环境工程原理热量传递

第4章热量传递,环境工程原理,仲恺农业技术学院环境科学与工程系环,2,第四章热量传递,本章主要内容第一节热量传递的方式第二节热传导第三节对流传热第四节辐射传热第五节换热器,3,第一节热量传递的方式,本节的主要内容一、热传导二、对流传热三、辐射传热,4,第一节热量传递的方式,第一节热量传递的方式传热是极普遍的过程凡是有温差存在的地方，就必然有热量传递。在环境工程中，很多过程涉及到加热和冷却：对水或污泥进行加热；对管道及反应器进行保温以减少系统的热量散失；在冷却操作中移出热量。,5,第一节热量传递的方式,环境工程中涉及到的传热过程主要有两种情况：强化传热过程，如各种热交换设备中的传热；削弱传热过程，如对设备和管道的保温，以减少热量损失。热的传递主要有三种方式热传导物体各部分之间无宏观运动，而是通过物质的分子、原子和电子的振动、位移和相互碰撞发生的热量传递过程。,6,第一节热量传递的方式,对流传热流体中质点发生相对位移而引起的热量传递过程，仅发生在液体和气体中。通常认为是流体与固体壁面之间的热传递过程。辐射传热物体由于热的原因而发出辐射能的过程。,7,第一节热量传递的方式,思考题什么是热传导？什么是对流传热？分别举出一个强制对流传热和自然对流传热的实例。简述辐射传热的过程及其特点试分析在居室内人体所发生的传热过程，设室内空气处于流动状态。若冬季和夏季的室温均为18，人对冷暖的感觉是否相同？在哪种情况下觉得更暖和？为什么？,8,第二节热传导,本节的主要内容一、傅立叶定律二、导热系数三、通过平壁的稳定热传导四、通过圆管壁的稳定热传导,9,第二节热传导,必要条件存在温度差物体的相系接触物体各部分之间无宏观运动机理通过物质的分子、原子和电子的振动、位移和相互碰撞发生的热量传递过程。在气态、液态和固态物质中都可以发生，但传递的方式和机理是不同的。,10,第二节热传导,气体的热量传递是气体分子作不规则热运动时相互碰撞的结果固体的热量传递晶格振动和自由电子的迁移；液体的热量传递结构介于气体和固体之间，分子可作幅度不大的位移，热量的传递既由于分子的振动，又依靠分子间的相互碰撞。,11,第二节热传导,一、傅立叶定律,T=T0,Q,T=T1,热流流量,t=0,T=T0,T=T0,在达到稳态之后，需要一个恒定的热量流量Q通过，才能维持温度差DT=T1-T0不变。,热传导的速率？,12,第二节热传导,y方向上的热量流量，也称为传热速率，W,导热系数，W/(mK),y方向上热量通量，即单位时间内通过单位面积传递的热量，又称为热流密度，W/m2,垂直于热流方向的面积，m2,y方向上的温度梯度,K/m,傅立叶定律,(4.2.1),(4.2.2),13,第二节热传导,热量通量与温度梯度成正比,负号表示热量通量方向与温度梯度的方向相反，即热量是沿着温度降低的方向传递的。,变换：,导温系数，或称热量扩散系数，m2/s,热量浓度，J/m3,热量传递的推动力,令,(4.2.3),(4.2.4),热量浓度梯度，J/m3m,14,第二节热传导,导温系数是物质的性质参数，反映温度变化在物体中的传播能力。说明物体的某部分一旦获得热量，该热量能在整个物体中很快扩散,或,15,第二节热传导,二、导热系数导热物质在单位面积、单位温度梯度下的导热速率，单位为W/(mK)。是表明物质导热性强弱即导热能力的大小。是物质的物理性质，只与物质的种类、温度和压力有关。不同物质的导热系数差异较大。,(4.2.5),16,第二节热传导,（一）l的影响因素：对于同一种物质，l值可能随不同的方向变化各向异性。气体的导热系数都随温度升高而增高，近似与绝对温度的平方根成正比。一般情况下，压力对其影响不大，但在高压（高于200MPa）或低压（低于2.7kPa）下，气体的导热系数随压力的升高而增大。,17,第二节热传导,液体的导热系数随温度升高而减小（水、甘油例），经验公式：压力对其影响不大。固体的导热系数影响因素较多，与内部结构关系最大。