环境工程原理

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第五节 辐射传热
热辐射的能力与温度有关，随着温度的升高，热辐射的作 用将变得越加重要；高温时，热辐射将起决定作用。
理论上，物体热辐射的电磁波波长可以包括电磁波的整 个波谱范围
电磁波谱
在工程中有实际意义的热辐射波长在0.4～20μm，而且大部
分能量位于红外线区段，即0.8～20μm。
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第五节 辐射传热
实际上，流体流动使传热增强。 流体的流动增大了壁面处的温度梯度，使壁面处的热通 量较静止时大
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第三节 对流传热
(一) 流动边界层的传热机理及温度分布
（2）湍流边界层 由边界层的流动情况决定
湍流区
湍流中心
缓冲层 层流底层
层流底层中，热量传导主要依靠导热进行，符合傅立叶定律， 温度分布几乎为直线；
由于流体的导热系数较低，使层内导热热阻很大，因
《环境工程原理》 第I篇
环境工程原理基础
1
第I篇 环境工程原理基础
本篇主要内容 第二章 质量衡算与能量衡算 第三章 流体流动 第四章 热量传递 第五章 质量传递
2
第四章 热量传递
本章主要内容
第一节 热量传递的方式 第二节 热传导 第三节 对流传热 第四节 换热器及间壁传热过程计算 第五节 辐射传热
11
b
1
K
1
rS1
rS2
2
1 1 1
K 1 2
若
2 1
11
K 1
2 1
1 1
K 2
间壁外侧对流传热控制 间壁内侧对流传热控制
若污垢热阻很大，则称为污垢热阻控制，此时 欲提高必须设法
减慢污垢形成速度或及时清除污垢
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第四节 换热器及间壁传热过程计算
(三) 传热推动力 与换热器中两流体的温度变化情况及两流体的 相互流动方向有关
此该层中温度差较大，温度分布曲线的斜率大。
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第三节 对流传热
(一) 流动边界层的传热机理及温度分布
湍流区
湍流中心 缓冲层
层流底层
在湍流中心，质点强烈脉动，使主体部分的温度趋于均一， 热量传递主要依靠对流进行，导热所起的作用很小；
温度梯度很小，即传热热阻很小，温度分布曲线趋于平坦。
缓冲层中，质点的脉动较弱，对流与导热的作用大致处于同等 地位，由于对流传热的作用，温度梯度变小。
（二）总传热系数
Q KAT 传热基本方程
总传热系数 取定的面积 A1 A2 Am
表示换热设备性能的极为重要的参数
以外表面积作为基准
热侧为外侧时
11b 1
KA1 1A1 Am 2 A2
对于平壁或薄管壁
A1 A2 Am
1 1 b 1
K 1 2
1 1 bA1 A1
K 1 Am 2 A2
(一) 流动边界层的传热机理及温度分布
T0 层流区
湍流区
TW
（1）层流边界层
流体层与层之间无流体质点的宏观运动，在垂直于流动方 向上，热量的传递通过导热进行。
与静止流体中的导热一样吗？
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第三节 对流传热
(一) 流动边界层的传热机理及温度分布
在静止的流体中 在层流流动的流体中
机理相同 大小变化
质点发生相对位移 对流传热
工程中常见的对流传热过程
流体的热交换
——间 壁式换热器的换热过程
热交换器（换热器）
套管式换热器
列管式换热器
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第三节 对流传热
（3）间壁式换热器热量传递过程： （1）热量由热流体传给固体壁面 对流传热 （2）热量由壁面的热侧传到冷侧 导热 （3）热量由壁面的冷侧传到冷流体 对流传热
对流 导热 对流 9
（1）流动对传热的贡献 搅拌杯中热水 ——加快热水冷却 人站在冷风里 ——与站在背风的地方相比感觉要冷得多
在高温的夏季里，打开电扇 ——人会感到凉快 电扇风速越大，感觉愈凉快些
流体流动使对流传热速率加快
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第三节 对流传热
（2）对流传热过程
对流传热过程是热传导与对流联合作用的结果
7
第三节 对流传热
第三节 对流传热
（4）对流传热问题的分类 强制对流传热
热水冷却
蒸汽冷凝
套 管式换热器
流体在外加能量的作用 下处于流动状态 流体在传热过程中有无相变
自然对流传热
暖气片
流体由于内部温度差 产生密度差而流动
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第三节 对流传热
一、影响对流传热的因素
（1）物性特征 v 流体的密度或比热容 越大，流体与壁面间的传热速率越大 v 导热系数 越大，热量传递越迅速； v 流体的黏度 越大，越不利于流动，会削弱与壁面的传热。
一、换热器的分类与间壁式换热器
夹套式换热器
平板式换热 器
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第四节 换热器及间壁传热过程计算
二、间壁传热过程计算
外侧
Th
内侧
Q
热流体通过间壁将热量传给冷 流体的过程分为三步 ：
（1）热流体将热量传给固体壁面
－对流传热
热
流 体
冷
流 （2）热量从壁的热侧面传到冷侧面
体
－导热
（3）热量从壁面传给冷流体
1 2 Tc
(二) 热辐射对物体的作用 投射辐射 总能量
反射
吸收
QA QR QD Q
QA QR QD 1 QQQ
穿透
QA A Q
QR R Q
QD D Q
物体对投射辐射的吸收率 反射率 穿透率
R1 R2
2πL πd2L
传导热阻 对流传热热阻
Tc1
R1
ln(d2 / d1)
2π L
R2
1
πd2 L
热传导 当保温层厚度增加（即d 2增大）时
R1
R2
Q?
