环境工程原理 第四章 热量传递

专题4：热量传递,环境工程原理,.,第一节热量传递的方式第二节换热器,本章主要内容,第四章热量传递,.,第一节热量传递的方式,一、热传导二、对流传热三、辐射传热,本节的主要内容,.,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。,第一节热量传递的方式,大家讨论下，生活中有哪些传热的例子？,.,在环境工程中，很多过程涉及加热和冷却：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。,第一节热量传递的方式,环境工程中涉及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。,传热速率问题,.,根据传热机理的不同，热的传递主要有三种方式：,热传导,对流传热,辐射传热,通过微观粒子的分子、原子和电子的热运动而产生的传热。,由于流体的宏观运动。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。,物体由于热的原因而发出辐射能的过程。,物体各部分之间无宏观运动。,第一节热量传递的方式,.,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。,气体热量传递是气体分子作不规则热运动时相互碰撞的结果；,固体以两种方式传递热量：晶格振动和自由电子的迁移；,液体的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。,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。,条件：物体各部分之间无宏观运动。,热传导,.,概念：导热物质在单位面积、单位温度梯度下的导热速率。,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，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,热传导,导热系数,.,热传导,.,液体的导热系数,水,甘油,热传导,（2）液体的导热系数随温度升高而略减小（水、甘油例外）,压力对其影响不大。,经验公式：,1,6,T,W(mk)-1,W(mk)-1,.,（3）固体的导热系数影响因素较多,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。晶体的导热系数随温度的升高而减小，非晶体则相反。,热传导,固体的导热系数,.,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),氢,水,水是工程上最常用的导热介质,换热壁面材料,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,（二）工程中常用材料的导热系数,热传导,.,（1）在液体中，水的导热系数最大，20时为0.6W(mK)。因此，水是工程上最常用的导热介质。,（3）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，由于其具有耐腐蚀性能，因此石墨是制作耐腐蚀换热器的理想材料。,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。,（2）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。,热传导,.,传导距离越大，传热壁面和导热系数越小，则传热热阻越大,传热速率=,温差（传热的推动力）,热阻（传热阻力）,第二节热传导,传热速率W,热通量W/m2,.,流体中质点发生相对位移而引起的热量传递过程,对流传热仅发生在流体中,对流与热传导的区别：,流体质点的相对位移,（1）流动对传热的贡献,搅拌杯中热水,人站在冷风里,在高温的夏季里，打开电扇,流体流动使对流传热速率加快,加快热水冷却,与站在背风的地方相比感觉要冷得多,人会感到凉快,电扇风速越大，感觉愈凉快些,对流传热,.,对流换热指流体流过与其温度不同的固体壁面时流体与壁面之间的热量交换,对流换热过程是热传导与对流联合作用的结果。,（2）对流换热过程,第三节对流传热,.,列管式换热器,工程中常见的对流换热过程间壁式换热器的换热过程,流体的热交换,热交换器（换热器）,套管式换热器,第三节对流传热,.,（3）间壁式换热器热量传递过程：,（1）热量由热流体传给固体壁面,（2）热量由壁面的热侧传到冷侧,（3）热量由壁面的冷侧传到冷流体,对流传热,对流传热,导热,对流,对流,导热,第三节对流传热,.,强制对流传热,流体在外加能量的作用下处于流动状态,自然对流传热,流体由于内部温度差产生密度差而流动,套管式换热器,（4）对流传热问题的分类,暖气片,第三节对流传热,.,（1）物性特征,（2）几何特征,（3）流动特征,固体壁面的形状、尺度、方位、粗糙度、是否处于管道进口段以及是弯管还是直管等。,v,流体的密度,r,或比热容,p,c,越大，流体与壁面间的传热速率越大,v,导热系数,l,越大，热量传递越迅速；,v,流体的黏度,m,越大，越不利于流动，会削弱与壁面的传热。,第三节对流传热,一、影响对流传热的因素,.,（3）流动特征,流动起因（自然对流、强制对流）,流动状态（层流、湍流）,有无相变化（液体沸腾、蒸汽冷凝）,流体对流方式（并流、逆流、错流）,对流传热,一、影响对流传热的因素,.,(一)热辐射,热辐射：由于热的原因而发出辐射能的过程,辐射：物体通过电磁波来传递能量的方式,热辐射的电磁波是物体内部微观粒子的热运动状态改变时激发出来的,热力学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。