的思路主要遵循“物理问题?数学描写?求解方程?温度分布?热量计算”

4.一维稳态导热问题的解析解

1)如何判断问题是否一维

2)两种求解方法

对具体一维稳态无内热源常物性导热问题，一般有两种求解方法：一是直接对导热微分方程从数学上求解，二是利用fourier定律直接积分。前者只能得出温度分布再应用fourier定律获得热流量。

3)温度分布曲线的绘制

对一维稳态无内热源导热问题，当沿热流方向有面积或导热系数的变化时，依此很容易判断温度分布。

本章难点：

本章难点是对傅立叶导热定律的深入理解并结合能量守恒定律灵活应用，这是研究及解决所有热传导问题的基础。

思考题：

1.如图所示为一维稳态导热的两层平壁内温度分布，导热系数λ均为常数。试确定：

(1)q1，q2及q3的相对大小；(2) λ1和λ2的相对大小。

2.一球形贮罐内有-196 X的液氦，外直径为2m，外包保温层厚30cm，其λ= 0.6w/m.k。环境温度高达40 X，罐外空气与保温层间的h=5w/m2.k试计算通过保温层的热损失并判断保温层外是否结霜。

3.试推导变截面伸展体的导热微分方程，并写出其边界条件。假设伸展体内导热是一维的。非稳态导热

§3-1非稳态导热的基本概念

§3-1集总参数法

§3-3非稳态导热过程的微分方程分析

要求：通过本章的学习，读者应熟练掌握非稳态导热的基本特点，集总参数法的基本原理及其应用，一维非稳态导热问题的分析解及海斯勒图的使用方法。读者应能分析简化实际物理问题并建立其数学描写，然后求解得出其瞬时温度分布并计算在一段时间间隔内物体所传递的导热量。

本章重点；

一.非稳态导热过程

1.实质：由于某种原因使物体内某点不断有净热量吸收或放出，形成了非稳态温度场。

2.一维非稳态导热的三种情形：见教材图3-3。

3.Bi,Fo数的物理意义

二.集总参数法

1.实质：是当导热体内部热阻忽略不计即Bi?0时研究非稳态导热的一种方法。判别依据：Bi<0.1M。

2.时间常数

3.几点说明：导热体外的换热条件不局限于对流换热。建立导热微分方程的根本依据是能量守恒定律；由Bi数的定义，若h或特征长度d未知时，事先无法知道Bi数的大小，此时先假设集总参数法条件成立，待求出h或d之后，进行校核。

三.一维非稳态导热分析解

1.前提：一维、无内热源、常物性，Bi?或有限大。

2.非稳态导热的正规状况阶段：当Fo>0.2以后，非稳态导热进入正规状况阶段。此时从数学上表现为解的无穷级数只需取第一项，从物理上表现为初始条件影响消失，只剩下边界条件和几何因素的影响。

本章难点：

1.对傅立叶数Fo和毕渥数Bi物理含义的理解。

2.集总参数法和一维非稳态导热问题分析解的定量计算。

思考题：

1.两个侧面积和厚度都相同的大平板，也一样，但导温系数a不同。如将它们置于同一炉膛中加热，哪一个先达到炉膛温度？

2.两块厚度为30mm的无限大平板，初始温度20℃,分别用铜和钢制成，平板两侧表面温度突然上升到60℃，试计算使两板中心温度均上升到56℃时,两板所需时间比。已知a铜=103，a钢=12.9(10-6m2/s)。

3.某同学拟用集总参数法求解一维长圆柱的非稳态导热问题，他算出了Fo和Bi数，结果发现Bi不满足集总参数法的条件，于是他改用Fo和Bi数查海斯勒图，你认为他的结果对吗，为什么？

4.在教材图3-6中，当越小时，越小，此时其他参数不变时越小。即表明越小，平板中心温度越接近流体温度。这说明越小时物体被加热反而温升越快，与事实不符，请指出上述分析错误在什么地方。

5.用热电偶测量气罐中气体的温度，热电偶初始温度20℃，与气体表面h=10w/m2.k，热电偶近似为球形，直径0.2mm。试计算插入10s后，热电偶的过余温度为初始过余温度的百分之几？要使温度计过余温度不大于初始过余温度的1%，至少需要多长时间？已知热电偶焊锡丝的 =67w/m.k，ρ=7310kg/m3，c=228J/kg.k。