23
dQ
2πL(Tc1
Tf
)
1
2d
2
1
d22
0
dd2
ln(d2 /
d1
)
1
d2
由此得到热损失Q 为最大值时的保温层直径：
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第四节 换热器及间壁传热过程计算
污垢热阻
比间壁的热阻大得多
难以准确估计，采用经验值
1 K
1
1
rS1
bA1
Am
rS2
A1 A2
A1
2 A2
外侧表面上单位传热 内侧表面上单位传热
面积的污垢热阻
面积的污垢热阻
对于平壁或薄管壁，有
1 K
1
1
rS1
b
rS2
1
2
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第四节 换热器及间壁传热过程计算
间壁式换热器
错流
并流
逆流
变温传热
折流
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第四节 换热器及间壁传热过程计算
（1）逆流和并流时的传热温差
Tc2
Th1
Tc1 Tc1
Th1
Th1
T1
Tc2
逆流
Th2
Th1
Th2
T1
T2
Tc1
Tc1
Tc2 Th2 Th2
T2
Tc2
并流 36
第三节 对流传热
在换热器的传热量及总传热系数相同的条件下，采用逆流 操作，其优点是： （1）可以节省传热面积，减少设备费； （2）或可以减少换热介质的流量，降低运行费。
流体被冷却时
T T TW
与流体相接触的传热 壁面的温度，K
在流体被加热时 T TW T
流体的温度
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第三节 对流传热
(一) 牛顿冷却定律 局部对流传热系数 W/(m2·K) 在传热过程中，温度沿程变化，因此对流系数为局部
的参数。在实际工程中，常采用平均值进行计算，因此 牛顿冷却定律可写成
Q AT
水强制对流
1000～15000
水蒸气冷凝
5000～15000
有机蒸气冷凝
500～2000
水沸腾
2500～25000
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第三节 对流传热
四、保温层的临界直径
设备和管道保温的方法是在其外部包装绝热材料
问题：保温层的厚度？越厚越好？
d1 d2
Tf
对流传热
Q
Tc1 Tf
Tc1 Tf
ln(d2 / d1) 1
－对流传热
A1
Am b
A2
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第四节 换热器及间壁传热过程计算
（一）总传热速率方程
外侧
Th
内侧
热侧流体对壁面的传热速率为
Q1 1A1(Th ThW )
ThW
热 流
体 Q1
1
A1
TcW
冷
流 体
Q Q2
2 Tc
Am b
A2
冷侧流体对壁面的传热速率为
Q2 2 A2 (TcW Tc )
通过间壁的传热速率为
传热过程的阻力主要集中在传热边界层内， 传热阻力取决于传热边界层的厚度。
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第三节 对流传热
(二) 传热边界层 流动边界层厚度与传热边界层厚度间的关系 取决于普兰德数Pr
Pr＝1时， δ＝δT
δ>δT
温度变化主要在层流
δ 底层中，热阻主要集
δT
中在层流底层中
ν Pr = a
= μ cp λ
a
c p
d2
2
dc
保温层的临界直径
保温层的临界厚度
dc d1
2
如果保温层的外径小于临界直径即 d2 dc
dQ 为正值
dd 2
即增加保温层的厚度反而使热损失增加。
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第四章 热量传递
本章主要内容
第一节 热量传递的方式 第二节 热传导 第三节 对流传热 第四节 换热器及间壁传热过程计算 第五节 辐射传热
表明分子动量传递能力和分子热量传递能力的比值。 19
第三节 对流传热
三、对流传热速率
(一) 牛顿冷却定律 dQ dAT
流体与固体壁面dA 之间的温差，K
与传热方向垂直的
通过传热面dA的局部 对流传热速率，W 局部对流传热系数，或称
微元传热面积，m2
为膜系数，W/（m2·K）
牛顿冷却定律：通过传热面的传热速率正比于固体壁面与周围 流体的温度差和传热面积 。
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第五节 辐射传热
一、辐射传热的基本概念
(一) 热辐射
辐射：物体通过电磁波来传递能量的方式 热辐射：由于热的原因而发出辐射能的过程
热力ห้องสมุดไป่ตู้温度在零度以上的任何物体，总是不断地把热能 变为辐射能，向外发出辐射；同时也不断地吸收周围物体 投射到它上面的热辐射，并转变为热能。 ——辐射传热
热平衡时，热辐射存在，但辐射传热量为0
