第四章建筑设备安装

建筑设备工程目录项目三、建筑通风，防火排烟及空气调节项目五、火灾自动报警系统项目四、配电设备及室内照明项目二、传热基础知识及供暖及燃气供应项目一、流体力学基础及室内给排水项目六、安全用电及建筑防雷项目七、常见弱电系统热能传递的基本方式：导热（热传导）、对流、热辐射4.1传热基础知识4.1.1、导热（热传导）1、概念定义：物体各部分之间不发生相对位移时，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动而产生的热量传递称导热。如：固体与固体之间及固体内部的热量传递。导热微观机理：（1）气体中：气体分子不规则热运动时相互碰撞的结果。（4）液体中：兼有气体和固体导热的机理。（2）导电固体中：自由电子的运动。（3）非导电固体中：晶格结构振动。2、导热的特点必须有温差物体直接接触依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而传递热量；不发生宏观的相对位移没有能量形式之间的转化3、导热的基本规律1）傅立叶定律1822年，法国物理学家如图1-1所示的两个表面分别维持均匀恒定温度的平板，是个一维导热问题。考察x方向上任意一个厚度为dx的微元层式中是比例系数，称为热导率，又称导热系数，负号表示热量传递的方向与温度升高的方向相反。根据傅里叶定律，单位时间内通过该层的导热热量与当地的温度变化率及平板面积A成正比，即dxdtA（1）dxdtA3）热流密度（面积热流量）单位时间内通过单位面积的热量称为热流密度，记为q，单位w/㎡。当物体的温度仅在x方向发生变化时，按傅立叶定律，热流密度的表达式为:2）热流量单位时间内通过某一给定面积的热量称为热流量，记为，单位w。dtqAdx（2）•4）导热系数λ•表征材料导热性能优劣的参数，是一种物性参数，单位：w/（m·k）。•同材料的导热系数值不同，即使同一种材料导热系数值与温度等因素有关。金属材料最高，良导电体，也是良导热体，液体次之，气体最小。4.1.2、热对流（thermalconvection）1、定义热对流:是指由于流体的宏观运动，从而使流体各部分之间发生相对位移，冷热流体相互掺混所引起的热量传递过程。注意：对流仅发生在流体中，对流的同时必伴随有导热现象。对流换热：流体流过一个物体表面时的热量传递过程，称为对流换热。对流换热：流体流过一个物体表面时的热量传递过程，称为对流换热。2、对流换热的分类1）根据对流换热时是否发生相变分无相变的对流换热有相变的对流换热沸腾换热：液体在热表面上沸腾的对流换热。凝结换热：蒸汽在冷表面上凝结的对流换热。2）根据引起流动的原因分：自然对流和强制对流。自然对流：由于流体冷热各部分的密度不同而引起流体的流动。如：暖气片表面附近受热空气的向上流动。强制对流：流体的流动是由于水泵、风机或其他压差作用所造成的。3)根据流动状态分为：层流和湍流。3、对流换热的特点必须有流体的宏观运动，必须有温差；对流换热既有对流，也有导热；对流换热不是基本的热量传递方式。流体与壁面必须直接接触；没有热量形式之间的转化。4、对流换热的基本规律牛顿冷却公式流体被加热时：流体被冷却时：)(fwtthq)(wftthq式中，及分别为壁面温度和流体温度，℃。ftwt（3）（4）如果把温差（亦称温压）记为，并约定永远取正值，则牛顿冷却公式可表示为thqtAh其中h—比例系数（表面传热系数）单位。