第4章环境工程原理热量传递剖析

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1、第4章 热量传递,环境工程原理,仲恺农业技术学院 环境科学与工程系环,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 辐射传热 第五节 换热器,3,第一节 热量传递的方式,本节的主要内容 一、热传导 二、对流传热 三、辐射传热,4,第一节 热量传递的方式,第一节 热量传递的方式 传热是极普遍的过程 凡是有温差存在的地方，就必然有热量传递。 在环境工程中，很多过程涉及到加热和冷却： 对水或污泥进行加热； 对管道及反应器进行保温以减少系统的热量散失； 在冷却操作中移出热量。,5,第一节 热量传递的方式,环境工程中涉及到的传热过程主要有两种情况：

2、 强化传热过程，如各种热交换设备中的传热； 削弱传热过程，如对设备和管道的保温，以减少热量损失。 热的传递主要有三种方式 热 传 导 物体各部分之间无宏观运动，而是通过物质的分子、原子和电子的振动、位移和相互碰撞发生的热量传递过程。,6,第一节 热量传递的方式,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，仅发生在液体和气体中。通常认为是流体与固体壁面之间的热传递过程。 辐射传热 物体由于热的原因而发出辐射能的过程。,7,第一节 热量传递的方式,思 考 题 什么是热传导？ 什么是对流传热？分别举出一个强制对流传热和自然对流传热的实例。 简述辐射传热的过程及其特点 试分析在居室内人体所发

3、生的传热过程，设室内空气处于流动状态。 若冬季和夏季的室温均为18，人对冷暖的感觉是否相同？在哪种情况下觉得更暖和？为什么？,8,第二节 热 传 导,本节的主要内容 一、傅立叶定律 二、导热系数 三、通过平壁的稳定热传导 四、通过圆管壁的稳定热传导,9,第二节 热 传 导,必要条件 存在温度差 物体的相系接触 物体各部分之间无宏观运动 机 理 通过物质的分子、原子和电子的振动、位移和相互碰撞发生的热量传递过程。 在气态、液态和固态物质中都可以发生，但传递的方式和机理是不同的。,10,第二节 热 传 导,气体的热量传递 是气体分子作不规则热运动时相互碰撞的结果 固体的热量传递 晶格振动和自由电子

4、的迁移； 液体的热量传递 结构介于气体和固体之间，分子可作幅度不大的位移，热量的传递既由于分子的振动，又依靠分子间的相互碰撞。,11,第二节 热 传 导,一、傅立叶定律,T=T0,Q,T=T1,热流流量,t=0,T=T0,T=T0,在达到稳态之后，需要一个恒定的热量流量Q通过，才能维持温度差DT=T1-T0不变。,热传导的速率？,12,第二节 热 传 导,y方向上的热量流量，也称为传热速率，W,导热系数，W/(mK),y方向上热量通量，即单位时间内通过单位面积传递的热量，又称为热流密度，W/m2,垂直于热流方向的面积，m2,y方向上的温度梯度, K/m,傅立叶定律,(4.2.1),(4.2.2

5、),13,第二节 热 传 导,热量通量与温度梯度成正比,负号表示热量通量方向与温度梯度的方向相反，即热量是沿着温度降低的方向传递的。,变 换：,导温系数，或称热量扩散系数，m2/s,热量浓度，J/m3,热量传递的推动力,令,(4.2.3),(4.2.4),热量浓度梯度，J/m3m,14,第二节 热 传 导,导温系数 是物质的性质参数，反映温度变化在物体中的传播能力。 说明物体的某部分一旦获得热量，该热量能在整个物体中很快扩散,或,15,第二节 热 传 导,二、导热系数 导热物质在单位面积、单位温度梯度下的导热速率，单位为W/(mK)。 是表明物质导热性强弱即导热能力的大小。 是物质的物理性质，

6、只与物质的种类、温度和压力有关。 不同物质的导热系数差异较大。,(4.2.5),16,第二节 热 传 导,（一） l的影响因素： 对于同一种物质，l 值可能随不同的方向变化各向异性。 气体的导热系数 都随温度升高而增高，近似与绝对温度的平方根成正比。 一般情况下，压力对其影响不大，但在高压（高于200MPa）或低压（低于2.7kPa）下，气体的导热系数随压力的升高而增大。,17,第二节 热 传 导,液体的导热系数 随温度升高而减小（水、甘油例），经验公式： 压力对其影响不大。 固体的导热系数 影响因素较多，与内部结构关系最大。 纯金属的导热系数随温度升高而减小； 合金却相反，随温度上升而增大。

7、 晶体导热系数随温度升高而减小，非晶体则相反。,18,第二节 热 传 导,19,第二节 热 传 导,（二）工程中常用材料的导热系数,金 属,液 体,隔热材料,气体,金属50415 W/(mK)，合金12120 W/(mK),0.030.17 W/(mK）,0.170.7 W/(mK),0.0070.17 W/(mK),因水的最大，是工程上最常用的导热介质,换热壁面材料，其中银最大,多孔材料作为保温材料,保温材料受潮后隔热性能将大幅度下降防潮,氢的最大,20,第二节 热 传 导,液体中水的导热系数最大。因此，水是工程上最常用的导热介质。 20时为0.6 W/(m K)。 气体的导热系数很小，对导

8、热不利，但利于绝热、保温。工业上常用多孔材料作为保温材料，就是利用了空隙中存在的气体，使导热系数变小。 水比空气的导热系数大得多，隔热材料受潮后其隔热性能将大幅度下降。因此，露天保温管道必须注意防潮。 非金属中，石墨的导热系数最高，可达100200 W/(mK)，高于一般金属；同时，因其具有耐腐蚀性能，因此石墨是制作耐腐蚀换热器的理想材料。,21,第二节 热 传 导,三、通过平壁的稳定热传导 (一) 单层平壁的稳态热传导 平壁厚度为b，壁面两侧温度分别 为T1和T2（ T1 T2 ）。 一维稳态热传导,(4.2.6),(4.2.7),22,第二节 热 传 导,温差DT为传热的推动力。,导热热阻

