环境工程原理第四章-传热

1,第一节概述,第四章传热,一、传热过程的应用,（1）物料的加热或冷却（2）热量与冷量的回收利用（3）设备与管路的保温,2,二、传热的基本方式,（一）热传导,气体分子不规则热运动固体导电体：自由电子在晶格间的运动非导电体：通过晶格结构的振动实现液体机理复杂,特点：静止介质中的传热，没有物质的宏观位移,3,（二）热对流,（三）热辐射物体因热的原因发出辐射能的过程称为热辐射。,自然对流：由于流体内密度不同造成的浮升力引起的流动。强制对流：流体受外力作用而引起的流动。,能量转移、能量形式的转化不需要任何物质作媒介,特点：流动介质中的传热，流体作宏观运动。,意义：流体与固体壁面之间的传热过程。,4,三、基本概念,传热速率Q（热流量）：单位时间内通过换热器的整个传热面传递的热量，单位J/s或W。,（一）传热速率与热流密度,热流密度q（热通量）：单位时间内通过单位传热面积传递的热量，单位J/(s.m2)或W/m2。,5,非稳态传热,（二）稳态与非稳态传热,稳态传热,一维稳态传热,6,温度场：某时刻，物体或空间各点的温度分布。,（三）温度场,非稳态温度场,稳态温度场,一维稳态温度场,7,等温面：在同一时刻，温度场中所有温度相同的点组成的面。,性质：,（四）等温面,各等温面不相交；同一等温面上的各点无热量传递；等温面法线方向上的温差变化率最大,8,（五）温度梯度,说明：,温度梯度是向量，方向垂直于等温面，为法线方向，以温度增加的方向为正。对于一维稳定温度场：,9,四、两流体通过间壁换热过程,（一）间壁式换热器,夹套式换热器,10,（二）两流体通过间壁的传热过程,稳态传热：,11,式中tm两流体的平均温度差，或K；A传热面积，m2；K总传热系数，W/(m2)或W/(m2K)。,（三）总传热速率方程,12,一、傅立叶定律,第二节热传导,式中Q热传导速率，W或J/s；A导热面积，m2；dt/dx温度梯度，/m或K/m；导热系数，W/(m)或W/(mK)。,负号表示传热方向与温度梯度方向相反,（W/m2),13,二、热导率,在数值上等于单位温度梯度(1K/m)下的热通量,=f(结构,组成,密度,温度,压力）,金属固体非金属固体液体气体,表征材料导热性能的物性参数,14,1.固体热导率,金属材料10102W/(mK)建筑材料10-110W/(mK)绝热材料10-210-1W/(mK),在一定温度范围内：,对大多数金属材料a0，t,15,2.液体热导率,金属液体较高，非金属液体低；非金属液体水的最大；水和甘油：t，其它液体：t，,0.090.6W/(mK),16,3.气体热导率,t，一般情况下，随p的变化可忽略；气体不利于导热，有利于保温或隔热。,0.0060.4W/(mK),17,三、平壁的稳态热传导,（一）单层平壁热传导,假设：材料均匀，为常数；一维温度场，t沿x变化；A/b很大，忽略端损失。,18,积分：,温度分布：,（直线关系）,19,（二）多层平壁热传导,假设：一维稳态传热，各层接触良好，忽略热损失，接触面两侧温度相同。,t1,t2,b1,t,x,b2,b3,t2,t4,t3,20,各层的温差,21,结论：多层平壁热传导，总推动力为各层推动力之和，总热阻为各层热阻之和；各层温差与热阻成正比。tiRi,温度分布为一折线。任一层内某点的温度（各层内的温度分布）：第i层，先求ti，再求tx,推广至n层：,22,t1,t2,b1,t,x,b2,b3,t2,t4,t3,思考：,如果b1=b2=b3那么图中哪层的值最小？,23,四、圆筒壁的稳态热传导,（一）单层圆筒壁的热传导,特点：传热面积随半径变化，A=2rl(2)一维温度场，t沿r变化。,24,在半径r处取dr同心薄层圆筒,讨论：,（对数曲线关系）,25,对数平均面积,热阻,令,对数平均半径,一般时，,26,（二）多层圆筒壁的热传导,27,三层：,n层圆筒壁：,28,小结,传热的基本方式：传导、对流、热辐射；传热速率方程；傅立叶定律；平壁热传导；圆筒壁热传导；,29,一、对流传热过程,第三节对流传热,30,湍流主体：温度梯度小，热对流为主,层流内层：温度梯度大，热传导为主,过渡区域：热传导、热对流均起作用,31,简化假定：全部阻力都集中在厚度为t的有效膜内。,令：,32,式中Q对流传热速率，W；1、2热、冷流体的对流传热系数，W/(m2K)；T、TW、t、tW热、冷流体的平均温度及平均壁温，。