2W/mK（5）（6）t表面传热系数（对流换热系数）))((ttAΦhwC)(mW2——当流体与壁面温度相差1度时、每单位壁面面积上、单位时间内所传递的热量•h是表征对流换热过程强弱的物理量表面传热系数h的影响因素1、流体的物性（导热率、粘度、密度、比热容等）2、流体流动的形态（层流、湍流）3、流动的成因（自然对流、受迫对流）4、物体表面的形状、尺寸5、换热时流体有无相变（凝结、沸腾）4.1.3、热辐射（thermalradiation）10-510-410-310-210-1110102103104105/m可见光X射线射线紫外线红外线无线电波热辐射0辐射：物体向外发射电磁波的过程电磁波的数学描述：c=λ×ν电磁波传播速率，m/s，真空中：c=3×108m/s波长，μm频率，s-10.1μm100μm1、热辐射定义热辐射:由热运动产生的，以电磁波形式传递能量的现象辐射换热：辐射与吸收过程的综合作用造成了以辐射方式进行的物体间的热量传递称辐射换热。2、特点所有温度大于0K的物体都具有发射热辐射的能力，温度越高，发射热辐射的能力就越强；高温物体低温物体发射：内热能辐射能吸收：辐射能内热能可以不借助中间媒介，可在真空中传播伴随着能量形式的转换物体间以热辐射进行热量传递是双向的生活中的例子：a当你靠近火的时候，会感到面向火的一面比背面热；b冬天的夜晚，呆在有窗帘的屋子内会感到比没有窗帘时要舒服；c太阳能传递到地面；d冬天，蔬菜大棚内的空气温度在0℃以上，但地面却可能结冰。2.辐射换热的特点不需要物体直接接触。可以在真空中传递，而且在真空中辐射能的传递最有效。在辐射换热过程中，不仅有能量的转换，而且伴随有能量形式的转化。辐射时：辐射体内热能→辐射能；吸收时，辐射能→受射体内热能。只要温度大于零就有能量辐射。物体的辐射能力与其温度性质有关。这是热辐射区别于导热，对流的基本特点。•自然界中的物体都在不停的向空间发出热辐射，同时又不断的吸收其他物体发出的辐射热，不仅高温物体向低温物体辐射热能，而且低温物体向高温物体辐射热能。•说明：辐射换热是一个动态过程，当物体与周围环境温度处于热平衡时，辐射换热量为零，但辐射与吸收过程仍在不停的进行，只是辐射热与吸收热相等。3）导热、对流、辐射的评述①导热、对流两种热量传递方式，只在有物质存在的条件下，才能实现，而热辐射不需中间介质，可以在真空中传递，而且在真空中辐射能的传递最有效。②在辐射换热过程中，不仅有能量的转换，而且伴随有能量形式的转化。在辐射时，辐射体内热能→辐射能；在吸收时，辐射能→受射体内热能③物体的辐射能力与其温度性质有关。3.热辐射的基本规律（斯蒂芬-玻尔兹曼定律）（Stefan-Boltzmannlaw）黑体：能全部吸收投射到其表面辐射能的物体。或称绝对黑体。（Blackbody）黑体的辐射能力与吸收能力最强LudwigBoltzmann(1844-1906)4TA（7）其中T——黑体的热力学温度K；——斯忒潘—玻耳兹曼常数（黑体辐射常数），其值为；A——辐射表面积m2。-8245.6710W/mK实际物体辐射热流量根据斯忒潘——玻耳兹曼定律求得：其中Φ——物体自身向外辐射的热流量，而不是辐射换热量；——物体的发射率（黑度），其值总小于1，它与物体的种类及表面状态有关。4TA（8）要计算辐射换热量，必须考虑投到物体上的辐射热量的吸收过程，即收支平衡量。物体包容在一个很大的表面温度为的空腔内，物体与空腔表面间的辐射换热量)(424111TTA（9）4.1.4传热过程和传热系数1、概念热量由壁面一侧的流体通过壁面传到另一侧流体中去的过程称传热过程。导热对流辐射对流2、传热过程的组成一般包括串联的三个环节：①热流体→壁面高温侧；②壁面高温侧→壁面低温侧；③壁面低温侧→冷流体。稳态过程通过串联环节的热流量相同。3、传热过程的计算22221111f（a）（b）（c）针对稳态的传热过程，即Φ=const传热环节有三种情况，则其热流量的表达式如下：将式（a）、（b）、（c）改写成温差的形式：22221111/AhttAttAhttf（d）（e）（f）三式相加，整理可得:也可以表示成:式中，k称为传热系数，单位2W/mK212111)(hhttAff（10）tAkttAkff)(21（11）4、传热系数概念是指用来表征传热过程强烈程度的指标。