长理工无机材料热工基础及设备讲义

第一章气体力学在窑炉中的应用一、教学要求【掌握内容】（1）流体压缩性、膨胀性的概念（2）掌握流体粘性的定义及牛顿内摩擦定律（3）掌握粘度的概念及量度，温度、压力对流体粘度的影响（4）流动状态流态及判断（5）流体能量的种类（6）连续性方程的含义及应用（7）伯努力方程的含义及应用（8）摩擦阻力和局部阻力的概念和计算（9）分散垂直气流法则的内容（10）伯努力方程的工程应用实例（11）烟囱的工作原理及热工计算【理解内容】（1）液体与气体压缩性、膨胀性的区别；（2）理想流体与实际流体的区别（3）牛顿型流体与非牛顿型流体的区别（4）管道截面上的速度分布（5）喷射泵的工作原理【了解内容】（1）流体的力学特性（2）流体的连续性（3）摩阻系数和常用的几种局部阻力系数的确定二、教学重点与难点【教学重点】（1）流体的压缩性和膨胀性（2）流体的粘性（3）伯努利方程应用（4）小孔、炉门溢气计算（5）烟囱的工作原理及热工计算【教学难点】（1）流体的粘性（2）压头概念及相互转换（3）阻力计算（4）伯努利方程在工程上的应用（5）烟囱的热工计算三、教学方法讲解基本概念，分解难点，掌握好理论深度，强调基础理论的应用，教学中采用讲、练结合，重点讲解计算方法，并借助于一些工程实际加深对基础理论的掌握。四、教学时数【建议学时】10学时五、教学内容1.1流体力学基础1.1.1流体的物理性质一、流体力学及其研究对象流体：液体和气体的总称。流体力学：是研究流体的科学，即根据理论力学的普遍原理，借助大量的实际资料，运用数学和实验方法来研究流体的平衡和运动规律及其实际应用的一门科学。流体力学研究的对象：液体和气体二、流体的力学特性1、流体与固体的区别主要在于受剪应力后的表现有很大的差异。固体－－能承受剪应力、压应力、张应力，没有流动性。流体－－只能承受压应力，不能承受拉力和剪力，否则就会变形流动，即流体具有流动性。2、液体与气体的主要差别在于受压后的表现上的差异。液体：受压后体积变化很小，常称不可压缩流体；液体的形状随容器的形状而变，但其体积不变。气体：受压后体积变化很大，常称可压缩流体；气体的形状和体积都随容器而变。注：气体的体积变化小于原体积的20%时，可近似看作不可压缩流体。流体的密度1、流体密度的定义及计算定义：单位体积流体的质量，以ρ表示，单位为kg／m3（1）均质流体：标态低压气体：（2）混合流体：混合气体：混合液体：2、流体的密度与温度、压力的关系（1）液体：工程上，液体的密度看作与温度、压力无关。（2）气体：与温度和压力有关。理想气体：或

工业窑炉：P=P0分析：t↑ρ↓；t↓ρ↑流体的连续性流体的连续性：流体看成是由大量的一个一个的连续近质点组成的连续的介质，每个质点是一个含有大量分子的集团，质点之间没有空隙。质点尺寸：大于分子平均自由程的100倍。连续性假设带来的方便：(1）它使我们不考虑复杂的微观分子运动，只考虑在外力作用下的宏观机械运动。(2)能运用数学分析的连续函数工具。【例题】已知烟气的体积组成百分组成为：H2O12%，CO218%，N270%，求此烟气标态在及200℃的密度。【解】200℃流体的压缩性和膨胀性.1流体的压缩性1、压缩性的定义流体在外力作用下改变自身容积的特性。即在一定的温度下，流体的体积随压强增大而缩小的性质。通常用压缩系数βp表示，它表示当温度不变时，压强每1增加帕时，流体体积的相对变化率。数学表达式：某一压强△p范围内的平均值：2、液体和气体压缩性的区别（1）液体：压缩系数很小，工程上看作不可压缩流体。但当压强变化很大时，则必须考虑。（2）气体：在压强变化时，其体积变化比较显著，其变化规律服从热力学规律。理想气体：或理想气体的压缩系数：标态：.2流体的膨胀性1、流体膨胀性的定义流体受热后改变自身容积的特性。即在一定的压强下，流体体积随温度升高而增大的性质。通常用膨胀系数βT表示，它表示压强不变时，温度升高1K时流体体积的相对变化率。数学表达式：某一温度范围的平均膨胀系数：2、液体和气体压缩性的区别（1）液体：液体的膨胀系数很小，工程上一般不考虑液体的膨胀性，但当温度变化很大时，则必须考虑。（2）气体：气体的膨胀性比液体大得多，其变化规律服从热力学规律。理想气体：理想气体的膨胀系数：标态：流体的粘性.1牛顿内摩擦定律和粘度系数1、粘性的实质当流体运动时，在流体层间产生内摩擦力的特性，称为流体的粘性。观察流体在管内流动可以发现：由于流体与固体壁面的附着力（约束力）及流体本身的内聚力，使流体各处的速度产生了差异。分析：当流体沿固体壁面运动时，由于固体壁面的分子引力以及固体表面的不平整，对流体质点产生了约束力，使这部分流体质点停滞不前。离开固体壁面越远，这种约束力越小，到一定距离时，固体表面的这种约束力就为零。但流体质点之间的分子引力及分子热运动产生的动量交换依然存在，即流体质点之间的分子引力依然存在。于是紧贴固体壁面的一层静止的流体质点约束着与其相邻的运动流体的质点，速度慢的一层流体质点约束着相邻而速度较快的一层流体。这样一层影响一层，使运动着的流体在一定的范围内好象分层似的互相制约着。这种流动流体质点的约束力称为流体的内摩擦力或剪力。流体产生粘性的原因：一是由于相邻流体层间分子的内聚力阻碍其相对滑动；二是由于流体分子的热运动，使两流体间有分子相互掺混，因而产生动量交换所致。内摩擦力的大小与流体运动速度和性质有直接关系。内摩擦力具有阻止流体运动的性质。2、牛顿内摩擦定律内容：运动流体的内摩擦力的大小与两层流体的接触面积成正，与两层流体之间的速度梯度成正比。

数学表达式：（负号表示内摩擦力与流体运动方向相反）单体面积上的剪力：.21、绝对粘度动力粘度：(Pa.s)粘度：可以看作是速度梯度为1时，单位接触面积上的内摩擦力。粘度表示出流体的粘滞性，其大小随流体性质而异。即：↑，粘性↑，流动性↓。运动粘度：流体的绝对动力粘度系数与流体的密度之比，用符号表示。即：（m2/s）动力粘度和运动粘度都称为绝对粘度。2、相对粘度相对粘度有多种表示方法，见附录。我国常采用恩示粘度，用符号表示。它是200ml试液，在测定温度下，从恩氏粘度计流出所需要的时间(s)与同体积的蒸馏水在20℃时．从恩氏粘度计流出所需要的时间(s)的比值，即：恩氏粘度与运动粘度v之间的关系为：（m2/s）当>10时，恩氏粘度与运动粘度v之间的关系为：（m2/s）.3粘度与温度的关系流体的粘度受压强的影响很小，但温度的变化对粘度影响很大。1、液体：液体产生内摩擦力的主要原因是分子引力，温度升高，液体体积膨胀，分子间距加大，引力减小，所以液体的粘度随温度升高而减小。水的粘度与温度的关系通常可用经验公式计算(Pa?s)2、气体：气体产生内摩擦力的主要原因是分子热运动引起的动量交换，所以温度升高分子热运动加剧，动量交换增多，粘度增大。气体的动力粘度与温度关系可近似用下式表示：(Pa?s)1.1.2流体动力学基础基本概念.1流量与流速1、流量：单位时间内流过管道任一截面的流体量，称为流量。①体积流量：单位时间内流过管道任一截面的流体体积，用“”表示，单位为m3/s②质量流量：单位时间内流过管道任一截面的流体质量，用“”表示，单位为kg/s2、流速：单位时间内流体的质点沿流管流过的距离称为流速，用“u”表示，单位是m/s。3、流量和真实流速u之间的关系及平均流速的关系流体在截面为dF流管的体积流量和质量流量分别为：截面积为F的管道的流量应为：理想流体没有内摩擦力，在管道截面上各点速度都相同；但实际流体有一定的粘性力，在管道中流动时，截面上各点的速度都不相同，在工程上使用u很不方便。平均流速：单位面积上的体积流量。用w表示。即：4、质量流量与体积流量和平均流速间的关系（m3/s）5、流速、流量与温度和压强的关系（1）液体：膨胀性、压缩性很小，V，W与P、T无关。（2）气体：膨胀性、压缩性很大，V，W与P、T有关。表明：t↑，w↑；t↓，w↓。结论：流体在等截面的管道中流动，被加热时将产生加速流动；被除数冷却时将产生减速流动。6、无机材料工业窑炉系统：（近似认为==）7、变温流动时的平均速度.2稳定流与非稳定流运动流体全部质点所占的空间称为流场。稳定流：流体在流场中流动时，任意一点流体的物理参数（如温度、压力、密度、流速等）均不随时间而变化的流动过程。非稳定流：流体在流场中流动时，任意一点流体的物理参数（如温度、压力、密度、流速等）均随时间而变化的流动过程。.3均匀流与非均匀流流线：流场中绘出反映流动方向的一系列线条。流线上每一点的切线矢量就代表该点的流速方向。在稳定流动的情况下，流线就是流体质点运动的轨迹线。流场可看成是由无限多根流线所组成的空间。流管：沿垂直流动方向上的微小截面积的周边的流线所形成的空心管道。流束：流管内的流体。流场内的全部流体是由无限根流束组成部分的总流。流速大小和方向不变的流动称为均匀流。均匀流中流线是平行直线，流速在各断面上的分布保持不变。如等直径直管中的液流或者断面形状和水深不变的长直渠道中的水流都是均匀流。流速大小和方向均随流动过程而改变的流动称为非均匀流。非均匀流的流线不是平行直线，流场中各质点的流速大小或方向均随流动过程而改变，如流体在收缩管、扩散管或弯管中的流动。根据流速变化的缓程度，不均匀流以可分为缓变流和急变流。缓变流的流线近似成平等直线，其过流断面可近似看成平面，即我们近似可将缓变流看成均匀流。均匀流的过流断面上流体压强分布符合静力学规律，非均匀流不符合静力学规律。.4流体流动状态1、流态及判断（1）流态的类型从雷诺实验可知:（2）影响流态的因素：①流速：↑，质点可能产生与流向垂直的分速度↑，愈易形成紊流。②流体性质：↑，惯性力↑；μ↓，内摩擦力↓，易形成紊流。③管壁的几何尺寸：管内径d↑，管内各层流体受管壁的摩擦作用愈小，易形成紊流。（3）流态的判断综合上述因素得流态的判断依据：

