建筑设备第六章

第六章传热及气体射流基本知识从物理学中得知，热学是采用宏观方法研究热现象的理论。其中采用观察与实验方法得到的热能性质及其与其他能量转换的规律称为热力学。对于采用相同方法总结得到的热量传递过程规律则称为传热学。本章仅介绍建筑设备工程必需的热量传递的某些知识。由物理学知道热量的传递有三种基本方式：即热传导、热对流和热辐射。但在实际工程遇到的热传递现象，往往是由两种或三种基本方式同时出现综合组成的传热过程，下面简要介绍这些基本方式和传热过程。第一节传热学基本知识一、导热（热传导）导热是指温度不同的物体直接接触时，或同一物体内温度不同的相邻部分之间所发生的热传递现象。热之所以能通过导热方式传递，是由于组成物体的微观粒子运动的结果。在气体中，热传导主要依靠原子、分子的热运动；在液体中，热传导主要依靠弹性波的作用；而在固体中热传导主要依靠晶格振动和自由电子的运动。固体平壁中进行的导热过程最为简单。可以想像，当平壁内各部分温度不随时间变化，而处于稳定导热时，如图6－1所示，平壁内外两侧面的温度差21(当21时)越大，平壁厚度越薄，壁的面积F越大，则在单位时间内通过此平壁的导热量就越多，可以列出平壁导热公式为或2121FQqFQ(6-1)式中Q——单位时间由导热体传递的热量，称为热流量，J／s或W；λ——比例系数，称为导热系数，其意义是当沿着导热方向每米长度上温度降低1K时，单位时间通过每平方米面积所传导的热量，W／（m·K）。由式（6－1）可知导热系数λ是表征该材料导热能力的物理量。材料的导热系数越大，则表示其导热性越好。不同材料的导热系数是不同的；即使对于同一种材料，导热系数的数值也随所处状态的不同而有差异。各种材料的λ值在有关热工手册中可查到。如果对式（6－1）写成一般的微分形式，就获得一维稳定导热的傅立叶定律表达式：或dxdqFdxdQ(6-2)式中dxd——沿x方向面积为F处的温度梯度。其他符号意义与式（6－1）相同。式中负号表示导热量和温度梯度方向相反。将式（6－2）分离变量后可得：dqdx（6－3）将上式积分，并代人边界条件：当x＝0时，1；当x＝x时，x，则得：xxddxq10所以1xqx即qxx1或1xqx（6－3a）由此可见，求解方程（6－3a）后，就可求得平壁内部任意位置上的温度值。通常q、和1均为常数，所以平壁中的温度分布为直线（见图6－1中1到2直线）。应说明式（6－1）及（6－3a）仅适用于计算物体为单层无限大平面壁的热流量。在实际工程中还会遇到以下几种情况：（一）多层平壁如房屋以红砖为主体砌成，墙壁内为白灰层，外抹水泥砂浆、瓷砖贴面等均为多层平壁。如三层平壁导热，两侧表面均能维持稳定温度1和4，且各层之间结合严密，接触面温度分别为2和3（见图6－2），在稳定情况，通过各层的热流量是相等的，以图6－2中三层平壁的每层可分别写出：433,33433433322,22322322211,112112111/1/1/RFFQRFFQRFFQ(6-4a)式中1、2、3—各层平壁导热系数；1、2、3—各层平壁厚度；1,R、2,R、3,R—各层平壁导热热阻。化简(6-4a)可得：QRQRQR3,432,321,21(6-4b)把式(6-4b)各等式前后相加并整理可得：)(31,413,2,1,41WRRRRQii(6-4c)式中31,iiR—为三层平壁总热阻。对于n层平壁导热，则可直接写出：)(1,11WRQniin(6-4)(二)单层非平行壁面导热如求圆管的稳定导热热流量时，则式(6-2)应为：rldrdQ2，通过分离变量积分等运算后，可得圆管稳定导热计算式为：2112ln2ddlQ(6-5a)或通过单位长度管状的热流量为：21211ln21ddlQq(6-5b)式中l—管长，m；1d、2d—管内径和外径，mm。【例6-1】某一供热锅炉炉墙由三层砌成，内层为耐火砖层厚1=230mm，其导热系数)/(1.11KmW，最外层为红砖层厚mm2403，其导热系数)/(58.03KmW，内外层之间填石棉隔热层，厚mm502，其导热系数)/(10.02KmW，已知炉墙最内和最外两表面温度C5001和C502，求通过炉墙的导热热流量值。【解】依题意，先计算各层面导热热阻值，可得：21.01.123.0111,R5.01.005.0222,R41.058.024.0333,R代入式(6-4)可得单位面积热流量为：2/78.40141.050.021.050500mWFQ二、热对流和对流换热温度不同的流体各部分之间发生相对位移，把热量从高温处带到低温处的热传递现象，称为热对流。所以热对流只能发生在流体中，与流体的流动有关。由于流体质点位移在改变空间位置时不可避免的要和周围流体相接触，因而热对流的同时一定伴有导热存在。工程上最关心的是流动着的流体与温度不同的壁面接触时，它们之间所发生的热传递现象，例如管内流动的热水与管内壁面间的换热，称之为对流换热。对流换热过程是热对流和导热的综合过程。对流换热又分为受迫对流和自然对流（或自由对流）换热。受迫对流是指流体在外力如风扇、泵等的作用下，流过固体表面的运动。自然对流则是与固体邻接的较热（或较冷）的流体内各处温度不同引起密度的不同而产生的循环运动。