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第七章小结 1. 一个中心： 热辐射定义及性质 两个基本点： 理想物体和实际物体 三个理想物体 ：黑体、白体、透明体 四个重要概念： 立体角，选择性吸收，漫灰表面，

第七章小结 1. 一个中心： 热辐射定义及性质 两个基本点： 理想物体和实际物体 三个理想物体 ：黑体、白体、透明体 四个重要概念： 立体角，选择性吸收，漫灰表面， 黑体辐射函数 5. 五个定律 ： Stefan-Boltzmann 定律、 Planck 定律、 Lambert 定律、 Wien 位移定律、 Kirchhoff 定律 6. 六个辐射能表示层次 ：光谱辐射力、定向辐射力、 辐射力

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第七章小结 1. 一个中心： 热辐射定义及性质 两个基本点： 理想物体和实际物体 三个理想物体 ：黑体、白体、透明体 四个重要概念： 立体角，选择性吸收，漫灰表面，

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  1. 第七章小结 • 1. 一个中心：热辐射定义及性质 • 两个基本点：理想物体和实际物体 • 三个理想物体：黑体、白体、透明体 • 四个重要概念：立体角，选择性吸收，漫灰表面， • 黑体辐射函数 • 5. 五个定律： Stefan-Boltzmann 定律、Planck 定律、 • Lambert 定律、Wien 位移定律、 • Kirchhoff 定律 • 6.六个辐射能表示层次：光谱辐射力、定向辐射力、辐射力 • 光谱辐射强度、定向辐射强度、辐射强度 • 7. 七个系数：发射率、光谱发射率、定向发射率、 • 吸收比、光谱吸收比、穿透比、反射比

  2. Quick Review： 第八章 辐射换热的计算 • 本章重点： • 1 角系数：定义、应用条件、性质和计算方法 • 概念：投入辐射、有效辐射和发射辐射，空间热阻和表面热阻，系统黑度 • 热网络法：热网络图、求解净换热量的过程、求解绝热表面温度的过程，大空间与其内小物体的辐射换热方程、如何处理绝热表面(重反射面)和黑体的表面辐射 • 气体辐射的特性：容积特性和光谱特性

  3. 本章学习的主要目的： 锻炼分析实际传热问题的能力 锻炼综合应用三种基本传热方式及相关公式的能力 了解换热器的基本知识和设计过程 第九章 传热过程分析与换热器热计算 主要内容： 9-1 传热过程的分析和计算 9-2 换热器的型式及平均温差 9-3 换热器的热计算 9-4 传热的强化和隔热保温技术

  4. 传热过程 基本计算式(传热方程式) 平壁 圆管 肋壁 带保温层的圆管 9-1 传热过程的分析和计算 对于不同的传热过程，K的计算公式也不同。

  5. (8-24) 单相对流： 膜态沸腾： (6-23) 1、通过平壁的传热 K的计算公式？ 说明： (1) h1和h2的计算；（2）如果计及辐射时对流换热系数应该采用等效换热系数(总表面传热系数)

  6. hi ho 2、通过圆管的传热 内部对流热阻： 圆柱面导热热阻： 外部对流热阻： 传热量：

  7. twi two A1 A2 Ai 3、通过肋壁的传热 肋壁面积： 稳态下换热情况： 肋面总效率

  8. 3、通过肋壁的传热（续） 定义肋化系数： 则传热系数为 所以，只要 就可以起到强化换热的效果。

  9. 4、带保温层的圆管传热——临界热绝缘直径 圆管外敷保温层后？ 可见，保温层使得导热热阻增加，换热削弱；另一方面，降低了对流换热热阻，使得换热赠强，那么，综合效果到底是增强还是削弱呢？这要看d/ddo2 和d2/ddo22的值

  10. or 4、带保温层的圆管传热——临界热绝缘直径（续） 可见，确实是有一个极值存在，那么，到底是极大值，还是极小值呢？从热量传递的基本规律可知，应该是极大值。也就是说，do2在do1 ~ dcr之间，是增加的，当do2大于dcr时， 降低。

  11. 第九章 传热过程分析与换热器热计算 主要内容： 9-1 传热过程的分析和计算 9-2 换热器的型式及平均温差 9-3 换热器的热计算 9-4 传热的强化和隔热保温技术