纯金属的导热系数随温度升高而减小；合金却相反，随温度上升而增大。晶体导热系数随温度升高而减小，非晶体则相反。,18,第二节热传导,19,第二节热传导,（二）工程中常用材料的导热系数,金属,液体,隔热材料,气体,金属50415W/(mK)，合金12120W/(mK),0.030.17W/(mK）,0.170.7W/(mK),0.0070.17W/(mK),因水的最大，是工程上最常用的导热介质,换热壁面材料，其中银最大,多孔材料作为保温材料,保温材料受潮后隔热性能将大幅度下降防潮,氢的最大,20,第二节热传导,液体中水的导热系数最大。因此，水是工程上最常用的导热介质。20时为0.6W/(mK)。气体的导热系数很小，对导热不利，但利于绝热、保温。工业上常用多孔材料作为保温材料，就是利用了空隙中存在的气体，使导热系数变小。水比空气的导热系数大得多，隔热材料受潮后其隔热性能将大幅度下降。因此，露天保温管道必须注意防潮。非金属中，石墨的导热系数最高，可达100200W/(mK)，高于一般金属；同时，因其具有耐腐蚀性能，因此石墨是制作耐腐蚀换热器的理想材料。,21,第二节热传导,三、通过平壁的稳定热传导(一)单层平壁的稳态热传导平壁厚度为b，壁面两侧温度分别为T1和T2（T1T2）。一维稳态热传导,(4.2.6),(4.2.7),22,第二节热传导,温差DT为传热的推动力。,导热热阻，K/W,单位传热面积的导热热阻，m2K/W,温度差,传导距离越大，传热壁面和导热系数越小，则导热热阻越大。,23,第二节热传导,【例题4.2.1】某平壁厚度b为400mm，内表面温度T1=950，外表面温度T2=300，导热系数为l=1.0+0.001T，W/(mK)，T的单位为。若将导热系数分别按常量（取平均导热系数）和变量计算，试求导热热通量和平壁内的温度分布。解：(1)导热系数按平壁的平均温度，则平均温度为：求得：l=1.0+0.0016251.625,W/m2,W/(mK),24,第二节热传导,以x表示沿壁厚方向上的距离，在x处等温面上的温度为（2）导热系数取为变量分离变量并积分对于平壁上的稳态一维热传导，热量通量不变。因此,25,第二节热传导,在x处：整理，得此时温度分布为曲线。,26,第二节热传导,（二）多层平壁的热传导假设有三层稳态传热平壁，每层壁厚分别为b，壁的面积均为A；假定材料均匀，l1、l2、l3都不随温度变化，视为常数。层间接触良好，相互接触的面上温度相等；各等温面皆垂直；T1、T2、T3、T3，均为恒定。,27,第二节热传导,串联热阻叠加原则,热阻越大，通过该层的温度差也越大,Q,传热的推动力,导热热阻,(4.2.10),28,第二节热传导,层与层之间存在空气层附加热阻接触热阻与接触面的材料、接触界面的粗糙度、接触面的压紧力和空隙中的气压等有关。（三）n层平壁的热传导,接触热阻,(4.2.11),29,第二节热传导,30,第二节热传导,四、通过圆管壁的稳定热传导采用圆柱坐标时，即为一维稳态热传导传热面积随半径发生变化对于半径为r的等温圆柱面，根据傅立叶定律，有稳态导热时，径向的Q为常数，将上式分离变量并积分,内径r1,外径r2,半径r,31,第二节热传导,积分得：则圆管壁的导热热阻：对数平均面积Am对数平均半径rm,(4.2.13),32,第二节热传导,两种简化计算当时r2/r1104、0.7Pr120；管长与管径之比l/di50；流体粘度m0.9；当jDT0.8时，经济上不合理，应另选其它形式，如增加壳程数，或将多台换热器串联使用，以使传热过程接近逆流。,(4.3.35),118,第三节对流传热,温差校正系数jDT与换热器内流体的温度变化有关，对于不同流动方式，可用辅助量R与P的函数表达，即：jDT=f(R,P),119,第三节对流传热,壳程流体在壳体内每通过一次为一壳程。管程流体在管内每通过一次为一管程。,120,第三节对流传热,单壳程,121,第三节对流传热,122,第三节对流传热,三壳程,错流,123,第三节对流传热,（四）传热单元数1.