工程热力学与传热学-§12-3 传热的强化与削弱
《工程热力学和传热学》复习资料
热工复习资料绪论热工学分为两部分：工程热力学和传热学二者区别：工程热力学主要研究能量（特别是热能）的性质及其与机械梦或其他形式能之间相互转换规律;传热学是研究热量传递规律的学科第一章复习重点1．边界(界面)：热力系与外界的分界面特性：固定、活动、真实、虚构2．几种热力系统(1)闭口热力系统—与外界无物质交换的热力系统。
(2)开口热力系统—与外界有物质交换的热力系统。
(3)绝热热力系统—与外界无热量交换的热力系统。
(4)孤立热力系统—与外界无任何联系的热力系统。
（5简单可压缩系统—与外界只有热量和机械功交换的可压缩系统3．状态参数分类：（1）与质量无关不可相加的参数，称为强度参数如压力、温度、密度（2）与质量成正比可以相加的参数，广延参数。
如容积，内能、熵4．热工学中常用状态参数有六个：压力、比容、温度、内能、焓、熵基本状态参数：压力 p（此处的压力是指绝对压力非表压力或真空度）、温度 T、比容 v 5．绝对压力、环境压力和相对压力之间的关系,可写出如下3个关系式,从中整理出所求量。
当P>Pb时为表压力：P=Pg+Pb；当P<Pb时为真空度：P=Pb-Pv6．平衡状态：指热力系在无外界影响的条件下，宏观性质不随时间变化的状态；要达到平衡状态必须满足热平衡和力平衡两个条件，若存在化学反应或相变包括化学平衡、相平衡7．引入平衡状态的目的：整个热力系统可用一组统一的并具有确定数值的状态参数来描述状态，便于分析热力学问题8.状态公理：对组成一定的闭口系，独立状态参数个数 N=n+1独立参数数目N=不平衡势差数=各种功的方式+热量= n+1 简单可压缩系统独立状态参数个数：N = n + 1 = 29过程：热力系从一个状态变化到另一个状态所经历全部状态的集合10．准静态过程定义：在无限小势差的推动下，由一系列连续的平衡状态组成的过程称为准平衡过程，也称为准静态过程。
条件: 推动过程进行的势差无限小。
工程热力学课件第十二章
tw2 t f 2 1 A2h2
定义肋面总效率： ＝( A ＋A f ) / A2 2 2
A2 h2 ( t w 2 t f 2 )
定义肋侧总面积： A 2＝A ＋A 2 2
当h1/h2=3~5时，选较小的低肋 当h1/h2 >10时，选较大的高肋
复合换热
对流换热与辐射换热同时存在的换热过程称为复合 换热
r 辐射换热表面传热系数hr： hr At t w f
式中r为辐射换热量
复合换热的表面传热系数为: h=hc+ hr
总换热量：
c r hc A( t w t f ) hr A( t w t fR 2 Rh 2
tf1 tf 2 d d 1 1 1 1 ln 2 ln 3 d1h1 21 d1 22 d 2 d3h2
例题
例题12－1 热电厂中有一水平放置的蒸汽管道，内径d1，壁厚 1，导热系数为1，外包厚度2的保温层，保温材料的导热系 数为2。管内蒸汽温度tf1，管内表面传热系数h1，保温层外表 面复合传热系数h2，周围空气的温度t已知。试计算单位长度 蒸汽管道的散热损失l及管道外壁面与周围环境辐射换热的表 面传热系数hr2。 求解思路： 2、管道外壁面与周围环境辐射换热的表面传热系数hr2 复合换热的表面传热系数为: h2=hc2+ hr2 如何求得管道外壁面的对流换热表面传热系数hc2？ 对流换热类型？定性温度？特征数关联式？Nu hc2
§12－1传热过程
肋化系数
肋化系数的影响因素：
A2 A1
增加肋高，可加大，但增加肋高，会降低肋片效 率，不利于传热 减小肋间距，使肋片加密，也会加大 ，但肋间 距过密，会增大肋间流体的流动的阻力，不利于 传热。
§10-2 传热的增强和削弱
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§ 10-2
传热的增强和削弱
强化传热的目的： ①缩小设备尺寸；
②提高热效率；
③保证设备安全。
削弱传热的目的：
减少热量损失
Heat Transfer
建筑工程系
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§ 10-2
传热的增强和削弱
在忽略换热器金属壁的导热热阻和不计入污垢热阻的情况下：
强化传热的效果。添加剂可以是固体或液体，
它与换热的主流体组成气-固、液-固、汽-液
以及液-液混合流动系统。
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（4）改变表面状况 a、增加粗糙度
b、改变表面结构
c、表面涂层
Heat Transfer
能强化换热。它特别适用于强化局部点的传热。
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（3）使用添加剂改变流体物性 流体热物性中的导热系数和容积比热对 换热系数的影响较大。在流体内加入一些添