  12. 9-2 换热器的型式及平均温差 1、换热器的定义：用来使热量从热流体传递到冷流体，以满足规 定工艺要求的装置，工程中应用广泛 2、换热器的分类： 三种类型换热器简介

  13. 混合式（接触式）换热器

  14. 顺流 逆流 9-2 换热器的型式及平均温差 3、间壁式换热器的主要型式——套管式换热器 最简单的一种间壁式换热器，流体有顺流和逆流两种，适用于传热量不大或流体流量不大的情形

  15. 9-2 换热器的型式及平均温差 3、间壁式换热器的主要型式 ——管壳式换热器 最主要的一种间壁式换热器，传热面由管束组成，管子两端固定在管板上，管束与管板再封装在外壳内。两种流体分管程和壳程 好朋友是另一个自己。拥有一个好的伙伴，你的人生才不至于走得太孤单。

  16. 9-2 换热器的型式及平均温差 3、间壁式换热器的主要型式 ——管壳式换热器 增加管程 进一步增加管程和壳程

  17. 9-2 换热器的型式及平均温差 3、间壁式换热器的主要型式 ——交叉流换热器 间壁式换热器的又一种主要形式。其主要特点是冷热流体呈交叉状流动。交叉流换热器又分管束式、管翅式和板翅式三种。 (a) 管束式交叉流换热器 (b) 板翅式交叉流换热器——紧凑式换热器

  18. 9-2 换热器的型式及平均温差 3、间壁式换热器的主要型式 ——板式换热器 由一组几何结构相同的平行薄平板叠加所组成，冷热流体间隔地在每个通道中流动，其特点是拆卸清洗方便，故适用于含有易结垢的流体。

  19. 9-2 换热器的型式及平均温差 3、间壁式换热器的主要型式 ——螺旋板式换热器 换热表面由两块金属板卷制而成，优点：换热效果好；缺点：密封比较困难。

  20. 要想计算沿整个换热面的平均温差，首先需要知道当地温差随换热面积的变化，即 ，然后再沿整个换热面积进行平均 以下面的顺流套管式换热器为例给出推导过程 主要假设： （1）冷热流体的质量流量 、比热容ch,cc以及传热系数都是常数；（2）换热器无散热损失； （3）换热面沿流动方向的导热量忽略不计。 9-2 换热器的型式及平均温差 4、简单顺流及逆流换热器的对数平均温差 为什么需要对数平均温差

  21. 热流体： 冷流体： 传热量： 当地温差： O Ax dA A A 9-2 换热器的型式及平均温差 4、简单顺流及逆流换热器的对数平均温差 在前面假设的基础上，并已知冷热流体的进出口温度，现在来看下图中微元换热面dA一段的传热。

  22. 9-2 换热器的型式及平均温差 4、简单顺流及逆流换热器的对数平均温差 可见，当地温差随换热面呈指数变化，则沿整个换热面的平均温差为：

  23. (1)+(2)+(3) 9-2 换热器的型式及平均温差 4、简单顺流及逆流换热器的对数平均温差 (1) (2) 对数平均温差 (3)

  24. 9-2 换热器的型式及平均温差 4、简单顺流及逆流换热器的对数平均温差 顺流： 逆流： O A A Ax dA 二者完全一样

  25. 9-2 换热器的型式及平均温差 4、简单顺流及逆流换热器的对数平均温差 顺流和逆流的区别在于： 顺流： 逆流： 或者我们也可以将对数平均温差写成统一形式(顺流和逆流都适用) 当别人寄贺卡或小礼物给你的时候，要及时回复感谢信。

  26. 9-2 换热器的型式及平均温差 5 算术平均温差 平均温差的另一种更为简单的形式是算术平均温差，即 算术平均温差总是大于相同进出口温度下的对数平均温差，当 时，两者的差别小于4％；当 时，两者的差别小于2.3％。

  27. 9-2 换热器的型式及平均温差 6 其他复杂布置时换热器平均温差的计算 对纯逆流的对数平均温差进行修正以获得其他情况下的平均温差。 是给定的冷热流体的进出口温度布置成逆流时的LMTD，是小于1的修正系数。图9-15 ~ 9-18分别给出了管壳式换热器和交叉流式换热器的  。

