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(yīng)用（1）物料的加熱或冷卻（2）熱量與冷量的回收利用（3）設(shè)備與管路的保溫1二、傳熱的基本方式

（一）熱傳導(dǎo)氣體分子不規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)

固體導(dǎo)電體：自由電子在晶格間的運(yùn)動(dòng)非導(dǎo)電體：通過晶格結(jié)構(gòu)的振動(dòng)實(shí)現(xiàn)液體

機(jī)理復(fù)雜特點(diǎn)：靜止介質(zhì)中的傳熱，沒有物質(zhì)的宏觀位移2（二）熱對(duì)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(duì)流：由于流體內(nèi)密度不同造成的浮升力引起的流動(dòng)。強(qiáng)制對(duì)流：流體受外力作用而引起的流動(dòng)。能量轉(zhuǎn)移、能量形式的轉(zhuǎn)化不需要任何物質(zhì)作媒介

特點(diǎn)：流動(dòng)介質(zhì)中的傳熱，流體作宏觀運(yùn)動(dòng)。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(shí)間內(nèi)通過換熱器的整個(gè)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(shí)間內(nèi)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(shí)刻，物體或空間各點(diǎn)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(shí)刻，溫度場中所有溫度相同的點(diǎn)組成的面。

性質(zhì)：（四）等溫面各等溫面不相交；同一等溫面上的各點(diǎn)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?yàn)檎?。?duì)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(duì)流對(duì)流傳導(dǎo)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(shù)，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(dǎo)式中Q──熱傳導(dǎo)速率，W或J/s；

A──導(dǎo)熱面積，m2；

dt/dx

──溫度梯度，℃/m或K/m；

──導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)或W/(m·K)。負(fù)號(hào)表示傳熱方向與溫度梯度方向相反（W/m2)12二、熱導(dǎo)率

在數(shù)值上等于單位溫度梯度(1K/m)下的熱通量=f(結(jié)構(gòu),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(dǎo)熱性能的物性參數(shù)131.固體熱導(dǎo)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(nèi)：對(duì)大多數(shù)金屬材料a<0，t

對(duì)大多數(shù)非金屬材料a>0

，

t

142.液體熱導(dǎo)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(dǎo)率

t

，

一般情況下，隨p的變化可忽略；

氣體不利于導(dǎo)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(dǎo)（一）單層平壁熱傳導(dǎo)假設(shè)：材料均勻，為常數(shù)；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(guān)系）t1t2btxdxQ18（二）多層平壁熱傳導(dǎo)假設(shè)：一維穩(wěn)態(tài)傳熱，各層接觸良好，忽略熱損失，接觸面兩側(cè)溫度相同。t1t2b1txb2b3t2t4t319各層的溫差20結(jié)論：多層平壁熱傳導(dǎo)，總推動(dòng)力為各層推動(dòng)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(nèi)某點(diǎn)的溫度（各層內(nèi)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值最小？22四、圓筒壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)（一）單層圓筒壁的熱傳導(dǎo)特點(diǎn)：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(duì)數(shù)曲線關(guān)系）24——對(duì)數(shù)平均面積熱阻令——對(duì)數(shù)平均半徑一般時(shí)，25（二）多層圓筒壁的熱傳導(dǎo)26三層：n層圓筒壁：

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

t2qm1，T1qm2，t1

qm1，T229ttWTWTA2A1傳熱壁冷流體熱流體Tt熱流體對(duì)流傳熱管壁內(nèi)側(cè)熱傳導(dǎo)管壁外側(cè)對(duì)流傳熱冷流體湍流主體：溫度梯度小，熱對(duì)流為主層流內(nèi)層：溫度梯度大，熱傳導(dǎo)為主過渡區(qū)域：熱傳導(dǎo)、熱對(duì)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(nèi)。令：ttWTWTA2A1傳熱壁冷流體熱流體Tt31式中 Q──對(duì)流傳熱速率，W；1

、2

──熱、冷流體的對(duì)流傳熱系數(shù)，

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(duì)流傳熱系數(shù)的影響因素相變化：相變

>無相變1.流體的性質(zhì)及相狀態(tài)影響較大的物性：，，，cp

2.流體的流動(dòng)狀態(tài)

湍流>層流333.引起流動(dòng)的原因自然對(duì)流：單位體積的浮升力∝·g·Δt——體積膨脹系數(shù)，1/C.由密度差而產(chǎn)生的單位體積的浮升力：強(qiáng)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(duì)流傳熱的特征數(shù)關(guān)系式變量數(shù)8個(gè)基本因次4個(gè)：長度L，時(shí)間T，質(zhì)量M，溫度無量綱特征數(shù)（8-4）=4無相變時(shí)361.