,冷流体：,热流体：,牛顿冷却定律,33,（一）影响因素,二、对流传热系数的影响因素,相变化：相变无相变,1.流体的性质及相状态影响较大的物性：，cp,2.流体的流动状态湍流层流,34,3.引起流动的原因,自然对流：单位体积的浮升力gt,体积膨胀系数，1/C.,由密度差而产生的单位体积的浮升力：,强制自然,35,传热面的形状，大小和位置形状管、板、管束等；水平圆管：d大小平板、垂直放圆管：长度l和厚度H位置管子的排列方式，垂直或水平放置。,36,三、对流传热的特征数关系式,变量数8个基本因次4个：长度L，时间T，质量M，温度无量纲特征数（8-4）=4,无相变时,37,1.努塞尔特（Nusselt）数,表示对流传热系数的特征数,2.雷诺（Reynolds）数,反映流体的流动状态对对流传热的影响,3.普兰特（Prandtl）数,反映流体的物性对对流传热的影响,38,4.格拉斯霍夫（Grashof）准数,表示自然对流对对流传热的影响,一般形式：Nu=f(Re,Pr,Gr)或简化：强制对流Nu=f(Re,Pr)自然对流Nu=f(Pr,Gr),使用准数关联式时注意：1.应用范围:Re/Pr2.特征尺寸：d/de/l/H3.定性温度:流体进出口温度的算术平均值,39,强制对流自然对流,无相变,对流传热,管外对流管内对流,圆形直管,非圆管道,弯管,湍流,层流,过渡流,对流传热的分类：,40,四、无相变时对流传热系数的经验关联式（一）流体在管内作强制对流1.圆形直管内的强制湍流,（1）应用范围：Re104,Pr=0.7160,L/d60,气体或低粘度的液体（2水）（2）定性温度：流体进出口温度的算术平均值（3）特征尺寸：管内径,41,讨论：（1）加热与冷却的差别：,液体,气体,42,物性一定时：,（2）影响因素：,43,公式修正：,（1）当L/d2水）,工程处理：加热：冷却：,44,（3）弯管,（4）非圆形管道,用当量直径计算。,45,2.圆形直管内流体处于过渡区时的对流传热系数,2300Re膜,（1）膜状冷凝,（2）滴状冷凝,冷凝过程的热阻冷凝液膜,（一）蒸汽冷凝时的对流传热,54,2.膜状冷凝时的对流传热系数,（1）水平管束外,定性温度：tSr，其它膜温,n水平管束在垂直列上的管数r比汽化热,55,（2）蒸汽在垂直管外（或垂直板上）冷凝,56,层流,Re1800,湍流,57,3.影响因素和强化措施,(3)蒸汽流速与流向（u10m/s）同向时，t，；反向时，t，；u，,(1)液体物性，r,(2)不凝气体不凝气体存在，导致，需定期排放。,(4)蒸汽过热r=r+cp(tv-ts)影响较小,58,(5)强化措施：目的：减少冷凝液膜的厚度水平管束：减少垂直方向上管数，采用错列；垂直板或管：开纵向沟槽，或在壁外装金属丝。,59,（二）液体沸腾时的对流传热,1.沸腾现象,在粗糙加热面的细小凹缝处：,汽化核心生成汽泡长大脱离壁面新汽泡形成搅动液层,60,沸腾必要条件：过热度t=（tts）0存在汽化核心,推动力（twts）,水沸腾曲线,沸腾三个阶段：自然对流、核状沸腾、膜状沸腾,工业上采用核状沸腾大，tW小,61,2.影响因素及强化措施,（2）温度差核状沸腾阶段:t2.5，t,（1）液体的性质,（3）操作压力,62,（4）加热面新的、洁净的、粗糙的加热面，大,（5）强化措施表面粗糙化：将表面腐蚀，烧结金属粒，定期除垢；加表面活性剂（乙醇、丙酮等），降低表面张力。,63,小结,对流传热过程,对流传热系数的计算：无相变化和有相变化,对流传热的特征准数关联式,64,第四节传热过程计算,总传热速率方程,式中Q传热速率，W；tm两流体的平均温度差，；A传热面积，m2；K总传热系数，W/(m2)。,65,66,一、热量衡算,前提：定态流动；稳态传热；cp为常数；K为常数,流体无相变化：,流体一侧有相变化：,67,（一）恒温传热,（二）变温传热,tm与流体流向有关,二、传热平均温度差,68,1.逆流与并流,69,对于微元dA：,2.两流体两端的温度差分别为t1、t2,t1t2,70,分离变量并积分：,对数平均温度差,逆流、并流均适用；,当t1/t22，则可用算术平均值。,当冷热流体的进出口温度一定时，tm逆tm并。,单侧变温时，两种流动方式的平均温度差大小相同。,71,2.