第五章对流换热

§5-1 对流换热概说

§5-2 对流换热的数学描写

§5-3 对流换热边界层微分方程组

§5-4 相似理论基础

§5-5 管内受迫流动

§5-6 横向外掠圆管的对流换热

§5-7 自然对流换热及实验关联式

要求；通过本章的学习，读者应从定性上熟练掌握对流换热的机理及其影响因素，边界层概念及其应用，以及在相似理论指导下的实验研究方法，进一步提出针对具体换热过程的强化传热措施。本章主要从定量上计算无相变流体的对流换热，读者应能正确选择实验关联式计算几种典型的无相变换热（管槽内强制对流，外掠平板、单管及管束强制对流，大空间自然对流）的表面传热系数及换热量。

本章重点：

一.对流换热及其影响因素

对流换热是流体掠过与之有温差的壁面时发生的热量传递。导热和对流同时起作用。表面传热系数h是过程量。

研究对流换热的目的从定性上讲是揭示对流换热机理并针对具体问题提出强化换热措施，从定量上讲是能计算不同形式的对流换热问题的h及Q。

对流换热的影响因素总的来说包括流体的流动起因、流动状态、换热面几何因素、相变及流体热物性等。亦说明h是一复杂的过程量，Newton冷却公式仅仅是其定义式。

二.牛顿冷却公式

三.分析法求解对流换热问题的实质

分析法求解对流换热问题的关键是获得正确的流体内温度分布，然后利用式5-3求出h，进而得到平均表面传热系数。

四.边界层概念及其应用

速度和温度边界层的特点及二者的区别。温度边界层内流体温度变化剧烈，是对流换热的主要热阻所在。

数量级对比是推导边界层微分方程组常用的方法。基于：

五.相似原理

对流换热的主要研究方法是在相似理论指导下的实验方法。学习相似理论，应充分理解并掌握三个要点：如何安排实验（应测的量）；实验数据和整理方法；所得实验关联式推广应用的条件。

准则数一般表现为相同量纲物理量或物理量组合的比值，在具体问题中表示的并不是其比值的真正大小，而是该比值的变化趋势。

传热与流动中常见的准则数Re、Pr、Nu、Gr、Bi、Fo，其定义和物理意义是应该熟练掌握的。

六.无相变对流换热的定量计算

注意：

判断问题的性质

选择正确的实验关联式

三大特征量的选取： 、 、

牛顿冷却公式对不同的换热，温差和换热面积有区别

实际问题中常常需要使用迭代方法求解，计算结束时应校核前提条件是否满足。（ 或 则 ，需先假定流态，最后再校核 ）

对流换热常常与辐射换热同时起作用，尤其在有气体参与的场合。

本章难点：

对流换热机理和过程的理解

相似原理和相似准则数意义的理解

定量计算

思考题；

1.管内强制对流换热，为何采用短管或弯管可以强化流体换热？

2.其它条件相同时，同一根管子横向冲刷与纵向冲刷比，哪个的h大，为什么？

3.在地球表面某实验室内设计的自然对流换热实验，到太空中是否仍有效？为什么？

4.由式中没有出现流速， h与流体速度场无关，这样说对吗？

5.一般情况下粘度大的流体其Pr也大。由可知，Pr越大，Nu也越大，从而h也越大，即粘度大的流体其h也越高，这与经验结论相悖，为什么？

6.设圆管内强制对流处于均匀壁温tw的条件，流动和换热达充分发展阶段。流体进口tf`，质量流量为qm，定压比热容为cp，流体与壁面间表面传热系数为h。试证明下列关系式成立：

式中P为管横截面周长，tfx指流体在截面x处平均温度。

7.初温为35 ℃流量为1.1kg/s的水，进入直径为50mm的加热管加热。管内壁温为65 ℃，如果要求水的出口温度为45 ℃，管长为多长？如果改用四根等长、直径为25mm的管子并联代替前一根管子，问每根管子应为多长？

凝结与沸腾换热

凝结换热现象

膜状凝结分析解及实验关联式

影响凝结换热的因素

沸腾换热现象

沸腾换热计算式

影响沸腾换热的因素

要求：通过本章的学习，读者应从定性方面掌握凝结和沸腾两种对流换热方式的特点、影响因素和强化措施，尤其是膜状凝结的影响因素和大容器饱和沸腾曲线。从定量上应掌握竖壁、水平单管和管束的膜状凝结工程计算，以及大容器核态沸腾及临界热流密度的计算。本章重点：

