环境工程原理第04章_热量传递

1、第四章 热量传递 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 换热器及间壁传热过程计算第五节 辐射传热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 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

2、；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。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。传热速率问题一、傅立叶定律二、导热系数三、通过平壁的稳定热传导四、通过圆管壁的稳态热传导本节的主要内容第二节 热传导YTAQyTAQqddy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，m2y方向上的温度

3、梯度, K/m傅立叶定律第二节 热传导一、傅立叶定律：解决一维稳态热传导问题 (4.2.1)(4.2.2)yuxdd剪切应力，或称内摩擦力， N/m2牛顿粘性定律：流体流动的内摩擦力(3.2.3)剪切应力即动量通量，即单位时间内通过单位面积传递的动量动量传递：在流动着的流体中动量由高速流体层向相邻的 低速流体层的转移剪切应力动量通量yTAQqdd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。yTccqppdd变换：pcayTcaqpd)d(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第二节 热传导一、傅立叶定律(

4、4.2.3)(4.2.4)是物质的性质，反映温度变化在物体中的传播能力 pca单位体积物质温度升高1oC是所需要的热量,代表物质的蓄热能力 导热系数，表明物质的导热能力apc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第二节 热传导导温系数yTqdd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第二节 热传导二、导热系数(4.2.5)金属液体隔热材料气体金属50415 W/(mK)，合金12120 W/(mK)0.030.17 W/(mK）0.170.7 W/(mK)0.00

5、70.17 W/(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工程中常用材料的导热系数第二节 热传导（1 1）在液体中，水的导热系数最大，）在液体中，水的导热系数最大，2020时为时为0.60.6W W（m m K K）。因此，）。因此，水是工程上最常用的导热介质。水是工程上最常用的导热介质。 （3 3）非金属中，石墨的导热系数最高，可达）非金属中，石墨的导热系数最高，可达100100200W200W（m mK K） ，高于一般金属；同时，由于其具有耐腐蚀性能，高于一般金属；同时，由于其具有耐腐蚀性能，因此因此石墨是制作耐腐蚀换热

6、器的理想材料。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。能将大幅度下降。因此，露天保温管道必须注意防潮。 （2 2）气体的导热系数很小气体的导热系数很小，对导热不利，但利于绝热、保，对导热不利，但利于绝热、保温。工业上温。工业上常用多孔材料作为保温材料常用多孔材料作为保温材料，就是利用了空隙，就是利用了空隙中存在的气体，使导热系数变小。中存在的气体，使导热系数变小。第二节 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1T2T12TT一维稳

7、态热传导 xAQddT10:xTT2:xb TT)(21TTAbQb1T2T第二节 热传导三、通过平壁的稳定热传导(4.2.6)(4.2.7)rTAQqT温差 为传热的推动力。)(21TTAbQAbRRTRTTQ)(21br 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，则导热热阻越大传热速率=传热的推动力导热热阻第二节 热传导取为常数6252300950221TTTm625. 1625001. 00 . 1m26414 . 0300950625. 121bTTqmW/m2W/(mK)？T ？q解：（1）导热系数按平壁的平均温度第二节 热传导(一

8、)单层平壁的稳态热传导（2）导热系数取为变量xTTxTqdd)001. 00 . 1 (dd分离变量并积分bTTxqTT0dd)001.00 .1 (21对于平壁上的稳态一维热传导，热量通量不变。因此2212120.001()()2TTTTqbxxxqTTm1625950625. 126419501即温度分布为直线关系。以x表示沿壁厚方向上的距离，在x处等温面上的温度为第二节 热传导22110.001()()2TTTTqx20.001(950)(950)26412TTx整理，得20.0011401264102TTx此时温度分布为曲线。在x处22121222210.001()()210.001(

9、950300)(950300 )0.422641W/mqTTTTb第二节 热传导结论：结论：（1）（2）（二）多层平壁的热传导AbAbAbTTRRRTTTQ33221141321321串联热阻叠加原则 层与层之间接触良好 11QRT 22QRT 33QRT 热阻越大，通过该层的温度差也越大 1b1232b3b1T2T3T4TQ121111()TTTQAbR传热的推动力导热热阻232222()TTTAbR343333()TTTAbR第二节 热传导(4.2.10)附加热阻接触热阻 层与层之间存在空气层 2201131brbTTq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

10、接触热阻（三）n层平壁的热传导111111nnnniiiiiTTTTbRAQ 第二节 热传导(4.2.11)AbAbAbTTQ3322114111qrT 22qrT 33qrT 33221141bbbTTq211930 117813TTT322813555258TTT2T3Tq采用圆柱坐标时，即为一维稳态热传导对于半径为r的等温圆柱面，根据傅立叶定律，有rrLrAQddT)2(ddT稳态导热时，径向的Q为常数，将上式分离变量并积分2121d2dTTrrTLrrQ传热面积随半径发生变化内径r1外径r21T2TrdRTTrrTTLQ211221ln2半径r第二节 热传导四、通过圆管壁的稳定热传导(