错流与折流,1tm0.9,若Q需要，换热器合适。,五、传热计算,84,2.操作型计算（1）已知：换热器A，qm1、T1，T2，qm2、t1，t2校核传热速率或出口温度是否满足生产要求。,注意：列管式换热器中,流通面积,传热面积,（2）已知：换热器A，qm1、T1，T2、t1求：qm2、t2,85,一、基本概念,1.辐射：物体通过电磁波来传递能量的过程。,2.热辐射：物体由于热的原因以电磁波的形式向外发射能量的过程。,特点：能量形式的转换不需要任何介质,第五节热辐射,86,能量守恒定律：,吸收率反射率穿透率,3.物体对热辐射的作用总能量Q；被物体吸收Q；被反射Q；穿过物体Q,87,黑体：,白体(镜体)：,透热体：,灰体：以相同的吸收率吸收所有波长辐射能的物体,固体、液体：=0+=1气体：=0+=1,88,二、物体的辐射能力,物体在一定温度下，单位表面积、单位时间内所发射的全部辐射能(波长从0到),E,W/m2,黑体辐射常数,5.66910-8W/(m2.K4),（一）黑体,四次方定律表明，热辐射对温度特别敏感,Cb黑体辐射系数,5.669W/(m2.K4),89,（二）实际物体,黑度：,T2,E1,Eb,（1-1）Eb,1Eb,灰体,黑体,91,结论：,（1）物体的辐射能力越强，其吸收率越大,（2）=同温度下，物体的吸收率与黑度数值上相等,（3），EEb在任何温度下、各种物体中以黑体的辐射能力为最大,92,（一）辐射传热速率,四、两固体间的相互辐射,两面积无限大的平行平板,两平面有限大的平行平板,93,一物体被另一物体包围,A2A1，可以无限大平壁计算,A2A1,则C1-2=C1=Cb1,94,1.温度的影响T4；低温可忽略，高温可能成为主要方式2.几何位置的影响3.表面黑度的影响，可通过改变大小强化或减小辐射传热4.辐射表面间介质的影响减小辐射散热，在两换热面加遮热板（小热屏）,（二）影响辐射传热的主要因素,95,五、高温设备及管道的热损失,对流：,辐射：,令=1,总热损失：,T对流-辐射联合传热系数，W/(m2.K),96,（1）空气自然对流，tW5m/s,平壁保温层外,空气速度u50时，需考虑温度热补偿。根据热补偿方式不同，列管式换热器分为：,104,2.浮头式,特点：可完全消除热应力,便于清洗和检修,结构复杂,105,3.U型管式,特点：结构较浮头简单；但管程不易清洗。,106,三、列管换热器的选用,1.根据工艺任务，计算热负荷,2.计算tm,3.依据经验选取K，估算A,4.确定冷热流体流经管程或壳程，选定u,先按单壳程多管程计算，如果0.8，应增加壳程数；,由u和qm估算单管程的管子根数，由管子根数和估算的A，估算管子长度，再由系列标准选适当型号的换热器。,107,5.核算K,分别计算管程和壳程的，确定垢阻，求出K，并与估算的K进行比较。如果相差较多，应重新估算。,6.计算A,根据计算的K和tm，计算A，并与选定的换热器A相比，应有10%25%的余量。,108,(1)流体流程选择,管程：不清洁或易结垢、腐蚀性、压力高的流体,壳程：饱和蒸汽、需要冷却、粘度大或流量小的流体,原则：传热效果好，结构简单，清洗方便,(2)流体流速的选择,u选择是经济权衡，要避免层流流动,109,(3)换热器中管子的规格和排列方式,管子的规格：192mm和252.5mm,管长：1.5m、2.0m、3.0m、6.0m,排列方式：,正三角形直列,正三角形错列,110,（5）管程：管程增多，管内流体u,加挡板：增大壳程流体的湍动壳程,(4)折流挡板,111,四、传热过程的强化途径,1.增大tm,加热剂T1或冷却剂t1,两侧变温，尽量采用逆流,强化传热，可tm、A/V、K,2.增大A/V,直接接触传热，可增大A和湍动程度,112,3.增大K,减小壁、污垢及两侧流体热阻中的主要热阻提高较小一侧有效,提高的方法(无相变)：增大流速多管程加扰流元件壳程加挡板改变传热面形状和增加粗糙度,113,五、新型的换热器,（一）平板式换热器,114,增加刚性；提高湍动程度；增加A；易于液体均匀分布,115,优点：结构紧凑操作灵活K大,缺点：耐温、耐压差,易漏处理量小,116,（二）螺旋板式换热器,117,优点：结构紧凑不易结垢,堵塞K大保持逆流,tm大,缺点：压力,温度不能太高难以维修,118,（三）板翅式换热器,优点：流体湍动程度高，K大；结