環(huán)境工程原理第四章

1、環(huán)境工程原理第四章第1頁，共38頁，2022年，5月20日，15點48分，星期四一、 傳熱過程在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用加熱或冷卻換熱 保溫 強(qiáng)化傳熱過程 削弱傳熱過程 第一節(jié) 概述第2頁，共38頁，2022年，5月20日，15點48分，星期四二、 傳熱的三種基本方式 （一）熱傳導(dǎo) 熱量從物體內(nèi)溫度較高的部分傳遞到溫度較低的部分，或傳遞到與之接觸的另一物體的過程稱為熱傳導(dǎo)，又稱導(dǎo)熱。 特點：沒有物質(zhì)的宏觀位移氣體 分子做不規(guī)則熱運(yùn)動時相互碰撞的結(jié)果固體 導(dǎo)電體：自由電子在晶格間的運(yùn)動 非導(dǎo)電體：通過晶格結(jié)構(gòu)的振動來實現(xiàn)的液體 機(jī)理復(fù)雜第3頁，共38頁，2022年，5月20日，15點48分，星期四 （二

2、）對流流體內(nèi)部質(zhì)點發(fā)生相對位移的熱量傳遞過程。只發(fā)生在流體中 自然對流原靜止的流體因內(nèi)部溫度或密度不同而引起的上升下降運(yùn)動 強(qiáng)制對流在外力作用下強(qiáng)制產(chǎn)生的對流運(yùn)動必然同時伴隨熱傳導(dǎo) （三）熱輻射物體因自身溫度的原因(放熱)發(fā)出輻射能(電磁波傳播能量，0.38100m)的過程稱為熱輻射。 能量轉(zhuǎn)移的同時有能量形式的轉(zhuǎn)化 不需要任何物質(zhì)作媒介 該輻射被另一物體吸收即變?yōu)闊?第4頁，共38頁，2022年，5月20日，15點48分，星期四 實際傳熱過程中，三種傳熱方式或單獨存在或 同時存在。 實際熱交換的過程中，熱傳導(dǎo)和對流傳熱分為： 流體直接進(jìn)行熱交換直接接觸式傳熱（在傳質(zhì)章節(jié)中一起討論）板式塔、填

3、料塔 不能直接接觸的兩個流體通過間壁換熱間壁式傳熱 （本章討論重點）套管式換熱器、列管式換熱器熱、冷流體交替通過蓄熱室蓄熱式傳熱第5頁，共38頁，2022年，5月20日，15點48分，星期四三、 兩流體通過間壁換熱與傳熱速率方程式 （一）間壁式換熱器（1）套管換熱器冷流體t1t2熱流體T1T2傳熱面為內(nèi)管壁的表面積 A= dl（m2）ld第6頁，共38頁，2022年，5月20日，15點48分，星期四（2）列管換熱器熱流體T1T2冷流體t1t2傳熱面為殼內(nèi)所有管束壁的表面積 第7頁，共38頁，2022年，5月20日，15點48分，星期四熱負(fù)荷Q：同種流體需要升溫或降溫時，吸收或放出的熱量，單位

4、J（J/s或W）。工藝要求。傳熱速率Q：又稱熱流量。單位時間內(nèi)通過換熱器的整個傳熱面?zhèn)鬟f的熱量，單位 J/s或W。熱流密度q：又稱熱通量。單位時間內(nèi)通過單位傳熱面積傳遞的熱量，單位 J/(s. m2)或W/m2。（二）傳熱速率與熱流密度式中 A總傳熱面積，m2。第8頁，共38頁，2022年，5月20日，15點48分，星期四（三）穩(wěn)態(tài)傳熱與非穩(wěn)態(tài)傳熱 非穩(wěn)態(tài)傳熱 穩(wěn)態(tài)傳熱 穩(wěn)態(tài)傳熱：物體中各點溫度不隨時間變化的熱量傳遞過程（如連續(xù)生產(chǎn)中的傳熱過程）非穩(wěn)態(tài)傳熱：物體中各點溫度隨時間而變化的熱量傳遞過程（如變化狀態(tài)或變化操作條件瞬間的傳熱過程）同一熱流方向上的傳熱速率為常量本章討論第9頁，共38頁，