（ 3）提高传热系数
设法减少对传热系数影响最大的热阻
①提高流体的速度
②增强流体的扰动 ④在气流中喷入液滴
⑤采用短管换热器
③在流体中加固体颗粒 ⑥防止结垢和及时清除污垢
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第四章 热量传递
本章主要内容
第一节 热量传递的方式 第二节 热传导 第三节 对流传热 第四节 换热器及间壁传热过程计算 第五节 辐射传热
因此，在实际工程中多采用逆流操作
逆流操作的缺点：
热、冷流体的最高温度集中在换热器的一端，使 得该处的壁温较高。
对于高温换热器，应避免采用逆流操作
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第四节 换热器及间壁传热过程计算
三、强化换热器传热过程的途径
（ 1）增大传热面积 采 用小直径管、异形表面、加装翅片等
（ 2）增大平均温度差
改 变两侧流体相互流向 提 高蒸汽的压强可以提高蒸汽的温度 增 加管壳式换热器的壳程数
3
热传导
q Q dT A dy
傅立叶定律
Q (T1 T2 ) T
R
R
R b
A
R b
Am
传热的推动力 传热速率=
导热热阻
4
第四章 热量传递
本章主要内容
第一节 热量传递的方式 第二节 热传导 第三节 对流传热 第四节 换热器及间壁传热过程计算 第五节 辐射传热
5
第三节 对流传热
流体中质点发生相对位移而引起的热量传递过程 对流传热仅发生在流体中 对流传热与热传导的区别： 流体质点的相对位移
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第四节 换热器及间壁传热过程计算
一、换热器的分类与间壁式换热器
按用途分 加热器、预热器、过热器、蒸发器、 再沸器、冷却器、冷凝器
按交换方式分 间壁式 直接接触式 蓄热式
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第四节 换热器及间壁传热过程计算
一、换热器的分类与间壁式换热器
蛇管式换热器
套管式换热器
列管式换热器
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第四节 换热器及间壁传热过程计算
对流传热速率也可以用对流传热热阻表示，即
Q
T 1
导热热阻
A
1 为对流传热热阻
R b
A
A
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第三节 对流传热
（二）对流传热系数
不是物性参数，与很多因素有关，其大小取决于流体物性、
壁面情况、流动原因、流动状况、流体是否有相变等
换热方式
空气自然对流
5～25
气体强制对流
20～100
水自然对流
200～1000
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第三节 对流传热
(一) 流动边界层的传热机理及温度分布
湍流区
热阻分布情况？
湍流传热速率的大小？
湍流中心 缓冲层 层流底层
湍流传热时，流体从主流到壁面的传热过程也为稳态的串联 传热过程，热阻集中在层流底层上。
减 少层流底层厚度是强化传热的重要途径
湍流传热速率远大于层流。
湍流流动中存在流体质点的随机脉动，促使流
Q b Am (ThW TcW )
在稳态情况下 Q1 Q2 Q
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第四节 换热器及间壁传热过程计算
（一）总传热速率方程
Q
Th Tc
1b 1
1A1 Am 2 A2
传热过程总推动力 T Th Tc
传热总热阻
R 1 b 1 总热阻等于各 1A1 Am 2 A2 项热阻之和
31
第四节 换热器及间壁传热过程计算
（2）几何特征 固体壁面的形状、尺度、方位、粗糙度、是否处于管 道进口段以及是弯管还是直管等。
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第三节 对流传热
一、影响对流传热的因素
（3）流动特征 流动起因（自然对流、强制对流） 流动状态（层流、湍流） 有无相变化（液体沸腾、蒸汽冷凝） 流体对流方式（并流、逆流、错流）
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第三节 对流传热
二、对流传热的机理
体在y方向上掺混，传热过程被强化
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第三节 对流传热
(二) 传热边界层
（1）传热边界层
δT
壁面附近因传热而使流体温
度发生变化的区域
（2）传热边界层的厚度δT
（即存在温度梯度的区域）
将(T-TW)＝0.99(T0-TW)处作为传热边界层的界限，该界限到 壁面的距离称为边界层的厚度。
边界层以外的区域认为不存在温度梯度。