11、4.2.13)mAbTTQ21LrrR2ln12mAbR21brr1212lnAAAAAm当21/2rr 时，可以用算术平均值代替对数平均值，简化计算 2121lnmrrrrrLrAmm2RTTrrTTLQ211221ln2LrrR2ln12圆管壁的导热热阻，K/W AbR平壁的导热热阻对数平均半径对数平均面积第二节 热传导第二节 热传导n层圆管壁的热传导假设层与层之间接触良好，根据串联热阻叠加原则，有 111111nnnniiiiimiTTTTQbRA(4.2.13)第三节 对流传热 一、对流传热的机理二、对流传热速率三、影响对流传热的因素四、对流传热系数的经验式五、保温层的临界直径本节的主

12、要内容对流传热：流体中质点发生相对位移而引起的热量传递过程对流传热仅发生在流体中流体流动使对流传热速率加快第三节 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 (一)流动边界层的传热机理及温度分布 流体层与层之间无流体质点的宏观运动，在垂直于流动方向上，热量的传递通过导热进行。 （1）层流边界层层流区湍流区WT0T 与静止流体中的导热一样吗？第三节 对流传热 一、对流传热的机理（2）湍流边界层层流底层缓冲层湍流中心湍流区 层流底层中，热量传导主要依靠导热进行，符合傅立叶定律，温度分布几乎为直线； 由于流体的导

13、热系数较低，使层内导热热阻很大，因此该层中温度差较大，温度分布曲线的斜率大由边界层的流动情况决定第三节 对流传热 层流底层缓冲层湍流中心湍流区 缓冲层中，质点的脉动较弱，对流与导热的作用大致处于同等地位，由于对流传热的作用，温度梯度变小。 在湍流中心，质点强烈脉动，使主体部分的温度趋于均一，热量传递主要依靠对流进行，导热所起的作用很小；温度梯度很小，即传热热阻很小，温度分布曲线趋于平坦。第三节 对流传热 (T-TW)0.99(T0-TW) 将(T-TW)0.99(T0-TW)处作为传热边界层的界限，该界限到壁面的距离称为边界层的厚度。 壁面附近因传热而使流体温度发生变化的区域（即存在温度梯度的

14、区域）(二)传热边界层（1）传热边界层（2）传热边界层的厚度T 边界层以外的区域认为不存在温度梯度。传热过程的阻力主要集中在传热边界层内，传热阻力取决于传热边界层的厚度。T第三节 对流传热 WT0TWT0T2TTAQdd1TdA(一)牛顿冷却定律 通过传热面dA的局部对流传热速率局部对流传热系数dAQ第三节 对流传热 二、对流传热速率(4.3.1)(一)牛顿冷却定律 TAQddWTTTTTTW与传热方向垂直的微元传热面积，m2局部对流传热系数，或称为膜系数，W/（m2K）流体与固体壁面dA之间的温差，K通过传热面dA的局部对流传热速率，W流体被冷却时在流体被加热时与流体相接触的传热壁面的温度，

15、K流体的温度通过传热面的传热速率正比于固体壁面与周围流体的温度差和传热面积 第三节 对流传热 TAQATQ1A1为对流传热热阻。局部对流传热系数 在传热过程中，温度沿程变化，因此对流系数为局部的参数。在实际工程中，常采用平均值进行计算，因此牛顿冷却定律可写成W/（m2K）对流传热速率也可以用对流传热热阻表示，即AbR导热热阻第三节 对流传热 (一)牛顿冷却定律 (4.3.2a)(4.3.2b) 式中，y不是实际的流体层厚度，而是某个虚拟的流体层厚度，称之为有效膜厚度。比较傅立叶定律与牛顿冷却定律可以发现y 在厚度y内集中了全部的传热热阻，这样把一个对流传热过程的热阻相当于某个厚为y的静止流体膜

16、所造成的导热热阻。有效膜厚度第三节 对流传热 ddTQAy TAQddy(4.3.1)(4.2.2)（二）对流传热系数 不是物性参数，与很多因素有关，其大小取决于流体物性、壁面情况、流动原因、流动状况、流体是否有相变等第三节 对流传热 换热方式空气自然对流525气体强制对流20100水自然对流2001000水强制对流100015000水蒸气冷凝500015000有机蒸气冷凝5002000水沸腾250025000（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。流体的密度或比热容pc 越大，流体与壁面间的传热速率越大导热系数越大