—→雷诺准数或雷诺数雷诺准数的物理意义：推动流体运动的动力或惯性力与阻止流体运动的阻力（内摩擦力或粘滞力）之比。雷诺数Re的大小，不仅可作为判别流体流动形态的依据，还反映流动中流体质点湍动的程度。2、当量直径水力半径：与流动方向相垂直的截面积与被流体所浸润的周边长度之比，即：

（m）当量直径：水力半径的4倍，即：按此定义：a、边长为ab的矩形截面

b、正方形截面b=ac、圆环截面d、梯形截面【例题】某硅酸盐工业窑炉内,烟气温度为1000℃，鞭标态密度为1.30kg/Bm3，在截面为0.5×0.6m2的烟道中以3.8m/s的流速通过，烟道内负压为402Pa，试判断烟道中烟气的流态（设当地大气压为99991Pa）。【解】根据式（1.10），1000℃时烟气的密度为：==0.2740(kg/m3)根据公式式计算1000℃时烟气的粘度为：(或查表)==(Pa·s)当量直径：（m）雷诺准数：=1.158×104>4000烟道中烟气为紊流。.5流体在管道截面上的速度分布由于粘性的作用，流体在管道截面上的速度分布总是管中心处流速最大，越近管壁流速越小，在紧贴管壁处流速为零。其流速分布与流态有关。1、层流层流时，流体在管道截面上的速度呈抛物线规律分布。在管壁处流速为零，中心流速最大。平均速度为最大速度的二分之一。2、紊流在紊流时，管道截面流速分布比较复杂，流体质点除了沿管轴线方向流动外，还在截面上产生横向流动，形成旋流。整个流速分布可以分为三个不同的区域。(1)层流底层在靠近管壁附近，厚度在千分之几到几毫米范围内保持层流状态，层流底层的厚度可用下式计算。

（m）

（2）过渡区紧靠层流底层的是一层起伏不定的过渡流或过渡区，其厚度大致与层流底层相近。过度区和层流底层一起又称为边界层。（3）紊流区（主流）流体呈紊流状态，既有主流沿管道轴向运动，又有质点的纵向运动。管道截面上某一固定点的流速随时在脉动，当稳定流动时这种脉动的平均值还是一定的，称为时均流速。德国学者普朗特认为，如果忽略边界层，把整个管道截面看成紊流，管道截面流速分布可用次根定律表示。从定律可知，紊流程度越大时，速度分布越均匀。主流区内速度分布比较均匀,接近中心部分有相等的流速。.6流体的能量物质的能量包含两大部分，即机械能和内能；机械能分为位能，动能和静压能三种形式。压头：单位体积流体所具有的能量(1)动压头：流体流动时因有一定的流速所具有的能量称为动压头。单位体积流体的动压头为：

(Pa)(2)静压头：流体因有一定的压强而具有的能量。单位体积流体的静压头为：(3)几何压头：流体在重力的作用下，因其位置距离基准面有一定的高度而具有的能量。单位体积流体的几何压头：

（Pa）对于液体，

(Pa)对于热气体，基准面在上方：流体动力学基本方程式.1设流体在变截面的管道中稳定流动，如图。连续性方程的含义：在管路没有泄漏和补充的情况下,在同一时间内，流进任一截面的流体的质量和从另一截面流出的流体质量相等。数学表达式：对不可压缩流体：圆形的管道：

应用连续性方程的注意点：①流体必须是稳定流动；②流体必须是连续的；③分清是可压缩流体不是不可压缩流体，以便采用相应的公式；④对中途有流体输入或输出的分支管道，连续性方程有不同的表达式。.2伯努利方程1、伯努力方程（1）理想流体的伯努利方程理想流体是指既无粘性又完全不可压缩流体，在流动时不能抵抗剪切变形，流动过程中，只存在机械能形式之间的转化，无能量损失和流体内能的增减。设理想液体在变截面和管道中等温而稳定地缓变流动，任意取两个截面1-1和2-2，据能量守恒定律可得：

上式表明：不可压缩的理想液体在等温流动过程中，在管道的任一截面上，流体的静压能、位能及动能之和是不变的，但三者之间可以相互转化。其它表达形式：对单位重力流体：

或

常数（2）实际流体的伯努力方程式实际流体在等温流动过程中与理想流体的不同点：①实际流体有粘性，流动过程中有能量损失②实际流体任一截面上各点的速度不同，其实际动能比平均动能大实际流体伯努力方程：简化后的实际流体伯努力方程为：（3）二流体伯努力方程窑炉内的热气体受大气浮力的作用，此外，窑炉中的气体通常不是等温流动，气体密度不是常数，要用平均温度下的密度代替。窑炉中热气体的伯努力方程：（4）应用伯努力方程解题的注意事项①分析流动：首先应分析所研究的流体是否符合伯努力方程的应用条件；其次要弄清流体总体，即是要把研究的局部流动和流动总体联系起来。方程的应用条件：a、流体流动必须是恒定流动；b、流体应是不可压缩流体，但工程上遇到的大多数气体可近似使用；c、计算断面应是缓变流截面,但当动能一项在总能量中所占比例很小时,可将断面取在急变流处作近似解。d、如两截面之间有能量输入或输出时，伯努力方程为：热气体：上述伯努力方程的简写式：或

②选取基准面：基准面可以任意选取，但必须是水平面。对同一方程中的两个不同断面，其计算基准只能是同一基准面一般选取基准面时，若管道中为液体，基准面习惯取在截面之下；若管道中为气体，基准面习惯取在截面之上。水平流动时基准面习惯取在管道中心。③选取计算断面：应选在缓变流处，为了便于计算，应将其中一个断面取在流动参数已知的位置上，并使未知数包含在所列方程中。④确定压强基准：可用绝对压强，亦可用表压强，但等号两边必须一致。⑤方程中的能量损失一项应加在流动的末端，即下游断面上。【例题】平均温度为200℃，标态密度为1.32kg/m3的热气体从高为50m的烟囱顶部以4Bm/s的速度排出。已知烟囱顶部内径为d2=1m，底部内径为d1=1.5m，摩擦阻力损失为16Pa，试计算烟囱底部的静压头。【解】烟气在200时的密度：烟气在顶部的流速：烟气在底部的流速：据伯努力方程：以顶部为基准面，Z2=0；以相对压强作为压强基准，P2=0，则：2、压头间的转换伯努利方程式是机械能守恒和转化定律在运动流体中的表现形式。方程式中各个压头之间是可以相互转变的。（1）几何压头和静压头之间的转变设有热气体在垂直管道由中由上向下流动，且管径不变则,即,忽略压头损失，列出1-1和2-2的伯努力方程。因为hg2(在下)＞hg1(在上)则hs2＜hs1即hs→hg（几何压头视为“能量损失”）同理：hg→hs（几何压头视为“推动力”）（2）动压头和静压头之间的转变某一流体在一水平的、逐渐扩张的管道中流动因为hk1＞hk2则hs2＜hs1即hk→hs同理：hs→hk（3）压头的综合转变热气体由下向上在截面逐渐变小的垂直管道中流动