努塞爾特（Nusselt

）數(shù)表示對(duì)流傳熱系數(shù)的特征數(shù)2.

雷諾（Reynolds）數(shù)反映流體的流動(dòng)狀態(tài)對(duì)對(duì)流傳熱的影響3.

普蘭特（Prandtl）數(shù)反映流體的物性對(duì)對(duì)流傳熱的影響374.

格拉斯霍夫（Grashof）準(zhǔn)數(shù)表示自然對(duì)流對(duì)對(duì)流傳熱的影響一般形式：Nu=f(Re,Pr,Gr)或簡化：強(qiáng)制對(duì)流Nu=f(Re,Pr)

自然對(duì)流Nu=f(Pr,Gr)使用準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式時(shí)注意：1.應(yīng)用范圍:Re/Pr2.特征尺寸：d/de/l/H3.

定性溫度:流體進(jìn)出口溫度的算術(shù)平均值38強(qiáng)制對(duì)流自然對(duì)流無相變有相變蒸汽冷凝液體沸騰對(duì)流傳熱管外對(duì)流管內(nèi)對(duì)流圓形直管非圓管道彎管湍流層流過渡流對(duì)流傳熱的分類：39四、無相變時(shí)對(duì)流傳熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式（一）流體在管內(nèi)作強(qiáng)制對(duì)流1.

圓形直管內(nèi)的強(qiáng)制湍流流體被加熱n=0.4流體被冷卻n=0.3（1）應(yīng)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(jìn)出口溫度的算術(shù)平均值（3）特征尺寸：管內(nèi)徑40討論：（1）加熱與冷卻的差別：液體氣體41物性一定時(shí)：（2）影響因素：42公式修正：（1）當(dāng)L/d<60，乘校正系數(shù)；（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(dāng)量直徑計(jì)算。442.圓形直管內(nèi)流體處于過渡區(qū)時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)2300<Re<104453.圓形直管內(nèi)強(qiáng)制層流（1）隨熱流方向不同，速度分布情況不同；（2）自然對(duì)流造成了徑向流動(dòng)，強(qiáng)化了對(duì)流傳熱過程。對(duì)于液體46自然對(duì)流可以忽略：Gr<25000自然對(duì)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(nèi)徑47（二）流體在管外強(qiáng)制對(duì)流傳熱1.流體在管束外垂直流過48應(yīng)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(jìn)、出口溫度平均值Nu=C

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

定性溫度：應(yīng)用范圍：Re=2×103～106特征尺寸：de,u51（三）自然對(duì)流時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)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(shí)的對(duì)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(shí)的對(duì)流傳熱532.膜狀冷凝時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)（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(shù)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(qiáng)化措施(3)蒸汽流速與流向（u>10m/s）同向時(shí)，t，；反向時(shí)，t，；u，(1)液體物性，，

，

r

(2)不凝氣體

不凝氣體存在，導(dǎo)致，需定期排放。(4)蒸汽過熱

r’=r+cp(tv-ts)影響較小57(5)強(qiáng)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(shù)，采用錯(cuò)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(shí)的對(duì)流傳熱大容積沸騰管內(nèi)沸騰1.沸騰現(xiàn)象在粗糙加熱面的細(xì)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(dòng)液層59沸騰必要條件：

過熱度t=（t－ts）>0

存在汽化核心推動(dòng)力（tw－ts）水沸騰曲線沸騰三個(gè)階段：自然對(duì)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(qiáng)化措施（2）溫度差核狀沸騰階段:t2.5，，t

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

（5）強(qiáng)化措施表面粗糙化：將表面腐蝕，燒結(jié)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(jié)

對(duì)流傳熱過程對(duì)流傳熱系數(shù)的計(jì)算：無相變化和有相變化對(duì)流傳熱的特征準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式63第四節(jié)傳熱過程計(jì)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(shù)，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(dòng)；穩(wěn)態(tài)傳熱；cp為常數(shù)；K為常數(shù)流體無相變化：流體一側(cè)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(guān)二、傳熱平均溫度差逆流并流錯(cuò)流折流671.逆流與并流t2t1T1T2t1t2T1T2

t2tAt1T2T1逆流

t2tAt1T2T1并流68對(duì)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(duì)數(shù)平均溫度差逆流、并流均適用；當(dāng)t1/t2<2，則可用算術(shù)平均值。當(dāng)冷熱流體的進(jìn)出口溫度一定時(shí)，tm逆＞tm并。單側(cè)變溫時(shí)，兩種流動(dòng)方式的平均溫度差大小相同。702.錯(cuò)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(shù)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(wù)：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(shí)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(chǎn)工藝要求溫度不能過高或過低的場合。74三、總傳熱系數(shù)K——總傳熱系數(shù)，W/(m2·K)twTw管內(nèi)對(duì)流管外對(duì)流導(dǎo)熱冷流體熱流體tTdQdQ1dQ3dQ2（一）總傳熱系數(shù)計(jì)算物理意義：表征間壁兩側(cè)流體傳熱過程的強(qiáng)弱程度。75管內(nèi)對(duì)流管外對(duì)流管壁熱傳導(dǎo)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(zhǔn)(dA=dA1)77K1——以外表面為基準(zhǔn)的總傳熱系數(shù)，W/(m2.K)dm——對(duì)數(shù)平均直徑，m（3）以內(nèi)表面為基準(zhǔn)：d1/d2<2可用算術(shù)平均值78（二）污垢熱阻

