环境工程原理第一篇(第四章) 热量传递(新).ppt

单击此处编辑母版标题样式,,单击此处编辑母版文本样式,,第二级,,第三级,,第四级,,第五级,,,四川农大本科生课程 环工原理,第四章,,热量传递,§4.1热量传递的方式,通过物质的分子、原子和电子的振动、位移和相互碰撞而发生的热量传递过程,,气体：分子不规则运动时互相碰撞,,固体：晶格振动（不良导电体），自由电子迁移（良导体）,,液体：分子振动，分子间相互碰撞（目前尚不清楚）,流体中质点发生相对位移引起的传热，通常也指流体与固体壁面之间的热传递,自然对流 无相变,强制对流 有相变,手摸金属与木头感觉不同，,why,？,太阳、人体、热视镜,靠电磁波传递能量（不需任何介质作媒介）,,四川农大本科生课程 环工原理,§4.2 热传导,一、 傅立叶定律,（一）、基本概念,,温度场,：某一瞬时，空间（或物体内）所有各点的温度分布称为温度场等温面,：在同一时刻，温度场中所有温度相同的点相连接而构成的面称为等温面等温线,：不同的等温面与同一平面相交的线称为等温线四川农大本科生课程 环工原理,,温度梯度,：自等温面上某一点出发，沿不同方向的温度变化率不相同，而以该点等温面法线方向的温度变化率最大，称为温度梯度。

为矢量，方向与给定点等温面法线方向一致，以温度增加的方向为正T,1,T,2,等温线,T,T+ΔT,Δn,Δl,Q,,四川农大本科生课程 环工原理,单位传热面积的传热速率，,J/,（,m,2,s,），矢量，方向为传热面的法线方向单位时间传递的热量，,J/s,传热速率或热量流量,Q,:,热量通量或热流密度,,四川农大本科生课程 环工原理,负号表示,q,与温度梯度方向相反,称为导热系数 , 单位为,W/(,mK,),,物性之一：,与物质种类、热力学状态（,T、P）,有关,,物理含义：,代表单位温度梯度下的热通量大小，,,故物质的,,越大，导热性能越好一般地，,,导电固体,>,,非导电固体,，,,液体,>,,气体,,T,,，,,气体,,，,,水,,，其它液体的,,,,二）、傅立叶定律,,,T+,D,T,,T,,D,n,,D,l,等温面及温度梯度,,四川农大本科生课程 环工原理,（一）、,单层平壁,一维稳态导热,-------,可见温度分布为直线,若,,为常数，则：,二、通过平壁的一维稳态导热,(,薄壳）,,四川农大本科生课程 环工原理,（二）、,多层平壁,一维稳态导热,,四川农大本科生课程 环工原理,三、,单层圆筒壁,一维稳态导热,若,,为常数，则：,--------可见温度分布,,为对数关系,,四川农大本科生课程 环工原理,在圆筒的内外表面之间积分：,,四川农大本科生课程 环工原理,,Q=,常数，但,,q,,常数,四、,多层圆筒壁,一维稳态导热,,四川农大本科生课程 环工原理,思考：,,,气温下降，应添加衣服，应把保暖性好的衣服穿在里面好，还是穿在外面好？,b,b,,1,,2,Q,b,b,,2,,1,Q,,,四川农大本科生课程 环工原理,影响因素,：,,接触材料的种类及硬度，,,接触面的粗糙程度，,,接触面的压紧力，,,空隙内的流体性质。