上式说明，热气体由下向上流动时，逐渐将几何压头转变为静压头、动压头，并消耗部分能量用于克服压头损失。综上所述，在流体流动过程中，各种压头之间可以相互转变，其转变规律如图所示。1.1.3流体的阻力及管路计算摩擦阻力定义：摩擦阻力存在于整个流动路程上，是流体在直管中流动时，由于流体的粘性产生内摩擦而产生的能量损失。用表示。1、摩擦阻力计算

(Pa)说明：a、hf是单位管道截面积上的摩擦力，在数值上等于管道两端的压差（仅有摩擦阻力），方向与流体流动方向相反。l↑，de↓，w↑，hf↑b、hf与流体的流态及管壁粗糙度有关，这些因素包含在摩擦阻力系数中。要确定hf的大小，关健在求λ。2、摩擦阻力系数A、摩擦阻力系数λ由实验确定。它与雷诺数及管内擘粗糙度有关。①层流区（Re≤2300）代入阻力公式得：②临界区（Re=2300～4000）此区域流态不稳定，若仍保持层流，则Re↑、λ↓；若已为湍流，则Re↑、λ↑。③湍流光滑区：④湍流过渡区：⑤湍流粗糙区：B、硅酸盐工业通常按经验公式计算，即：①光滑金属管道：粗略计算时：λ=0.02～0.025②粗糙管道：粗略计算时：λ=0.035～0.45③砖砌烟道：粗略计算时：λ=0.05【例题】热烟气以7.5Bm3/s的流量通过截面尺寸为1.5×2.0m的砖砌烟道，烟气的平均温度为420℃，标态密度为1.32kg/Bm3,求烟气通过25m长烟道的摩擦阻力损失（烟道内烟气的绝对压力接近大气压）。【解】烟气的标态流速：2.5m/s烟气的工况流速：6.34m/s烟气的工况密度：0.52kg/m3烟道当量直径：1.71(m)烟气粘度：=(Pa•s)雷诺准数：

摩擦阻力系数：摩擦阻力损失：(Pa)局部阻力定义：局部阻力是流体通过管路中的管件、阀门、突然扩大，突然缩小等局部障碍，引起边界层的分离，产生漩涡而造成的能量损失。用表示。1、局部阻力计算公式

(Pa)2、局部阻力系数ξ局部阻力系数一般由实验确定。①流体是层流时，局部阻力系数可用下式表示

是随管件而定的常数，对球心阀(全开)，＝48.8；角阀(全开)，=21.7；90º弯头，=16.3三通，=32.5②流体是湍流时，局部阻力系数由管件性质而定的常数如：

①突然扩大②突然缩小其余的局部阻力系数查附录。流动的总阻力流体流动的总阻力，为摩擦阻力与局部阻力之和，即：

(Pa)管路计算.1经济流速

(m)分析：1）w↓，d↑，管材费↑，施工费↑2）w↑，d↓，一次投资↓，阻力损失↑，动力消耗↑，日常管理费↑经济流速:使一次性投资与日常管理费用之和为最小值的速度。影响经济流速的因素:①管材价格；②施工费用；③能源价格；④管网结构；⑤流体性质；⑥生产工艺要求简单管路的计算管路：由管材、管件、阀件等按一定方式联接而成的供流体流动或输送的设施。简单管路：从进口到出口，没有分支管径不变。对简单管路两端写出伯努力方程：上式表明：静压头和几何压头的变化用于克服管道中的摩擦阻力及局部阻力之总和。

简单管路计算内容包括：①已知管径、管长、流体输送量和管路阻力系数，求流体通过管路的阻力损失。②已知管长，流量，允许的阻力损失，求管径。③已知管径，管长,允许的阻力损失，求流体的流速或流量。【例题】20℃的低压空气流过内径420mm，长60m的光滑金属管道，空气流量为4.0m3/s，局部阻力系数=2.5求（1）管道的阻力损失。（2）若要将流量增达到5.0m3/s，而保持阻力不便，应选用多大的管径。【解】（1）对于光滑金属管选取根据公式：

将

代入上式得：(Pa)==3397.27(Pa)（2）当m3/s，3397.27(Pa)Pa时，即：3397.27整理后得：用试凑法求得：注:②③类问题较为复杂，由于管径未知，因而无法求算流速、雷诺数和摩擦系数。在这种情况下，工程计算中常采用试差法求解。1.2流体力学在无机材料工业中的应用.1不可压缩气体的流动.1气体流出和吸入窑炉1、气体通过小孔的流出和流入如图，容器中的低压气体的压强为P，密度为，容器壁上有一个出口面积为F的小孔或喷嘴，外界大气压为Pa，在压差P-Pa的推动下，气体从小孔流出。气体流出时，静压能转变为动压头，在流出气体的惯性作用下，气流发生收缩，在Ⅱ截面处形成一个最小截面，这种现象称为缩流。缩流系数：列出容器内任一截面Ⅰ及小孔外流股最小截面Ⅱ的伯努力方程：因Z1=Z2.，，所以；因F1>>F2，w1<<w2，所以可忽略；又因P2=Pa，所以，气体伯努力方程简化为：即：

