環(huán)境工程原理第四章傳熱

第一節(jié)概述第四章傳熱一、傳熱過程的應用（1）物料的加熱或冷卻（2）熱量與冷量的回收利用（3）設備與管路的保溫1二、傳熱的基本方式

（一）熱傳導氣體分子不規(guī)則熱運動

固體導電體：自由電子在晶格間的運動非導電體：通過晶格結構的振動實現液體

機理復雜特點：靜止介質中的傳熱，沒有物質的宏觀位移2（二）熱對流（三）熱輻射物體因熱的原因發(fā)出輻射能的過程稱為熱輻射。

自然對流：由于流體內密度不同造成的浮升力引起的流動。強制對流：流體受外力作用而引起的流動。能量轉移、能量形式的轉化不需要任何物質作媒介

特點：流動介質中的傳熱，流體作宏觀運動。意義：流體與固體壁面之間的傳熱過程。3三、基本概念

傳熱速率Q（熱流量）：單位時間內通過換熱器的整個傳熱面?zhèn)鬟f的熱量，單位J/s或W。（一）傳熱速率與熱流密度熱流密度q（熱通量）

：單位時間內通過單位傳熱面積傳遞的熱量，單位J/(s.m2)或W/m2。4非穩(wěn)態(tài)傳熱

（二）穩(wěn)態(tài)與非穩(wěn)態(tài)傳熱

穩(wěn)態(tài)傳熱

一維穩(wěn)態(tài)傳熱

5溫度場：某時刻，物體或空間各點的溫度分布。

（三）溫度場非穩(wěn)態(tài)溫度場

穩(wěn)態(tài)溫度場

一維穩(wěn)態(tài)溫度場

6等溫面：在同一時刻，溫度場中所有溫度相同的點組成的面。

性質：（四）等溫面各等溫面不相交；同一等溫面上的各點無熱量傳遞；等溫面法線方向上的溫差變化率最大nnxt+ttxQ7（五）溫度梯度

nnxt+ttxQ

說明：溫度梯度是向量，方向垂直于等溫面，為法線方向，以溫度增加的方向為正。對于一維穩(wěn)定溫度場：8四、兩流體通過間壁換熱過程冷流體t1t2熱流體T1T2（一）間壁式換熱器夾套式換熱器9（二）兩流體通過間壁的傳熱過程t2t1T1T2對流對流傳導冷流體Q熱流體穩(wěn)態(tài)傳熱：10式中tm──兩流體的平均溫度差，℃或K；

A──傳熱面積，m2；

K──總傳熱系數，W/(m2·℃)或W/(m2·K)。（三）總傳熱速率方程11一、傅立葉定律第二節(jié)熱傳導式中Q──熱傳導速率，W或J/s；

A──導熱面積，m2；

dt/dx

──溫度梯度，℃/m或K/m；

──導熱系數，W/(m·℃)或W/(m·K)。負號表示傳熱方向與溫度梯度方向相反（W/m2)12二、熱導率

在數值上等于單位溫度梯度(1K/m)下的熱通量=f(結構,組成,密度,溫度,壓力）金屬固體

>非金屬固體

>液體

>氣體

表征材料導熱性能的物性參數131.固體熱導率

金屬材料10～102W/(m?K)

建筑材料10-1～10W/(m?K)

絕熱材料10-2～10-1W/(m?K)在一定溫度范圍內：對大多數金屬材料a<0，t

對大多數非金屬材料a>0

，

t

142.液體熱導率金屬液體較高，非金屬液體低；非金屬液體水的最大；水和甘油：t

，其它液體：t

，0.09～0.6W/(m·K)153.氣體熱導率

t

，

一般情況下，隨p的變化可忽略；

氣體不利于導熱，有利于保溫或隔熱。0.006～0.4W/(m·K)16t1t2btxdxQ三、平壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導（一）單層平壁熱傳導假設：材料均勻，為常數；一維溫度場，t沿x變化；