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

設(shè)法減小控制熱阻。（1）減小污垢熱阻——防結(jié)垢、及時(shí)清洗。79（2）若污垢熱阻與壁阻可忽略時(shí)，或若則當(dāng)1、2相差較大時(shí)：若則或應(yīng)提高較小，進(jìn)而提高K。當(dāng)1、2相差不大時(shí)，二者應(yīng)同時(shí)提高。80四、壁溫的計(jì)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(cè)流體的溫度

（3）兩側(cè)有污垢（2）當(dāng)tW=TW

821.設(shè)計(jì)型計(jì)算已知：qm1、T1、T2（生產(chǎn)任務(wù)），t1、qm2求：傳熱面積A或校核換熱器是否合適步驟

:（1）計(jì)算熱負(fù)荷；（2）計(jì)算tm；（3）計(jì)算1、2及K；（4）計(jì)算A若A實(shí)

>A計(jì)

或Q換>Q需要，換熱器合適。五、傳熱計(jì)算832.操作型計(jì)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(chǎn)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(diǎn)：能量形式的轉(zhuǎn)換不需要任何介質(zhì)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(duì)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(shí)間內(nèi)所發(fā)射的全部輻射能(波長從0到),E,W/m2──黑體輻射常數(shù),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(duì)溫度特別敏感Cb──黑體輻射系數(shù),5.669W/(m2.K4)88（二）實(shí)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(shù)，C=Cb是物體輻射能力接近黑體輻射能力的程度

——實(shí)驗(yàn)測定89（三）克?；舴蚨蓪?duì)灰體:熱交換達(dá)到平衡時(shí)T1=T2,q=0任意物體:T1>T2E1Eb（1-1）Eb1Eb

Ⅰ灰體

Ⅱ黑體

克?；舴蚨?0結(jié)論：（1）物體的輻射能力越強(qiáng)，其吸收率越大（2）=

同溫度下，物體的吸收率與黑度數(shù)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(jì)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(qiáng)化或減小輻射傳熱

4.輻射表面間介質(zhì)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(shè)備及管道的熱損失對(duì)流：

輻射：

令=1

總熱損失：

T——對(duì)流-輻射聯(lián)合傳熱系數(shù)，W/(m2.K)95（1）空氣自然對(duì)流，tW<150C（2）空氣沿粗糙壁面強(qiáng)制對(duì)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(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單缺點(diǎn)：

A小釜內(nèi)小強(qiáng)化措施：釜內(nèi)加攪拌釜內(nèi)加蛇管夾套內(nèi)加折板98（二）蛇管換熱器1.沉浸式強(qiáng)化措施：容器內(nèi)加攪拌器，提高K優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單管內(nèi)能耐高壓缺點(diǎn)：

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

(K)或tm大缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)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(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單；但殼程檢修和清洗困難?！訜嵫a(bǔ)償圈（膨脹節(jié)）當(dāng)管內(nèi)外流體溫差Δt>

50℃

時(shí)，需考慮溫度熱補(bǔ)償。根據(jù)熱補(bǔ)償方式不同，列管式換熱器分為：1032.浮頭式特點(diǎn)：可完全消除熱應(yīng)力,便于清洗和檢修,結(jié)構(gòu)復(fù)雜1043.U型管式特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)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(jù)工藝任務(wù)，計(jì)算熱負(fù)荷2.計(jì)算tm3.依據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取K，估算A4.確定冷熱流體流經(jīng)管程或殼程，選定u先按單殼程多管程計(jì)算，如果<0.8，應(yīng)增加殼程數(shù)；由u和qm估算單管程的管子根數(shù)，由管子根數(shù)和估算的A，估算管子長度，再由系列標(biāo)準(zhǔn)選適當(dāng)型號(hào)的換熱器。1065.核算K分別計(jì)算管程和殼程的，確定垢阻，求出K，并與估算的K進(jìn)行比較。如果相差較多，應(yīng)重新估算。6.計(jì)算A根據(jù)計(jì)算的K和tm，計(jì)算A，并與選定的換熱器