传热效率e,当换热器出口温度未知时，需通过反复试算,传热单元数法（NTU）,传热效率传热单元数法（e-NTU）,意义：流体可用的热量被利用的程度,(4.3.28),124,第三节对流传热,实际传热量若换热器的热损失可以忽略，两流体均无相变，则最大可能传热量热流体的热容流量较小,(4.3.36),理论上换热器中可能达到的最大温差,两流体中最小的热容流量,125,第三节对流传热,冷流体的热容流量较小：,(4.3.37),126,第三节对流传热,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：当K与cpc为常数，则有,(4.3.38),127,第三节对流传热,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流体温度变化的大小，表明换热器传热能力的强弱。,(4.3.39),(4.3.40),128,第三节对流传热,使用传热单元数进行传热计算时，应以热容流量小的流体为基准。设换热器的换热管的直径为d，长度为L，管数为n，则,(4.3.41),(4.3.42),129,第三节对流传热,传热单元长度是传热热阻的函数，总传热系数越大，传热单元长度越小，即传热所需的传热面积越小。,(4.3.42),(4.3.43),130,第三节对流传热,3.传热效率和传热单元数的关系单程并流换热器单程逆流换热器任一流体发生相变时,两流体的热容量比,(4.3.45),(4.3.46),131,第三节对流传热,4.传热单元数法步骤：根据换热器的操作工况，计算传热系数；计算传热单元数NTU和热容量比cR；根据换热器中流体流动的型式和NTU、cR，计算或利用算图查得相应的；根据冷热流体进口温度等已知量，计算传热速率；根据热量衡算，求出冷热流体的出口温度。,132,第三节对流传热,思考题简述影响对流传热的因素。简述对流传热的机理、传热阻力的分布及强化传热的措施。为什么流体层流流动时其传热过程较静止时增强？传热边界层的范围如何确定？试分析传热边界层与流动边界层的关系。试分析影响对流传热系数的因素。,133,第三节对流传热,分析圆直管内湍流流动的对流传热系数与流量和管径的关系，若要提高对流传热系数，采取哪种措施最有效？流体由直管流入短管和弯管，其对流传热系数将如何变化？为什么？什么情况下保温层厚度增加反而会使热损失加大？保温层的临界直径由什么决定？间壁传热热阻包括哪几部分？若冷热流体分别为气体和液体，要强化换热过程，需在哪侧采取措施？什么是传热效率和传热单元数？,134,第四节辐射传热,第四节辐射传热本节的主要内容一、辐射传热的基本概念二、物体的辐射能力三、物体间的辐射传热四、气体的热辐射五、对流和辐射联合传热,135,第四节辐射传热,一、辐射传热的基本概念（一）热辐射辐射物体通过电磁波来传递能量的方式。热辐射由于热的原因而发出辐射能的过程。热射线能被物体吸收而转变为热能的辐射线称为热射线。热辐射发生基理物体内部微观粒子热运动状态改变时激发出来的。,136,第四节辐射传热,热辐射发生的必要条件热力学温度在零度以上的物体都能发射辐射能。辐射传热绝对温度在零度以上的任何物体，总是不断地把热能变为辐射能，向外发出辐射；同时也不断地吸收周围物体投射到它上面的热辐射，并转变为热能。温度对热辐射的影响热辐射的能力与温度有关，随着温度的升高，热辐射的作用将变得越加重要；高温时，热辐射将起决定作用。,137,第四节辐射传热,热辐射的波长范围物体热辐射的电磁波波长可以包括电磁波的整个波谱范围。在工程中有实际意义的热辐射波长在0.38100mm，而且大部分能量位于红外线区段，即0.7620mm。,138,第四节辐射传热,（二）热辐射对物体的作用总投射能量为Q，吸收能量为QA，反射能量为QR，透过能量QD，则有,吸收率,反射率,穿透率,(4.4.1a),(4.4.1b),(4.4.1c),139,第四节辐射传热,绝对黑体若A1，则表示落在物体表面上的辐射能全部被物体吸收，这种物体称为绝对黑体。