令

速度系数则；

通过小孔截面流出的气体体积流量为：通过小孔截面吸入的气体体积流量为：缩流系数、速度系数和流量系数的值由实验确定，可查表。2、气体通过炉门的流出和吸入分析：气体通过炉门流出和吸入量的计算原理与孔口相似，但孔口的直径较小，在计算时认为沿小孔整个高度上气体的静压强不变，而炉门有一定的高度，在计算时要考虑炉门高度上静压强变化对气体流出和吸入量的影响。流入、流出炉门的气体量及流速：或利用下面公式计算：式中F—炉门截面积，m2，z0—炉门中心线至零压面的距离，m、【例题】耐火材料倒焰窑的炉门高为1.8m，宽为0.9m，炉内热烟气平均温度为1400℃，烟气的标况密度为1.32kg/m3，外界空气密度为1.22kg/m3。已知炉底面的表强为－6Pa，求当炉门开启时，通过炉门的小时溢气量。(设流量系数为0.7)【解】烟气密度：求炉门溢气，必须先求出零压面，零压面以上为正压，热气溢出，零压面以下为负压，冷空气吸入。设零压面在窑底上方x处，以窑底为基准面，列窑底1－1面与零压面的静力学方程：零压面以上1.2m的炉门溢气，面积形心（A点）的静压强为：零压面以下0.6的炉门吸入冷空气，面积形心（B点）的静压强为：零压面上方炉门溢气量为：零压面下方炉门吸入冷空气量为：.2、分散垂直气流法则在窑炉中，当一股气流在垂直通道中被分割成多股平行小气流时，叫分散垂直气流。如玻璃窑中气体通过蓄热室格子体；水泥立窑中气体通过物料；倒焰窑中烟气通过制品等。分散垂直气流法则：当热气体流过通道被冷却时，应自上而下流动；当冷气体流过通道被加热时，应自下而上流动。气体在各通道中分布均匀，否则分布不均匀。证明：假定气体在垂直通道中自上而下流动，至1截面分成两股，在2截面处又汇合成一股，如图：以1－1截面为基准面，列出1－1、2－2截面的伯努力方程：a通道：因为hg1,a=0，hk1,a=hk2,a，方程简化为：b通道：要使温度在a、b通道内均匀分布，必须使a、b通道两端的静压差相等，即：在a、b通道内温度均匀分布的条件是：当hg<<∑hl时，即几何压头对于气流温度分布的影响可以忽略不计时，温度在a、b通道内的分布将与气流方向无关，主要决定于两通道内的阻力损失，当两通道的阻力损失相等时，温度在a、b通道内就能均匀分布。当∑hl<<hg时，即阻力损失对于气流温度分布的影响可以忽略不计时，温度在a、b通道内分布将决定于几何压头的作用。若a、b通道高度相等，两通道的几何压头是否相等决定于通道的气体密度。若热气体自上而下经过a、b通道，当ta<tb时，>，hg2,a<hg2,b。热气体自上而下流动时，其几何压头为阻力，因而a通道内的总阻力减少，Va增大，Vb减少。Va的增大会使ta升高，致使ta=tb，，hg2,a=hg2,b，造成热气体在通道内的温度均匀分布。若热气体自下而上经过通道时，几何压头是推动力，温度越高，几何压头越大，推动力大，气体流量越大a通道温度低，流量越来越小，温度越来越低，造成恶性循环。可见热气体被冷却时，采用自上而下的流动方式时，流量（温度）在各通道中会自动分布均匀。同理可证明，冷气体被加热时，采用自下而上流动时会自动分布均匀，相反的流动方向分布不会均匀。可压缩气体的流动（自学）1.2.2烟囱和喷射器烟囱.1烟囱的工作原理1、烟囱的排烟原理：由于烟囱有一定的高度，烟囱中的热气体受到大气浮力的作用，而具有一定的几何压头，在烟囱底部造成负压—“抽力”。如果这种抽力正好能克服气体在窑炉中流动的各种阻力，就能使窑内热气体能源源不断地流入烟囱底部，并通过烟囱排入大气。烟囱的抽力，可用烟囱底部和顶部出口截面的伯努力方程求得：取2－2截面为基准面，则有：此时方程各简化为：即：烟囱底部负压的绝对值称之为抽力，用hc表示。上式表明，烟囱的抽力是由烟囱的几何压头形成的。但烟囱中气体所具有的几何压头并非全部转为有用的抽力，实际上一部分要用于克服烟囱本身气体流动的摩擦阻力和满足烟囱中气体动压头增量。2、影响烟囱抽力的因素：（1）烟囱的高度：H↑，hc↑，烟囱排烟能力强。（2）烟气平均温度：tav↑，ρav↓，hc↑（3）空气平均温度：ta↑，ρa↓，hc↓（4）空气的湿度：ψ↑，ρa↓，hc↓故：高度一定时，hc冬天＞hc夏天（5）海拨高度：海拨高度↑，大气压↓，ρa↓，hc↓烟囱的热工计算1、烟囱的直径（1）烟囱顶部直径（m）分析：速度大，直径小，阻力大；速度小，直径大，投资大，有倒风现象。施工要求：砖烟囱和混凝土烟囱d≮0.8m，顶部厚度≮24cm。（2）底部直径：①小型铁皮烟囱通常上下直径一般大圆筒形，也有用砖砌成的方形。②大型的砖、混凝土烟囱是底部直径大的锥体形，斜率为1～2%。底部直径为：2、烟囱的高度确定烟囱的高度不仅要考虑热工要求，还要考虑环保要求。机械通风：环保要求高于热工要求自然通风：热工要求、环保要求同样重要（1）烟囱高度确定的方法：据烟囱抽力公式计算因烟囱本身的摩擦力及动压头增量比窑炉系统的总阻力小得多，故烟囱高度也可以近似计算：或

式中Σh—窑炉系统的总阻力（烟囱抽力数值上与Σh相等），即：a、克服窑炉沿途的摩擦阻力；b、克服各种局部阻力；c、当气体由上向下流动时，要克服几何压头作用；d、满足动压头的增量。（2）烟囱高度计算的步骤：A、估算高度

（储备系数K=1.2～1.3）B、烟囱出口温度C、烟囱内平均温度D、烟气的平均密度E、计算出烟囱高度与估计高度误差＜5%，即：<5%3、烟囱热工计算的注意点（1）用夏季最高气温计算空气密度，以保证烟囱在任何季节都有足够的“抽力”。（2）当空气湿度较大时，计算时必须用湿空气密度。（3）高原地区应考虑大气压的影响，见图1－45。（4）如有机场，应不防碍飞机的升降，高度＜20m。（5）烟囱高度应符合环卫部门规定中各种有害物质的排放标准，尽量减少公害。（6）应考虑对农作物的影响（7）要充分估计烟道积水、积灰和烟囱严密程度对抽力的影响。（8）数台窑合用一烟囱时，应注意：计算高度：hc=hc,max计算直径：V=V1+V2+V3+……【例题】设有一个窑炉,其生产的废气量为8000Bm3/h，废气的标态密度为1.34kg/Bm3，废气离窑到达烟囱底部的温度为600℃，自窑内到达烟囱底部的过程中，窑炉系统的总阻力为180Pa，外界空气温度为30℃。试计算烟囱的直径和需要的高度。【解】(（1）计算烟囱直径取烟囱出口处的气体流速，则：烟囱底部直径：D=1.5d=1.5×1.2=1.8(m)（2）计算烟囱的高度烟囱底部废气的密度：周围空气的密度：估计烟囱高度：烟囱顶部温度：烟囱中废气平均温度：烟囱中废气平均密度：烟囱顶部废气流速：烟囱的平均平均直径：烟囱中废气平均速度：烟囱高度：与估计估计估计高度相差不大，不必重算。第二章传热学教学要求【掌握内容】（1）传热的基本条件与基本方式（2）温度场、等温面、等温线和温度梯度的概念（3）热流量和传热量的概念（4）导热的基本定律的表达式及物理意义（5）物质导热系数的意义（6）稳定态平壁、圆筒壁的导热量计算（7）对流换热的基本概念和特点（8）影响对流换热的因素（9）对流换热的基本定律（10）对流换热准数方程和对流换热量的计算（11）辐射换热的基本概念和特点（12）辐射的吸收、反射和透过（13）四次方定律的表达式及含义（14）黑度、灰体的概念和克希霍夫定律的含义（15）角系数的概念（16）固体辐射传热的计算（17）气体辐射的特点（18）综合传热的概念及传热过程分析【理解内容】（1）各种传热方式的传热机理；（2）等温面、等温线的性质（3）稳定态多层圆筒壁的导热量计算（4）边界层意义（5）对流换热准数方程的意义（6）定性温度和定性尺寸（7）普朗克定律的含义（8）维恩定律的含义（9）角系数的性质及计算（10）遮热原理（11）一种流体通过多层平壁传热给另一种流体（12）一种流体通过多层圆筒壁传热给另一种流体（13）窑体表面的散热的计算【了解内容】（1）稳定态复合平壁的导热（2）稳定态不规则物体的导热量计算（3）表面温度不均时平均温度的计算（4）对流换热量的计算方法（5）强化对流换热的因素分析（6）窑墙小孔的辐射散热计算方法（7）气体的黑度及吸收率的确定方法（8）气固辐射传热的计算二、教学重点与难点【教学重点】（1）传热的基本条件与基本方式（2）温度场、等温面、等温线和温度梯度的概念（3）热流量、传热量和稳定传热与不稳定传热的概念（4）稳定态平壁的导热量计算（5）对流换热的基本概念（6）影响对流换热的因素（7）辐射传热的基本概念及基本定律（8）辐射传热的基本定律（9）固体辐射传热量的计算（10）气体辐射特点（11）一种流体通平壁传热给另一种流体【教学难点】（1）温度梯度（2）稳定态多层平壁的导热量计算（3）对流换热准数方程（4）边界层对对流换热的影响（5）辐射传热的基本定律（6）固体间的辐射传热量的计算（7）气体与固体间的辐射传热量计算