加剂可以改变流体的某些热物理性能，达到
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本章小结
一、增强传热的方法 二、隔热保温技术
作业：复习、预习
Heat Transfer
感谢所有资料原始持有人的辛勤劳动！
传热学10.5 热量传递过程的控制(强化与削弱)
12强化传热的目的：缩小设备尺寸、提高热效率、保证设备安全削弱传热的目的：减少热量损失根据不同的需求，对于实际传热的传热过程，有时需要强化，有时则需要削弱。
显然，根据不同的传热方式，强化和削弱传热的手段应该不同，本节主要针对对流换热过程的强化和削弱1 强化传热的原则和手段(1) 强化换热的原则：哪个环节的热阻大，就对哪个环节采取强化措施。
举例：以圆管内充分发展湍流换热为例，其实验关联式为：4.08.0Pr Re 023.0f f Nu =2.04.08.08.06.04.0023.0d uc h pηρλ=3(2) 强化手段: a 无源技术(被动技术)b 有源技术(主动式技术)a 无源技术(被动技术)：除了输送传热介质的功率消耗外，无需附加动力其主要手段有：①涂层表面；②粗糙表面；③扩展表面；④扰流元件；⑤涡流发生器；⑥螺旋管；⑦添加物； ⑧射流冲击换热b 有源技术(主动式技术)：需要外加的动力其主要手段有：①对换热介质做机械搅拌；②使换热表面振动；③使换热瘤体振动；④将电磁场作用于流体以促使换热表面附近流体的混合；⑤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。
45对换热器而言，随着强化措施的完善，污垢热阻有时会成为传热过程的主要热阻，因此，需要给换热器的设计提供哈里的污垢热阻的数据，这就需要实验测定，可是实验测出来的是总表面传热系数，那么如何将总的传热系数分成各个环节的热阻呢？下面的威尔逊图解法提供了一种有效途径2 确定传热过程分热阻的威尔逊图解法利用数据采集系统可以测定壁面和流体的温度，从而获得平均温差，利用热平衡方程式获得热流量，换热面积可以根据设计情况获得，这样就可以通过传热方程式计算出总表面传热系数。
这是威尔逊图解法的基础。
我们已管壳式换热器为例，说明如何应用威尔逊图解法获得各个分热阻。
6ioi f w o o d dh R R h k 111+++=工业换热器中的管内流体的流动一般都是处于旺盛湍流状态，因此，8.0i i i u c h =总表面传热系数可以表示成：8.01111ud d c R R h k i o i f w o o +++=(保持h o 不变)b (物性不变)m 8.011u m b k o +=mXb Y +=管侧的对流换热系数8.0i i i uc h =ioi d dm c 1=其中：壳侧的对流换热系数fw o R R h b ++=178.011u m b k o +=mX b Y +=f w o R R h b ++=1(保持ho 不变)b (物性不变)m 8.01111ud dc R R h k i o i f w o o +++=ioi d dm c 1=8.0i i i u c h =威尔逊图解法810.5.5 隔热保温技术(1) 需求背景(2) 高于环境温度的热力设备的保温多采用无机的绝热材料(3) 低于环境温度时，有三个档次的绝热材料可供选择， a 一般性的绝热材料；b 抽真空至10Pa的粉末颗粒热 材料；c 多层真空绝热材料。
工程热力学与传热学-13传热的强化与削弱
以换热器内的传热过程为例：
4
§12-3 传热的强化与削弱
? 传热强化有两条途径：
（1）加大传热温差 ? tm
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。
8
第十二章小结
重点掌握以下内容： （1） 传热过程的分析方法（单层、多层平壁、圆筒壁及 肋壁的传热过程）； （2）了解换热器的类型、掌握换热器计算的平均温差法； （3）强化和削弱传热的原理和方法。
9
作业
P356-358 习题 12-1、8
10
11
（2）减小传热热阻 Rk
1）多布置换热面，增加总传热面积 A，可降低总传热热
阻，加大传热量。
2）降低污垢热阻。
3）减小对流换热热阻 Rh1、Rh2。如果两个热阻相差较大，
应抓住主要矛盾，设法减小其中最大的热阻。
5
§12-3 传热的强化与削弱
? 强化对流换热的方法： （1）扩展换热面（加装肋片） （2）改变换热面的形状、大小和位置
如管内强迫对流湍流换热
用直径小的管子或者用椭圆管代替圆管（减小当量直径） 都可以取得强化对流换热的效果。
再如管外自然对流换热和凝结换热，管子水平放置时的表 面传热系数一般要高于和竖直放置。
6