一.凝结换热

1.现象与特点

产生条件是壁面温度<蒸气饱和温度。珠状凝结和膜状凝结的特点、热量传递规律，h珠状>>h膜状，但不能持久。

2.竖壁膜状凝结分析解

Nusselt分析解基于9条假设，视液膜内只有纯导热。因此要获得局部表面传热系数，只需获得该处液膜厚度。

3.膜状凝结的工程计算

流态判别(Re迭代法)；关联式；注意特征长度和定性温度

4.影响因素

掌握膜状凝结诸影响因素，尤其是不凝性气体和蒸气流速的影响机理。

5.凝结换热的强化

当凝结热阻是传热过程主要分热阻时，强化效果较好。强化的原则主要是破坏或减薄液膜层，或加速液膜的排泄。

二.沸腾换热

1.特点

饱和沸腾和过冷沸腾；大容器沸腾和强制对流沸腾；沸腾与蒸发。汽化核心数是衡量强化沸腾的重要参数。

2.大容器饱和沸腾曲线

曲线形式，随着?t ↑，四个不同区域的换热规律和特点。核态沸腾是工业中理想的工作区域，其温差小，换热强。

3.沸腾换热的两种加热方式

控制壁温(改变壁温tw与液体饱和温度ts之差?t=tw-ts，q的大小受沸腾侧影响很大。)

控制热流(改变壁面处的热流密度q，q取决于外部施加的条件，而与h无关)。

4.临界热流密度qmax 的意义

对热流可控：使q< qmax，保证设备安全运行不致烧毁

对壁温可控：使?t< ?tc，保证设备有较高的传热效率

5.沸腾换热的工程计算

计算公式的拟合误差一般较大，因为沸腾换热机理复杂，受加热表面影响很大。

6.汽化核心

结合汽化核心概念理解沸腾换热机理，结合大容器饱和沸腾曲线了解气泡的生成、长大、脱离、破裂等规律

7.沸腾换热影响因素和强化

沸腾换热影响因素就是气泡生长运动的影响因素。强化沸腾换热的主要出发点是增加壁面汽化核心数，基本手段是沸腾表面的特殊加工。

本章难点：

凝结与沸腾换热机理和过程的理解

层流膜状凝结Nusselt简化分析的理解

沸腾换热中烧毁点的理解

思考题：

1.竖壁倾斜后其凝结换热表面传热系数将如何变化？为什么？

2.为什么蒸气中含有不凝性气体会影响凝结换热的强度？

3.两滴完全相同的水在大气压下分别滴在表面温度为120和400 的铁板上，哪块板上的水先被烧干？为什么？

4.在电厂动力冷凝器中主要冷凝介质是水蒸气，制冷系统的冷凝器中介质是氟利昂蒸气。在工程实际中常常要强化制冷设备中的凝结换热，而不强化电力设备中的，为什么？

5.压力为1.013 105Pa的饱和水蒸气，用壁温为90 的水平铜管来凝结。方案一是用一根直径为10cm的铜管，方案二是用10根直径为1cm的铜管。其他条件都相同，哪个方案产生的凝液量多？

6.一竖管，管长为管径的64倍。为使管子竖放与平放的凝结表面传热系数相等，必须在竖管上安装多少个泄液盘？设相邻泄液盘之间距离相等。

热辐射基本定律及物体的辐射特性

§7-1 热辐射的基本概念

§7-2 黑体辐射基本定律

§7-3 实际物体的发射特性

§7-4 实际物体的吸收特性

要求：本章重点是了解热辐射的特点，掌握热辐射的一些基本概念，学习并理解描写黑体辐射的几个基本定律。理解基尔霍夫定律的含义及其作用，了解灰体与黑体、特别是灰体与实际物体的差异。

本章重点：

一.热辐射和黑体辐射

1.热辐射

1)热辐射指物体由于热的原因发射电磁波的过程。对工程实际的大多数问题来说，热辐射特性主要是红外线的特性，因此不能用可见光的理论来解释。

2)固体和液体的辐射和吸收是在物体表面上进行，而气体却在整个容积中进行。由此对固体和液体在研究发射和吸收特性时，均只研究半球空间。

3)黑体的定义是吸收比为1的物体，它是研究辐射换热最重要的简化模型。实际物体的辐射与吸收都以黑体为参照对象。在相同温度的物体中，黑体的辐射能力和吸收能力都是最大的。

