環(huán)境工程原理第一篇(第四章) 熱量傳遞(新).ppt

1、四川農(nóng)大本科生課程 環(huán)工原理,第四章熱量傳遞,4.1熱量傳遞的方式,通過物質(zhì)的分子、原子和電子的振動、位移和相互碰撞而發(fā)生的熱量傳遞過程 氣體：分子不規(guī)則運動時互相碰撞 固體：晶格振動（不良導(dǎo)電體），自由電子遷移（良導(dǎo)體） 液體：分子振動，分子間相互碰撞（目前尚不清楚）,流體中質(zhì)點發(fā)生相對位移引起的傳熱，通常也指流體與固體壁面之間的熱傳遞,自然對流 無相變,強制對流 有相變,手摸金屬與木頭感覺不同，why？,太陽、人體、熱視鏡,靠電磁波傳遞能量（不需任何介質(zhì)作媒介）,四川農(nóng)大本科生課程 環(huán)工原理,4.2 熱傳導(dǎo),一、 傅立葉定律,（一）、基本概念,溫度場：某一瞬時，空間（或物體內(nèi)）所有各點的溫

2、度分布稱為溫度場。,等溫面：在同一時刻，溫度場中所有溫度相同的點相連接而構(gòu)成的面稱為等溫面。 等溫線：不同的等溫面與同一平面相交的線稱為等溫線。,溫度梯度：自等溫面上某一點出發(fā)，沿不同方向的溫度變化率不相同，而以該點等溫面法線方向的溫度變化率最大，稱為溫度梯度。為矢量，方向與給定點等溫面法線方向一致，以溫度增加的方向為正。,四川農(nóng)大本科生課程 環(huán)工原理,單位傳熱面積的傳熱速率，J/（m2s），矢量，方向為傳熱面的法線方向。,單位時間傳遞的熱量，J/s,傳熱速率或熱量流量Q:,熱量通量或熱流密度,四川農(nóng)大本科生課程 環(huán)工原理,物性之一：與物質(zhì)種類、熱力學(xué)狀態(tài)（T、P）有關(guān) 物理含義：代表單位溫度

3、梯度下的熱通量大小， 故物質(zhì)的越大，導(dǎo)熱性能越好。 一般地， 導(dǎo)電固體 非導(dǎo)電固體， 液體 氣體 T ， 氣體， 水，其它液體的 。,（二）、傅立葉定律,四川農(nóng)大本科生課程 環(huán)工原理,（一）、單層平壁一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱,-可見溫度分布為直線,若為常數(shù)，則：,二、通過平壁的一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱(薄殼）,（二）、多層平壁一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱,三、單層圓筒壁一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱,若為常數(shù)，則：,-可見溫度分布 為對數(shù)關(guān)系,在圓筒的內(nèi)外表面之間積分：,Q=常數(shù)，但 q常數(shù),四、多層圓筒壁一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱,四川農(nóng)大本科生課程 環(huán)工原理,思考： 氣溫下降，應(yīng)添加衣服，應(yīng)把保暖性好的衣服穿在里面好，還是穿在外面好？,b,b,1,2,Q,b,

4、b,2,1,Q,四川農(nóng)大本科生課程 環(huán)工原理,影響因素： 接觸材料的種類及硬度， 接觸面的粗糙程度， 接觸面的壓緊力， 空隙內(nèi)的流體性質(zhì)。 接觸熱阻一般通過實驗測定或憑經(jīng)驗估計,五、接觸熱阻,P121考慮接觸熱阻，通過兩層平壁的熱通量為：,四川農(nóng)大本科生課程 環(huán)工原理,練 習(xí) 1. 空心球壁內(nèi)徑為r1，外徑為r2，內(nèi)壁溫度為T1,外壁溫度為T2，導(dǎo)熱系數(shù)為，試推導(dǎo)空心球壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)公式。 2.在一根60mm3.5mm的鋼管外包有兩層絕熱材料，里層為40mm的氧化鎂粉，平均熱導(dǎo)率0.07W/（m），外層為20mm的石棉層，其平均導(dǎo)熱率0.15W/（m），現(xiàn)用熱電偶測得管內(nèi)壁溫度為500 ，最外