,辐射传热,热平衡时，热辐射存在，但辐射传热量为0,第四节辐射传热,一、辐射传热的基本概念,.,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。,理论上，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0.38100m，而且大部分能量位于红外线区段，即0.7620m。,电磁波谱,第四节辐射传热,.,.,一、换热器的分类与结构形式二、管式换热器三、板式换热器四、强化换热器传热过程的途径,本节的主要内容,第二节换热器,.,换热器,环境工程中用途冷水加热废水预热废水的冷却换热器制造材料:金属、陶瓷、塑料、石墨和玻璃等。,.,第二节换热器,一、换热器的分类与结构形式,按用途分,按交换方式分,加热器、预热器、过热器、蒸发器、再沸器、冷却器、冷凝器,间壁式直接接触式蓄热式,.,第二节换热器,二、管式换热器,蛇管式换热器,列管式换热器,套管式换热器,.,换热器,二、管式换热器按冷、热流体热量交换原理和方式分类间壁式管式换热器板式换热器直接接触式蓄热式,课本P96,课本P96,.,换热器,二、管式换热器按冷、热流体热量交换原理和方式分类间壁式管式换热器*蛇管式换热器,浸没式喷淋式,结构简单、操作方便,.,换热器,二、管式换热器按冷、热流体热量交换原理和方式分类间壁式管式换热器*蛇管式换热器浸没式优点：结构简单、价格低廉、能承受高压、可用耐腐蚀材料制作；缺点：容器内流体湍动程度低，管外对流热系数小，为提高传热系数可安装搅拌器,浸没式喷淋式,结构简单、操作方便,.,换热器,二、管式换热器按冷、热流体热量交换原理和方式分类间壁式管式换热器*蛇管式换热器喷淋式优点：管外对流传热系数大、冷却水汽化带走热、冷却效果高；缺点：水的消耗大。,浸没式喷淋式,结构简单、操作方便,热流体管内流动，冷流体喷洒在蛇管上，并沿管外表面淋沥而下。,.,换热器,二、管式换热器按冷、热流体热量交换原理和方式分类间壁式管式换热器*套管式换热器,.,换热器,间壁式,传热面为内管壁的表面积,套管换热器,.,换热器,二、管式换热器按冷、热流体热量交换原理和方式分类间壁式管式换热器*套管式换热器优点：结构简单、耐压高、流体呈逆流有利于热；缺点：金属耗两大、管接头多、易泄漏。使用场合：流量不大、传热面积不大、压力要求高.,结构：两种不同直径的直管套在一起，内管由U型肘管顺次连接，外管之间相互连接，热流体走管内、冷流体走管外。,课本P127,.,套管式换热器,.,换热器,间壁式,列管换热器,传热面为壳内所有管束壁的表面积,.,换热器,*列管式换热器结构：列管式换热器主要由壳体、管束、折流板、管板和封头等部件组成；折流挡板按一定数目与管束垂直设置；防止短路、增加流速；可强制流体按规定路径、多次错流经过管束，增加湍动程度。,.,.,.,.,.,.,换热器,*列管式换热器,冷、热流体两种流体在进行换热时，一种流体通过管内，其行程称为管程；另一种流体在管外流动，其行程称为壳程。换热器内通过管内的流体每通过一次管束称为一个管程；管程数多有利于提高管程流体的流速和对流传热系数，但能量损失增加，传热温度差小，程数以2、4、6程多见。管外流体每通过一次壳体成为一个壳程。在管外装有折流板（或挡板）可以提高壳程流体的流速，以保持较高的传热系数，折流板形式常用的有弓形和盘环形两种。折流板同时起中间支架作用。,.,换热器,*列管式换热器优点：单位体积所具有的传热面积大、结构紧凑、传热效果好。结构坚固，可以选用的结构材料范围广，适应性强、操作弹性较大，在高温、高压和大型装置上多采用列管式换热器。缺点：壳体、管束温度不同，膨胀程度不同，需考虑补偿减少或消除热应力。,.,*列管式换热器,为防止壳体和管束受热膨胀不同导致的应力变形、管子扭弯或松脱，常采用热补偿的方法，主要有以下几种：,浮头补偿,补偿圈补偿,U形管补偿,换热器,.,换热器,选择的原则：不清洁易结垢的物料应选管；需要通过增大流速以提高给热系数的流体应选管；腐蚀性流体宜走管程，以免管束和壳体同时受腐蚀；压力高的流体宜选管程，以防止壳体受压；蒸汽走壳程，冷凝液易于排出；被冷却的流体一般走壳程，便于散热；粘度大流量小流体选壳程，壳程Re100即可达到湍流。,.,第二节换热器,三、板式换热器,夹套式换热器,平板式换热器,.,换热器,三、板式换热器(一).夹套式换热器结构原理：夹套设于容器外壁；热流体或冷流体在夹套内通过，对容器加热或冷却；使用蒸汽时从夹套上部接入、冷凝水从下部接出；使用冷却介质时从下部接入、介质从上部接出；优点：结构简单.缺点：传热系数不高、效果不好，需设搅拌器.,.,换热器,三、板式换热器(二).平板式换热器结构：长方形薄金属板平行排列，夹紧组装与支架上，流体从相邻金属板间通道通过；冷、热流体交替地在板片两侧流过.板片被压制成槽形或波纹形的目的：增强刚度，不致受压变形；增强液体的湍动程度，增大传热面积，亦利于流体的均匀分布。,.,换热器,三、板式换热器(二).平板式换热器,.,板式换热器,.,换热器,(二).平板式换热器,优点：总传热系数高，污垢热阻亦较小；结构紧凑，单位体积设备提供的传热面积大；操作灵活性大，可以根据需要调节板片数目以增减传热面积或以调节流道的办法，适应冷、热流体流量和温度变化的要求；加工制造容易、检修清洗方便、热损失小。,缺点：允许操作压力较低，最高不超过1961kPa，否则容易渗漏；操作温度不能太高，因受垫片耐热性能的限制；处理量不大，因板间距小，流道截