A/b很大，忽略端損失。17積分：溫度分布：（直線關系）t1t2btxdxQ18（二）多層平壁熱傳導假設：一維穩(wěn)態(tài)傳熱，各層接觸良好，忽略熱損失，接觸面兩側溫度相同。t1t2b1txb2b3t2t4t319各層的溫差20結論：多層平壁熱傳導，總推動力為各層推動力之和，總熱阻為各層熱阻之和；各層溫差與熱阻成正比。Δti∝Ri,溫度分布為一折線。任一層內某點的溫度（各層內的溫度分布）：第i層，先求ti

，再求tx推廣至n層：

21t1t2b1txb2b3t2t4t3思考：

如果b1=b2=b3

那么圖中哪層的λ值最??？22四、圓筒壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導（一）單層圓筒壁的熱傳導特點：傳熱面積隨半徑變化，

A=2rl(2)一維溫度場，t沿r變化。23在半徑r處取dr同心薄層圓筒討論：（對數曲線關系）24——對數平均面積熱阻令——對數平均半徑一般時，25（二）多層圓筒壁的熱傳導26三層：n層圓筒壁：

27小結傳熱的基本方式：傳導、對流、熱輻射；傳熱速率方程；傅立葉定律；平壁熱傳導；圓筒壁熱傳導；28一、對流傳熱過程第三節(jié)對流傳熱dAqm2，

t2qm1，T1qm2，t1

qm1，T229ttWTWTA2A1傳熱壁冷流體熱流體Tt熱流體對流傳熱管壁內側熱傳導管壁外側對流傳熱冷流體湍流主體：溫度梯度小，熱對流為主層流內層：溫度梯度大，熱傳導為主過渡區(qū)域：熱傳導、熱對流均起作用30簡化假定：全部阻力都集中在厚度為δt的有效膜內。令：ttWTWTA2A1傳熱壁冷流體熱流體Tt31式中 Q──對流傳熱速率，W；1

、2

──熱、冷流體的對流傳熱系數，

W/(m2·K)；

T、TW、t、tW──熱、冷流體的平均溫度及平均壁溫，℃。

冷流體：熱流體：牛頓冷卻定律32（一）影響因素二、對流傳熱系數的影響因素相變化：相變

>無相變1.流體的性質及相狀態(tài)影響較大的物性：，，，cp

2.流體的流動狀態(tài)

湍流>層流333.引起流動的原因自然對流：單位體積的浮升力∝·g·Δt——體積膨脹系數，1/C.由密度差而產生的單位體積的浮升力：強制

>自然

34傳熱面的形狀，大小和位置形狀——管、板、管束等；水平圓管：d大小——平板、垂直放圓管：長度l和厚度H位置——管子的排列方式，垂直或水平放置。35三、對流傳熱的特征數關系式變量數8個基本因次4個：長度L，時間T，質量M，溫度無量綱特征數（8-4）=4無相變時361.

努塞爾特（Nusselt

）數表示對流傳熱系數的特征數2.

雷諾（Reynolds）數反映流體的流動狀態(tài)對對流傳熱的影響3.

普蘭特（Prandtl）數反映流體的物性對對流傳熱的影響374.

格拉斯霍夫（Grashof）準數表示自然對流對對流傳熱的影響一般形式：Nu=f(Re,Pr,Gr)或簡化：強制對流Nu=f(Re,Pr)

自然對流Nu=f(Pr,Gr)使用準數關聯式時注意：1.應用范圍:Re/Pr2.特征尺寸：d/de/l/H3.

定性溫度:流體進出口溫度的算術平均值38強制對流自然對流無相變有相變蒸汽冷凝液體沸騰對流傳熱管外對流管內對流圓形直管非圓管道彎管湍流層流過渡流對流傳熱的分類：39四、無相變時對流傳熱系數的經驗關聯式（一）流體在管內作強制對流1.