三、教学方法从生活或生产上的传热现象引入，分析讲解概念，强调对基本概念理解及掌握。教学中注意分解基本原理、过程和难点，要讲、练结合，培养学生的分析计算能力。

四、教学时数【建议学时】18学时

五、教学内容2.1传热的基本概念2.1.1传热的基本条件传热：热量传递的过程。传热学：研究有温差存在情况下的热量传递规律的科学举例说明自然界传热现象硅酸盐窑炉中中所涉及到的传热问题工业窑炉中所涉及到的传热问题分两类：第一类：加热或熔化物料的有益传热；如：加热物料，废气利用。第二类：造成热损失的有害传热。如：窑体外壁的散热等。学习传热的目的：强化有益传热，削弱有害传热。从生产或生活中的传热现象，分析传热的特点，引导学生分析得出：传热的基本条件：温度差，没有温度差就没有热量传递。物体间传热量的大小与传热的推动力（温度差）成正比，与传热的热阻（阻碍传热的阻力）成反比，数学表达式如下：（W/m2）2.1.2传热的基本方式传热过程是一个复杂的物理过程，按其物理本质不同，可分为为三种方式。（1）传导传热依靠物体微观粒子的热运动而传递热量特点：（a）传热的物体内部存在温差或温度不同的两物体直接接触；（b）传热的物体之间不发生宏观的相对位移；（c）导热是物质所固有本质，气体、液体、固体都有导热本能。（2）对流传热依靠流体质点的宏观位移而传热，发生于流体内、流体之间、流体与固体之间。对流换热：流体与固体壁之间的热交换。特点：（a）流体与固体表面直接接触；（b）传热的部分有宏观的相对位移；（c）对流的同时，流体各部分之间还存在着导热。（3）辐射传热热量以电磁波形式从高温物体传向低温物体。特点：（a）不需要直接接触，可以在真空中传递；（b）有能量的转化；即从热能转化为辐射能或者相反地从辐射能转化成热能。2.1.3传热的基本概念温度场：温度场：传热过程中，物体内部所有点的温度分布情况。数学表示式：t=f（x，y，z，τ）温度场内各点的温度与位置有关，同一点的温度还随时间推移而有所不同。等温面与等温线1、定义等温面：温度场中所有温度相同的点构成的面。等温线：等温面与其它任意平面的交线。2、等温面、线的性质：（1）同一瞬间，不同的等温面、线不可能相交。（2）连续的温度场中，等温面、线连续。（3）同一等温面、线上无温度变化，也就没有热量传递，热量传递只发生在不同的等温面、线之间。温度梯度定义：温度场中，两等温面间温度差与其法线方向两等温面间距离比值的极限。数学表达式：(℃/m)稳定、单向温度场中：(℃/m)物理意义：说明沿着等温面的法线方向，单位距离的温度变化。注意：温度梯度正方向指向温度升高的方向。热流和传热量传热量：单位时间内，经面积F传递的热量，用Q表示。单位J/s或W。热流：单位时间内，单位面积上传递的热量，用q表示，单位为W/m2。两者的关系；注意：热流是矢量，它的正方向指向温度降低的方向，与温度梯度的方向相反。稳定传热与不稳定传热稳定传热：在稳定温度场内的传热，特点是传热量不随时间变化。即：不稳定传热：在不稳定温度场内的传热，特点是传热量随时间变化。即：2.2传导传热2.2.1导热的基本定律——傅立叶定律傅立叶定律内容：单位时间、单位面积上通过的热量与温度梯度成正比。数学表示式数学表示式：或说明：（1）负号表示热量传递方向与温度梯度方向相反（2）λ是导热系数2.2.2导热系数导热系数是衡量物质导热能力的物理量。由付立叶定律可得：

（w/m.℃）导热系数含义：物体内温度梯度为1℃/m时，单位时间、单位面积的传热量。各种物质的导热系数都是用实验方法测得。气体导热系数大小：λ＝0.0058～0.58W/m.℃。气体的导热是由气体分了的热运动和相互碰撞作用而传递能量的。特点：（1）λ＝f(t)

t↑,λ↑（2）在不太大的压力下,可以认为λ与压力无关液体的导热系数大小:0.093～0.7w/m.℃液体的导热主要是由分子振动产生的一些不规则的弹性波来传递能量的过程。特点：（1）λ＝f(t)

t↑,λ↓。（注意：水和甘油例外）（2）压力影响很小，与P无关。固体导热系数固体传导热能的形式：晶格的振动和自由电子的迁移（1）金属金属的导热主要依靠自由电子的迁移，因而良好的导电体就是良好的导热体。大小：2.3～428w/m.℃，纯银最大，纯铜次之。特点：（1）t↑,λ↓，晶格振动影响自由电子的迁移。（2）金属内含杂质时，其导热系数降低，λ合金<λ纯金属。（2）建筑材料大小：0.16～2.2w/m.℃特点：（1）t↑,λ↑（2）λ与材料结构、空隙率、湿度、密度等因素有关（3）绝热材料：导热系数小于0.22w/m.℃的材料特点：与建筑材料相似。优质绝热材料（多孔轻质材料）：λ＝0.035～0.07W/m.℃。（4）耐火材料大小：0.7～5.8w/m.℃特点：t↑,λ↑注意：镁质耐火材料例外，因为，晶体的导热系数与绝对温度成反比，无定性体则反之，镁砖主要由晶体组成。影响λ的因素（1）温度的影响：大多数材料的导热系数在一定范围内与温度呈线性关系，即：或实际计算时，λ的数值是取物体两端温度的算术平均值来计算，并把它作常数来处理。即：或（2）湿度：由于材料孔隙多，容易吸水，水分的导热系数比空气的约大24倍，而且水分从高温区向低温区迁移也携带热量，所以：空隙率↑，湿度↑，λ↑，潮湿的砖导热系数比干燥砖和水都大（3）密度：材料的密度小，内部孔隙多，由于空气的导热系数很小，故密度小的材料的导热系数也小。同种材料，密度↑，λ↑从上的讨论可知：加强传导传热时，采用导热系数大的材料隔热保温时，采用导热系数小的材料2.2.3稳定导热传热导热微分方程（固体）——能量守恒方程1、推导思路：取微元体，列能量守恒方程微元体内能的增量=微元体传入的热量-微元体传出的热量+微元体内热源产生的热量即：微元体热焓的增量=微元体净热增量+微元体内热源产生的热量zzxdQx+dxydQx2、假定条件：（1）物体是各向同性的均质物体各向同性：指物体各方向的导热系数都相同（2）物体的物理量λ、ρ、CP均为常数（3）内热源qv均匀的分布在物体里内热源qv：指单位时间内、单位体积物体所释放出的热量.单位：w/m33、推导过程以X方向为例进行分析：在dτ时间内，沿x轴通过左垂面传入六面体的热量在同样的时间内，沿x轴通过右垂面传出六面体的热量故x方向上的净热增量：同理：总净热增量：热焓的增量：内热源产生的热量根据能量守恒：热焓的增量=传入的热量-传出的热量+内热源产生的热量即：热焓的增量=净热增量+内热源产生的热量将上面各式代入：方程两边同除以则：这就是具有内热源的导热微分方程（或称傅立叶导热微分方程）。或令可以简写为称为导温系数（或热扩散率）。4、讨论：（1）导温系数（或热扩散率）物理意义：物体内部扯平温度的能力；或不稳定温度场内物体各部分温度趋于一致的能力；或者说是不稳定温度场内物体温度随时间变化能力。单位：m2/s。例如：对两个物体加热100℃100℃tQτ2tQτ1τ3τ420℃100℃τ1τ2τ3τ4（2）qv有正负，qv>0，物体放热；qv<0，物体吸热。（3）若物体内部无内热源，即qv=0，则上式变成（4）稳态导热且内部无内热源则上式变成即：单层平壁导热设平壁两表面温度各为t1、t2，平壁厚度为δ，求热流密度q和平板内的温度分布。方法1：运用导热微分方程一维稳态导热:边界条件：x=0，t=t1；x=δ，t=t2。积分：将边界条件代入得：C2=t1,C1=(t2-t1)/δ最后得：方法2：运用付氏定律在距离板左侧面x处，取一微元体dx列傅里叶定律的表示式t1t1注：这里传热面积相同，可直接用热流密度公式求解，否则不可以。将上式分离变量后进行积分：qxxtqxxt1t2tdxδδ0A：当λ为常数时积分所以：（温度分布）当x＝δ时，t=t2代入得(W(W／m2)若给定面积F:(W)(W)B：当λ为非常数时导热系数随温度成线形关系:积分整理得：解方程得：讨论：β=0,温度线性分布β>0,温度曲线下凹β<0温度曲线上凹当x＝δ时，t=t2代入得若给定面积F:(W)因此：在实际求解时，将平均温度的导热系数看成常数进行计算常用的简便方法----热阻法根据公式：或：可以发现：该两式与电路中公式：相似相互对应关系：令：单位面积上热阻整个传热面积上热阻则：对应的网络热阻图为对应的网络热阻图为δ/δ/λFt1t2Qδ/λqt1t2注意：区别Rt与R只有传热面积沿途不变时，可以采用单位面积上热阻Rt，否则必须采用总传热面积的热阻t1t2Rt，与t1t2q（适用）q（适用）QQt2t1只能用R不能用Rt，(不适用)(适用)无内源多层平板的稳态导热t4xδt4xδ1δ2δ3t1t3t2qt如图：假设（1）λ1，λ2，λ3都为常数（2）层与层之间接触良好，只各层分界面上无温度降求解方法：采用傅氏定律公式。对于第一层平板:对于第二层平板:对于第三层平板:将上面三式相加,消去t2和t3得因为是稳态导热，由能量守恒原理知：Q1=Q2=Q3=Q整理上式得：上式表明：多层平壁的稳态导热可以直接采用热阻网络图法求解。相应的网络图：δδ2/(λ2F2)δ1/(λ1F1)δ4/(λ4F4)t1t4Q若用热流密度表示，则：相应的网络图：δ2/λ2δ1/λ1δ4/λ4t1t4q注：（1）多层平板的稳态导热，因沿途传热量不发生变化也可以采用热流密度公式进行推导。（2）接触良好的n层无限大平板传热量为：在应用多层壁公式时，应注意二个问题：（1）多层平壁中，壁与壁的接触应良好，相接的两表面应具有相同的温度。否则接触热阻的存在，使计算误差增大。（2）因导热系数与温度有关，而中间层温度为未知数，各层导热系数的平均值无法求得，可采用尝试误差法法求解。【例】设有一窑墙，用粘土砖和红砖二层砌成，厚度均为230mm窑墙内表面温度为1200℃，外表面温度为100℃，红砖允许使用温度为700℃以下，求每米2窑墙的热损失，并判断红砖在此条件下是否适用？【解】查表求粘土砖及红砖的导热系数：λ1＝0.70＋0.55×10－3tW/m.℃λ1＝0.46＋0.44×10－3tW/m.℃假设交界面温度为600℃，则：（W/m.℃）（W/m.℃）(W/m2)校核交界面温度：（℃）与假设温度相比较误差＝（%）误差超过5%，故重新假设交界面温度为830℃，（W/m.℃）（W/m.℃）(W/m2)校核交界面温度：（℃）与假设温度相比较误差＝误差5小于%，故第二次假设正确。由计算结果可知，红砖在此条件下（830℃）不适用。无内源复合平板的导热复合壁：在它的高度和宽度方向上，由几种不同材料砌成。由于不同材料的热阻不同，热流沿垂直于壁面方向上的分布是不均匀的。应用电热模拟解决复合壁的导热，即；例如计算公式：但应当注意，只有当三种材料的导热系数相差不太多时，才能按一维稳定传热方程来求解。单层圆筒壁导热当圆筒L》D时，而温度仅沿半径发生变化，这种传热也可以认为是单向稳定传热。若圆筒内外直径分别为r1、r2，长度L，圆筒壁内外表面温度分别为t1、t2，导热系数λ为常数。在稳定传热的情况下，沿半径半径方向Q是不变的，但r↑，热流量q↓。rt1rt1t2tr2r1分离变量：