9、，K/W,单位传热面积的导热热阻，m2K/W,温度差,传导距离越大，传热壁面和导热系数越小，则导热热阻越大。,23,第二节 热 传 导,【例题4.2.1】某平壁厚度 b 为400mm，内表面温度T1=950，外表面温度T2=300，导热系数为l=1.0+0.001T，W/(mK)， T 的单位为。若将导热系数分别按常量（取平均导热系数）和变量计算，试求导热热通量和平壁内的温度分布。 解：(1) 导热系数按平壁的平均温度，则平均温度为： 求得： l=1.0+0.0016251.625,W/m2,W/(mK),24,第二节 热 传 导,以x表示沿壁厚方向上的距离，在x处等温面上的温度为 （2）导热

10、系数取为变量 分离变量并积分 对于平壁上的稳态一维热传导，热量通量不变。因此,25,第二节 热 传 导,在x处： 整理，得 此时温度分布为曲线。,26,第二节 热 传 导,（二）多层平壁的热传导 假 设 有三层稳态传热平壁，每层壁厚分别为b，壁的面积均为A； 假定材料均匀，l1、 l2、 l3都不随温度变化 ，视为常数。 层间接触良好，相互接触的面上温度相等； 各等温面皆垂直； T1、T2、T3、 T3 ，均为恒定。,27,第二节 热 传 导,串联热阻叠加原则,热阻越大，通过该层的温度差也越大,Q,传热的推动力,导热热阻,(4.2.10),28,第二节 热 传 导,层与层之间存在空气层 附加热

11、阻接触热阻 与接触面的材料、接触界面的粗糙度、接触面的压紧力和空隙中的气压等有关。 （三） n层平壁的热传导,接触热阻,(4.2.11),29,第二节 热 传 导,30,第二节 热 传 导,四、通过圆管壁的稳定热传导 采用圆柱坐标时，即为一维稳态热传导 传热面积随半径发生变化 对于半径为r的等温圆柱面，根据傅立叶定律，有 稳态导热时，径向的Q为常数，将上式分离变量并积分,内径r1,外径r2,半径r,31,第二节 热 传 导,积分得： 则圆管壁的导热热阻： 对数平均面积Am 对数平均半径rm,(4.2.13),32,第二节 热 传 导,两种简化计算 当时r2 /r1 2时 可用rm( r1+ r

12、2)/2近似计算。 n层圆管壁的热传导 假设层与层之间接触良好，根据串联热阻叠加原则，有,(4.2.13),33,第二节 热 传 导,【例题4.2.3】外径为426mm的蒸汽管道外包装厚度为426mm的保温材料，保温材料的导热系数为0.615W/(mK)。若蒸汽管道外表面温度为177，保温层的外表面温度为38，试求每米管长的热损失和保温层中的温度分布。,设保温层内半径为r处的温度为T,保温层内的温度分布为曲线,34,第二节 热 传 导,思 考 题 简述傅立叶定律的意义和适用条件。 分析导温系数和导热系数的涵义及影响因素。 为什么多孔材料具有保温性能？保温材料为什么需要防潮？ 当平壁面的导热系数

13、随温度变化时，若分别按变量和平均导热系数计算，导热热通量和平壁内的温度分布有何差异。 若采用两种导热系数不同的材料为管道保温，试分析应如何布置效果最好。,35,第三节 对流传热,第三节 对 流 传 热 本节的主要内容 一、影响对流传热的因素 二、对流传热的机理 三、对流传热速率 四、对流传热系数的经验式 五、保温层的临界直径 六、间壁传热过程计算,36,第三节 对流传热,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。 对流与热传导的区别 流体质点的相对位移 。 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,37,

14、第三节 对流传热,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。 总 结：流体流动使对流传热速率加快。 对流换热过程 对流换热指流体流过与其温度不同的固体壁面时流体与壁面之间的热量交换。（如图所示） 对流换热过程是热传导与对流联合作用的结果。 流体与固体壁面是对流传热，固体壁是热传导。,38,第三节 对流传热,39,第三节 对流传热,工程中常见的对流换热过程 间壁式换热器的换热过程,列管式换热器,流体的热交换,热交换器（换热器）,套管式换热器,40,第三节 对流传热,间壁式换热器热量传递过程 热量由热流体固体 壁面： 热量由壁面的热侧 冷侧： 热量由壁面的冷侧 冷流体：

15、,对流,对流,导热,对流传热,对流传热,导 热,41,第三节 对流传热,对流传热问题的分类,强制对流传热,流体在外加能量的作用下处于流动状态,自然对流传热,流体由于内部温度差产生密度差而流动,流体在传热过程中有无相变,热水冷却,蒸汽冷凝,套管式换热器,暖气片,42,第三节 对流传热,一、影响对流传热的因素 物性特征 流体的r 密度或比热容cp越大，流体与壁面间的传热速率越大； 导热系数l 越大，热量传递越迅速； 流体的粘度m 越大，越不利于流动，会削弱与壁面的传热。 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。,43,第三节 对流传热,流动特征 流动起

16、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、折流）。,44,第三节 对流传热,二、对流传热的机理,热量传递,固体壁面附近形成温度分布,？,传热的机理,45,第三节 对流传热,(一) 流动边界层的传热机理及温度分布 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？,层流区,湍流区,46,第三节 对流传热,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,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