传热学一传热学1.定义:传热学是研究热量传递过程规律的科学。2.内容：导热对流换热辐射换热传热和换热器3.应用：介绍在建筑环境与设备工程领域中的应用。二传热的基本方式1.导热：是指物体各部分无相对位移或不同物体直接接触时依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而进行的热量传递的现象。或导热热阻的物理意义：具有单位温差的单位厚度物体，在它的单位面积上每单位时间的导热量，2.热对流：热对流指流体中温度不同的各部分物质在空间发生宏观相对运动引起的热量传递现象。热对流通常不能以独立的方式传递热量，它必然伴随着热传导。对流换热：流体与固体壁间的换热称为对流换热对流换热是流体流过固体壁面且由于其与壁面间存在温差时的热量传递现象，它与流体的流动机理密不可分；同时，由于导热也是物质的固有本质，因而对流换热是流体的宏观热运动(热对流)与流体的微观热运动(导热)联合作用的结果。基本规律：牛顿冷却公式对流换热热阻：3.热辐射：当物质微观粒子(原子)内部的电子受激和振动时，将产生交替变化的电场和磁场，所发出电磁波向空间传播，即为热辐射。从物理本质上讲，热辐射(thermalradiation)和其他所有各种辐射一样，都是电磁波。它们之间的内在区别是导致发射电磁波的激励方式不同，而外在表现是发射的波长不一样，以及吸收该电磁波之后所引起的效应不同。热辐射的特点与导热及对流有着显著的不同之处。基本规律：黑体辐射的斯蒂藩玻耳兹曼定律。三传热过程1.热量从壁一侧的流体通过壁传递给另一侧流体，称为传热过程。3.传热热阻：传热系数K是表征传热过程强弱的物理量。既然对流换热表面传热系数h是过程量，它常作为传热过程的一个环节，因而传热系数也是过程量。传热过程广泛存在于各种实际换热装置中。在稳态过程中，通过每一换热环节所传递的热量都是相等的，从原则上讲根据每环节的换热方式均可计算传递的热量，但在采用傅里叶定律及牛顿冷却公式计算时，式中均含有壁面温度。而工程实际中壁温的测量难度比流体温度的测量难度大。而在传热方程中只需已知冷、热流体的温度。三种热量传递方式并不是单独出现，在传热过程中三种热量传递方式常常联合起作用四、凝结与沸腾换热凝结与沸腾换热1、凝结换热在工程上和日常生活中存在着大量发生相变的传热过程，如蒸汽的凝结、液体的沸腾、液体的蒸发、液体的凝固以及固体的熔化等。当流体在与固体壁面进行相变换热过程中，因流体潜热的释放或吸收而使这种热交换过程的强度远大于同种流体无相变时的换热强度。而且当流体为饱和流体时，相变换热过程中流体温度将不发生变化。一、凝结换热分类一、凝结换热分类蒸汽与温度低于其饱和温度的固体壁面接触时，就会放出汽化潜热而凝结成液体依附于壁面上。根据冷凝液的流动状况，凝结换热可分为膜状凝结和珠状凝结。冷凝液能够很好地浸润固体壁面，也就是液体对壁面附着力液体的表面张力,那么冷凝液就会沿着壁面形成稳定的液膜，我们称之为膜状凝结；如果冷凝液不能够很好地浸润固体壁面，也就是液体对壁面附着力液体的表面张力,那么冷凝液就会在壁面上形成一个个小的液珠，我们称之为珠状凝结。二、凝结换热机理二、凝结换热机理在膜状凝结时由于冷凝壁面被冷凝液覆盖，凝结只能在膜的表面进行，蒸汽凝结放出的汽化潜热必须通过导热和对流方式传递给液膜后由壁面带走，故膜的厚薄及其运动状态(层流或紊流)对换热的影响很大，形成膜状凝结的主要热阻，而这些又取决于壁的高度(液膜流程长度)以及蒸气与壁的温度差。一般地说，层流膜状凝结表面传热系数是随壁的高度及温度差的增加而降低，而紊流膜状凝结与此相反。在珠状凝结时，由于冷凝液不能完全覆盖冷凝壁面，可认为换热是在蒸气与液珠表面和蒸气与裸露的壁之间进行的，由于液珠的表面积比它所占的壁面面积大很多，而且裸露的壁面无液膜形成的热阻，故珠状凝结的换热性能远比膜状凝结为好，而具有很高的表面传热系数。在一般工业设备中均为膜状凝结，因为珠状凝结很不稳定，目前还难于获得实用的持久性珠状凝结过程(除水银等不润湿壁面的介质外)。三、膜状凝结换热影响因素三、膜状凝结换热影响因素包括影响膜的厚薄及其运动状态各个影响因素，如液膜流态(层流、紊流)、凝结壁面位置(水平壁、竖壁、倾斜壁，管束排列数)，壁面形状(管内、管外)等，此外还有诸如蒸气速度、不凝性气体的存在、固体表面粗糙度、蒸气中含油、过热蒸气、热物性、壁面的几何尺寸、蒸气与壁面的温差等等。2、沸腾换热当壁温高于液体的饱和温度时，发生沸腾过程。