§12-3 传热的强化与削弱
（3）改变换热面表面状况 如表面粗糙度，可以强化单相流体的湍流换热； 在换热表面形成一层多孔层可以强化沸腾换热；
§12-3 传热的强化与削弱
§12-3 传热的强化与削弱
传热工程技术是根据现代工业生产和科学实践的需要而 发展起来的科学与工程技术，其主要任务是按照工业生产和 科学实践的要求来控制和优化热量传递过程。
工程热力学与传热学热工学第12章Radiation Heat Transfer
式中α、ρ和τ分别为吸收率、反射率和透射率。
对于大多数的固体和液体： 0, 1
对于不含颗粒的气体： 对于黑体：
图2 物体对热辐射 的吸收反射和穿透
0, 1
1镜体或白体：
1 透明体：
1
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黑体、白体和透明体都是假定的理想物体
a 辐射不依靠物质的接ຫໍສະໝຸດ 进行热量传递，可以在真空中进行。 b 辐射换热过程伴随能量形式的两次转化。 c 任何物体，只要温度高于0K，就会不停地向周围空间发 出热辐射；辐射换热是指物体之间相互辐射和吸收的总效 果。当物体与环境处于热平衡时，其表面上的热辐射仍在 不停地进行，但其辐射换热量等于零。
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c1 — 第一辐射常数，3.743×10-16 Wm2； c2 — 第二辐射常数，1.4387×10-2 mK；
图12-6是根据上式描绘的黑体光谱辐射力随波长和温度的依变
关系。可见某一温度下的Ebλ有一个最大值，对应波长为λm， λm与 T 的关系由维思Wien位移定律给出，
mT 2.8976103 m K
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(3) 兰贝尔余弦Lanbert定律
(黑体辐射的第三个基本定律) ：
它给出了黑体定向辐射与立体角的关系。
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4 基尔霍夫定律（实际物体与灰体的辐射）
实际物体的辐射力与同温度黑体的辐射力之比称为该 物体的黑度（或发射率）。
辐射与黑体在形式上完全一样，只是减小了一个相
同的比例。 自然界中并不存在灰体，仅作为一种假想物体。
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工程热力学与传热学17)传热过程解剖
对流 辐射 烟气
管外壁 导热
1
2
2021/6/9
传热过程
管内壁 对流
3
蒸汽
5
换热设备传热过程
锅炉炉墙的散热过程
烟气→墙内壁→ 保温1外→保温2外→墙外壁→空气
辐射
导热
导热
导热
对流
其热路图为：
烟气
tf1 q
1/α1
δ1/λ1 δ2/λ2 δ3/λ3 1/α2
空气
tf2
2021/6/9
传热过程
6
包有保温材料的蒸汽管道的散热过程
；如过热器的传热，水冷壁的传热；冷油器中的换热，凝汽
器中的换热等。
➢ 特点：
① 传热过程有时存在三种基本传热方式；
② 一个传热过程至少由三个环节组成；
③ 传热过程中，放热和吸热同时进行。
2021/6/9
传热过程
4
电厂中换热设备传热过程
过热器传热过程
管壁
对流
导热 对流
烟
烟 辐射
蒸
气
气
汽
蒸蒸 烟 汽汽 气
传热过程
14
2、多层平壁的传热
tf1 q
1/α1
δ1/λ1 δ2/λ2
多层平壁传热的热路图
tf2 1/α2
rk1 k 1 11 12 2 12
q t rk
R k A 1 k A 1 11 A 1 1 1 A 2 22 A 2 12
t Rk
如：锅炉炉墙散热，汽轮机汽缸壁散热均属多层
• 传热热阻：
整个面积的传热热阻：Rk
1 KA
单位传热面积热阻：
1 rk K
• 不同的传热过程，其传热系数和传热热阻的具体表达式不同
制冷系统的传热强化与削弱
17:27
6
6.5 制冷系统的传热强化与削弱
6.5.4 制冷系统中的隔热
1. 隔热目的：减少冷量损失，提高经济性；表面高于露点温度，防凝露或结霜； 2. 理想隔热材料：热导率小，抗湿性强，耐火性强，不易霉烂并能避免虫蛀鼠
咬，持久耐用，便于加工和施工；
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7
5
6.5 制冷系统的传热强化与削弱
6.5.3 添加纳米颗粒强化传热
1. 纳米颗粒与流体混合，制成纳米颗粒悬浮液，强化传热，降低输送功耗； 2. 纳米颗粒强化传热机理：金属及其氧化物纳米颗粒后，悬浮液导热系数增大；
颗粒之间、颗粒和流体间、颗粒与壁面间相互作用；颗粒增加湍流强度，截 面温度均匀，减小层流底层厚度； 3. 纳米悬浮液配置及强化换热特性：纳米颗粒小尺寸效应，颗粒表面有较强极 性，易团聚在一起，形成聚合体而沉淀，悬浮稳定性很关键；可加分散剂， 或超声波震荡，打散聚合体；
