环境工程原理第四章传热

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1二、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2（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。3三、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。4非稳态传热

（二）稳态与非稳态传热

稳态传热

一维稳态传热

5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

6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nnxt+ttxQ7（五）温度梯度

nnxt+ttxQ

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：8四、两流体通过间壁换热过程冷流体t1t2热流体T1T2（一）间壁式换热器夹套式换热器9（二）两流体通过间壁的传热过程t2t1T1T2对流对流传导冷流体Q热流体稳态传热：10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/(m2·K)。（三）总传热速率方程11一、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/(m·K)。负号表示传热方向与温度梯度方向相反（W/m2)12二、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131.固体热导率

金属材料10～102W/(m•K)

建筑材料10-1～10W/(m•K)

绝热材料10-2～10-1W/(m•K)在一定温度范围内：对大多数金属材料a<0，t

对大多数非金属材料a>0

，

t

142.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

，0.09～0.6W/(m·K)153.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。0.006～0.4W/(m·K)16t1t2btxdxQ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。17积分：温度分布：（直线关系）t1t2btxdxQ18（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。t1t2b1txb2b3t2t4t319各层的温差20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。Δti∝Ri,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：

21t1t2b1txb2b3t2t4t3思考：

如果b1=b2=b3

那么图中哪层的λ值最小？22四、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。23在半径r处取dr同心薄层圆筒讨论：（对数曲线关系）24——对数平均面积热阻令——对数平均半径一般时，25（二）多层圆筒壁的热传导26三层：n层圆筒壁：

27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；28一、对流传热过程第三节对流传热dAqm2，

t2qm1，T1qm2，t1

qm1，T229ttWTWTA2A1传热壁冷流体热流体Tt热流体对流传热管壁内侧热传导管壁外侧对流传热冷流体湍流主体：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30简化假定：全部阻力都集中在厚度为δt的有效膜内。令：ttWTWTA2A1传热壁冷流体热流体Tt31式中 Q──对流传热速率，W；1

、2

──热、冷流体的对流传热系数，

W/(m2·K)；

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32（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333.引起流动的原因自然对流：单位体积的浮升力∝·g·Δt——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

34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。35三、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361.

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374.

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38强制对流自然对流无相变有相变蒸汽冷凝液体沸腾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：39四、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流体被加热n=0.4流体被冷却n=0.3（1）应用范围：Re>104,Pr=0.7~160,L/d>60,

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40讨论：（1）加热与冷却的差别：液体气体41物性一定时：（2）影响因素：42公式修正：（1）当L/d<60，乘校正系数；（2）高粘度液体（>2水）工程处理：加热：冷却：43（3）弯管（4）非圆形管道用当量直径计算。442.圆形直管内流体处于过渡区时的对流传热系数2300<Re<104453.圆形直管内强制层流（1）随热流方向不同，速度分布情况不同；（2）自然对流造成了径向流动，强化了对流传热过程。对于液体46自然对流可以忽略：Gr<25000自然对流不能忽略：Gr>25000乘校正因子：适用范围：定性温度：特征尺寸：管内径47（二）流体在管外强制对流传热1.流体在管束外垂直流过48应用范围：Re=5000~70000;x1/d=1.2~5;x2/d=1.2~5

特征尺寸：管外径；流速取各排最窄通道处 定性温度：进、出口温度平均值Nu=C

RenPr0.4平均对流传热系数：492．流体在换热器管间的流动折流挡板形式：圆缺形、圆环形50设置折流挡板目的：增加壳程流体的湍动程度，进而提高壳程的。圆缺形折流挡板：

定性温度：应用范围：Re=2×103～106特征尺寸：de,u51（三）自然对流时的对流传热系数定性温度：膜温（tm+tw）/2特征尺寸：垂直的管或板为高度H

水平管为管外径d0各种情况下的C、n值及特征尺寸不同。

521.蒸汽冷凝方式五、流体有相变时的对流传热滴>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532.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54（2）蒸汽在垂直管外（或垂直板上）冷凝55层流Re<1800Re>1800湍流特性尺寸：管或板高H定性温度：膜温

563.影响因素和强化措施(3)蒸汽流速与流向（u>10m/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57(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。58（二）液体沸腾时的对流传热大容积沸腾管内沸腾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59沸腾必要条件：

过热度t=（t－ts）>0

存在汽化核心推动力（tw－ts）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602.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61（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。62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63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·℃)。64ttWTWTA2A1传热壁冷流体热流体Tt65一、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：66（一）恒温传热（二）变温传热tm与流体流向有关二、传热平均温度差逆流并流错流折流671.逆流与并流t2t1T1T2t1t2T1T2

t2tAt1T2T1逆流

t2tAt1T2T1并流68对于微元dA：T1T2t2t1Q2.两流体两端的温度差分别为Δt1

、Δt2,Δt1＞Δt269分离变量并积分：——对数平均温度差逆流、并流均适用；当t1/t2<2，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。702.错流与折流查图ψ