17、，热量传递越迅速；流体的粘度越大，越不利于流动，会削弱与壁面的传热。 第三节 对流传热 三、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）第三节 对流传热 三、影响对流传热的因素管内强制对流传热1流体在圆形直管内呈强烈的湍流状态流动0.8Nu0.023RePrf努塞尔特数 LNucp=Pr普兰德数 0.80.023fpiicd ud流体被冷却时,f0.3流体被加热时,f0.4对于低粘度（小于2倍常温水的粘度）的流体 第三节 对流传热 四、对流传热系数的经验式(4.3.6a)(4.3.6b)2流

18、体在圆形直管内呈层流状态流动第三节 对流传热 14. 0313131PrRe86. 1NuWiLd(4.3.10)对于2300 104时的过渡区，其传热情况非常复杂，对流传热系数可先用湍流时的经验式计算，再乘以小于1的修正系数Re8 . 15Re10613.流体在圆形直管内呈过渡流状态流动(4.3.12)小管径且流体和壁面的温差不大时， ，自然对流的影响可以忽略 250000.9；当其0.8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。第三节 对流传热 (4.3.35)（1）增大传热面积采用小直径管、异形表面、加装翅片等 （2）增大平均温度差提高

19、蒸汽的压强可以提高蒸汽的温度 改变两侧流体相互流向 增加管壳式换热器的壳程数 （3）提高传热系数提高流体的速度增强流体的扰动在流体中加固体颗粒在气流中喷入液滴采用短管换热器防止结垢和及时清除污垢设法减少对传热系数影响最大的热阻三、强化换热器传热过程的途径mTKAQ第四节 换热器及间壁传热过程计算 思考题问：有一个套管换热器，内管外侧装有翅片，用水冷却空气，空气和水各应走哪里（管内和壳间）？试解释原因。 第四节 换热器及间壁传热过程计算 答：装翅片的目的一方面是为了加大接触面积；另一方面是为了破坏边界层形成以提高对流传热系数。要提高传热器的传热效果，应当提高限制步骤的传热效果。因此，在用水冷却空

20、气的换热过程中，空气对流传热慢，是制约因素。所以，翅片应放在空气一侧，即空气走壳间，水走管内。第四节 换热器及间壁传热过程计算 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（略）五、对流和辐射联合传热（略）本节的主要内容第五节 辐射传热(一)热辐射热辐射：由于热的原因而发出辐射能的过程 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。辐射传热热平衡时，热辐射存在，但辐射传热量为0第五节 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，高温时，热辐射起决定作用。 有实际意义

21、的热辐射波长在0.420m，而且大部分能量位于红外线区段，即0.820m。电磁波谱第五节 辐射传热(二)热辐射对物体的作用 QQQQDRA1QQQQQQDRAAQQARQQRDQQD1DRA总能量 反射 吸收 穿透物体对投射辐射的吸收率反射率穿透率投射辐射第五节 辐射传热(4.4.1a)(4.4.1b)(4.4.1c)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。没有光泽的黑漆表面的吸收率为0.960.98，接近黑体；磨光的铜表面的反射率为0.97，接近镜体；单原子和对称的双原子气体可视为透热体。若R=1，则表示落在物体表面上的辐射能全部被反射出去。此时，若入射角等

22、于反射角，则物体称为镜体；若反射情况为漫反射，该物体称为绝对白体。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。引入理想物体的概念，作为实际物体与之比较的标准，可以使辐射传热计算大大简化。境面反射漫反射表面粗糙度第五节 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。吸收能力大的物体其反射能力就小固体和液体（1）物体的性质物态，物质结构一般固体和液体都是不透热体，即D 0，A+R=1辐射能进入其表面后，在极短的距离内被吸收完金属导体：1m的数量级，非导电体材料：1mm第五节 辐射传热气体吸收能力大的气体，其穿透能力就

23、差气体对辐射能几乎没有反射能力，可以认为R=0，A+D=1第五节 辐射传热固体和液体物体对外界的辐射，以及对投射辐射的吸收和反射过程，都是在物体表面上进行的（2）表面状况 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灰体: 能以相同的吸收率吸收所有波长范围的辐射能大多数工程材料可视为灰体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 （3）投射辐射的波长 气体不能近似地作为灰体处理第五节 辐射传热辐射能力:物体在一定温度下，单位表面积、单位时间内所发出的全部

24、波长的总能量E表征物体发射辐射能的能力发射能量与波长有关第五节 辐射传热二、物体的辐射能力0dEEW/m2物体的单色辐射能力 :物体在一定温度下发射某种波长的能力,单位为 W/m3E辐射能力:第五节 辐射传热(4.4.2)(一)黑体的辐射能力0dbbEE黑体的辐射能力黑体的单色辐射能力（1），（2），（3）第五节 辐射传热黑体单色辐射能力按波长的分布规律(4.4.3)最大值最大值短波强短波强辐射辐射随温度随温度变化变化40TEb40100TCEb黑体的辐射系数，其值为5.67 W/ (m2K4)黑体的辐射常数，其值为5.67108 W/ (m2K4) 热辐射对温度非常敏感，低温时热辐射往往可以