一、沸腾换热分类一、沸腾换热分类1大空间沸腾与有限空间沸腾高于饱和温度的热壁面沉浸在具有自由表面的液体中所进行的沸腾，称为大空间沸腾，又称池沸腾；沸腾过程受到沸腾空间的限制，沸腾产生的蒸气和液体混合在一起，构成汽液两相混合物（两相流），称为有限空间沸腾，又称受迫对流沸腾或管内沸腾。2过冷沸腾与饱和沸腾流体处于末饱和状态即流体温度低于饱和温度的沸腾现象，称为过冷沸腾；而液体温度始终保持大于液体的饱和温度，则称为饱和沸腾。二、沸腾换热机理二、沸腾换热机理把一个加热器浸没在饱和水中，使之温度逐步增加，并观察加热器表面上的沸腾过程，并得出加热热流密度q与过热度t=tw-ts的关系曲线，这就是饱和水大空间沸腾曲线饱和水大空间沸腾曲线，如图所示沸腾曲线可以分为四个主要的区域：对流沸腾区（图中的AB线段）壁面附近的液体的过热度较小，t3-5，而液体的总体温度低于饱和温度，壁面上能产生的汽泡的地方很少，处于较低强度的过冷沸腾状态。壁面与流体之间的热交换也以自然对流换热为主。由于存在一定程度的沸腾现象，在该区段的换热强度要比单纯的自然对流换热强泡态沸腾区（图中的BC线段）在此区段中随着液体过热度的增加，液体的总体温度也不断地升高而达到或大于饱和温度。加热壁面上产生汽泡的地点（常称之为汽化核心）逐步增多，汽泡不断地在壁面上产生、长大、跃离，并在液体浮升力的作用下运动最后上升到液体的自由面。由于汽泡数目的增加，其运动导致液体的剧烈扰动，其跃离过程也造成液体对壁面的冲刷，这些都会使沸腾换热过程得到加强。在C点t30。过渡沸腾区（图中的CD线段）经过C点之后，随着过热度的进一步增加而使汽化核心的数目增加到使其产生的汽泡很容易结合成汽膜，从而使换热强度下降。由于过热度还不是很大，由汽泡形成的汽膜并不十分稳定，总是存在不断地产生和破裂的状态之下。因此，整体的沸腾换热过程是属于泡态沸腾和膜态沸腾并存的过渡沸腾区域。膜态沸腾区（图中DE线段）在过渡沸腾区的后期，过热度再继续提高，局部的汽膜就会相互结合，最终使整个加热面全部被汽膜覆盖，从而形成稳定的膜态沸腾。此时液体完全不能与加热壁面接触，热量的传递过程变为加热面与蒸汽之间的对流换热和加热面与汽膜表面之间的辐射换热。这里有一个换热系数和热流密度的最小值。随着过热度的增加，辐射换热的作用加强，膜态沸腾的换热系数和热流密度又会以较快的速率增加。五、传热的强化所谓增强传热，是指从分析影响传热的各种因素出发，采取某些技术措施提高换热设备单位传热面积的传热量，使设备趋于紧凑、重量轻、节省金属材料以及降低动力消耗等。强化传热的基本途径有三个方面：1、提高传热系数：应采取有效的提高传热系数的措施，如必须提高两侧表面传热系数中较小的项。另外应注意：在采取增强传热措施的同时，必须注意清除换热设备运行中产生的污垢热阻，以免抵消强化传热带来的效果。2、提高换热面积：采用扩展表面，即使换热设备传热系数及单位体积的传热面积增加，如肋壁、肋片管、波纹管、板翅式换热面等；当然必须扩展传热系数小的一侧的面积，才是使用最广泛的一种增强传热的方法。3、提高传热温差：在冷、热流体温度不变的条件下，通过合理组织流动方式，提高传热温差。削弱传热削弱传热，是指采取隔热保温措施降低换热设备热损失，以达节能、安全防护及满足工艺要求等目的。三、削弱传热的方法三、削弱传热的方法 1、覆盖热绝缘材料。常用的材料日前有：岩棉、泡沫塑料、微孔硅酸切、珍珠岩等。2、改变表面状况。即改变表面的辐射特性及附加抑制对流的元件。3、遮热板六、换热器的型式一、换热器的类型（按工作原理分类）一、换热器的类型（按工作原理分类） 间壁式换热器：是指冷热流体被壁面隔开进行换热的热交换器。如暖风机、燃气加热器、冷凝器、蒸发器；间壁式换热器种类很多，从构造上主要可分为：管壳式、肋片管式、板式、板翅式、螺旋板式等，其中以前两种用得最为广泛。另外，按流体流动方向可有顺流、逆流、交叉流之分。混合式换热器：冷热流体直接接触，彼此混合进行换热，在热交换同时存在质交换，如空调工程中喷淋冷却塔，蒸汽喷射泵等；回热式换热器：换热器由蓄热材料构成，并分成两半，冷热流体轮换通过它的一半通道，从而交替式地吸收和放出热量，即热流体流过换热器时，蓄热材料吸收并储蓄热量，温度升高，经过一段时间后切换为冷流体，蓄热材料放出热量加热冷流体。一般用于气体，如锅炉中间转式空气预热器，全热回收式空气调节器等。四、各类换热器结构示意图四、各类换热器结构示意图 1、管壳式热交换器2、套管式热交换器3、螺旋板式热交换器4、板式热交换器5、肋片管热交换器6、板翅式热交换器