  28. 关于的注意事项 (1)  值取决于无量纲参数 P和R 式中，下标1、2分别表示两种流体，上角标 ` 表示进口，`` 表示出口，图表中均以P为横坐标，R为参量。 (2) R的物理意义：两种流体的热容量之比 P的物理意义：流体2的实际温升与理论上所能达到的最大温升之比，所以只能小于1 (3) 对于管壳式换热器，查图时需要注意流动的 “ 程 ”数

  29. 顺流和逆流是两种极端情况，在相同的进出口温度下，逆流的 最大，顺流则最小； • 顺流时 ，而逆流时， 则可能大于 ，可见，逆流布置时的换热最强。 T x In Out T x In Out 7 各种流动形式的比较 (3) 那么是不是所有的换热器都设计成逆流形式的就最好呢？ (4) 对于有相变的换热器，如蒸发器和冷凝器，发生相变的流体温度不变，所以不存在顺流还是逆流的问题

  30. 作业：9-1，9-9

  31. Solving for Thout: Example: cold water with a mass flow rate of 3 l/s enters a double pipe heat exchanger at 25°C and exits at 45°C, while motor oil at a mass flow rate of 5 l/s enters at 85°C, flowing in the same direction (parallel flow). (a) Calculate the LMTD for this situation. If the overall heat transfer coefficient for this heat exchanger is given as U = 3500 W/m2.°C, calculate the necessary heat transfer area. The following data is given: Cwater = 4185 J/kg.°C, Coil = 1880 J/kg.°C. Solution:

  32. 第九章 传热过程分析与换热器热计算 9-3 换热器的热计算: 设计计算和校核计算 (1) 设计计算：设计一个新的换热器，以确定所需的换热面积 (2) 校核计算：对已有或已选定了换热面积的换热器，在非设计 工况条件下，核算他能否胜任规定的新任务。 换热器热计算的基本方程式是传热方程式及热平衡式

  33. (9-14) (9-15) 上面的三个方程中共有8个未知数，即 需要给定其中的5个变量，才可以计算另外三个变量。 对于设计计算而言，给定的是 ，以及进出口温度中的三个，最终求 对于校核计算而言，给定的一般是 ，以及2个进口温度，待求的是

  34. 换热器的热计算有两种方法，一种是平均温差法，另一种是效能-传热单元数(-NTU)法换热器的热计算有两种方法，一种是平均温差法，另一种是效能-传热单元数(-NTU)法 • 1 平均温差法，就是直接应用公式(9-14)和(9-15)进行热计算， • 其具体步骤如下： • 对于设计计算（已知 ，及进出口温度中的三个， 求 ） • 初步布置换热面，并计算出相应的总传热系数k • 根据给定条件，由热平衡式(9-15)求出进、出口温度中的那个待定的温度 • 由冷热流体的4个进出口温度确定平均温差 • 由传热方程式(9-14)计算所需的换热面积A，并核算换热面两测流体的流动阻力 • 如果流动阻力过大，则需要改变方案重新设计。

  35. 对于校核计算（ ，及两个进口温度，求 ） • 先假设一个流体的出口温度，按热平衡式(9-15)计算另一个出口温度 • 根据4个进出口温度求得平均温差 • 根据换热器的结构，算出相应工作条件下的总传热系数k • 已知kA和 ，按传热方程式计算在假设出口温度下的 • 根据4个进出口温度，用热平衡式(9-15)计算另一个 ，这个值和上面的 ，都是在假设出口温度下得到的，因此，都不是真实的换热量 • 比较两个  值，满足精度要求，则结束，否则，重新假定出口温度，重复(1)~(6)，直至满足精度要求。 从上面的过程可见，平均温差法适用于设计计算，不太适合校核计算，于是人们找到一种替代方法，即效能-传热单元数法

  36. 2 效能-传热单元数法 (1) 换热器的效能和传热单元数 一个理想换热器应该满足如下条件，即热容最小的流体出口温度应该等于另一种流体的入口温度，这要求换热器具有无限大的换热面积或具有无限大的传热系数。但不管怎样，这样的换热器能在给定条件下传递最大的热量，即： 然而，实际情况的传热量q总是小于可能的最大传热量qmax，我们将q/qmax定义为换热器的效能，并用  表示，即

