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1、环境工程学原理环境工程学原理主讲教师贺文智 第四章第四章 传传 热热概述概述1热传导热传导2对流传热对流传热3传热计算传热计算4热交换器热交换器5 概述概述1.1 1.1 传热的概念及其应用传热的概念及其应用 1传热传热 是指由于温度差引起的能量转移，又称热传递。是指由于温度差引起的能量转移，又称热传递。生产中对传热过程的要求生产中对传热过程的要求 凡是有温度差存在时，就必然发生热从高温处到低温处的传递，故传热是自然界和工程技术领域中极普遍的一种传递现象，其广泛应用于能源,宇航, 化工, 动力, 冶金, 机械, 建筑, 环护等部门。 (1) 强化传热过程，如各种换热设备 中的传热； (2) 削
2、弱传热过程，如设备和管道的 保温，以减少热损失。 概述概述1.2 1.2 传热的基本方式传热的基本方式 1n物体各部分之间不发生相对位移，仅借分子、原子和自由电子等微观物体各部分之间不发生相对位移，仅借分子、原子和自由电子等微观粒子的热运动而引起的热量传递称为粒子的热运动而引起的热量传递称为热传导热传导( (又称导热又称导热) )。n热传导的条件是系统两部分之间存在温度差热传导的条件是系统两部分之间存在温度差n热量将从高温部分传向低温部分，或从高温物体传向与它接触的低温热量将从高温部分传向低温部分，或从高温物体传向与它接触的低温物体，直至整个物体的各部分温度相等为止。物体，直至整个物体的各部分
3、温度相等为止。 n 气体：气体： 分子做不规则热运动时相互碰撞的结果分子做不规则热运动时相互碰撞的结果n 固体导电体：自由电子在晶格间的运动固体导电体：自由电子在晶格间的运动n 非导电体：通过晶格结构的振动来实现非导电体：通过晶格结构的振动来实现n 液体机理复杂液体机理复杂 概述概述1.2 1.2 传热的基本方式传热的基本方式 1流体各部分之间发生相对位移所引起的热传递过程称为热对流。热对流流体各部分之间发生相对位移所引起的热传递过程称为热对流。热对流仅发生在流体中。仅发生在流体中。 流体中产生对流的原因流体中产生对流的原因 自然对流自然对流 因流体中各处的温度不同而引起密度的差别，使轻者上浮
4、、重因流体中各处的温度不同而引起密度的差别，使轻者上浮、重者下沉，流体质点产生相对位移；者下沉，流体质点产生相对位移； 强制对流强制对流 因泵因泵( (风机风机) )或搅拌等外力所致的质点强制运动或搅拌等外力所致的质点强制运动流体流动的原因不同，对流传热的规律也不同流体流动的原因不同，对流传热的规律也不同; ; 在同一种流体中，可能同时发生自然对流和强制对流在同一种流体中，可能同时发生自然对流和强制对流. . 过程工业常见的传热过程过程工业常见的传热过程 流体流过固体表面时发生的热对流和热传导联合作用的传热过程，即是热由流体传到固体表面(或反之)的过程，称之为对流传热对流传热。对流传热的特点对
5、流传热的特点 靠近壁面附近的流体层中依靠热传导方式传热，而在流体主体中则主要依靠对流方式传热，对流传热与流体流动状况密切相关。因热对流总伴随着热传导，难以将两者分开处理，因此一般并不讨论单纯的热对流，而是着重讨论具有实际意义的对流传热。 概述概述1.2 1.2 传热的基本方式传热的基本方式 1n 因热的原因而产生的电磁波在空间的传递，称为热辐射因热的原因而产生的电磁波在空间的传递，称为热辐射; ;n 自然界中一切物体都在不停地向外发射辐射能，同时又不断地吸收来自自然界中一切物体都在不停地向外发射辐射能，同时又不断地吸收来自其他物体的辐射能，并将其转变为热能其他物体的辐射能，并将其转变为热能;
6、;n 物体之间相互辐射和吸收能量的总结果称为辐射传热物体之间相互辐射和吸收能量的总结果称为辐射传热; ;n 辐射传热的结果是使净热量从高温物体传向低温物体；辐射传热的结果是使净热量从高温物体传向低温物体；n 辐射传热的特点是：不仅有能量的传递，而且还有能量形式的转换；辐射传热的特点是：不仅有能量的传递，而且还有能量形式的转换；n 辐射传热不需要任何物质作媒介辐射传热不需要任何物质作媒介; ;n 只有在物体温度较高时，热辐射才能成为主耍的传热方式只有在物体温度较高时，热辐射才能成为主耍的传热方式. . 上述的三种基本传热方式，在传热过程中常常不是单独存在的，而是两种或三种传热方式的组合，称为复杂