ψ<1tm<tm逆——>0.9若ψ<0.8，温差损失大，传热不稳定；改变流向或增加壳程数71（三）流向的比较1.所需传热面积逆流优于并流。722.载热体消耗量t1t2T1T1T2并T2逆加热任务：t1t2（T2并）min=t2（T2逆）min=t1逆流优于并流。733.温度差分布逆流时的温度差分布更均匀。T2并流T1t1t2t1t2T1T2逆流4.并流操作适用于热敏性物料、粘稠物料等的加热，或生产工艺要求温度不能过高或过低的场合。74三、总传热系数K——总传热系数，W/(m2·K)twTw管内对流管外对流导热冷流体热流体tTdQdQ1dQ3dQ2（一）总传热系数计算物理意义：表征间壁两侧流体传热过程的强弱程度。75管内对流管外对流管壁热传导稳态传热

76（1）平壁或薄壁管dA=dA1=dA2=dAm讨论：（2）以外表面为基准(dA=dA1)77K1——以外表面为基准的总传热系数，W/(m2.K)dm——对数平均直径，m（3）以内表面为基准：d1/d2<2可用算术平均值78（二）污垢热阻

Rd1、Rd2——传热面两侧的污垢热阻，(m2·K)/W（三）提高K值的讨论

设法减小控制热阻。（1）减小污垢热阻——防结垢、及时清洗。79（2）若污垢热阻与壁阻可忽略时，或若则当1、2相差较大时：若则或应提高较小，进而提高K。当1、2相差不大时，二者应同时提高。80四、壁温的计算稳态传热

（1）大，b/Am小（壁阻小）tWTW81TW接近于T，即大(热阻小)侧流体的温度

（3）两侧有污垢（2）当tW=TW

821.设计型计算已知：qm1、T1、T2（生产任务），t1、qm2求：传热面积A或校核换热器是否合适步骤

:（1）计算热负荷；（2）计算tm；（3）计算1、2及K；（4）计算A若A实

>A计

或Q换>Q需要，换热器合适。五、传热计算832.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、

t284一、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85QQQNQ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

86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+=187二、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,5.669×10-8W/(m2.K4)（一）黑体斯蒂芬-波尔茨曼定律四次方定律表明，热辐射对温度特别敏感Cb──黑体辐射系数,5.669W/(m2.K4)88（二）实际物体黑度：

<1

=f(物体的种类、表面温度、表面状况)C——灰体的辐射系数，C=Cb是物体辐射能力接近黑体辐射能力的程度

——实验测定89（三）克希霍夫定律对灰体:热交换达到平衡时T1=T2,q=0任意物体:T1>T2E1Eb（1-1）Eb1Eb

Ⅰ灰体

Ⅱ黑体

克希霍夫定律90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）＜１，E＜Eb在任何温度下、各种物体中以黑体的辐射能力为最大91（一）辐射传热速率四、两固体间的相互辐射①两面积无限大的平行平板②两平面有限大的平行平板92③一物体被另一物体包围A2≈A1，可以无限大平壁计算A2》A1,则C1-2=C1=Cb193

1.温度的影响

ＱT4；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

Ｑ，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94五、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)95（1）空气自然对流，tW<150C（2）空气沿粗糙壁面强制对流管道及圆筒壁保温层外空气速度u>5m/s平壁保温层外空气速度u<=5m/s96一、换热器的分类按用途分类

加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器、再沸器按冷、热流体热量交换方式分类混合式、蓄热式、间壁式第六节换热器97二、间壁式换热器的类型（一）夹套换热器优点：结构简单缺点：

A小釜内小强化措施：釜内加搅拌釜内加蛇管夹套内加折板98（二）蛇管换热器1.沉浸式强化措施：容器内加搅拌器，提高K优点：结构简单管内能耐高压缺点：

管外小992.喷淋式优点：结构简单管内能耐高压管外比沉浸式大缺点：喷淋不易均匀占地面积大100（三）套管换热器优点：结构简单能耐高压

(K)或tm大缺点：结构不紧凑A/V小接头多，易漏101（四）列管换热器管板、管束、封头、壳体1021.固定管板式特点：结构简单；但壳程检修和清洗困难。——加热补偿圈（膨胀节）当管内外流体温差Δt>

50℃

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：1032.浮头式特点：可完全消除热应力,便于清洗和检修,结构复杂1043.U型管式特点：结构较浮头简单；但管程不易清洗。105三、列管换热器的选用1.根据工艺任务，计算热负荷2.计算tm3.依据经验选取K，估算A4.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。1065.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