環(huán)境工程原理第四章

環(huán)境工程原理第四章第一頁，共三十八頁，2022年，8月28日一、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化傳熱過程削弱傳熱過程

第一節(jié)概述第二頁，共三十八頁，2022年，8月28日二、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)的液體機理復(fù)雜第三頁，共三十八頁，2022年，8月28日（二）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動強制對流——在外力作用下強制產(chǎn)生的對流運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，0.38~100μm)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)闊岬谒捻?，共三十八頁?022年，8月28日¤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——蓄熱式傳熱第五頁，共三十八頁，2022年，8月28日三、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=πd·l（m2）ld第六頁，共三十八頁，2022年，8月28日（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

第七頁，共三十八頁，2022年，8月28日熱負荷Q’：同種流體需要升溫或降溫時，吸收或放出的熱量，單位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。第八頁，共三十八頁，2022年，8月28日（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——本章討論第九頁，共三十八頁，2022年，8月28日（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)第十頁，共三十八頁，2022年，8月28日式中K──總傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)或W/(m2·K)；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)傳熱第十一頁，共三十八頁，2022年，8月28日第二節(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；

τ

──時間。（1）溫度場：某時刻，物體內(nèi)或空間各點的溫度分布。

（一）溫度場與溫度梯度第十二頁，共三十八頁，2022年，8月28日不穩(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。t1t2t1>t2等溫面Q第十三頁，共三十八頁，2022年，8月28日(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軸方向與溫度梯度方向一致為正，反之為負）第十四頁，共三十八頁，2022年，8月28日（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/(m·K)。若物體質(zhì)地均勻；等溫面上各點的溫度剃度相同：第十五頁，共三十八頁，2022年，8月28日負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）第十六頁，共三十八頁，2022年，8月28日二、熱導(dǎo)率

(2)是分子微觀運動的宏觀表現(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)第十七頁，共三十八頁，2022年，8月28日在一定溫度范圍內(nèi)：式中 0,──0℃,t℃時的熱導(dǎo)率，W/(m·K)；a──溫度系數(shù)。對大多數(shù)金屬材料a<0，t

對大多數(shù)非金屬材料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。第十八頁，共三十八頁，2022年，8月28日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）第十九頁，共三十八頁，2022年，8月28日

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小；(2)材料均勻；(3)溫度僅沿x變化，且不隨時間變化。第二十頁，共三十八頁，2022年，8月28日取dx的薄層，作熱量衡算：

對于穩(wěn)定溫度場

傅立葉定律：

邊界條件為：

第二十一頁，共三十八頁，2022年，8月28日得：

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/(m·K)；t1,t2──平壁兩側(cè)的溫度，℃。(4-5)第二十二頁，共三十八頁，2022年，8月28日討論：

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：為第二十三頁，共三十八頁，2022年，8月28日

不隨t變化，t～x成呈線形關(guān)系。3．當隨t變化時若隨t變化關(guān)系為：則t～x呈拋物線關(guān)系。

如：1～t1，2～t2第二十四頁，共三十八頁，2022年，8月28日（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。第二十五頁，共三十八頁，2022年，8月28日推廣至n層：

(4-7)熱阻大的壁層，其溫度差也大。第二十六頁，共三十八頁，2022年，8月28日例1、第二十七頁，共三十八頁，2022年，8月28日四、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)定溫度場；(2)一維溫度場。第二十八頁，共三十八頁，2022年，8月28日取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

第二十九頁，共三十八頁，2022年，8月28日邊界條件

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/(m·K)；t1,t2──圓筒壁兩側(cè)的溫度，℃；

r1,r2──圓筒壁內(nèi)外半徑，m。(4-9)第三十頁，共三十八頁，2022年，8月28日討論：1．上式可以為寫對數(shù)平均面積第三十一頁，共三十八頁，2022年，8月28日2．3．圓筒壁內(nèi)的溫度分布上限從改為t～r成對數(shù)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。第三十二頁，共三十八頁，2022年，8月28日例2、外徑為426mm的蒸汽管，有400mm厚的保溫層，其λ=0.5+0.0009tW/mK，管壁溫度為150℃，保溫層壁溫度為40℃。求每米的散熱量。解：第三十三頁，共三十八頁，2022年，8月28日（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＝第三十四頁，共三十八頁，2022年，8月28日對于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）第三十五頁，共三十八頁，20