圓形直管內的強制湍流流體被加熱n=0.4流體被冷卻n=0.3（1）應用范圍：Re>104,Pr=0.7~160,L/d>60,

氣體或低粘度的液體（<2水）（2）定性溫度：流體進出口溫度的算術平均值（3）特征尺寸：管內徑40討論：（1）加熱與冷卻的差別：液體氣體41物性一定時：（2）影響因素：42公式修正：（1）當L/d<60，乘校正系數；（2）高粘度液體（>2水）工程處理：加熱：冷卻：43（3）彎管（4）非圓形管道用當量直徑計算。442.圓形直管內流體處于過渡區(qū)時的對流傳熱系數2300<Re<104453.圓形直管內強制層流（1）隨熱流方向不同，速度分布情況不同；（2）自然對流造成了徑向流動，強化了對流傳熱過程。對于液體46自然對流可以忽略：Gr<25000自然對流不能忽略：Gr>25000乘校正因子：適用范圍：定性溫度：特征尺寸：管內徑47（二）流體在管外強制對流傳熱1.流體在管束外垂直流過48應用范圍：Re=5000~70000;x1/d=1.2~5;x2/d=1.2~5

特征尺寸：管外徑；流速取各排最窄通道處 定性溫度：進、出口溫度平均值Nu=C

RenPr0.4平均對流傳熱系數：492．流體在換熱器管間的流動折流擋板形式：圓缺形、圓環(huán)形50設置折流擋板目的：增加殼程流體的湍動程度，進而提高殼程的。圓缺形折流擋板：

定性溫度：應用范圍：Re=2×103～106特征尺寸：de,u51（三）自然對流時的對流傳熱系數定性溫度：膜溫（tm+tw）/2特征尺寸：垂直的管或板為高度H

水平管為管外徑d0各種情況下的C、n值及特征尺寸不同。

521.蒸汽冷凝方式五、流體有相變時的對流傳熱滴>膜

（1）膜狀冷凝（2）滴狀冷凝冷凝過程的熱阻——冷凝液膜（一）蒸汽冷凝時的對流傳熱532.膜狀冷凝時的對流傳熱系數（1）水平管束外定性溫度：tSr，其它膜溫

n——水平管束在垂直列上的管數r——比汽化熱54（2）蒸汽在垂直管外（或垂直板上）冷凝55層流Re<1800Re>1800湍流特性尺寸：管或板高H定性溫度：膜溫

563.影響因素和強化措施(3)蒸汽流速與流向（u>10m/s）同向時，t，；反向時，t，；u，(1)液體物性，，

，

r

(2)不凝氣體

不凝氣體存在，導致，需定期排放。(4)蒸汽過熱

r’=r+cp(tv-ts)影響較小57(5)強化措施：目的：減少冷凝液膜的厚度水平管束：減少垂直方向上管數，采用錯列；垂直板或管：開縱向溝槽，或在壁外裝金屬絲。58（二）液體沸騰時的對流傳熱大容積沸騰管內沸騰1.沸騰現象在粗糙加熱面的細小凹縫處：汽化核心生成汽泡長大脫離壁面新汽泡形成攪動液層59沸騰必要條件：

過熱度t=（t－ts）>0

存在汽化核心推動力（tw－ts）水沸騰曲線沸騰三個階段：自然對流、核狀沸騰、膜狀沸騰工業(yè)上采用核狀沸騰大，tW小602.影響因素及強化措施（2）溫度差核狀沸騰階段:t2.5，，t

（1）液體的性質（3）操作壓力61（4）加熱面新的、潔凈的、粗糙的加熱面，大

（5）強化措施表面粗糙化：將表面腐蝕，燒結金屬粒，定期除垢；加表面活性劑（乙醇、丙酮等），降低表面張力。62小結

對流傳熱過程對流傳熱系數的計算：無相變化和有相變化對流傳熱的特征準數關聯式63第四節(jié)傳熱過程計算總傳熱速率方程式中Q──傳熱速率，W；

tm──兩流體的平均溫度差，℃；

A──傳熱面積，m2；

K──總傳熱系數，W/(m2·℃)。64ttWTWTA2A1傳熱壁冷流體熱流體Tt65一、熱量衡算前提：定態(tài)流動；穩(wěn)態(tài)傳熱；cp為常數；K為常數流體無相變化：流體一側有相變化：66（一）恒溫傳熱（二）變溫傳熱t(yī)m與流體流向有關二、傳熱平均溫度差逆流并流錯流折流671.逆流與并流t2t1T1T2t1t2T1T2