4)“漫射体”和“灰体”是辐射换热研究中另外两个重要模型。漫射体是指辐射特性与方向无关的物体，灰体是指单色吸收比α(λ)与波长无关的物体。

2.斯蒂芬-玻尔兹曼(S-B)定律

Eb=σT4 w/m2

3.普朗克(Planck)定律和维恩(Wien)位移定律

Planck定律描述黑体的Eb λ随λ变化的规律。Ebλ=f(λ,T)，某一T的曲线与横轴之间的面积代表了该T下的Eb，并且T越高，曲线的峰值越往短波方向移动。T?λm=常数就是Wien 位移定律。

4.兰贝特(Lambert)定律

Lambert定律描述的是黑体辐射能量在半球空间不同方向上的分布规律。应注意此时是指半球空间某一指定方向全部波长能量的分布规律，在不同方向上能量的比较，只有在相同立体角的基础上才有意义。

Lambert定律表明，虽然黑体辐射沿半球空间各方向的能量不相同(沿表面法线方向最大，切线方向最小)，但定向辐射强度却相同，这是由于定向辐射力的定义中强调的是辐射表面的面积，而定向辐射强度中用到的是可见辐射面积，所以表面法线方向可见辐射面积最大，其辐射能亦最大，切线方向可见面积为零，则辐射能也为零。黑体的定向辐射强度=常数。具有这种特性的表面即为漫射表面。漫射表面并非一定是黑体表面。

5.黑体辐射函数

Fb(0- λ)表示某一T下物体在0- λ波长范围内黑体辐射能占同T下黑体辐射力的百分比。它用来计算黑体或实际物体的辐射。见教材例7-4，7-5。

二. 实际物体的辐射特性

灰体和漫射体是实际物体的两种有效简化。

1)物体的发射率只取决于其表面特性,与外界条件无关

2)对同种材料而言一般有?粗糙面>?磨光面，?氧化表面>?非氧化面

3)光滑表面的?=0.95 ?n，粗糙表面的?=0.98 ? n 。工程中一般假定?(υ)= ? n = ?，但高度磨光金属表面?=1.2 ? n

4)实际物体辐射力并非严格与T4呈正比，但通常仍用T4表示，而把其它复杂因素归于?中。

5)实际物体在表面法线方向大约υ=0~60°范围内的定向发射率均保持常数，而表面发射的辐射能绝大部分集中在这一区域，因此通常认为金属和非金属表面为漫射表面。

三. 实际物体的吸收特性

实际物体的吸收特性远比其发射特性复杂，吸收比不仅取决于自身表面特性，还对投入辐

射的波长具有选择性。灰体是对实际物体的吸收比进行抽象简化后的理想模型，它的α(λ)5α=常数。

对灰体的理解，只要在所研究的辐射能覆盖的波长范围内α(λ)5常数即可，而不必追求对所有波长都严格成立

四. 基尔霍夫(Kirchhoff)定律

Kirchhoff定律将实际物体的发射率与吸收比联系起来。α(T)= ?(T)要求该物体在与黑体处于热平衡时成立。对漫射灰体而言，则恒有α(T)= ?(T)，而不需要附加条件。

1) Kirchhoff 定律的三种不同表达式及其成立条件

2)研究有太阳辐射的情形时，不可随意利用α(λ)= ?(λ)这一条件，因为太阳辐射不能作为灰体

3)对漫灰表面α(T)= ?(T)，表明同温度下黑体辐射力最大，善于发射的物体必善于吸收，对黑体α= ?=1

4)引入Kirchhoff定律后，物体的α与?被联系在一起，由于物体的?只取决于自身的温度及表面状况，一般文献中只给出?的数据。

本章难点：

对辐射强度定义的理解，

对Lambert定律意义的认识

引入漫灰表面的原因、作用和适用条件

Kirchhoff定律的成立条件

思考题：

1.解释下列名词：定向辐射强度、立体角、光谱发射率、灰体、漫射表面

2.北方深秋的清晨常有霜降，试问树叶上、下表面的哪一面结霜？为什么？

3.“善于发射的物体必善于吸收”，即物体辐射力越大其吸收比也越大，你认为对吗？

4.窗玻璃对红外线几乎不透明，为什么隔着玻璃晒太阳会感到暖和？

5.选择太阳能集热器的表面涂料时，其α(λ)的最佳曲线应是怎样的？取暖用的辐射采暖片也应该用这种涂料吗？

6.白天，投射到水平屋顶上的太阳照度Gs=1100w/m2，室外空气tf=27 ，有风吹过时空气与屋顶的h=25w/m2K，屋顶下表面绝热，上表面发射率?=0.2，对太阳辐射的吸收比αS=0.6，求稳定状态下屋顶的温度。设太空温度为绝对零度。