接触热阻一般通过实验测定或凭经验估计,五、接触热阻,P121,考虑,接触热阻,，通过两层平壁的热通量为：,,四川农大本科生课程 环工原理,,练 习,,,1.,空心球壁内径为,r,1,，外径为,r,2,，内壁温度为,T,1,,,外壁温度为,T,2,，导热系数为,λ,，试推导空心球壁的稳态热传导公式2.,在一根,φ60mm×3.5mm,的钢管外包有两层绝热材料，里层为,40mm,的氧化镁粉，平均热导率,λ,＝,0.07W/,（,m℃,），外层为,20mm,的石棉层，其平均导热率,λ,＝,0.15W/,（,m℃,），现用热电偶测得管内壁温度为,500 ℃,，最外层表面温度为,80℃,，管壁的热导率,λ,＝,45W/,（,m℃,），试求每米管长的热损失及两层保温层界面的温度四川农大本科生课程 环工原理,,1.,解：,r,1,r,2,dr,,四川农大本科生课程 环工原理,,T,r,T,1,T,2,T,3,T,4,r,1,r,2,r,3,r,4,λ,1,λ,2,λ,3,解：,(a),(b),,四川农大本科生课程 环工原理,§4.3 对流传热,什么是对流传热？,流动的流体与外界的传热,静止流体与外界的传热,强制对流,自然对流,,,对流传热在冷热流体的热交换中最为常见,,四川农大本科生课程 环工原理,三、对流传热速率,（一）、牛顿冷却定律,,——,与传热方向垂直的微元传热面积,，,m,2,——,通过传热面,dA,的局部对流传热速率，,w,——,流体与固体壁面,dA,之间的温差，,K,,在流体被冷却时，,,加热,,——,局部对流传热系数，或称为膜系数，,W/(m,3,K,）,采用平均值,对流传热热阻,,四川农大本科生课程 环工原理,,（二）、对流传热系数,,不是物性参数,，与很多因素有关，其大小取决于流体物性、壁面情况、流动原因、流动状况、流体是否有相变等,导热系数是物质的物理性质，与物质的种类、温度、压强有关,,四川农大本科生课程 环工原理,四、对流传热系数的经验式,（一）、对流传热微分方程式,紧贴壁面速度为,0,的流体层,遵循傅立叶定律,遵循牛顿冷却定律,理论关系式，只适合于,管内层流、平板上层流（温度梯度或温度分布可求）,,四川农大本科生课程 环工原理,（二）无量纲准数方程式,影响,,的因素主要有：,,流速,u,、换热器尺寸,L,、流体的黏度,μ,、导热系数,λ,、,,密度,ρ,、比热容,c,p,以及浮升力,ρgβΔT,π,定理：无量纲数群数＝变量数（,8,）－基本量纲（,4,）数＝,4,,四川农大本科生课程 环工原理,------格拉霍夫准数,Gr,表征自然对流影响的特征数。

无量纲准数：,-----努塞尔特准数，表示导热热阻与对流热阻之比,-----普兰特准数，反映物性的影响 一般，气体的,Pr<1，,液体的,Pr>1,,,四川农大本科生课程 环工原理,故,特征尺寸,特征速度,如管内流动通常取,u,m,如管道内通常取管道的内径,,四川农大本科生课程 环工原理,（三）管内强制对流传热,1.,流体在圆形管内呈强烈的湍流状态流动,,低黏度（小于,2,倍常温水的黏度）,f,＝,0.4,被加热,,f,＝,0.3,被,冷却,高黏度,应用条件及相关修正见书上,P130,,四川农大本科生课程 环工原理,例：水流过,φ60×3.5mm,的钢管，由,20℃,被加热至,60℃,已知，水流速为,1.8m/s,，试求水对管内壁的给热系数四川农大本科生课程 环工原理,,2.,流体在圆形直管内呈层流状态流动,,,3.,流体在圆形直管内呈过渡流状态流动,,,4.,流体在圆形弯管内流动,,（同学自学）,（四）大空间自然对流传热,,四川农大本科生课程 环工原理,例：空气流过,φ36×2mm,的蛇管，流速为,15m/s,，从,120℃,降至,20℃,，空气压强,4×10,5,Pa,（绝压）。