镜体若R=1，则表示落在物体表面上的辐射能全部被反射。若入射角等于反射角，则物体称为镜体；磨光的铜表面的反射率为0.97，接近镜体；,140,第四节辐射传热,白体若R=1，表示落在物体表面上的辐射能全部被漫反射，该物体称为绝对白体。没光泽黑漆表面的吸收率为0.960.98，接近黑体；透热体若D1，则表示落在物体上的辐射能将全部穿透过去，这类物体称为绝对透明体或透热体。单原子和对称的双原子气体可视为透热体。,141,第四节辐射传热,物体的吸收率、反射率和穿透率的大小取决于物体的性质、表面状况、温度和投射辐射的波长。（1）物体的性质物态，物质结构固体和液体辐射能进入其表面后，在极短的距离内被吸收完。金属导体：1mm的数量级；非导电体材料：1mm；一般固体和液体都是不透热体，即D0，A+R=1；吸收能力大的物体其反射能力就小。,142,第四节辐射传热,气体气体对辐射能几乎没有反射能力，可以认为R=0，A+D=1；吸收能力大的气体，其穿透能力就差。（2）表面状况固体和液体物体对投射辐射的辐射、吸收和反射过程，都是在物体表面上进行的。固体和液体物体的表面状况对吸收率、反射率和穿透率的影响至关重要。,143,第四节辐射传热,（3）投射辐射的波长实际物体对投入辐射的吸收率不仅和物体本身的情况有关，而且还与辐射物体投入的辐射波长有关。实际物体对投入辐射的吸收率不仅和物体本身的情况有关，而且还与辐射物体投入的辐射波长有关。灰体对投入辐射的吸收率与外界无关。大多数工程材料可视为灰体。气体不能近似地作为灰体处理。,144,第四节辐射传热,二、物体的辐射能力表征物体发射辐射能的能力。辐射能力（如图所示）物体在一定温度下，单位表面积、单位时间内所发出的全部波长的总能量E。发射能量与波长有关。物体的单色辐射能力El物体在一定温度下发射某种波长的能力，单位为W/m3。,145,第四节辐射传热,146,第四节辐射传热,（一）黑体的辐射能力黑体单色辐射能力按波长的分布规律,黑体的辐射能力,黑体的单色辐射能力,(4.4.3),147,第四节辐射传热,（1）最大单色辐射能力的波长（2）黑体的辐射能力热辐射对温度非常敏感，低温时热辐射往往可以忽略，高温时则起主要作用。,黑体的辐射常数，其值为5.67108W/(m2K4),斯蒂芬波尔茨曼定律,四次方定律,黑体的辐射系数，其值为5.67W/(m2K4),148,第四节辐射传热,（二）灰体的辐射能力物体黑度e的定义灰体的辐射能力与同温度下黑体的辐射能力之比。由于黑体具有最大的辐射能力，因此0e1。,灰体的辐射系数,(4.4.8),(4.4.9),(4.4.10),149,第四节辐射传热,影响物体表面的黑度的因素物体的性质、温度以及表面状况，包括粗糙度及氧化程度，是物体本身的特性，一般可通过实验确定。荒漠、旱地和绝大部分的林地的黑度近似为0.90；水、海滩、冰川则约为0.95；人体无论是什么肤色黑度均为0.96左右。,150,第四节辐射传热,常见工程材料黑度表,151,第四节辐射传热,【例题4.4.1】若将地球看成是平均温度为15、表面积为5.11014m2的黑体，求单位时间地球热辐射的能量和最大单色辐射能力时的波长m，并将此波长与太阳辐射的波长相比（表面温度5800K）。解：单位时间地球热辐射的能量为：地球最大单色辐射能力时的波长太阳最大单色辐射能力时的波长,152,第四节辐射传热,（三）物体的辐射能力与吸收能力的关系,灰体,黑体,热平衡时,对任意灰体，有,透热体,(1),对壁面1，热量的收支差额为,两壁面间辐射传热的热通量，W/m2,(4.4.12),153,第四节辐射传热,灰体,黑体,灰体的吸收率数值等于同温度下该物体的黑度,善于吸收的物体必善于辐射；黑体的辐射能力最大。