25、忽略，高温时则起主要作用。工程上（2）黑体的辐射能力斯蒂芬波尔茨曼定律四次方定律（1）最大单色辐射能力的波长3109 . 2常数Tm第五节 辐射传热(4.4.7)4100TCEbEE0140100TCE只要知道物体的黑度，就可求得该物体的辐射能力。(二)灰体的辐射能力灰体的辐射系数由于黑体具有最大的辐射能力，因此定义：物体的黑度灰体的辐射能力同温度下黑体的辐射能力第五节 辐射传热(4.4.10)(4.4.8)(4.4.9) 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。材料温度/oC黑度红砖耐火砖钢板（氧化的）钢板（磨光的）铅（氧化的）铅（磨光的）铜

26、（氧化的）铜（磨光的）铸铁（氧化的）铸铁（磨光的）2020060094011002006002255752006002006003309100.88-0.930.8-0.90.80.55-0.610.11-0.190.039-0.0570.57-0.870.030.64-0.780.6-0.7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。影响物体表面的黑度的因素第五节 辐射传热【例题例题】若将地球看成是平均温度为若将地球看成是平均温度为1515、表面积为、表面积为5.15.110101414m m2 2的的黑体，求单位时间

27、地球热辐射的能量和黑体，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最大单色辐射能力时的波长长 ，并将此波长与太阳辐射的波长相比（表面温度，并将此波长与太阳辐射的波长相比（表面温度5800K5800K）。）。m4041417100273 155.675.1 102.0 10100bTE ACAW地球地球最大单色辐射能力时的波长最大单色辐射能力时的波长mmTm10100 . 115273109 . 2109 . 2533mmTm5 . 0100 . 55800109 . 2109 . 2733解：单位时间地球热辐射的能量为：解：单位时间地球热辐射的能量为：太阳太阳最大单色辐射能力时的波长最

28、大单色辐射能力时的波长波长的变化波长的变化CO2等温等温室气体室气体温室效应温室效应第五节 辐射传热(三)物体的辐射能力与吸收能力的关系灰体黑体bEAEq110q热平衡时对任意灰体，有)(12211TfEAEAEAEb透热体1T1E1A2TbEbA(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 21TT bEAE11第五节 辐射传热(4.4.12)灰体黑体bEEA bEEA克希霍夫定律灰体的吸收率数值等于同温度下该物体的黑度)(12211TfEAEAEAEb善于吸收的物体必善于辐射；黑体的辐射能力最大。透热体1T1E1A2TbEbA(1) 第五节 辐射传热(4.4.8

29、)(4.4.13)两个无限大灰体平行平壁间的辐射传热过程 12TT壁1壁2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： 22232111211211212212222221121212121222112121211212()()(1)(1)()(1)1()1effEER R ER R ER ER R ER R EER RR RR ER RR RER ER RR RER ER R2221121()1effEER ER R单位时间内离开壁2表面单位面积的总辐射能： 发出辐射能的过程第五节 辐射传热三、物体间的辐射传热(4.4.15)42412121100100TTACQ

30、11121021CC物体1对物体2的总辐射系数，取决于壁面的性质和两个壁面的几何因素。 1 212112221121211effeffqEEER EER ER RR RRA1A424121021100100111TTCq单位时间内两壁面单位面积的辐射传热量为40100TCE，平壁壁面面积为A，则辐射传热速率为 12TT第五节 辐射传热(4.4.17)(4.4.19)無限平行平板間放射熱授受無限平行平板間放射熱授受物質生産専攻李笛2003年7月14日黒体場合4TW灰色体場合4TW ： 絶対温度： ： 放射率-T428/101714.0RfthrBtu/106697.5428kmw 4122211

31、11T411T4121T41211T412211T4121111T41221111T41212111T412212111Tetc 4122212111T 4122212141212141212111111TTTAAWQ表面温度 面積 放射率吸収率1T11表面温度 面積 放射率吸収率2T22 422221211T422T4221T42121T421221T4221211T 42221211T42212111T 422212211Tetc 4222212111T 4222212142212142211221111TTTAAWQ表面温度面積 放射率吸収率1T11表面温度面積 放射率吸収率2T22 4122212141212141211111TTTA12212112AWAWQQQ 4222212142212142211111TTTA 22212121212142411111TTA02142412111iiTTA424121121/1/1TTAQ21021111111ii： 两个表面之间的辐射传热量与两个表面的相对位置有很大的关系两个表面间的相对位置不同时，一个表面发出而落到另一个表面上的辐射能的百分数随