华北理工环境工程原理课件04热量传递

第四章热量传递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本章主要内容第四章热量传递第一节热量传递的方式一、热传导二、对流传热三、辐射传热本节的主要内容在环境工程中，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。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。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：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。传热速率问题根据传热机理的不同，热的传递主要有三种方式：热传导对流传热辐射传热通过物质的分子、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。物体由于热的原因而发出辐射能的过程物体各部分之间无宏观运动第一节热量传递的方式一、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本节的主要内容第二节热传导在气态、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。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以两种方式传递热量：晶格振动和自由电子的迁移；液体的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。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条件：物体各部分之间无宏观运动第二节热传导T=T0QT=T1热流流量t=0T=T0T=T0需要一个恒定的热量流量Q通过，才能维持温度差01TTT不变热传导的速率？第二节热传导一、傅立叶定律YTAQyTAQqddy方向上的热量流量，也称为传热速率，W导热系数，W/(m·K)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，m2y方向上的温度梯度,K/m傅立叶定律第二节热传导一、傅立叶定律(4.2.1)(4.2.2)yTAQqdd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。热量传递的推动力第二节热传导一、傅立叶定律yTqdd导热物质在单位面积、单位温度梯度下的导热速率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，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第二节热传导二、导热系数(4.2.5)对于同一种物质，值可能随不同的方向变化－各向异性（1）气体的导热系数随温度升高而增高，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。气体的导热系数第二节热传导二、导热系数（一）的影响因素：液体的导热系数水甘油第二节热传导二、导热系数（2）液体的导热系数随温度升高而减小（水、甘油例外）bTa压力对其影响不大。经验公式：（3）固体的导热系数影响因素较多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。晶体的导热系数随温度的升高而减小，非晶体则相反。第二节热传导二、导热系数固体的导热系数金属液体隔热材料气体金属50～415W/(m·K)，合金12～120W/(m·K)0.03～0.17W/(m·K）0.17～0.7W/(m·K)0.007～0.17W/(m·K)氢水水是工程上最常用的导热介质换热壁面材料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（二）工程中常用材料的导热系数第二节热传导非金属中，石墨的导热系数最高，可达100～200[W／（m·K）]，高于一般金属；同时，由于其具有耐腐蚀性能，因此石墨是制作耐腐蚀换热器的理想材料。第二节热传导(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1T2T12TT一维稳态热传导xAQddT10:xTT2:xbTT)(21TTAbQb1T2T第二节热传导三、通过平壁的稳定热传导(4.2.6)(4.2.7)rTbTTAQq21T温差为传热的推动力。)(21TTAbQRTAbTTQ)(21导热热阻，K/W单位传热面积的导热热阻，m2·K/W温度差传导距离越大，传热壁面和导热系数越小，则导热热阻越大传热速率=传热的推动力导热热阻第二节热传导【例题4.2.1】某平壁厚度为400mm，内表面温度＝950℃，外表面温度＝300℃，导热系数λ=1.0+0.001T，式中λ的单位为W/(m·K)，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。1T2Tb取为常数℃6252300950221TTTm625.1625001.00.1m26414.0300950625.121bTTqmW/m2W/(m·K)？T？q解：（1）导热系数按平壁的平均温度第二节热传导(一)单层平壁的稳态热传导（2）导热系数取为变量xTTxTqdd)001.00.1(dd分离变量并积分bTTxqTT0dd)001.00.1(21对于平壁上的稳态一维热传导，热量通量不变。因此2212120.001()()2TTTTqbxxxqTTm1625950625.126419501即温度分布为直线关系。以x表示沿壁厚方向上的距离，在x处等温面上的温度为第二节热传导22110.001()()2TTTTqx20.001(950)(950)26412TTx整理，得20.0011401264102TTx此时温度分布为曲线。