已知蛇管的曲率半径为,400mm,，，试求空气对管壁的给热系数空气的密度可按理想气体计算，其余物性可按常压处理四川农大本科生课程 环工原理,竖直壁面：,,层流：,P136,式,4.3.15,,湍流：,P137,式,4.3.16,,水平圆管外：,,层流：,P137,式,4.3.17,,水平管束：,P137,式,4.3.18,（五）蒸汽冷凝传热,,四川农大本科生课程 环工原理,冷凝传热液膜流态的,Re,计算：,S-,液膜的横截面积（,m,2,）；,,q,m,－冷凝液的质量流量（,kg/s,）；,,b,－润湿周边长（,m,）；,M-,单位时间单位润湿周边长上流过的冷凝液量，称为冷凝负荷，,kg/,（,m,·,s,）,,四川农大本科生课程 环工原理,饱和温度为,100℃,的水蒸汽在长为,2.5m,，外径为,38mm,的竖直圆管外冷凝管外壁温度为,92℃,试求每小时蒸汽冷凝量又若将管子水平放置每小时蒸汽冷凝量又为多少四川农大本科生课程 环工原理,,四川农大本科生课程 环工原理,五、保温层的临界直径,思考：保温层的厚度是不是越大越好？,,T,C1,T,f,保温层导热热阻,保温层外表面对环境的对流传热热阻,求导：,d,2,=2λ/α=d,c,保温层临界直径,,四川农大本科生课程 环工原理,如果保温层的外径小于临界直径，增加保温层的厚度热损失将增大（小直径管道）,如果保温层的外径大于临界直径，增加保温层厚度，热损失将减少（一般情况）,,四川农大本科生课程 环工原理,六、间壁传热过程计算,换热器,分类,,,四川农大本科生课程 环工原理,三个串联传热环节：,,热流体侧的对流传热,,间壁的导热,,冷流体侧的对流传热,,四川农大本科生课程 环工原理,总传热系数，单位,W/m,2,K,,（一） 总传热速率方程,两流体的平均温度差,------,称为总传热热阻,,四川农大本科生课程 环工原理,（二）总传热系数,K,的计算,A,1,对应,K,1,、,A,2,对应,K,2,、,A,3,对应,K,3,考虑到实际传热时间壁两侧还有污垢热阻，则上式变为：,,四川农大本科生课程 环工原理,例：有一套管式换热器，传热管为,φ25×2.5mm,的钢管，,CO,2,气体在管内流动，对流传热系数为,40 W/,（,m℃,）,,；冷却水在传热管外流动，对流传热系数为,3000 W/,（,m℃,）,,，管内,CO,2,侧污垢热阻,r,s1,＝,0.53×10,-3,(m,2,K/W),，管外水侧污垢热阻为,r,s2,＝,0.21×10,-3,(m,2,K/W),，碳钢的热导率,λ,＝,45 W/,（,m℃,）,,,试求：总传热系数,K(,求以钢管内表面积,A,1,为基准的总传热系数,K,1,),,解：,,四川农大本科生课程 环工原理,关于提高总传热系数,K,的讨论：,,欲提高总传热系数，就要设法减少热阻，但不同传热过程中，各分热阻的大小不同，这时必须设法减少起决定作用的热阻（占总热阻比例最大的热阻），才能有效提高,K,值。

四川农大本科生课程 环工原理,（三）传热平均推动力,T,m,的计算,1,．恒温差传热,2,．变温差传热,饱和蒸汽和沸腾液体间的传热,,四川农大本科生课程 环工原理,,T,h2,T,c1,T,h1,T,c2,T,c1,T,h2,T,c2,T,h1,,四川农大本科生课程 环工原理,（,1,）逆流和并流时的传热平均温差,,以冷、热流体均无相变、逆流流动为例：,,推导计算平均温差的通式,,假定：,,①,换热器在稳态情况下操作，热冷流体的质量流量,q,mh,和,q,mc,沿换热面为常数；,,②,流体的比热容,c,ph,和,c,pc,,及传热系数沿换热面不变；,,③,换热器无热损失,T,h1,T,c2,T,c1,T,h2,dA,,四川农大本科生课程 环工原理,,T,h1,T,c2,T,c1,T,h2,dA,在微元中，热流体的温度为,T,h,，冷流体的温度为,T,c,，两者之间的温差为,△T,,即,△T,＝,T,h,－,T,c,通过微元面,dA,的热量：,,四川农大本科生课程 环工原理,,,四川农大本科生课程 环工原理,,例：列管式换热器中，流体,A,进口温度为,100℃,，出口温度为,150℃,，流体,B,作为加热剂，进口温度,250℃,，出口温度,180℃,，试求：,,1,）并流和逆流的平均温差,△T,m,,2,）若流体,A,的质量流量为,1800kg/h,，比热容为,2kJ/,（,kg℃,），总传热系数,K,为,100w/,（,m,2,℃,），求并流和逆流时所需的传热面积,,四川农大本科生课程 环工原理,解：,1,）并流,250,180,100,150,150,30,△T,2,=150℃,,△T,1,=30℃,℃,逆流,250,180,150,100,100,80,△T,m,=?,,四川农大本科生课程 环工原理,2.,传热面积,说明逆流传热效果好。