7.一个100W的灯泡在工作时，钨丝温度为2778K，钨丝表面黑度为0.3。求其发光效率。辐射换热计算

§8-1 角系数

§8-2 两固体表面间的辐射换热

§8-3 多表面系统的辐射换热

§8-4 辐射换热的强化与削弱

§8-5 气体辐射

要求：本章要求掌握角系数的定义、性质及计算方法。重点是利用代数分析法计算角系数。还要求读者熟练运用有效辐射概念及辐射网络图对两漫灰表面及三个漫灰表面组成的封

闭腔系统进行辐射换热的计算。理解辐射换热强化与削弱的原理、遮热板的原理及应用。本章重点：

一.角系数

1.角系数反映的是能量分配的关系，与物体发射辐射在空间不同方向的分布、两物体的几何形状及物体间距离有关。

2.漫发射体对其它物体的角系数是纯几何参数。

3.角系数的相对性、完整性和可加性是求角系数的基本关系式。

二.物体间的辐射换热计算

1.用漫灰体代替实际物体，辐射换热计算大为简化。因为：角系数是纯几何参数且α=ε。

2.投入辐射G和有效辐射J

一个辐射面的投入辐射是辐射系统中所有其它辐射面投向该面的热辐射总和。

一个辐射面的有效辐射是离开这个面的所有热辐射，包括本身热辐射及反射热辐射本身热辐射只与该辐射面的特性有关，反射热辐射与其所在的辐射系统有很大关系。

一个辐射面(J-G)的大小决定了该面是吸收热量或放出热量。

3.表面辐射热阻和空间辐射热阻

表面辐射热阻表示一个物体参与辐射换热能力与黑体的差别。其大小与表面的辐射特性ε吸收特性α都有关系，只是在ε=α时有较为简单的表达式。

空间辐射热阻表示两个辐射面由于空间位置所引起的辐射换热能力的减小，其大小只与两表面间的空间结构有关。

4.等效网络图法

辐射网络画好后，建立热辐射方程主要依据两个原理：其一是能量守恒，即流入某一节点的热量之代数和为零；其二是辐射热流率等于辐射驱动力除以辐射热阻的原理。

重辐射面和黑体的区别：虽然看起来二者都有J=Eb。对重辐射面来说J=Eb是一个浮动热势，它与其它表面的J及空间热阻有关。而对黑体表面来说，J=Eb是源热势，不依赖于其它表面。二者在网络图上亦有区别。

5.辐射换热计算的要求

我们所讨论的辐射换热计算是基于如下前提的：

1)封闭腔模型

2)稳态换热

3)所有表面不透明，但表面被透热介质隔开

4)表面具有漫灰性质

5)每一表面的有效辐射J是均匀的。

6)不计对流换热

三.辐射换热的强化与削弱

1.遮热板的原理：加入一块遮热板增加了两个表面热阻和一个空间热阻，因此辐射换热降低

2.遮热板的应用：教材例8-9，8-10

四.气体辐射特点

气体辐射对波长的选择性，容积性，不同气体辐射本领有差异。“温室效应”现象的解释辐射换热名词术语汇总

黑体、灰体、漫射体、封闭腔、重辐射面

辐射力E、光谱辐射力Eλ、发射率(黑度)ε、定向辐射强度L、有效辐射J、投入辐射G 吸收比α、反射比ρ、穿透比τ、光谱吸收比α(λ)、黑体辐射函数Fb(0-λ)

S-B定律、Planck定律、Wien位移定律、Lambert定律、Kirchhoff定律

角系数Xi，j、角系数性质

表面的净辐射换热量φi、辐射换热量φ i，j、表面辐射热阻、空间辐射热阻

遮热板、透热介质

立体角Ω、网络法

思考题：

1.试解释下列名词：有效辐射，表面辐射热阻，重辐射面，遮热板

2.黑体和重辐射面都有J=Eb。是否意味着二者有相同的性质？

3.在太阳系中地球和火星距太阳的距离相当，为什么火星表面温度昼夜变化要比地球大得多？

4.试求下列各图情形中的X1，2

5.一直径为0.8m的薄壁球形液氧贮存容器，被另一个直径为1.2m的同心薄壁容器所包围。两容器表面为不透明的漫灰表面，黑度均为0.05，两容器表面之间是真空的。如果外表面的温度为300K，内表面温度为95K，试求由于蒸发使液氧损失的质量流量。液氧的蒸发潜热为。