5、層表面溫度為80，管壁的熱導(dǎo)率45W/（m），試求每米管長的熱損失及兩層保溫層界面的溫度。,四川農(nóng)大本科生課程 環(huán)工原理,1.解：,四川農(nóng)大本科生課程 環(huán)工原理,解：(a),(b),四川農(nóng)大本科生課程 環(huán)工原理,4.3 對流傳熱,什么是對流傳熱？,流動的流體與外界的傳熱,靜止流體與外界的傳熱,強制對流,自然對流,對流傳熱在冷熱流體的熱交換中最為常見,三、對流傳熱速率,（一）、牛頓冷卻定律,與傳熱方向垂直的微元傳熱面積，m2,通過傳熱面dA的局部對流傳熱速率，w,流體與固體壁面dA之間的溫差，K,在流體被冷卻時， 加熱,局部對流傳熱系數(shù)，或稱為膜系數(shù)，W/(m3K）,采用平均值,對流傳熱熱阻,四

6、川農(nóng)大本科生課程 環(huán)工原理,（二）、對流傳熱系數(shù),不是物性參數(shù)，與很多因素有關(guān)，其大小取決于流體物性、壁面情況、流動原因、流動狀況、流體是否有相變等,導(dǎo)熱系數(shù)是物質(zhì)的物理性質(zhì)，與物質(zhì)的種類、溫度、壓強有關(guān),四川農(nóng)大本科生課程 環(huán)工原理,四、對流傳熱系數(shù)的經(jīng)驗式,（一）、對流傳熱微分方程式,緊貼壁面速度為0的流體層,遵循傅立葉定律,遵循牛頓冷卻定律,理論關(guān)系式，只適合于管內(nèi)層流、平板上層流（溫度梯度或溫度分布可求）,四川農(nóng)大本科生課程 環(huán)工原理,（二）無量綱準數(shù)方程式,影響的因素主要有： 流速u、換熱器尺寸L、流體的黏度、導(dǎo)熱系數(shù)、 密度、比熱容cp以及浮升力gT,定理：無量綱數(shù)群數(shù)變量數(shù)（8）

7、基本量綱（4）數(shù)4,四川農(nóng)大本科生課程 環(huán)工原理,-格拉霍夫準數(shù)Gr表征自然對流影響的特征數(shù)。,無量綱準數(shù)：,-努塞爾特準數(shù)，表示導(dǎo)熱熱阻與對流熱阻之比,-普蘭特準數(shù)，反映物性的影響。 一般，氣體的Pr1,四川農(nóng)大本科生課程 環(huán)工原理,故,特征尺寸,特征速度,如管內(nèi)流動通常取um,如管道內(nèi)通常取管道的內(nèi)徑,四川農(nóng)大本科生課程 環(huán)工原理,（三）管內(nèi)強制對流傳熱,1.流體在圓形管內(nèi)呈強烈的湍流狀態(tài)流動,低黏度（小于2倍常溫水的黏度）,f0.4 被加熱 f0.3 被 冷卻,高黏度,應(yīng)用條件及相關(guān)修正見書上P130,例：水流過603.5mm的鋼管，由20被加熱至60。已知，水流速為1.8m/s，試求水

8、對管內(nèi)壁的給熱系數(shù)。,四川農(nóng)大本科生課程 環(huán)工原理,2.流體在圓形直管內(nèi)呈層流狀態(tài)流動 3.流體在圓形直管內(nèi)呈過渡流狀態(tài)流動 4.流體在圓形彎管內(nèi)流動,（同學(xué)自學(xué)）,（四）大空間自然對流傳熱,例：空氣流過362mm的蛇管，流速為15m/s，從120降至20，空氣壓強4105Pa（絕壓）。已知蛇管的曲率半徑為400mm，試求空氣對管壁的給熱系數(shù)。空氣的密度可按理想氣體計算，其余物性可按常壓處理。,四川農(nóng)大本科生課程 環(huán)工原理,豎直壁面： 層流：P136式4.3.15 湍流： P137式4.3.16 水平圓管外： 層流：P137式4.3.17 水平管束： P137式4.3.18,（五）蒸汽冷凝傳熱