5、2022年，5月20日，15點48分，星期四（四）冷熱流體通過間壁的傳熱過程t2t1T1T2對流對流導(dǎo)熱冷流體Q熱流體穩(wěn)態(tài)傳熱：一側(cè)另一側(cè)第10頁，共38頁，2022年，5月20日，15點48分，星期四式中 K總傳熱系數(shù)，W/(m2)或W/(m2K)； Q傳熱速率，W或J/s； A總傳熱面積，m2； tm兩流體的平均溫差，或K。 總傳熱速率方程(經(jīng)驗的總結(jié))：（五）傳熱速率方程式（4-1）對穩(wěn)態(tài)傳熱第11頁，共38頁，2022年，5月20日，15點48分，星期四第二節(jié) 熱傳導(dǎo)一、 傅立葉定律 式中 t 某點的溫度，； x,y,z 某點的坐標(biāo)； 時間。（1）溫度場：某時刻，物體內(nèi)或空間各點的溫度

6、分布。 （一）溫度場與溫度梯度第12頁，共38頁，2022年，5月20日，15點48分，星期四不穩(wěn)定溫度場 穩(wěn)定溫度場 等溫面：在同一時刻，溫度場中所有溫度相同的點組成的面。 不同溫度的等溫面不相交。穿越等溫面才有溫度的變化；過該點的等溫面法線方向上的溫度變化速率最大，稱溫度梯度。t1t2t1t2等溫面Q第13頁，共38頁，2022年，5月20日，15點48分，星期四(2)溫度梯度 t+tt-ttnQdA 溫度梯度是一個點的概念（任一點只有一個溫度）。溫度梯度是一個向量。 方向垂直于該點所在等溫面，以溫度增加的方向為正 該方向上溫度變化率最大 一維穩(wěn)定熱傳導(dǎo)（溫度梯度表為dt/dx，x軸方向與

7、溫度梯度方向一致為正，反之為負(fù)）第14頁，共38頁，2022年，5月20日，15點48分，星期四（二）傅立葉定律 某一微元的熱傳導(dǎo)速率與該微元等溫面的法向溫度剃度及該微元的導(dǎo)熱面積呈正比：式中 dQ 熱傳導(dǎo)速率，W或J/s； dA 垂直于熱流方向的導(dǎo)熱面積，m2； t/n 溫度梯度，/m或K/m； 導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m)或W/(mK)。若物體質(zhì)地均勻；等溫面上各點的溫度剃度相同：第15頁，共38頁，2022年，5月20日，15點48分，星期四 負(fù)號表示傳熱方向與溫度梯度方向相反 表征材料導(dǎo)熱性能的物性參數(shù) 越大，導(dǎo)熱性能越好 用熱通量來表示 對一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo) （4-2）第16頁，共38頁，202

8、2年，5月20日，15點48分，星期四二、熱導(dǎo)率 (2) 是分子微觀運(yùn)動的宏觀表現(xiàn)。(1) 在數(shù)值上等于單位溫度梯度下，單位時間通過單位導(dǎo)熱面積的熱量。 = f (結(jié)構(gòu)，組成，密度，溫度，壓力）(3) 各種物質(zhì)的熱導(dǎo)率金屬固體 非金屬固體 液體 氣體 一維：(4-3)第17頁，共38頁，2022年，5月20日，15點48分，星期四在一定溫度范圍內(nèi)：式中 0, 0, t時的熱導(dǎo)率，W/(mK)； a 溫度系數(shù)。 對大多數(shù)金屬材料a 0 ， t t 若各處溫度不同，用算術(shù)平均溫度1)固體 金屬：純金屬 合金 非金屬：同樣溫度下，越大， 越大。第18頁，共38頁，2022年，5月20日，15點48分