1. 强化传热方法： （1）制冷剂凝结和沸腾换热强化： a.内微肋管，对于流动凝结，微肋可使凝结液膜变薄并增大换热面积；对于流 动沸腾，微肋提供汽化核心、增加表面张力，增大传热面积。 b.强化管外凝结换热的低肋管及横纹管，氟利昂卧式壳管式冷凝器，低肋铜 管；氨采用横纹管，节距合适，表面张力对凝结液起控制作用，凝结液由 沟槽处滴落，光滑液膜薄效果好，节距太大，重力起控制作用，冷凝液从 光滑段滴落，而非沟槽，效果差； c.管外沸腾强化换热：T字型槽道，T与T的顶部间距0.2～0.25mm，底部有 较宽的螺旋形槽道，底部槽道气泡运动会冲刷壁面生长的气泡，增加气泡 脱离频率
2. 评价的困难：表面传热系数增大效果和伴随的流体泵功耗增大相比是否合 适？即收益和代价的比值。
3. 单相对流传热，有如上公式，大于1，则强化措施有价值。 4. 蒸发或冷凝相变换热，工质压降对蒸发或冷凝温度有影响，影响了换热量，
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（1）增大传热量； （2）减少传热面积、缩小设备尺寸、降低材料消耗； （3）降低高温部件的温度，保证设备安全运行； （4）降低载热流体的输送功率。
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§12-3 传热的强化与削弱
2. 削弱传热的主要目的
（1）减少热损失，节约能源； （2）维护人工低温环境，减少外界热量的传入； （3）保护人身安全，免遭热或冷的伤害，创造温度适宜的工 作和生活环境。
（2）减小传热热阻 Rk
1）多布置换热面，增加总传热面积A，可降低总传热热
阻，加大传热量。
2）降低污垢热阻。
3）减小对流换热热阻Rh1、Rh2。如果两个热阻相差较大，
应抓住主要矛盾，设法减小其中最大的热阻。5源自§12-3 传热的强化与削弱
强化对流换热的方法： （1）扩展换热面（加装肋片） （2）改变换热面的形状、大小和位置
§12-3 传热的强化与削弱
§12-3 传热的强化与削弱
传热工程技术是根据现代工业生产和科学实践的需要而 发展起来的科学与工程技术，其主要任务是按照工业生产和 科学实践的要求来控制和优化热量传递过程。
传热工程技术 的两个方向
强化传热技术
削弱传热技术 （隔热保温技术）
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§12-3 传热的强化与削弱
无论是强化传热还是削弱传热，一般都是从改变传热温 差和改变传热热阻两方面入手。
以换热器内的传热过程为例：
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§12-3 传热的强化与削弱
传热强化有两条途径：
（1）加大传热温差 tm
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。
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第十二章小结
重点掌握以下内容： （1） 传热过程的分析方法（单层、多层平壁、圆筒壁及 肋壁的传热过程）； （2）了解换热器的类型、掌握换热器计算的平均温差法； （3）强化和削弱传热的原理和方法。
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作业
P356-358 习题 12-1、8
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如管内强迫对流湍流换热
用直径小的管子或者用椭圆管代替圆管（减小当量直径） 都可以取得强化对流换热的效果。
再如管外自然对流换热和凝结换热，管子水平放置时的表 面传热系数一般要高于和竖直放置。
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§12-3 传热的强化与削弱
（3）改变换热面表面状况 如表面粗糙度，可以强化单相流体的湍流换热； 在换热表面形成一层多孔层可以强化沸腾换热；
在换热面上加工成沟槽或螺纹，或对换热表面进行处 理造成珠状凝结，是强化凝结换热的实用技术；
增加表面黑度强化辐射换热。
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§12-3 传热的强化与削弱
（4）改变流体的流动状况 湍流换热强度要大于层流；对流换热热阻主要集中在边
界层；湍流换热的主要热阻在层流底层。加大流速实现湍流 换热、增强流体扰动、破坏边界层及层流底层，是强化对流 换热的主要方法。