9、,冷凝傳熱液膜流態(tài)的Re計算：,S-液膜的橫截面積（m2）； qm冷凝液的質(zhì)量流量（kg/s）； b潤濕周邊長（m）；,M-單位時間單位潤濕周邊長上流過的冷凝液量，稱為冷凝負荷，kg/（ms）,飽和溫度為100的水蒸汽在長為2.5m，外徑為38mm的豎直圓管外冷凝。管外壁溫度為92。試求每小時蒸汽冷凝量。又若將管子水平放置每小時蒸汽冷凝量又為多少。,四川農(nóng)大本科生課程 環(huán)工原理,五、保溫層的臨界直徑,思考：保溫層的厚度是不是越大越好？,求導(dǎo)：,d2=2/=dc,保溫層臨界直徑,四川農(nóng)大本科生課程 環(huán)工原理,如果保溫層的外徑小于臨界直徑，增加保溫層的厚度熱損失將增大（小直徑管道）,如果保溫層的外

10、徑大于臨界直徑，增加保溫層厚度，熱損失將減少（一般情況）,四川農(nóng)大本科生課程 環(huán)工原理,六、間壁傳熱過程計算,換熱器分類,四川農(nóng)大本科生課程 環(huán)工原理,三個串聯(lián)傳熱環(huán)節(jié)： 熱流體側(cè)的對流傳熱 間壁的導(dǎo)熱 冷流體側(cè)的對流傳熱,四川農(nóng)大本科生課程 環(huán)工原理,（一） 總傳熱速率方程,兩流體的平均溫度差,-稱為總傳熱熱阻,四川農(nóng)大本科生課程 環(huán)工原理,（二）總傳熱系數(shù)K的計算,A1對應(yīng)K1、A2對應(yīng)K2 、A3對應(yīng)K3,考慮到實際傳熱時間壁兩側(cè)還有污垢熱阻，則上式變?yōu)椋?例：有一套管式換熱器，傳熱管為252.5mm的鋼管，CO2氣體在管內(nèi)流動，對流傳熱系數(shù)為40 W/（m） ；冷卻水在傳熱管外流動，對

11、流傳熱系數(shù)為3000 W/（m） ，管內(nèi)CO2側(cè)污垢熱阻rs10.5310-3(m2K/W)，管外水側(cè)污垢熱阻為rs20.2110-3(m2K/W)，碳鋼的熱導(dǎo)率45 W/（m） 試求：總傳熱系數(shù)K(求以鋼管內(nèi)表面積A1為基準的總傳熱系數(shù)K1) 解：,四川農(nóng)大本科生課程 環(huán)工原理,關(guān)于提高總傳熱系數(shù)K的討論： 欲提高總傳熱系數(shù)，就要設(shè)法減少熱阻，但不同傳熱過程中，各分熱阻的大小不同，這時必須設(shè)法減少起決定作用的熱阻（占總熱阻比例最大的熱阻），才能有效提高K值。,四川農(nóng)大本科生課程 環(huán)工原理,（三）傳熱平均推動力Tm的計算,1恒溫差傳熱,2變溫差傳熱,飽和蒸汽和沸騰液體間的傳熱,四川農(nóng)大本科生課

12、程 環(huán)工原理,Th2,Tc1,（1）逆流和并流時的傳熱平均溫差 以冷、熱流體均無相變、逆流流動為例： 推導(dǎo)計算平均溫差的通式 假定： 換熱器在穩(wěn)態(tài)情況下操作，熱冷流體的質(zhì)量流量qmh和qmc沿換熱面為常數(shù)； 流體的比熱容cph和cpc 及傳熱系數(shù)沿換熱面不變； 換熱器無熱損失,在微元中，熱流體的溫度為Th，冷流體的溫度為Tc，兩者之間的溫差為T,即T Th Tc。,通過微元面dA的熱量：,四川農(nóng)大本科生課程 環(huán)工原理,四川農(nóng)大本科生課程 環(huán)工原理,例：列管式換熱器中，流體A進口溫度為100，出口溫度為150，流體B作為加熱劑，進口溫度250，出口溫度180，試求： 1）并流和逆流的平均溫差Tm