对流换热的计算，是牛顿在1701年首先提出来的，称为牛顿冷却定律，其方程式为TqATQ（6－6）式中Q—对流换热量，W；A—与流体接触的壁面换热面积，m2；△T—流体和壁面之间的温差，K或°C；α—对流换热系数或放热系数，W／（m2·K）。α表示在单位时间内，当流体与壁面温差为1K时，流体通过壁面单位面积所交换的热量。其大小表征对流换热的强弱。对于对流换热系数或放热系数的物理意义，一般说来，α可认为是系统的几何形状、流体的物性和流体流动的状况（如层流、紊流及层流边界层等）以及温差△T的函数。近似计算时，可参照表6－l选取。三、热辐射及辐射换热凡物理温度高于绝对零度，由于物体的热状态促使分子及原子中的电子不间断的振动和激发，它就不间断地转化本身的内热能，以电磁波（波长主要在0.1～100μm）热射线形式向周围空间辐射能量，当它达到另一物体表面被其吸收时，又重新转换为内热能，这种热射线传播过程称为热辐射。物体的温度愈高，辐射的能力愈强。温度相同而物体性质和表面情况不同，辐射能力也不同。辐射能投射到物体上的能量，一般说来，一部分可能被吸收，一部分可能被反射，其余部分可能穿透过物体。三者的百分比如以α、ρ、τ表示，则：α十ρ十τ＝1α、ρ和τ分别称为物体的吸收率、反射率和透射率。绝大多数固体和液体，热辐射线不能透过，可以认为其透射率τ＝0，则α＋ρ＝1。对于投射于其上的各种波长的能量，能全部吸收（即α＝1）的理想物体称为绝对黑体（简称黑体），试验和理论分析证明黑体的辐射能为：E0＝C0T4（6－7）式中E0—黑体单位时间内单位面积向外辐射时的能量，W／m2，称为黑体的辐射力；C0—黑体的辐射常数：5.67×10-8W／（m2·K4）；T—绝对温度，K。式（6－7）称为斯蒂芬—玻耳兹曼定律，又称为四次方定律。为便于工程应用，上式可改写成以下形式：400100TCE（6－8）实际物体是很复杂的。人们引出灰体概念。灰体即为对投射来各种波长的射线均同等程度吸收的物体，也即其表面吸收率与波长无关的物体。大多数实际固、流体表面很接近灰体性质，因而人们把实际物体当作灰体处理，则实际物体的辐射力为：4100TCE式中C—被称为灰体实际物体的辐射系数，介于0～5.67之间。引人物体的辐射率，上式也可写成：040100ETCE（6－9）式中ε—物体的辐射率，又称为黑度，数值在0～1之间，取决于物体的种类、表面状况和物体温度，由实验确定。很显然，对黑体而言：α＝ε＝1、C0＝5.67。而对灰体（实际固、流体表面）：α＝ε＜1；C＝εC05.67由上述可见，物体有好的吸收能力，就一定有好的辐射能力。也就是说，物体都只能吸收其自身所能辐射的辐射能。不同温度的两物体（或多个物体）间互相进行着热辐射和吸收，由此引起相互间的热传递现象称为辐射换热。最简单的情况是两大平面之间的辐射换热，如图6-3所示。设Q1、Q2分别为大平面1和2表面向对方发射出去的总热辐射热量（包括反射辐射），ε1、ε2为其辐射率（黑度），T1、T2为其温度，α1、α2为其吸收率。按上述定义结合斯蒂芬一玻耳兹曼定律可知：12410111100QFTCQ21420221100QFTCQ上面两式中F为大平面面积，Q2（1—al）及Q1（1—a2）为两大平面反射辐射。如果T1T2，则所传递的热量为：Q＝Q1-Q2从前面两式求出Q1及Q2，并代入101CC，11及202CC，22，经过运算可得出下列公式：FTTCCCQ42410211001001111(6-10a)式中1111111210021CCCC—大平面的系统辐射系数，用Cn表示：或42414241100100100100TTCFQqFTTCQnn(6-10)对于非大平面的较复杂的辐射换热，只要求出各系统的辐射系数，传递的热量就可以用式(6-10)求出。【例6-2】设两大平行平壁间为空气层，平壁1的表面温度为Ct3001，冷平壁2的表面温度为Ct502，两平壁的辐射率为85.021，求此间层单位表面积的辐射换热量。【解】由题意知两大平行平壁面积大于其空气间层厚度，故其辐射换热量可应用式(6-10)计算。即)/(10010024241mWTTCFQqn根据已知条件得到：42210/19.4185.0185.0167.5111KmWCCnKtT57327311KtT32327322所以244/406010032310057319.4mWq第二节传热过程实际换热过程往往是两种或三种基本换热方式同时出现的复杂过程。工程领域内经常遇到的是高温流体通过固体壁把热量传给低温流体。这种过程称为传热过程。例如有一墙壁如图6－4所示，其壁厚为ε，面积为F，墙壁一侧有温度t1的热流体在流动，另一侧有温度t2的冷流体在流动，其两侧的对流换热系数分别为α1和α2（如有辐射，α应是对流换热和辐射换热共同作用的结果），在流体和墙壁的温度不随时间变化的稳定传热情况下，则墙一侧表面的对流换热、墙壁的导热量以及墙另一侧表面的对流换热量，三者均应相等，所以根据式（6－1）及（6－6）可列出三个等式：111111tqtq即2111/qtq即222222tqtq即由于上面三个式子中q相等，相加可得：212111ttq所以2212121/11mWttKttq(6-11)式中221/111mWK(6-12)Κ为传热系数，含义是当壁面两侧