t2tAt1T2T1逆流

t2tAt1T2T1并流68對于微元dA：T1T2t2t1Q2.兩流體兩端的溫度差分別為Δt1

、Δt2,Δt1＞Δt269分離變量并積分：——對數平均溫度差逆流、并流均適用；當t1/t2<2，則可用算術平均值。當冷熱流體的進出口溫度一定時，tm逆＞tm并。單側變溫時，兩種流動方式的平均溫度差大小相同。702.錯流與折流查圖ψ

ψ<1tm<tm逆——>0.9若ψ<0.8，溫差損失大，傳熱不穩(wěn)定；改變流向或增加殼程數71（三）流向的比較1.所需傳熱面積逆流優(yōu)于并流。722.載熱體消耗量t1t2T1T1T2并T2逆加熱任務：t1t2（T2并）min=t2（T2逆）min=t1逆流優(yōu)于并流。733.溫度差分布逆流時的溫度差分布更均勻。T2并流T1t1t2t1t2T1T2逆流4.并流操作適用于熱敏性物料、粘稠物料等的加熱，或生產工藝要求溫度不能過高或過低的場合。74三、總傳熱系數K——總傳熱系數，W/(m2·K)twTw管內對流管外對流導熱冷流體熱流體tTdQdQ1dQ3dQ2（一）總傳熱系數計算物理意義：表征間壁兩側流體傳熱過程的強弱程度。75管內對流管外對流管壁熱傳導穩(wěn)態(tài)傳熱

76（1）平壁或薄壁管dA=dA1=dA2=dAm討論：（2）以外表面為基準(dA=dA1)77K1——以外表面為基準的總傳熱系數，W/(m2.K)dm——對數平均直徑，m（3）以內表面為基準：d1/d2<2可用算術平均值78（二）污垢熱阻

Rd1、Rd2——傳熱面兩側的污垢熱阻，(m2·K)/W（三）提高K值的討論

設法減小控制熱阻。（1）減小污垢熱阻——防結垢、及時清洗。79（2）若污垢熱阻與壁阻可忽略時，或若則當1、2相差較大時：若則或應提高較小，進而提高K。當1、2相差不大時，二者應同時提高。80四、壁溫的計算穩(wěn)態(tài)傳熱

（1）大，b/Am?。ū谧栊。﹖WTW81TW接近于T，即大(熱阻小)側流體的溫度

（3）兩側有污垢（2）當tW=TW

821.設計型計算已知：qm1、T1、T2（生產任務），t1、qm2求：傳熱面積A或校核換熱器是否合適步驟

:（1）計算熱負荷；（2）計算tm；（3）計算1、2及K；（4）計算A若A實

>A計

或Q換>Q需要，換熱器合適。五、傳熱計算832.操作型計算（1）已知：換熱器A，qm1、T1，T2，

qm2

、t1，t2

校核傳熱速率或出口溫度是否滿足生產要求。注意：列管式換熱器中流通面積傳熱面積（2）已知：換熱器A，qm1、T1，T2

、t1

求：qm2、

t284一、基本概念1.輻射：物體通過電磁波來傳遞能量的過程。2.熱輻射：物體由于熱的原因以電磁波的形式向外發(fā)射能量的過程。特點：能量形式的轉換不需要任何介質第五節(jié)熱輻射85QQQNQ能量守恒定律：