13、 2）若流體A的質(zhì)量流量為1800kg/h，比熱容為2kJ/（kg），總傳熱系數(shù)K為100w/（m2），求并流和逆流時所需的傳熱面積,解：1）并流,T2=150 T1=30,逆流,Tm=?,四川農(nóng)大本科生課程 環(huán)工原理,2.傳熱面積,說明逆流傳熱效果好。,四川農(nóng)大本科生課程 環(huán)工原理,工程上，為了快速計算， Tm常用下述方法：,其中：,（2）錯流和折流時的傳熱平均溫差,按逆流計算的平均溫差,四川農(nóng)大本科生課程 環(huán)工原理,（四）傳熱單元數(shù)法（NTU法）,雖然換熱器的設(shè)計和校核都可以采用總傳熱速率方程計算，但是在換熱器的校核中，通常是給定尺寸和結(jié)構(gòu)的換熱器，確定流體的出口溫度。由于出口溫度未知，無

14、法直接計算對數(shù)平均值，因此要反復(fù)試算，十分繁瑣，而采用NTU法可以方便地解決問題。 傳熱單元數(shù)法又稱為傳熱效率傳熱單元數(shù)（NTU）法,四川農(nóng)大本科生課程 環(huán)工原理,1.換熱器的傳熱效率,傳熱效率說明流體可用的熱量被利用的程度。定義只作為計算傳熱的一種手段，該值并不表示換熱器在經(jīng)濟上的優(yōu)劣。,四川農(nóng)大本科生課程 環(huán)工原理,忽略換熱器的熱損失，實際傳熱量等于冷流體吸收的熱量或熱流體放出的熱量。當(dāng)兩流體均無相變時，有：,無論在哪種換熱器中，均有Th2Tc1，Tc2Th1，因此，在理論上換熱器能達到的最大溫差為冷熱流體進出口的溫度差，即（Th1 Tc1），此時流體在換熱器中的傳熱量最大，稱為最大傳熱量

15、。,四川農(nóng)大本科生課程 環(huán)工原理,由于在兩流體中，熱容流量值（qmcp）較小的流體將具有較大的溫度變化，因此在忽略熱損失時，最大可能傳熱量可用下式表示：,若熱流體的熱容流量較小，則傳熱效率為：,若冷流體的熱容流量較小，則傳熱效率為：,四川農(nóng)大本科生課程 環(huán)工原理,若已知傳熱效率，則可根據(jù)兩流體的進口溫度確定換熱器的傳熱量，即,求得Q，即可根據(jù)熱量衡算方程計算兩流體的出口溫度。為了確定換熱器的傳熱效率，引出傳熱單元數(shù)的概念。,2.傳熱單元數(shù) 由換熱器的熱量衡算及總傳熱速率方程，得,對于冷流體，有,積分,積分中值定理,（ThTc）m？,Tm,四川農(nóng)大本科生課程 環(huán)工原理,令,以冷流體計的傳熱單元數(shù)

16、,以熱流體計的傳熱單元數(shù),傳熱單元數(shù)是溫度的無量綱函數(shù)，在數(shù)值上等于單位傳熱推動力引起的溫度變化的大小，表明換熱器傳熱能力的強弱。,傳熱單元數(shù)計算以熱容流量小的流體為基準,四川農(nóng)大本科生課程 環(huán)工原理,若換熱器中換熱管的直徑為d，長度為L，管數(shù)為n， 則：,或者,基于熱容流量小的流體的傳熱單元長度，m,3.傳熱效率和傳熱單元數(shù)的關(guān)系 推導(dǎo)（以逆流操作的熱流體冷卻為例）：,CR,當(dāng)任一流體發(fā)生相變時，即,趨于無窮大，,此時CR趨近于0,當(dāng)兩種流體的熱容流量相等， CR1,同理，對單程并流換熱器，有,當(dāng)任一流體發(fā)生相變時，即,趨于無窮大，,此時CR趨近于0,當(dāng)兩種流體的熱容流量相等， CR1,四川農(nóng)大本科生課程 環(huán)工原理,對于其他比較復(fù)雜的形式，也可以推導(dǎo)出與NTU和CR的函數(shù)關(guān)系式，這些函數(shù)關(guān)系已經(jīng)繪制成圖，如：,四川農(nóng)大本科生課程 環(huán)工原理,4.傳熱單元數(shù)法 步驟一：根據(jù)換熱器的操作工況，計算傳熱系數(shù)K； 步驟二：計算傳