7、传热复杂传热。 概述概述1.3 1.3 冷热流体的接触方式冷热流体的接触方式 1板式塔板式塔冷、热流体直接接触进行的传热，有传质过程发生冷、热流体直接接触进行的传热，有传质过程发生特点：特点：传热面积大，传热设备简单传热面积大，传热设备简单介质：介质：填料最为常见填料最为常见如如 冷却塔，急冷装置冷却塔，急冷装置 概述概述1.3 1.3 冷热流体的接触方式冷热流体的接触方式 1n 结构较简单结构较简单n 耐高温耐高温n 设备体积大设备体积大n 有一定程度的混合有一定程度的混合 概述概述1.3 1.3 冷热流体的接触方式冷热流体的接触方式 1进行热交换的冷、热流体被固体壁面进行热交换的冷、热流体
8、被固体壁面( (传热传热面面) )所隔开，它们分别在壁面两侧流动，固所隔开，它们分别在壁面两侧流动，固体壁面即构成间壁式换热器。体壁面即构成间壁式换热器。 热流体给热于管壁外侧热流体给热于管壁外侧 热量自管壁外侧传导至管壁内侧热量自管壁外侧传导至管壁内侧 管壁内侧给热于冷流体管壁内侧给热于冷流体 概述概述1.3 1.3 冷热流体的接触方式冷热流体的接触方式 1传热面为壳内所传热面为壳内所有管束壁的表面有管束壁的表面积积 A=n dL管程管程 流体流经的管束流体流经的管束壳程壳程 流体流经的管间环隙流体流经的管间环隙管程流体管程流体 流经管程的流体流经管程的流体壳程流体壳程流体 流经壳程的流体流
9、经壳程的流体 概述概述1.3 1.3 冷热流体的接触方式冷热流体的接触方式 1 概述概述1.4 1.4 载热体载热体1当物料在换热器内被冷却或加热时，通常需要用某种流体取走或供给当物料在换热器内被冷却或加热时，通常需要用某种流体取走或供给热量，此种流体称为热量，此种流体称为冷却剂冷却剂( (或冷却介质或冷却介质) ) 起冷却或冷凝作用的载热体起冷却或冷凝作用的载热体水、空气、冷冻盐水、液氨等水、空气、冷冻盐水、液氨等加热剂加热剂( (或加热介质或加热介质) ) 起加热作用的载热体起加热作用的载热体 热水、饱和水蒸气热水、饱和水蒸气 矿物油或联苯等低熔混合物、烟道气等矿物油或联苯等低熔混合物、烟
10、道气等 用电加热用电加热 热传导热传导 2.1 2.1 基本概念基本概念22.1.1 2.1.1 温度场和等温面温度场和等温面 温度场温度场 任一瞬间物体或系统内各点的温度分布总和。任一瞬间物体或系统内各点的温度分布总和。 , , ,tf x y z t 某点的温度，某点的温度，； x,y,z 某点的坐标；某点的坐标； 时间时间.不稳定温度场不稳定温度场稳定温度场稳定温度场),(zyxft 稳定的一维温度场稳定的一维温度场 )(xft 等温面等温面 在同一时刻，温度场中所有温在同一时刻，温度场中所有温 度相同的点组成的面度相同的点组成的面 t1t2t1t2等温面Q 热传导热传导 2.1 2.1
11、 基本概念基本概念22.1.2 2.1.2 温度梯度温度梯度 t+tt-ttnQdA两相邻等温面的温度两相邻等温面的温度(t+t)与与t之间的温度差之间的温度差t，与两面间的垂直距离，与两面间的垂直距离n之比值的极限之比值的极限0limnttGradtnn n 温度梯度是一个点的概念。温度梯度是一个点的概念。n 温度梯度是一个向量。温度梯度是一个向量。n 方向垂直于该点所在等温面，以温度增的方向为正方向垂直于该点所在等温面，以温度增的方向为正 稳定的一维温度场稳定的一维温度场0limxtdtGradtxdx 热传导热传导 2.2 2.2 傅立叶定律傅立叶定律2热传导基本定律热传导基本定律 通过
12、等温面的导热速率与温度梯度及传热面积成正比通过等温面的导热速率与温度梯度及传热面积成正比 tdQdAn tdQdAn dQ dQ 热流量，或热传导速率，热流量，或热传导速率，WW或或J/sJ/s；q热流密度热流密度( (单位面积上的热流量单位面积上的热流量),W/m),W/m2 2dA dA 导热面积，导热面积，mm2 2； t/ t/ n n 温度梯度，温度梯度，/m/m或或K/mK/m； 导热系数导热系数, W/(m., W/(m.) )或或W/(m . K).W/(m . K).负号表示热流方向总是和温度梯度的方向相反负号表示热流方向总是和温度梯度的方向相反u 傅里叶定律与牛顿粘性定律表
13、达式相类似u 导热系数与粘度类似，均是粒子微观运动特性的表现u 热量传递和动量传递具有类似性. ntAQqddt+tt-ttnQdA 热传导热传导 2dQtdAn 定义式定义式(2) (2) 是是分子微观运动的宏观表现分子微观运动的宏观表现, ,表征物质导热能力的大小表征物质导热能力的大小 是物质的物理性质之一是物质的物理性质之一 (1) (1) 在数值上等于单位温度梯度下的热通量。在数值上等于单位温度梯度下的热通量。 = f(结构结构, 组成组成, 密度密度, 温度温度, 压力）压力）(3) (3) 各种物质的导热系数各种物质的导热系数 金属固体金属固体 非金属固体非金属固体 液体液体 气体