,透热体,(1),(4.4.8),(4.4.13),克希霍夫定律,154,第四节辐射传热,三、物体间的辐射传热（如图所示）两大平壁面间的辐射传热两个无限大灰体平行平壁间的辐射传热过程，辐射能多次被吸收和多次被反射。单位时间内离开壁1表面单位面积的总辐射能：,155,第四节辐射传热,156,第四节辐射传热,单位时间内离开壁2表面单位面积的总辐射能：单位时间内两壁面单位面积的辐射传热量为：,(4.4.15),(4.4.17),157,第四节辐射传热,平壁1对平壁2的总辐射系数平壁壁面面积为A，则辐射传热速率为：任意两物体间的辐射传热两物体相互传热表面的相对位置和形状不同时，一个表面发出而落到另一个表面上的辐射能的百分数随之而异，从而影响到传热量。,(4.4.19),158,第四节辐射传热,159,第四节辐射传热,考虑到两壁面的几何因素，对大平壁面间的辐射传热公式进行修正得：角系数j1-2表面1发出的辐射能中落到表面2上的百分数称为表面1对表面2的角系数，它与物体的形状、大小及两物体的相对位置和距离有关。物体1对物体2的总辐射系数C1-2取决于壁面的性质和两个壁面的几何因素。,(4.4.20),160,第四节辐射传热,161,第四节辐射传热,【例题4.4.2】某车间内有一高0.5m、宽1m的铸铁炉门，表面温度为627，室温为27。试求（1）因炉门辐射而散失的热量；（2）若在距炉门前30mm外放置一块同等大小的铝板作为热屏，散热量可降低多少？已知铸铁和铝板的黑度分别为0.78和0.15。解：以下标1、2和3分别表示铸铁炉门、周围四壁和铝板。（1）未放置热屏前，炉门被四壁包围，故,1，A=A1，,162,第四节辐射传热,（2）放置铝板后，因炉门与铝板之间距离很小，二者之间的辐射传热可视为两个无限大平行面间的相互辐射，且稳态情况下与铝板对周围四壁的辐射传热量相等。设铝板的温度为,1,755K,627,铝板,铸铁炉门,27,1,2,3,163,第四节辐射传热,此时炉门的辐射散热量为散热量降低（143291347）/1432990.6,164,第四节辐射传热,四、气体的热辐射（一）气体辐射的特点不同气体的辐射能力和吸收能力差别很大N2、H2、O2等具有非极性对称结构的气体，在低温时几乎不具有吸收和辐射能力，故可视为透热体；CO、CO2、H2O以及各种碳氢化合物的气体则具有相当大的辐射能力和吸收率。气体的辐射和吸收对波长具有选择性气体辐射光谱具有不连续性，决定了气体不能近似地作为灰体处理。,165,第四节辐射传热,二氧化碳及其他温室气体对于来自太阳的短波相对透明，但是它们往往吸收那些由地球辐射出去的长波。在大气中积累的温室气体就像一个包裹在地球外表面的毯子，搅乱了地球的辐射平衡，导致地球温度升高。,166,第四节辐射传热,气体发射和吸收辐射能发生在整体气体体积内部即吸收和辐射与热射线所经历的路程有关。吸收辐射能被沿途的气体分子吸收而逐渐减少。辐射气体表面上的辐射应为达到表面的整个容积气体辐射的总和。,光谱辐射穿过气体层时的减弱,167,第四节辐射传热,（二）气体辐射的辐射能力和黑度式中：Tg气体的温度，K；eg气体在Tg温度下的黑度。气体的黑度可表示为如下函数：eg=f(Tg，p，Le)式中：p气体的分压，Pa；Le平均射线行程，m。,(4.4-21),168,第四节辐射传热,容积过程，实际上不遵守四次方定律。将误差归到g中进行修正。与温度、分压和气体层的形状和容积有关。气体只能选择性地吸收某些波长的辐射能，因此气体的吸收率不仅与本身状况有关，而且与外来辐射有关。气体的吸收率不等于黑度。五、对流和辐射联合传热当设备的外壁温度Tw高于周围大气温度T时，热量将由壁面散失到周围环境中。,169,第四节辐射传热,由于这种情况下壁面对气体的对流传热强度较小，因而不论壁面温度高低，热辐射的作用一般都不能忽视。对流和辐射联合传热时，设备的热损失应为对流传热和辐射传热之和。式中：aT对流辐射联合传热系数，W/m2.K。Aw设备外壁面积，m。,(4.4.23),170,第四节辐射传热,aT的估算：空气自然对流平板保温