传热过程与换热器

§9-1 复合换热过程

§9-2 传热过程分析和计算

§9-3 传热的增强与削弱

§9-4 换热器

§9-5 换热器的热计算

要求：通过本章学习，从定量上应熟练掌握复合换热的分析计算、传热过程的分析计算、对数平均温差计算、间壁式换热器的设计和校核计算。从定性角度应掌握传热过程的热阻分析方法、临界热绝缘直径的含义、综合传热问题的分析方法。

本章重点：

一.传热过程

1.传热过程的分析方法

工程传热计算中引入传热系数和传热过程是因为流体进出口温度远比壁温容易测量。

传热过程是一个复杂的物理过程，一个完整的传热过程至少有三个换热环节串联而成，每个串联环节又可能是若干个换热方式的并联。传热系数应理解成复合换热的表面传热系数。

传热系数计算是换热器热计算的基础。对圆管壁、肋壁计算传热系数时，应注意以哪一侧面积为基准，同时还应考虑污垢热阻的影响。

有效利用热阻分析法分析实际的传热过程，分析强化与削弱传热的效果。

比较传热过程壁面两侧的热阻大小应以总面积热阻1/hA为依据，而不能光看单位面积热阻1/h。参例9-2。

2.临界热绝缘直径

在热量传递方向上面积发生变化时，表面加保温层一方面使导热热阻增加，但却使对流热阻减小，因此在圆柱或球的外表面加保温层都存在临界热绝缘直径的问题。

一般动力管道能满足d2>dc，无须考虑临界热绝缘直径。工业输电线直径很小，外加绝缘层还能起到增加散热的作用。

二.换热器型式及对数平均温差

1.对数平均温差

因为冷热流体温度沿换热面不断变化，才引入对数平均温差。

对数平均温差的物理意义：即冷热流体温度分布曲线之间的面积大小。

2.各种流动型式的比较

冷热流体进出口温度一样时，逆流的对数平均温差最大，顺流最小。其余流动形式介于其间。

逆流换热器有较高的效率，但是冷热流体各自最高温度位于换热器同侧，对材料要求高。所以常在高温区布置为顺流，在低温区布置成逆流，以避免冷热流体的最高温度在同一侧。

三.换热器的热计算

设计计算和校核计算是换热器热计算的两种基本类型。二者最大的区别是已知条件中是否有kA。从步骤上看设计计算通常无须迭代，校核计算常用迭代法。迭代收敛的判据是热平衡偏差小于5%。

方法在校核计算时也需假定温度以获得k，但流体温度假定的偏差大小对k的影响不大，LMTD法中温度的假定直接影响Q的大小。从这一角度说方法有一定优越性，但LMTD法中可以清楚地知道 值的大小，以便评价换热器流动形式的优劣。实际应用中采用何方法多是行业习惯所然

思考题：

1.在换热器流体温度变化图中，冷热流体温度变化大小与其热容量有何关系？

2.对壳管式换热器来说，两种流体在下列情况下如何布置才合理?1)清洁与不清洁的；2)腐蚀性大与小的；3)温度高与低的；4)压力大与小的；5)流量大与小的；6)粘度大与小的。

3.为强化一台冷油器的传热，有人提高冷却水的流速，效果却不明显，试分析原因。

4.热水在两根相同的管内同速流动，管外分别采用空气和水进行冷却。经过一段时间后管内生成一样厚度的水垢。试问水垢对哪一根管子的传热系数影响大？为什么？

5.一种工业流体在顺流换热器中被油从300 ℃冷却到140 ℃，油的进出口温度分别是44 ℃和124 ℃。试确定：

1)传热面积足够大时,该流体在顺流换热器中能冷到的最低温度；

2)传热面积足够大时,该流体在逆流换热器中能冷到的最低温度；

3)流体进出口温度相同时,顺流与逆流换热器传热面积之比。假定两种情形的k和Q相同。

6.有一逆流式换热器，用30℃冷水将100℃机油冷却到60℃，已知水和油的流量分别是0.6kg/h、0.1kg/h。求换热器的传热面积。设k=400W/m2K。