=-两边积分：

=故:

或写成下列形式：对数平均半径:对数平均面积:=2πLrav=Fav=单层圆筒壁的导热热阻：注意：当r2/r1<<2，筒壁可看作平壁，厚度为r2-r1，传热半径可按半径的算术平均值计算。多层圆筒壁传热稳定传热时，通过各层单位长度筒壁的热量相同，即q1=q2=q3，采用单层平壁与多层平壁的关系，可得多层圆筒壁的公式：或

减少筒壁散热量可采取的措施：（1）使ri+1/ri↑,即增大壁厚度,Q↓；（2）λi↓（生产中采用保温材料）,Q↓；（3）Fav↓（单位产量有效散热面积减小）,Q↓,故大型窑热效率比较高。【例】蒸汽管道内径、外径各为0.16m、0.17m，外包两层绝缘材料，第一层厚度0.03m，第二层厚度0.05m，管壁及两层绝缘材料的平均导热系数各等于λ1=81.5w/m.℃，λ2=0.174w/m..℃，λ3=0.093w/m.℃，管道内表面温度为t1=300℃，第二层绝缘材料外表面温度t4=50℃，试求每米长蒸汽管道的热损失和各层交界面温度t2、t3。【解】已知：d1=0.16m，d2=0.17m，d3=0.17+0.06=0.23m，d4=0.23+0.1=0.33m，（w/m）交界面温度：（℃）形状不规则物体的导热对于一些形状不规则，但形状近似接近于平壁、圆筒壁的物体。其导热可按下式计算：（1）两侧面积不等的平壁或F2/F1≤2的圆筒壁（2）形状接近于圆筒壁的物体（3）长、宽、高三个方向上尺寸相差不大的中空物体表面温度不均匀，应计算表面平均温度（1）表面温度相差不大方法：将表面分成n块小面积，测量出每块面积上的温度后，按照下式计算平均温度分区面积相等：（2）表面温度变化较大可将全部面积划分为若干区，每一区用上述方法算出平均温度，计算出该区热量，总热量为：2.3对流换热2.3.1对流换热的基本概念对流传热与对流换热1、对流传热定义：在流体内部依靠流体质点的宏观位移，把热量从高温处向低温处传递的过程称为对流传热。2、对流换热定义：是指流体和固体壁面直接接触时彼此之间的换热过程。它既包括流体位移时所产生的对流，又包括流体分子间的导热作用，因此，对流换热是导热和对流共同作用的结果。而在实际生产中遇到的多是对流换热问题。特点：温差存在，而且与固体表面直接接触；对流换热是导热和对流联合作用的结果。

边界层引入边界层的原因：对流换热热阻的大小主要取决于靠近壁面附近流体的状况,因为这里u、t变化最为剧烈。边界层概念：流体在流动时，紧靠固体壁面处总存在一层作层流运动的边界层称层流底层，层流底层中的流体质点只作平行于壁面的流动，而没有横向的相对位移，因此热量通过层流底层时，只能以传导的方式来进行热量传递。即高温壁面的热量首先以传导的方式通过层流底层，然后传入层流底层外的紊流主流区，热量在紊流主流区内就以对流的方式进行传递，这是一个依次发生的串联过程，它包括层流底层区的导热和紊流主流区的对流。对稳定传热而言，以传导方式传递的热量，必等于以对流方式传递的热量。而传热的总热阻也必等于层流底层热阻（δ/λ，δ为层流底层厚度）和空气对流热阻之和。由于空气的导热系数λ很小，所以层流底层的热阻很大。高温壁与低温空气接触时，温度降在层流底层也最大，如图所示。由此可见，层流底层的热阻是决定对流换热量大小的主要因素。由于层流底层的热阻为δ/λ，所以其热阻与层流底层的厚度δ成正比，而层流底层的厚度又与流体的流速等有关。流速增加，紊流程度加强，能使层流底层变薄，对流加强热阻减小，否则相反。由此说明了对流换热与流体流动状况密切相关。边界层包括：

流动边界层:壁面附近流体速度急剧变化的薄层

温度边界层:壁面附近流体温度急剧变化的薄层

2.3.2影响对流换热的因素对流换热是一种很复杂的过程，影响对流换热的因素有很多，主要有以下几个方面：1.流体的流动状态层流：热量的传递主要依靠传导，由于空气的导热系数λ很小，所以层流底层的热阻很大。；紊流：热量的传递除传导外，还同时有紊流扰动的对流传热，此时的换热强度主要取决于边界层中的热阻，因为这部分的热阻和紊流部分的热阻相比要重要得多。2.流体流动的动力流体的运动分为自然流动和强制流动两大类。自然流动：凡是由于流体内部因温度不同造成密度不同而引起的流动，称为自然流动或自然对流。强制流动：凡是受外力影响，如泵、鼓风机的作用所发生的运动称为强制对流。应当指出，流体作强制流动时，也会同时发生自然流动，流体内各部分间温度差越大，以及强制流动速度越小，则自然流动的相对影响也越大。但当强制流动相当强烈时，附加的自然流动影响就很小，常可略去不计。3．流体的物理性质流体的物理性质对对流换热有很大的影响，影响对流换热的物理性质有：比热（）：比热大的流体，单位体积能携带更多的热量，对流转移热量的能力也大密度()：密度大的流体，单位体积能携带更多的热量，对流转移热量的能力也大，如常温下水的密度比空气的密度大很多，造成它们对流换热系数的巨大差别。导热系数()：导热系数较大的流体，层流底层的热阻较小，换热就强。以水和空气为例，水的导热系数是空气的20多倍，这也是水的对流换热系数远比空气大的主要原因之一。粘度()：粘度大的流体，流动时粘性剪应力大，边界层增厚，换热系数将减小。除了由于流体种类不同而粘度不同外，还要注意温度对粘度的影响。液体的粘度随温度增高而降低，气体的粘度则随温度的增高而加大，都会影响对流换热系数的大小。4．换热面的形状和位置换热面的形状和位置对于换热过程的影响也很大，即便是一些最简单形状的换热面，例如平板，也因平放、竖放或斜放而影响对流换热过程的强弱。换热面的形状、大小、表面粗糙度等均能影响对流换热系数的大小。2.3.3对流换热的基本定律（牛顿冷却定律）1、牛顿冷却定律牛顿提出下列公式计算对流换热量：