数值上等于冷热流体间温差℃，传热面积A=1m2时热流量的值。K值越大，则传热过程越强，反之，则弱。1tK的影响因素①参与传热过程的两种流体的种类；②传热过程是否有相变。或21111hhk（13）21111AhAAhAk（14）传热系数的表达式为:21111hhk（12）5、热阻分析类比方法对各种转移过程的规律进行分析与比较，充分揭示出相互之间的类同之处，并相互应用各自分析的结论，是研究转移过程的一种行之有效方法。热电类比（热阻分析）是传热学常用的研究方法：即将电学中的欧姆定律及电学中电阻的串并联理论应用于传热学热量传递现象的研究。热路与电路的相似性（1）、热阻1）热阻定义：热转移过程的阻力称为热阻。2）热阻分类：不同的热量转移有不同的热阻，其分类较多，如：导热阻、辐射热阻、对流热阻等。对平板导热而言又分：面积热阻RA：单位面积的导热热阻。热阻R：整个平板导热热阻。3）热阻的特点串联热阻叠加原则：在一个串联的热量传递过程中，若通过各串联环节的热流量相同，则串联过程的总热阻等于各串联环节的分热阻之和。（2）、导热热阻单位面积平壁的导热热阻面积为Ａ的平壁，导热热阻ttqtRR2mKW()AKW（3）、对流换热热阻单位壁表面积上的对流换热热阻：对于面积为Ａ的平壁，对流换热热阻为1httqhR1hRh2mKW1()hAKW1211kRhh单位面积的传热热阻：f1f21112t-t111kttqRKhhk越大，传热越好；热阻越小，传热越好4.1.5换热器的型式换热器：用来使热量从热流体传递到冷流体，以满足规定的工艺要求的装置。换热器的分类螺旋板式板式交叉流换热器管壳式壳管式套管式)(蓄热式混合式间壁式管束式管翅式管带式板翅式按照操作过程间壁式换热器：是指冷热流体被壁面隔开进行换热的热交换器。如暖风机、燃气加热器、冷凝器、蒸发器；间壁式挨热器种类很多，从构造上主要可分为：管壳式、肋片管式、板式、板翅式、螺旋板式等，其中以前两种用得最为广泛。另外，按流体流动方向可有顺流、逆流、交叉流之分。蓄热式换热器：换热器由蓄热材料构成，并分成两半，冷热流体轮换通过它的一半通道，从而交替式地吸收和放出热量，即热流体流过换热器时，蓄热材料吸收并储蓄热量，温度升高，经过一段时间后切换为冷流体，蓄热材料放出热量加热冷流体。一般用于气体，如锅炉中间转式空气预热器，全热回收式空气调节器等。蓄热式换热器混和式换热器混合式换热器：冷热流体直接接触，彼此混合进行换热，在热交换同时存在质交换，如空调工程中喷淋冷却塔，蒸汽喷射泵等；3h/d6mmm2紧凑式:700m或非紧凑式按表面紧凑程度区分紧凑程度可用水力直径dh来区别，或用每立方米中的传热面积即传热面积密度β来衡量。3h/d1mmm2层流换热器：3000m或100m3h15/d1mmm2微型换热器：000m或100m适用于传热量不大或流体流量不大的情形。1、套管式换热器间壁式换热器主要型式优点结构简单，可利用标准管件。两种流体都可在较高温度和压力下换热，传热系数大。传热面积可根据需要增减。套管式换热器缺点单位换热面积金属耗量大，价格较高。检修、清洗不便。2、壳管式换热器间壁式换热器的一种主要形式，又称管壳式换热器。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。列管式冷凝器实例1-2型换热器增加管程side)(shell,inBToutBT,side)(tube,inAToutAT,2-4型换热器进一步增加管程和壳程波纹管换热器波纹换热管管壳式换热器优点结构坚固，对压力和温度的适用范围大。管内清洗方便，清洁流体宜走壳程。处理量大。缺点传热效率、结构紧凑性、单位换热面积的金属耗量等不如新型