【正文】 由于熱流體沿程放出熱量溫度不斷下降，冷流體沿程吸熱而溫度上升，且冷、熱流體間的溫差沿程是不斷變化的，因此，當(dāng)利用傳熱方程式來計(jì)算整個(gè)傳熱面上的熱流量時(shí)，必須使用整個(gè)傳熱面積上的平均溫差（又稱平均溫壓），記為 mt?故傳熱方程式的一般形式為 mtKA???不論順流、逆流，對(duì)數(shù)平均溫差可統(tǒng)一用以下計(jì)算式表示： m inm axm inm axln tttttm?? ?????。對(duì)于換熱器，則情況不同了，冷熱兩種流體沿傳熱面進(jìn)行換熱，其溫度沿流向不斷變化，故溫度差 也是不斷變化的。 二、平均溫度差 換熱器傳熱的基本計(jì)算式為 tK????其中 t? 是冷熱兩種流體的溫度差。板式換熱器中冷、熱流體的流動(dòng)有多種布置方式 （五）螺旋板式換熱器 螺旋板式換熱器的換熱表面系由兩塊金屬板卷制而成，冷、熱流體在螺旋狀的通道中流動(dòng)，圖57所示是其兩個(gè)方向的截面示意圖。 （四）板式換熱器 板式換熱器由一組幾何結(jié)構(gòu)相同的平行薄平板疊加所組成，兩相鄰平板之間用特殊設(shè)計(jì)的密封墊片隔開，形成一個(gè)通道，冷、熱流體間隔地在每個(gè)通道中流動(dòng)。在圖 55（ c）所示結(jié)構(gòu)的板翅式換熱器中兩種流體都不能自由摻混。翅板式換熱器廣泛應(yīng)用于低溫工程中。鍋爐裝置中的蒸汽過熱器、省煤器、空氣預(yù)熱器是管束式交叉流換熱器的例子 [圖 55（ a） ]。 （三）交叉流換熱器 它是間壁式換熱器的又一種主要形式。把幾個(gè)殼程串聯(lián)起來也能得到多殼程結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)點(diǎn)是可以避免因管子受熱膨脹引起的熱應(yīng)力。圖 53所示是一個(gè) 12型換熱器的剖面圖。在同樣流速下，流體橫向掠過管子的換熱效果要比順著管面縱向流過時(shí)好，因此外殼內(nèi)一般裝有折流板，來改善殼程的換熱。另一種流體從外殼上的連接管進(jìn)入換熱器，在殼體與管子之間流動(dòng)，這條路徑稱為殼程。它的傳熱面由管束構(gòu)成，管子的兩端固定在管板上，管束與管板再封裝在外殼內(nèi)，外殼兩端有封頭，一種流體（圖中冷流體）從封頭進(jìn)口流進(jìn)管子里，再經(jīng)封頭流出?；S中的加熱器、冷卻器，電廠中的冷凝器、冷油器以及壓縮機(jī)的中間冷卻器等都是殼管式換熱器的實(shí)例?？偟膩碚f，這類間壁式換熱器適用于傳熱量不大或流體流量不大的情形。 在三類換熱器中以間壁式換熱器應(yīng)用最廣。 (1) 間壁式換熱器 ——冷熱流體由壁面間隔開來而分別為于壁面的兩側(cè)。這是因?yàn)榛殷w的吸收比僅取決于本身情況而與投入輻射無關(guān)，因此不論該灰體 常數(shù) 第五節(jié) 換熱器 以在兩中流體之間用來傳遞熱量為基本目的的裝置統(tǒng)稱換熱器。但在實(shí)際工程中投入輻射不是黑體輻射，更重要的是在研究輻射換熱時(shí)不可能是熱平衡條件。任意物體對(duì)黑體輻射的吸收比等于同溫度下該物體的發(fā)射率。 建立物體發(fā)射率與吸收比的關(guān)系給確定實(shí)際物體、灰體的吸收比帶來很大便利。 灰體忽然黑體一樣也是一理想物體。然而，光譜吸收隨波長變化的特性，還與投射到表面的輻射能的能量分布有關(guān)。圖 244顯示了某鐘物體在室溫條件下的光譜吸收比 ??隨波長變化的情況。 實(shí)際物體對(duì)投入輻射能不同波長的吸收是有選擇性的。 ?（ 2）基爾霍夫定律 實(shí)際物體的發(fā)射率可以通過實(shí)驗(yàn)來確定，那么實(shí)際物體的吸收比如何定呢？對(duì)于黑體而言，黑體的發(fā)射率和吸收比均為 1，即吸收比等于發(fā)射率。為此，定義一表征實(shí)際物體輻射力大小的物理量 ——發(fā)射率 ? 又稱黑度 bEE?? 顯然 1?? ，且只要有了 ? 值（由實(shí)驗(yàn)測(cè)定），便可依據(jù)下式 404 )100( TCTEE b ???? ???求出實(shí)際物體的輻射力 應(yīng)當(dāng)說明的是，實(shí)際物體的輻射力并不嚴(yán)格正比于溫度的四次方，例如金屬的方次一般大于 4。 （ 1）實(shí)際物體的輻射力 E 實(shí)際物體的輻射力 E小于同溫下黑體的輻射力，這一點(diǎn)不但由實(shí)驗(yàn)得到了證明，而且可以叢基爾霍夫定律得出。