()

式中—

对流换热量，；

—固体壁面温度，℃；

—固体周围流体（主流）的温度，℃；

—流体与固体接触的面积，；—对流换热系数，。2、对流换热系数单位时间内，当流体与固体表面间温差为1℃时，通过单位面积所传递的热量，单位为。3、对流换热热阻牛顿冷却定律指出，对流换热量与换热面积成正比，与流体和固体壁面温度差成正比。牛顿冷却定律也可以写成以下形式：

()

(4.21)即：1/αF即为对流换热热阻。说明：从表面上看，对流换热计算很简单，实际上是把复杂的影响因素都归纳到对流换热系数中去了，因此对流换热系数的计算就成了关键。2.3.4对流换热准数方程由影响对流换热的因素分析可知，影响对流换热系数的因素很多，它们之间的关系可用下列函数表示：

式中——流体的对流换热系数，W/m2·℃；——流体流动管道尺寸，m；——流体的密度，kg/m3；——流体的粘度，Pa.s；——流体的导热系数，W/m•0C；——流体的流速，m/s；——流体的比热，J/kg•0C；——流体内部的浮力。由以上函数式可以看出，影响对流换热系数的因素很多，要从理论上推导一个普遍适用的公式计算不同情况下的对流换热系数是非常困难的。目前常用的方法是用相似理论设计实验，找出在各特定情况下的对流换热系数与各有关因素的关系，从而整理出一些半经验公式来计算不同情况下的对流换热系数。1、“因次分析法”推求对流传热准数因次分析法的基本原理是因次和谐，即任何一个物理关系方程式中，其等号两边不仅数值相等，而且因次也必须相同。的因次：单位是因次为；的因次：的单位是，因次是；的因次：的单位是，因次是。将上述因次代入得：=·对流传热系数及其影响因数间的关系式用幂函数的关系表示为：(4.22)列出上式等号左右两边各物理量的因次式得：对于：对于：对于：对于:解上列四式得：将求得的值代入(4.22)得：或用准数符号表示，得准数方程式：或2、努塞尔特准数==，表示对流换热强烈程度的一个准数,又表示流体层流底层的导热阻力与对流传热阻力的比例；3、雷诺准数=，反映流体流动情况的准数；4、普兰特准数=，由流体的物性参数组成，是反映流体物理性质对对流换热影响的准数。5、葛拉晓夫准数=它在自然对流中的地位相当于强制对流中的雷诺准数。葛拉晓夫准数越大，自然对流越强烈。2.3.5对流换热量的计算1、当流体作强制流动，自然流动影响可忽略时写成幂函数的形式:式中可用实验的方法求得。2、当流体作自然对流，Re的影响可忽略时将上述函数式写成幂函数的形式:式中可用实验的方法求得。在进行对流换热量的计算时，必须选定二个参数以确定物理参数值，即定性温度与定性尺寸。3、定性温度定性温度定义：在准数方程中，各准数含有流体的物理参数，这些参数都受温度的影响，因此，必须选定一个合适的温度来确定物理参数值，这个决定物理参数值的温度称定性温度。定性温度计算：取壁面温度、流体的平均温度或流体与壁面的平均温度。4、定性尺寸定性尺寸定义：对流体流动有决定性意义的固体壁与流体相接触的几何尺寸称为定性尺寸。定性尺寸确定：工程上常用的定性尺寸如：流体在管内流动，定性尺寸为管内径；非圆管用当量直径；流体横向掠过单管或管簇，取管外径为定性尺寸；流体纵向掠过平板，取流动方向的壁面长度为定性尺寸。强制对流换热1．流体在圆管内紊流流动上式准数的下角标f表示选用流体平均温度tf作为定性温度，取管内径为定性尺寸。注意适用范围2、强制对流换热简化公式流体在管内强制流动时，还可用下列简化公式计算：[W/（m2·℃）]式中w0——流体在管道内的流速，Bm／s；d——管道内径或当量直径，m；An——因流体种类而异的系数，见表4.7常用温度下某些流体的An值见教材3．流体掠过平板紊流流动(4.33)该式的适用条件是：5×105<<107；=0.5～50。定性温度取边界层平均温度；定性尺寸取板长。4.流体掠过平板层流流动(4.34)该式的适用条件是：<5×105；>1。定性温度为边界层平均温度；定性尺寸取板长。5.流体外掠单管(4.35)式中c,n——实验常数，其值随Re变化，见教材。定性温度为流体温度；定性尺寸为单管外径。自然对流换热1、自然对流换热概念由于流体温度差造成密度差所引起的流体流动，称自由流动或自然对流，产生的传热现象称自然对流换热，如窑炉的墙壁、顶及各种管道向大气的散热等，都属自然对流传热。2、自然对流的准数方程式中c和n的值由实验确定，见教材。3、窑炉自然对流计算在窑炉内部，自然对流一般不是传热的主要因素，但在窑墙向外散热时，空气的自然对流就是主要因素了。常用的经验公式如下：[W/（m2·℃）]式中——系数：在垂直壁面上=2.56；在水平壁面上、给热面向上=3.26；在水平壁面上、给热面向下=1.63。在计算窑墙向外散热时，还必须考虑窑墙向外辐射传热部分。[例]有一根水平安置的水蒸气管道，保温层外径d=583mm，外壁温度=48℃,周围空气温度=23℃，求每米管道自然对流的散热量。[解]计算定性温度35.5℃查表得：=16.55×10-6m2/s，Pr=0.70（1/℃）℃判断流态:属层流状态。利用表4.9的公式，得:[W/（m2·℃）]因此，每米管道上的对流换热量为：(W/m)强化对流换热的因素分析从对流传热的计算公式中可以看出，影响对流换热的因素主要有三个方面：1、壁面与流体之间的温度差壁面与流体的温度差，对流换热量也越大。2、对流传热系数在对流换热时，流速对于对流传热有较大影响，要加强对流传热，提高流体的流速，是一个重要措施。3、传热面积F。增加流体与固体的接触面积均可增加对流传热量。2.4辐射传热2.4.1辐射传热的基本概念辐射传热的本质和特点1、辐射传热的本质物体以电磁波的方式向外传递能量的过程称为辐射，被传递的能量称为辐射能。电磁波类型：无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线和γ射线。热辐射：热辐射的电磁波是由于物体内部电子振动或激动在运动状态改变时所激发出来的。物体的温度是内部电子激动的根本原因，由此而产生的辐射能也就取决于温度—热辐射。热射线：能被物体吸收并转变成热能的这部分电磁波。即波长为0.4～1000μm的可见光和红外线。辐射传热是指物体之间相互辐射和吸收热过程的总效果。最终物体是放热或吸热，要取决于在同一时间内所放射和吸收辐射能之差。温度不同，这种差就不会为零。温度为零时，处于动态平衡。2、辐射传热的特点：（1）热辐射不仅进行能量的转移，而且还伴随能量的转化。即热能→辐射能→热能。（2）辐射能不仅从温度高的物体向低温物体辐射，同时低温物体也向高温物体辐射，但最终结果仍是低温物体比高温物体得到的热量多。（3）热射线的传播具有与光同样特性，不需要固体、液体或气体作为传播介质，在真空中也能传播。吸收、反射、和透过如图：假设投射到物体上的辐射能为Q。其中QA部分被物体吸收，另一部分QR被物体表面反射，其余部分QD透过物体。根据物体表面上的热平衡：其中：吸收率：反射率：透过率：上式变为：A+R+D=1讨论：（1）如果投射到物体上的辐射能全部被吸收，此时A=1，R=D=0，该物体叫绝对黑体（简称黑体）。（2）如果投射到物体上的辐射能全部被反射，此时R=1，A=D=0，该物体叫绝对白体（漫反射时，简称白体）或绝对镜体（镜面反射时，简称镜体）。（3）如果投射到物体上的辐射能全部被透过，此时D=1，A=R=0，该物体叫绝对透热体（简称透热体）工程上：固、液体A+R=1气体A+D=12.4.2辐射传热的基本定律普朗克辐射定律1、辐射能力和辐射强度（1）辐射能力：物体每单位表面积，在单体时间内向半球空间辐射出去的波长从0～∞范围内的总能量。用符号“E”表示，单体为W/m2。黑体用符号“E0”表示。（2）辐射强度（单色辐射强度）：物体每单位表面积，在单体时间内向半球空间辐射出去的波长从λ～dλ范围内的辐射能力为dE，则与波长间隔dλ的比值。用符号“Eλ”表示。即：（W/m.μm）或（W/m3）则：黑体：2、普朗克辐射定律数学表达式：λ—波长，μm，T—黑体绝对温度，Ke—自然对数之底，c1、c2—常数物理意义：揭示各种不同温度下的黑体单色辐射能力按其波的分布规律。由普朗克辐射定律的图中可知：（1）某一波长的单色辐射能力随温度升高而增大；（2）在某一温度下，其辐射能力随波长而变化。λ＝0，Eλ，0＝0，λ↑，Eλ，0↑；达到最高值后，则λ↑，Eλ，0↓。（3）温度愈高，最大辐射强度的波长愈短。（4）温度在2000K以下，辐射波长大部分在0.76～10μm的范围内，可见光比例相当小，可以忽略。但随温度升高，可见光比例在不断增加，亮度逐渐增加。工业上常根据物体加热后出现的颜色变化来近似地判断其加热温度。