  37. 对于一个已存在的换热器，如果已知了效能  和冷热流体的进口温差，则实际传热量可很方便地求出 (9-17) 那么在未知传热量之前，  又如何计算？和哪些因素有关？ 以顺流换热器为例，并假设 ， 根据热平衡式(9-15)得 于是 两蓝色公式相加：

  38. 代入下式得 p334, Eq.(c)

  39. + p326, Eq.(k) p334, Eq.(d) + p325, Eq.(e) p334, Eq.(e)

  40. 顺流，并且 时 p334, Eq.(e) 顺流，并且 时，类似地有： p334, Eq.(f)

  41. 上面两个公式合并，可得： p334, Eq.(g) 换热器效能公式中的 依赖于换热器的设计， 则依赖于换热器的运行条件，因此， 在一定程度上表征了换热器综合技术经济性能，习惯上将这个比值（无量纲数）定义为传热单元数NTU，即 p335, Eq.(9-18)

  42. 因此， 与顺流类似，逆流时 p335, Eq.(9-19) p335, Eq.(9-19)

  43. 当冷热流体之一发生相变时，相当于 , 于是上面效能公式可简化为 当两种流体的热容相等时， 公式可以简化为 顺流： 逆流：

  44. (2) 用效能-传热单元数法计算换热器的步骤 a 设计计算 显然，利用已知条件可以计算出  ，而待求的k，A则包含在NTU内，因此，对于设计计算是已知 ，求NTU，求解过程与平均温差法相似，不再重复 b 校核计算 由于k事先不知，所以仍然需要假设一个出口温度，具体如下： ① 假设一个出口温度 ，利用热平衡式计算另一个 ② 利用四个进出口温度计算定性温度，确定物性，并结合换热器结构，计算总传热系数k ③ 利用k, A计算NTU ④ 利用NTU计算  ⑤ 利用(9-17)计算，利用(9-14)计算另一个 ⑥ 比较两个，是否满足精度，否则重复以上步骤 （ ，及进出口温度中的三个，求 ） （ ，及两个进口温度，求 ）

  45. 从上面步骤可以看出，假设的出口温度对传热量的影响不是直接的，而是通过定性温度，影响总传热系数，从而影响NTU，并最终影响  值。而平均温差法的假设温度直接用于计算 值，显然-NTU法对假设温度没有平均温差法敏感，这是该方法的优势 3 换热器设计时的综合考虑 换热器设计是综合性的课题，必须考虑初投资，运行费用，安全可靠等诸多因素。 4 换热器的结垢及污垢热阻 污垢增加了热阻，使传热系数减小，这种热阻称为污垢热阻，用Rf表示， 式中，k为有污垢后的换热面的传热系数，k0为洁净换热面的传热系数。

  46. 对于两侧均已结垢的管壳式换热器(也包括了以圆管为换热通道的其他间壁式换热器)，以管子外表面为计算依据的传热系数可以表示成对于两侧均已结垢的管壳式换热器(也包括了以圆管为换热通道的其他间壁式换热器)，以管子外表面为计算依据的传热系数可以表示成 如果管子外壁没有肋化，则肋面总效率o = 1。 管壳式换热器的部分污垢热阻可以在表9-1中查得。如果污垢热阻没有具体指出是管子的哪一侧，而是说“总污垢热阻”，则为

  47. In-Class Problem 测得一台已工作很长时间的逆流式油冷器的参数为： 热油流量qmh = 2 kg/s，进、出 口温度Thi=420 K，Th0= 380 K，冷水流量qmC= 1 kg/s，进口温度Tci= 300 K。已知传热面积 A =3.33m2。问：相对原传热系数设计值k=930 w/m2 K，因表面积 垢， 导致该台油冷器的 k下降多少％(百分数)？设热油的比热cph=2330 J/kg K，冷 水cpc=4174 J/kg K

  48. p164, Eq.(5-54) 9-4 传热的强化和隔热保温技术 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 不同的传热方式，强化和削弱传热的手段不同，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

  49. (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(图9-28)；③扩展表面(图9-29)；④扰流元件(图9-30a)；⑤涡流发生器(图9-30b)；⑥螺旋管(图9-30c)；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使换热流体振动；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。

  50. 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(9-15)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(9-14)计算出总表面传热系数。这是威尔逊图解法的基础。 以管壳式换热器为例，说明如何应用威尔逊图解法获得各个分热阻。总表面传热系数可以表示成：

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