它的數(shù)學(xué)表達(dá)式比較簡單，為 404 )10 0( TCTE b ?? ? 黑體與黑體輻射是實(shí)際物體輻射換熱研究的基礎(chǔ)。要注意的是：模型空腔溫度是均勻的，具有黑體輻射特性的是模型上的小孔，而不是腔壁。在建立了黑體的模型后，我們處理實(shí)際物體輻射換熱的思路是：先討論研究黑體的熱輻射和輻射換熱，然后找出實(shí)際物體與黑體輻射的偏差，在提出灰體概念的基礎(chǔ)上，利用有效輻射解決實(shí)際物體（灰體）間的輻射換熱。 黑體與熱力學(xué)中的理想氣體一樣是從實(shí)際物體抽象出來的理想氣體。當(dāng)物體表面的不平整尺寸小于投入輻射的波長時(shí)，會(huì)形成鏡面反射。我們僅討論表面輻射。 熱輻射能是一種電磁波，它與可見光等產(chǎn)生的電磁波無本質(zhì)區(qū)別，也有吸收、穿透和反射性能。輻射換熱與導(dǎo)熱和對(duì)流換熱的一個(gè)重要區(qū)別是，當(dāng)熱量傳遞以輻射方式進(jìn)行時(shí)，兩物體間可以沒有物質(zhì)，處于真空，且處于真空效果更好，但導(dǎo)熱和對(duì)流換熱的發(fā)生均離不開物質(zhì)。 由基耳霍夫定律可得以下結(jié)論： a、因?yàn)樗形矬w的吸收比總小于 1，故同溫度下黑體的輻射力最大； b、 在與黑體處于熱平衡的條件下，任何物體對(duì)黑體輻射的吸收比等于同溫下的發(fā)射率 ? ，即： ???（ 3）灰體 a、 光譜吸收比 ?? ：物體對(duì)特定波長輻射能的吸收比稱為光譜吸收比用 ??表示。 顯然有 1??? ???固體和液體對(duì)輻射不能穿透， 1,0 ??? ??? ，因此固體和液體的輻射是表面輻射。 輻射換熱：物體之間相互輻射和吸收輻射能的總效果。 基本知識(shí) 一、熱輻射的基本概念 （ 1）熱輻射 由于熱的原因而產(chǎn)生的電磁波輻射稱為熱輻射。 （ 2）掌握熱輻射的主要基本定律：斯忒藩 ——玻耳茲曼定律和基爾霍夫定律。 第四節(jié) 輻射換熱 輻射換熱是通過熱輻射進(jìn)行熱量交換的一種方式，在工程中占有重要的地位。 特征數(shù)習(xí)慣上稱為準(zhǔn)則數(shù)或準(zhǔn)則，故特征數(shù)方程也稱準(zhǔn)則方程式或特征數(shù)關(guān)聯(lián)式。各個(gè)特征數(shù)有其特定的物理意義和內(nèi)涵。 （ 5）特征數(shù)及特征數(shù)方程 工程上實(shí)用的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的各種計(jì)算公式，主要是通過實(shí)驗(yàn)得到的。將傅立葉定律應(yīng)用于此貼壁層，并聯(lián)立牛頓冷卻公式后，可得局部換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為 0??????????????yx ytth ? 稱為對(duì)流換熱微分方程。一般將流體過余溫度 ? ?wtt?等于主流過余溫度 wf tt ?y 作為熱邊界層的厚度，用 t? 表示。流動(dòng)邊界層按流態(tài)分為 層流邊界層和紊流邊界層，在紊流邊界層內(nèi)緊貼壁面有一極薄的層流底層。通常規(guī)定達(dá)到主流速度 fu 的 %99 處的距離 y為邊界層厚度 ? 。流體的熱物理性質(zhì)對(duì)于對(duì)流換熱有很大影響。流體沿壁面流動(dòng)時(shí)，壁面的幾何形狀、大小和位置等對(duì)流體有很大影響，從而也影響了對(duì)流換熱。有相變時(shí)的對(duì)流換熱比無相變時(shí)的強(qiáng)烈，故前者表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)大。紊流時(shí)由于流體微團(tuán)的相互摻混而較層流時(shí)的對(duì)流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)大。 （ b）流動(dòng)的速度與流態(tài)。按照引起流動(dòng)的起因，可將對(duì)流換熱分為強(qiáng)制對(duì)流換熱和自然對(duì)流換熱。顯然，求取表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)是對(duì)流換熱研究的主要任務(wù)。 （ 4）掌握各種對(duì)流換熱的換熱特征，并能正確選用對(duì)流換熱的特征數(shù)實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式進(jìn)行對(duì)流換熱的定量計(jì)算。 （ 2）能理解流動(dòng)邊界層和熱邊界層的概念，以及它們之間的相互關(guān)系，并能分析對(duì)流換熱微分方程中各物理量的意義。 （ b）多層平壁的穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱：工程實(shí)踐中遇到的通常是多層平壁，應(yīng)用熱阻串聯(lián)概念可得通過 n層平壁的熱流密度為 ?? ??? ????inwwhi iinwwrttttq???1,111,1 （ 113） 圖 23二、通過無限長圓筒壁的導(dǎo)熱 （ a）單層圓筒壁：對(duì)于長度為 L、無內(nèi)熱源的內(nèi)、外徑分別為 1d和 2d的單層圓筒壁，如圖 22所示，若其內(nèi)、外壁溫度為 1wt和 2wt? ?21 ww tt ?，導(dǎo)熱系數(shù)為 ?，則其溫度分布為對(duì)數(shù)曲線 121 ln2 ddLtt w ?????導(dǎo)熱熱量為 1221ln2 1 ddLtt ww?????單位管長的熱流量，又稱線熱流量為 1221ln2 1 ddttL wwL???? ??? （ 116） 圖 24（ b）多層圓筒壁：對(duì)于多層圓筒壁和多層平壁一樣，可以利用熱阻串聯(lián)原則得到導(dǎo)熱熱量為 ?? ????ni iiinwwddLtt111,1ln12 1 ???第三節(jié) 對(duì)流換熱 對(duì)流換熱 對(duì)流換熱是流體流過固體壁面時(shí)，由于兩者溫度不同所發(fā)生的熱量傳遞過程，也是常見的熱傳遞過程。我國國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，凡平均溫度不高于 350 ℃ 時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)不大于 ? ?KmW .材料稱為保溫材料，或絕熱材料。數(shù)學(xué)表達(dá)式為 ntngr adtq ?????? ?? 導(dǎo)熱系數(shù) ?導(dǎo)熱系數(shù)定義式 ntnq????? （ 110） 導(dǎo)熱系數(shù)是表征物質(zhì)導(dǎo)熱能力的物性參數(shù)，它與物質(zhì)的種類、溫度、密度等多種因素有關(guān)。穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)中溫度僅在一個(gè)坐標(biāo)方向（如 x方向）變化的稱為一維穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)，有 ? ?xft? （ 18b） 在同一瞬時(shí)，物體內(nèi)溫度相同的各點(diǎn)連成的面（或線）稱為等溫面（或等溫線）。 基本知識(shí)點(diǎn) 熱基本定律 一、溫度場(chǎng) 在某一瞬時(shí)（ ?時(shí)刻），物體內(nèi)各點(diǎn)的溫度分布稱為溫度場(chǎng)。溫度分別為 1T和 2T 的兩無限接近的平行黑體平壁間的輻射換熱量為： ? ?4241 TTA ?? ?? （ 15） 式中： A為輻射換熱面積。 實(shí)際物體表面的輻射熱流量可表示為 4TA????? 為物體表面的發(fā)射率（又稱黑度）， 1?? 物體不斷的向周圍空間發(fā)出熱輻射能，同時(shí)不斷吸收周圍物體輻射到它上面的的熱輻射能。 當(dāng)溫度為 ft的流體流過表面溫度為 wt ? ?fw tt ?典型條件下的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)范圍見表 11 表 11 表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的數(shù)值范圍 過程 ? ?? ?KmWh .2 空氣 1～ 10 水 200～ 1000 b．強(qiáng)制對(duì)流 氣體 20～ 100 高壓水蒸氣 500～ 3500 水 1000～ 15000 c．水的相變換熱 沸騰 2500～ 35000 蒸汽凝結(jié) 5000～ 25000 熱輻射與輻射換熱 物體因熱的原因而發(fā)出輻射能的現(xiàn)象稱為熱輻射。 單位時(shí)間內(nèi)通過單位面積的熱流量稱為熱流密度（或單位面積熱流量），記為 q ?