14、气体 热传导热传导 2)1 (0t 0, 0, t时的导热系数，时的导热系数，W/(mK)； 温度系数温度系数 对大多数金属材料对大多数金属材料 0, t n 金金 属：属： 纯金属纯金属 合金合金n 非金属：同样温度下，非金属：同样温度下， 越大，越大， 越大。越大。n 一般地一般地 液态金属的液态金属的 非金属非金属液体的液体的 ;n 在非金属液体中，水的导热系数最大在非金属液体中，水的导热系数最大;n 纯液体的导热系数比其溶液的要大纯液体的导热系数比其溶液的要大 n t 气体不利用导热，但可用来保温或隔热。气体不利用导热，但可用来保温或隔热。 气气仅为液体的仅为液体的1/10 热传导热传
15、导 constQQQdxxx2t1t2txdxQxQx+dx假设：假设：(1) (1) 温度仅沿温度仅沿x x变化，且不随时间变化；变化，且不随时间变化；(2) (2) 材料均匀材料均匀, , 不随温度而变不随温度而变( (或取均值或取均值) ) ；(3) A(3) A大，大， 小小( (壁边缘处的热损失可忽略壁边缘处的热损失可忽略) )。定态的一维平壁热传导，定态的一维平壁热传导，QQ和和A A均为常量。均为常量。 dtQAdx 当x=0时, t=t1；当x=时, t=t2，且 t1t2 热传导热传导 constQQQdxxx2t1t2txdxQxQx+dx讨论讨论自然界中传递过程的普遍关系
16、自然界中传递过程的普遍关系 =过程的推动力过程传递速率过程的阻力12tttQRA12ttQtqARttt()12/w, m2./w 与导热距离成正比与导热距离成正比, , 与传热面积成反比与传热面积成反比 为常量为常量 .dt dxconstt-x 直线关系直线关系 为温度的函数为温度的函数 =a+bt =a+bt t-x 抛物线关系抛物线关系 ()dtqabtdx dtqdx 22112220aaqttttxbbb 热传导热传导 2t1t2 1tx 2 3t2t4t3 1 2 3假设：假设：(1) A(1) A大，大， 小小( (壁边缘处的热损失可忽略壁边缘处的热损失可忽略) )；(2) (
17、2) 材料均匀材料均匀, , 不随温度而变不随温度而变( (或取均值或取均值) ) ；(3) (3) 温度仅沿温度仅沿x x变化，且不随时间变化变化，且不随时间变化; ;(4) (4) 各层接触良好，各层接触良好，233412112233ttttttQbAbAbA141431iiiiiiitttttQbARbA总推动力总热阻11111nnniiiittttQRbA推广至推广至n n层层 热传导热传导 2 ttttttbAbAbARRR122334112233123:t1t2t3t4312厚度相同的三层平壁传热，温度分布如图所厚度相同的三层平壁传热，温度分布如图所 示示, , 哪一层热阻最大哪一
18、层热阻最大, , 说明各层说明各层 的大小排列的大小排列. . 热传导热传导 2t1t2 在半径在半径r处沿半径方向取微分厚度处沿半径方向取微分厚度dr的薄壁圆筒的薄壁圆筒 其传热面积可视为常量其传热面积可视为常量,为为2 rL 该薄层的温度变化为该薄层的温度变化为dt.rtrlrtAQdd2dd11,ttrr22,ttrrQdrrldtrrtt12122 12211221ln1)(2ln)(2rrttlrrttlQ 热传导热传导 rr2122RtAttAAAAttrrrrrrttlQm2112122112121221ln)(ln)()(212rr )/ln(1212AAAAAmlrAmm2)
19、/ln(1212rrrrrmAAAm122221rrrm12211221ln1)(2ln)(2rrttlrrttlQ 热传导热传导 2rrttlQ11ln2ttrrrldtQdr112tr成对数曲线变化成对数曲线变化( 为常数为常数)11ln2rrlQtt4 4平平 壁：各处的壁：各处的QQ和和q q均相等；均相等； 圆筒壁：不同半径圆筒壁：不同半径r r处处QQ相等，但相等，但q q却不等却不等. . 热传导热传导 23111343323221211ln1)4(2ln1)4(2ln1)3(2ln1)2(2iiiirrttLrrttLrrttLrrttLQniiiinniinnimiiinnimiiiniirrttLRttAttAtQ111111111111ln1)(2332211222lqrlqrlqrQ332211qrqrqrq q1 1, q, q2 2, q, q3 3分别为半径分别为半径r r1 1, r, r2 2, r, r3 3处的热通量处的热通量( (热流密度热流密度). ).