维恩偏移定律T—物体绝对温度，K；λm—温度T时，最大辐射强度的波长，μ数学表达式：

物理意义：最大辐射强度的波长与绝对温度的乘积为一常数。可应用维恩偏移定律推算出一些难以测定的物体温度。严格地说，此定律仅适用于黑体，对实际物体会有差异。斯蒂芬—波尔茨曼定律数学表达式：（W/m2）C0—黑体的辐射系数，数值为5.67[W/(m2.K4)物理意义：黑体的辐射能力与其绝对温度的四次方成正比。灰体的特性1、黑度与灰体单色黑度（又称为单色辐射率）：同温度下，物体在某波长射线的辐射强度与黑体在相应波长射线的辐射强度的比值。即：理想灰体（简称灰体）：物体的辐射光谱连续，在任何温度任何波长下的单色黑度是一常数。即：黑度：实际物体的辐射能力与同温度下黑体的辐射能力的比值。即：表示物体的的能力接近于黑体的程度，其值介于0～1之间。灰体灰体辐射能力：2、单色吸收率物体对某种波长辐射能的吸收率称为单色吸收率，用Aλ表示。灰体：对各种波长的辐射能表现出同样的吸收率，即单色吸收率不随波长变化而变。黑体的Aλ不随波长变化而变化，且等于1；灰体Aλ的也不随波长变化而变化，且小于1；实际物体的Aλ随波长变化而变化，但在波长1大于的热射线范围，Aλ随波长变化很小，可看作为常数。工业上的热辐射主要波长位于红外线范围，因而大多数物体近似可看成灰体，不会引起太大误差。3、有关辐射的几个名词概念本身辐射—物体1向外辐射的能量。投射辐射—其它物体投射到物体1的辐射能量。吸收辐射—物体1吸收的部分投射辐射能量。反射辐射—物体1反射的部分投射辐射能量。有效辐射—物体1的本身辐射加上反射辐射。克希霍夫定律设有两个面积很大、相距很近、可忽略边界影响的平行平面F0及F1，如图：两平面温度相同，中空，F0为黑体表面，其吸收率A=1；F1为任意物体表面，吸收率为A1，黑度为ε1。据F1面的热平衡：推广到任意物体则有：克希霍夫定律物理意义：任何物体的辐射能力与其吸收率之间的比值，恒等于同温度下黑体的辐射能力，并且只和温度有关，与物体的性质无关。同时也说明，善于吸收的物体也善于辐射。上式写成如下形：上式说明：任何物体的吸收率等于同温度下的黑度。即：A=ε克希霍夫恒等式严格地说，此定律仅适用于灰体。2.4.3固体间的辐射传热角系数定义：表示一个物体的辐射热量落到另一个物体上的分数。如图：F1对F2的角系数：F2对F1的角系数：角系数是一个几何量，其大小与物体的形状和两物体之间的相互位置有关，而与物体的温度和黑度无关。1、角系数的性质（1）互变性据任意放置的两黑体表面F1和F2，温度相等时的热平衡可写出：（2）完整性对于由几个物体组成的封闭体系来说，任何一个表面辐射出去的热量将全部分配到体系内的各个表面上，即：（3）自见性一个物体表面辐射出去的热量，有投向自身的性质称为自见性。平面和凸面：ψ11＝0凹面：ψ11≠0（4）兼顾性如图：在任意放置的两物体1和3之间设置一透热体2，当不考虑路程对辐射热量的影响，那么就有：如果在物体1与3之间设置一不透热体，则ψ13＝0。（5）分解性：（略）2、常见的几种角系数值（1）两个无限大的平行平面，如图（a）物体1据完整性：据自见性：故：同理：（2）一个平面和一个曲面组成,的封闭体系，如图（b）物体1据完整性：据自见性：故：物体2据完整性：据互变性：故：（3）一个物体被另一个物体包围，如图（c）物体1据完整性：据自见性：故：物体2据完整性：据互变性：故：（4）两个曲面组成的封闭体系，如图（d）如图假设在两个曲面间有一个透热体面积为f，则：物体1据兼顾性：从上可知：物体2同理：据辐射能在空间分布的余弦定律，推导得：两个黑体间的辐射传热两个任意放置的黑体表面，面积分别为F1、F2，其辐射能分别为E01和E02，F1对F2的角系数为ψ12，F2对F1的角系数为ψ21，如图：两个黑体表面之间的净辐射传热量应为：据角系数的互变性有，则：或—称空间热阻。它不取决于物体性质，而取决于物体间的几何关系。两物体间的角系数愈小，表面积愈小，则空间热阻愈大。两黑体表面间的辐射换热的电热网络图来模拟，如图：灰体间的辐射传热1、灰体F1表面的辐射传热如图灰体的有效辐射为：(1)灰体表面的净辐射传热量：（2）将式（1）代入式（2）消去G，当A=ε时，可得：式中—灰体辐射传热的表面热阻。当灰体表面黑度越大，即表面越接近黑体时，表面热阻越小。黑体其表面热阻为零，此时，J=E0根据上式，可绘出如图所示的电网络单元。2、两灰体F1和F2之间的辐射传热；或：对于仅为两个灰体表面间的辐射传热问题，可用如下图的网络表示。据网络图可直接按串联电路的计算方法，写出两灰体表面间辐射换热计算式：（W）化简成如下形式：（W）系统的导来黑度：影响其辐射传热的三个基本因素：两灰体的温度差、角系数和系统的导来黑度。公式适用：（1）两个灰体处于任意位置时的辐射换热计算（2）两个灰体组成的封闭体系时的辐射换热计算3、常见封闭体系的辐射传热：①两个物体均为无限大的平行平面时，因为ψ12＝ψ21＝1，而且F1＝F2，则：如果两平行平面中，ε1>>ε2（或ε2>>ε1）时，则ε12＝ε2（或ε12＝ε1）。②当两个物体中有一个为凸面（或平面）时，因为ψ12＝1，ψ21＝，故：如果两物体中，F2>>F1，则：ε12≈ε1。【例】计算在厂房内的蒸气管道外表面每米长的辐射热损失。已知管外保温层的黑度ε1＝0.9，外径d＝583mm，外壁面温度＝50℃，室温＝20℃【解】因为蒸气管道是在厂房内，属一个物体被另一个物体包围时的辐射换热。据公式：因为管道表面积F1相对于厂房面积F2来说是很小的，所以，ε12≈ε1，遮热原理1、遮热板（1）不设遮热板时的传热量：(2)设有遮热板时的传热量：（3）净辐射热量的变化：讨论：①当平面1和平面2黑度相等时（ε1＝ε2＝ε），则：净辐射热量的变化：从公式可知：ε3↓，ε12＇↓，QNet,12＇↓②当平面和遮热板的黑度相等（ε1＝ε2＝ε3＝ε）时，则：净辐射热量的变化：可以推论：加入块黑度均为的遮热板，辐射换热将减少为原来的1/n+1。注意：遮热效果与遮热板的位置无关。2、遮热罩①不设遮热罩时净辐射热量为：②净辐射热量变化：

从上式看出:①当F1/F3=常数，ε3↓，Q12↓；②ε3＝常数，F1/F3↑,Q12↓,即遮热罩愈靠近物体1，其隔热效果愈好。【例】两平行大平壁之间的辐射换热,温度分别为1000℃和200℃，平壁的黑度各为0.8和0.5,如果中间加进一块铝箔遮热板黑度为0.05,试计算两平壁间的辐射换热量及辐射热减少的百分率。【解】加入遮热板后辐射换热净辐射热量变化：辐射热减少的百分