——吸收率

——反射率

——穿透率

3.物體對熱輻射的作用總能量Q；被物體吸收Q

；被反射Q

；穿過物體Q

86黑體：白體(鏡體)：透熱體：灰體：以相同的吸收率吸收所有波長輻射能的物體固體、液體：=0+=1

氣體：=0+=187二、物體的輻射能力物體在一定溫度下，單位表面積、單位時間內所發(fā)射的全部輻射能(波長從0到),E,W/m2──黑體輻射常數,5.669×10-8W/(m2.K4)（一）黑體斯蒂芬-波爾茨曼定律四次方定律表明，熱輻射對溫度特別敏感Cb──黑體輻射系數,5.669W/(m2.K4)88（二）實際物體黑度：

<1

=f(物體的種類、表面溫度、表面狀況)C——灰體的輻射系數，C=Cb是物體輻射能力接近黑體輻射能力的程度

——實驗測定89（三）克希霍夫定律對灰體:熱交換達到平衡時T1=T2,q=0任意物體:T1>T2E1Eb（1-1）Eb1Eb

Ⅰ灰體

Ⅱ黑體

克?；舴蚨?0結論：（1）物體的輻射能力越強，其吸收率越大（2）=

同溫度下，物體的吸收率與黑度數值上相等（3）＜１，E＜Eb在任何溫度下、各種物體中以黑體的輻射能力為最大91（一）輻射傳熱速率四、兩固體間的相互輻射①兩面積無限大的平行平板②兩平面有限大的平行平板92③一物體被另一物體包圍A2≈A1，可以無限大平壁計算A2》A1,則C1-2=C1=Cb193

1.溫度的影響

ＱT4；低溫可忽略，高溫可能成為主要方式

2.幾何位置的影響

3.表面黑度的影響

Ｑ，可通過改變大小強化或減小輻射傳熱

4.輻射表面間介質的影響減小輻射散熱，在兩換熱面加遮熱板（小熱屏）（二）影響輻射傳熱的主要因素94五、高溫設備及管道的熱損失對流：

輻射：

令=1

總熱損失：

T——對流-輻射聯合傳熱系數，W/(m2.K)95（1）空氣自然對流，tW<150C（2）空氣沿粗糙壁面強制對流管道及圓筒壁保溫層外空氣速度u>5m/s平壁保溫層外空氣速度u<=5m/s96一、換熱器的分類按用途分類

加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器、再沸器按冷、熱流體熱量交換方式分類混合式、蓄熱式、間壁式第六節(jié)換熱器97二、間壁式換熱器的類型（一）夾套換熱器優(yōu)點：結構簡單缺點：

A小釜內小強化措施：釜內加攪拌釜內加蛇管夾套內加折板98（二）蛇管換熱器1.沉浸式強化措施：容器內加攪拌器，提高K優(yōu)點：結構簡單管內能耐高壓缺點：

管外小992.噴淋式優(yōu)點：結構簡單管內能耐高壓管外比沉浸式大缺點：噴淋不易均勻占地面積大100（三）套管換熱器優(yōu)點：結構簡單能耐高壓

(K)或tm大缺點：結構不緊湊A/V小接頭多，易漏101（四）列管換熱器管板、管束、封頭、殼體1021.固定管板式特點：結構簡單；但殼程檢修和清洗困難。——加熱補償圈（膨脹節(jié)）當管內外流體溫差Δt>

50℃

時，需考慮溫度熱補償。根據熱補償方式不同，列管式換熱器分為：1032.浮頭式特點：可完全消除熱應力,便于清洗和檢修,結構復雜1043.U型管式特點：結構較浮頭簡單；但管程不易清洗。105三、列管換熱器的選用1.根據工藝任務，計算熱負荷2.計算tm3.依據經驗選取K，估算A4.確定冷熱流體流經管程或殼程，選定u先按單殼程多管程計算，如果<0.8，應增加殼程數；由u和qm估算單管程的管子根數，由管子根數和估算的A，估算管子長度，再由系列標準選適當型號的換熱器。1065.核算K分別計算管程和殼程的，確定垢阻，求出K，并與估算的K進行比較。如果相差較多，應重新估算。6.計算A根據計算的K和tm，計算A，并與選定的換熱器