四川农大本科生课程 环工原理,工程上，为了快速计算，,,T,m,常用下述方法：,其中,：,（,2,）错流和折流时的传热平均温差,按逆流计算的平均温差,,四川农大本科生课程 环工原理,（四）传热单元数法（,NTU,法）,虽然换热器的设计和校核都可以采用总传热速率方程计算，但是在换热器的校核中，通常是给定尺寸和结构的换热器，确定流体的出口温度由于出口温度未知，无法直接计算对数平均值，因此要反复试算，十分繁琐，而采用,NTU,法可以方便地解决问题传热单元数法又称为传热效率－传热单元数（,ε,－,NTU,）法,,四川农大本科生课程 环工原理,1.,换热器的传热效率,,传热效率说明流体可用的热量被利用的程度定义,ε,只作为计算传热的一种手段，该值并不表示换热器在经济上的优劣四川农大本科生课程 环工原理,,,忽略换热器的热损失，实际传热量等于冷流体吸收的热量或热流体放出的热量当两流体均无相变时，有：,,无论在哪种换热器中，均有,T,h2,≥T,c1,，,T,c2,≤T,h1,，,因此，在理论上换热器能达到的最大温差为冷热流体进出口的温度差，即（,T,h1,－,T,c1,），此时流体在换热器中的传热量最大，称为最大传热量。

四川农大本科生课程 环工原理,,,由于在两流体中，热容流量值（,q,m,c,p,）较小的流体将具有较大的温度变化，因此在忽略热损失时，最大可能传热量可用下式表示：,,若热流体的热容流量较小，则传热效率为：,若冷流体的热容流量较小，则传热效率为：,,四川农大本科生课程 环工原理,,,若已知传热效率，则可根据两流体的进口温度确定换热器的传热量，即,求得,Q,，即可根据热量衡算方程计算两流体的出口温度为了确定换热器的传热效率，引出传热单元数的概念四川农大本科生课程 环工原理,2.,传热单元数,,由换热器的热量衡算及总传热速率方程，得,对于冷流体，有,积分,积分中值定理,（,T,h,－,T,c,）,m,＝？,△T,m,,四川农大本科生课程 环工原理,,令,以冷流体计的传热单元数,以热流体计的传热单元数,传热单元数是温度的无量纲函数，在数值上等于单位传热推动力引起的温度变化的大小，表明换热器传热能力的强弱传热单元数计算以热容流量小的流体为基准,,四川农大本科生课程 环工原理,,若换热器中换热管的直径为,d,，长度为,L,，管数为,n,，,,则：,或者,基于热容流量小的流体的传热单元长度，,m,,四川农大本科生课程 环工原理,3.,传热效率和传热单元数的关系,,推导,（以逆流操作的热流体冷却为例）：,T,h1,T,c2,T,c1,T,h2,C,R,ε,,四川农大本科生课程 环工原理,当任一流体发生相变时，即,趋于无穷大，,此时,C,R,趋近于,0,当两种流体的热容流量相等，,C,R,＝,1,,四川农大本科生课程 环工原理,同理，对单程并流换热器，有,当任一流体发生相变时，即,趋于无穷大，,此时,C,R,趋近于,0,当两种流体的热容流量相等，,C,R,＝,1,,四川农大本科生课程 环工原理,,对于其他比较复杂的形式，也可以推导出,ε,与,NTU,和,C,R,的函数关系式，这些函数关系已经绘制成图，如：,,四川农大本科生课程 环工原理,ε,,四川农大本科生课程 环工原理,,,4.,传热单元数法,,步骤一：根据换热器的操作工况，计算传热系数,K,；,,步骤二：计算传热单元数,NTU,和热容流量比,C,R,;,,步骤三：根据换热器中流体流动的形式和,NTU,、,C,R,，计算或查图得到,ε,；,,步骤四：根据冷热流体进口温度等已知量，按,,计算传热速率；,,步骤五：根据热量衡算计算冷热流体的出口温度。

四川农大本科生课程 环工原理,本章小结,单层平壁,一维稳态导热,多层平壁,一维稳态导热,傅立叶定律（热传导）,单层圆筒壁,一维稳态导热,多层圆筒壁,一维稳态导热,,四川农大本科生课程 环工原理,牛顿冷却定律（热对流）,采用平均值,α,的获取方法：,理论求解,量纲分析法（实验）,,四川农大本科生课程 环工原理,间壁传热过程计算,,总传热系数，单位,W/m,2,K,,两流体的平均温度差,设计型问题,操作型问题,传热单元数法（,NTU,法）,,四川农大本科生课程 环工原理,。