9、，星期四2)液體 金屬液體較高；非金屬液體低，其中水的最大，為0.6W/m。 t （除水和甘油）3)氣體 一般來說，純有機(jī)液體的小于溶液小，t 氣體不利用來導(dǎo)熱，但可用來保溫或隔熱。氫的最大，0時為0.163W/m。4)絕熱材料 0.2W/m = f (結(jié)構(gòu)，組成，密度）第19頁，共38頁，2022年，5月20日，15點48分，星期四 三、 通過平壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo) （一） 通過單層平壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)t1t2btxdxQxQx+dx 假設(shè)：(1) A大，b??；(2) 材料均勻；(3)溫度僅沿x變化，且不隨時間變化。第20頁，共38頁，2022年，5月20日，15點48分，星期四取dx的薄層，作熱量衡

10、算： 對于穩(wěn)定溫度場 傅立葉定律： 邊界條件為： 第21頁，共38頁，2022年，5月20日，15點48分，星期四得： 設(shè)不隨t而變 式中Q 熱流量或傳熱速率，W或J/s； A 平壁的面積，m2； b 平壁的厚度，m； 平壁的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m)或W/(mK)； t1,t2 平壁兩側(cè)的溫度，。(4-5)第22頁，共38頁，2022年，5月20日，15點48分，星期四討論： 2分析平壁內(nèi)的溫度分布上限由1可表示為推動力：熱阻：為第23頁，共38頁，2022年，5月20日，15點48分，星期四 不隨t變化， tx成呈線形關(guān)系。3當(dāng)隨t變化時若隨t變化關(guān)系為：則tx呈拋物線關(guān)系。 如：1t1，2t2

11、第24頁，共38頁，2022年，5月20日，15點48分，星期四 （二） 通過多層平壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)t1t2b1txb2b3t2t4t3 假設(shè)：(1) A大，b?。?2) 材料均勻；(3) 溫度僅沿x變化，且不隨時間變化。(4) 各層接觸良好，接觸面兩側(cè)溫度相同。第25頁，共38頁，2022年，5月20日，15點48分，星期四推廣至n層： (4-7)熱阻大的壁層，其溫度差也大。第26頁，共38頁，2022年，5月20日，15點48分，星期四例1、第27頁，共38頁，2022年，5月20日，15點48分，星期四四、 通過圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo) （一） 通過單層圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo) 假定：(1) 穩(wěn)定溫度

12、場；(2) 一維溫度場。第28頁，共38頁，2022年，5月20日，15點48分，星期四取dr同心薄層圓筒，作熱量衡算：對于穩(wěn)定溫度場 傅立葉定律 第29頁，共38頁，2022年，5月20日，15點48分，星期四邊界條件 得：設(shè)不隨t而變 式中Q 熱流量或傳熱速率，W或J/s； 導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m)或W/(mK)； t1,t2 圓筒壁兩側(cè)的溫度，； r1,r2 圓筒壁內(nèi)外半徑，m。(4-9)第30頁，共38頁，2022年，5月20日，15點48分，星期四討論：1上式可以為寫 對數(shù)平均面積第31頁，共38頁，2022年，5月20日，15點48分，星期四2 3圓筒壁內(nèi)的溫度分布上限從改為tr成對數(shù)

13、曲線變化(假設(shè)不隨t變化)4平壁：各處的Q和q均相等； 圓筒壁：不同半徑r處Q相等，但q卻不等。第32頁，共38頁，2022年，5月20日，15點48分，星期四例2、外徑為426mm的蒸汽管，有400mm厚的保溫層，其=0.5+0.0009t W/mK，管壁溫度為150，保溫層壁溫度為40。求每米的散熱量。解：第33頁，共38頁，2022年，5月20日，15點48分，星期四 （二）通過多層圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)(4-12)=+-=-=-=-3111343323221211ln1)4(2ln1)4(2ln1)3(2ln1)2(2iiiirrttlrrttlrrttlrrttlQlplplplp第34頁，共38頁，2022年，5月20日，15點48分，星期四對于n層圓筒壁： 式中 q1,q2,q3分別為半徑r1,r2,r3處的熱通量。按單位圓筒壁長度計算導(dǎo)熱速率（W/m）第35頁，共38頁，2022年，5月20日，15點48分，星期四或：第36頁，共38頁，2022年，