在x处22121222210.001()()210.001(950300)(950300)0.422641W/mqTTTTb第二节热传导（二）多层平壁的热传导AbAbAbTTRRRTTTQ33221141321321串联热阻叠加原则层与层之间接触良好11QRT22QRT33QRT热阻越大，通过该层的温度差也越大1b1232b3b1T2T3T4TQ121111()TTTQAbR传热的推动力导热热阻232222()TTTAbR343333()TTTAbR第二节热传导(4.2.10)附加热阻——接触热阻层与层之间存在空气层2201131brbTTq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接触热阻（三）n层平壁的热传导111111nnnniiiiiTTTTbRAQ第二节热传导(4.2.11)AbAbAbTTQ3322114111qrT22qrT33qrT33221141bbbTTq211930117813TTT℃322813555258TTT℃【例】某平壁炉的炉壁由三种材料组成，分别为耐火砖：1＝1.4W/(m·K)，1b＝225mm；保温砖：2＝0.15W/(m·K)，2b＝115mm；建筑砖：3＝0.8W/(m·K)，3b＝225mm。测得炉内壁温度为930℃，外壁温度为55℃，求单位面积炉壁的热损失及各层间界面上的温度。2T3Tq第二节热传导采用圆柱坐标时，即为一维稳态热传导对于半径为r的等温圆柱面，根据傅立叶定律，有rrLrAQddT)2(ddT稳态导热时，径向的Q为常数，将上式分离变量并积分2121d2dTTrrTLrrQ传热面积随半径发生变化内径r1外径r21T2TrdRTTrrTTLQ211221ln2半径r第二节热传导四、通过圆管壁的稳定热传导(4.2.13)mAbTTQ21LrrR2ln12mAbR21brr1212lnAAAAAm当21/2rr时，可以用算术平均值代替对数平均值，简化计算2121lnmrrrrrLrAmm2RTTrrTTLQ211221ln2LrrR2ln12圆管壁的导热热阻，K/WAbR平壁的导热热阻对数平均半径对数平均面积第二节热传导第二节热传导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111111nnnniiiiimiTTTTQbRA(4.2.13)1221ln2rrTTLQ1221ln2rrTTLQ设保温层内半径为r处的温度为T11ln2rrTTLQ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/(m·K)。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。保温层内的温度分布为曲线一、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本节的主要内容第二节热传导AbAbAbTTQ33221141111111nnnniiiiimiTTTTQbRA第三节对流传热一、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、保温层的临界直径本节的主要内容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（1）流动对传热的贡献搅拌杯中热水人站在冷风里在高温的夏季里，打开电扇流体流动使对流传热速率加快——加快热水冷却——与站在背风的地方相比感觉要冷得多——人会感到凉快电扇风速越大，感觉愈凉快些第三节对流传热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对流换热过程是热传导与对流联合作用的结果。（2）对流换热过程第三节对流传热列管式换热器工程中常见的对流换热过程——间壁式换热器的换热过程流体的热交换热交换器（换热器）套管式换热器第三节对流传热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热水冷却蒸汽冷凝套管式换热器暖气片第三节对流传热（1）物性特征（2）几何特征（3）流动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。v流体的密度r或比热容pc越大，流体与壁面间的传热速率越大v导热系数l越大，热量传递越迅速；v流体的粘度m越大，越不利于流动，会削弱与壁面的传热。第三节对流传热一、影响对流传热的因素（3）流动特征流动起因（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）第三节对流传热一、影响对流传热的因素WT0TWT0T热量传递固体壁面附近形成温度分布？传热的机理第三节对流传热二、对流传热的机理(一)流动边界层的传热机理及温度分布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。（1）层流边界层层流区湍流区WT0T与静止流体中的导热一样吗？第三节对流传热二、对流传热的机理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，使壁面处的热通量较静止时大(一)流动边界层的传热机理及温度分布第三节对流传热（2）湍流边界层层流底层缓冲层湍流中心湍流区层流底层中，热量传导主要依靠导热进行，符合傅立叶定律，温度分布几乎为直线；由于流体的导热系数较低，使层内导热热阻很大，因此该层中温度差较大，温度分布曲线的斜率大由边界层的流动情况决定(一)流动边界层的传热机理及温度分布第三节对流传热层流底层缓冲层湍流中心湍流区缓冲层中，质点的脉动较弱，对流与导热的作用大致处于同等地位，由于对流传热的作用，温度梯度变小。在湍流中心，质点强烈脉