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1、环境工程原理第四章本讲稿第一页，共三十八页一、一、传热过程在工业生产中的应用传热过程在工业生产中的应用加热或冷却换热 保温 强化传热过程 削弱传热过程 第一节第一节 概述概述本讲稿第二页，共三十八页二、二、传热的三种基本方式传热的三种基本方式 （一）热传导（一）热传导 热量从物体内温度较高的部分传递到温度较低的部分，或传递到与之接触的另一物体的过程称为热传导，又称导热。特点：没有物质的宏观位移气体 分子做不规则热运动时相互碰撞的结果固体 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来实现的液体 机理复杂本讲稿第三页，共三十八页 （二）对流（二）对流流体内部质点发生相对位移的热量
2、传递过程。只发生在流体中 自然对流原静止的流体因内部温度或密度不同而引起的上升下降运动 强制对流在外力作用下强制产生的对流运动必然同时伴随热传导 （三）热辐射（三）热辐射物体因自身温度的原因(放热)发出辐射能(电磁波传播能量，0.38100m)的过程称为热辐射。能量转移的同时有能量形式的转化 不需要任何物质作媒介 该辐射被另一物体吸收即变为热 本讲稿第四页，共三十八页 实际传热过程中，三种传热方式或单独存在或 同时存在。实际热交换的过程中，热传导和对流传热分为：流体直接进行热交换直接接触式传热直接接触式传热（在传质章节中一起讨论）板式塔、填料塔 不能直接接触的两个流体通过间壁换热间壁式传热间壁
3、式传热 （本章讨论重点）套管式换热器、列管式换热器热、冷流体交替通过蓄热室蓄热式传热蓄热式传热本讲稿第五页，共三十八页三、三、两流体通过间壁换热与传热速率方程式两流体通过间壁换热与传热速率方程式（一）间壁式换热器（一）间壁式换热器（1）套管换热器冷流体t1t2热流体T1T2传热面为内管壁的表面积 A=dl（m2）ld本讲稿第六页，共三十八页（2）列管换热器热流体T1T2冷流体t1t2传热面为壳内所有管束壁的表面积 本讲稿第七页，共三十八页热负荷热负荷Q：同种流体需要升温或降温时，吸收或放出的热量，单位 J（J/s或W）。工艺要求。传热速率传热速率Q：又称热流量。单位时间内通过换热器的整个传热面
4、传递的热量，单位 J/s或W。热流密度热流密度q：又称热通量。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。（二）传热速率与热流密度（二）传热速率与热流密度式中 A总传热面积，m2。本讲稿第八页，共三十八页（三）稳态传热与非稳态传热（三）稳态传热与非稳态传热 非稳态传热非稳态传热 稳态传热稳态传热 稳态传热：物体中各点温度不随时间变化的热量传递过程（如连续生产中的传热过程）非稳态传热：物体中各点温度随时间而变化的热量传递过程（如变化状态或变化操作条件瞬间的传热过程）同一热流方向上的传热速率为常量同一热流方向上的传热速率为常量本章讨论本章讨论本讲稿第九页，共三十八页（四
5、）冷热流体通过间壁的传热过程（四）冷热流体通过间壁的传热过程t2t1T1T2对流对流导热冷流体Q热流体稳态传热：一侧另一侧本讲稿第十页，共三十八页式中 K总传热系数，W/(m2)或W/(m2K)；Q传热速率，W或J/s；A总传热面积，m2；tm两流体的平均温差，或K。总传热速率方程(经验的总结)：（五）传热速率方程式（五）传热速率方程式（4-1）对稳态传热本讲稿第十一页，共三十八页第二节第二节 热传导热传导一、一、傅立叶定律傅立叶定律 式中 t 某点的温度，；x,y,z 某点的坐标；时间。（1）温度场：某时刻，物体内或空间各点的温度分布。（一）温度场与温度梯度本讲稿第十二页，共三十八页不不稳稳
6、定温度定温度场场 稳定温度场稳定温度场 等温面等温面：在同一时刻，温度场中所有温度相同的点组成的面。不同温度的等温面不相交不同温度的等温面不相交。穿越等温面才有温度的变化；过该点的等温面法线方向上的温度变化速率最大，称温度梯度。温度梯度。t1t2t1t2等温面Q本讲稿第十三页，共三十八页(2)(2)温度梯度温度梯度 t+tt-ttnQdA 温度梯度是一个点点的概念（任一点只有一个温度）。温度梯度是一个向量。方向垂直于该点所在等温面，以温度增加的方向为正 该方向上温度变化率最大 一维稳定热传导（温度梯度表为 dt/dx，x轴方向与温度梯度方向一致为正，反之为负）本讲稿第十四页，共三十八页（二）傅
7、立叶定律 某一微元的热传导速率与该微元等温面的法向温度剃度及该微元的导热面积呈正比：式中 dQ 热传导速率，W或J/s；dA 垂直于热流方向的导热面积，m2；t/n 温度梯度，/m或K/m；导热系数，W/(m)或W/(mK)。若物体质地均匀；等温面上各点的温度剃度相同：本讲稿第十五页，共三十八页 负号表示传热方向与温度梯度方向相反 表征材料导热性能的物性参数 越大，导热性能越好 用热通量来表示 对一维稳态热传导 （4-2）本讲稿第十六页，共三十八页二、热导率二、热导率(2)是分子微观运动的宏观表现。(1)在数值上等于单位温度梯度下，单位时间通过单位导热面积的热量。=f(结构，组成，密度，温度，
8、压力）(3)各种物质的热导率金属固体 非金属固体 液体 气体 一维：(4-3)本讲稿第十七页，共三十八页在一定温度范围内：式中 0,0,t时的热导率，W/(mK)；a 温度系数。对大多数金属材料a 0 ，t t 若各处温度不同，用算术平均温度1)固体 金属：纯金属 合金 非金属：同样温度下，越大，越大。本讲稿第十八页，共三十八页2)液体 金属液体较高；非金属液体低，其中水的最大，为0.6W/m。t （除水和甘油）3)气体 一般来说，纯有机液体的小于溶液小，t 气体不利用来导热，但可用来保温或隔热。氢的最大，0时为0.163W/m。4)绝热材料 0.2W/m=f(结构，组成，密度）本讲稿第十九页
9、，共三十八页 三、三、通过平壁的稳定热传导通过平壁的稳定热传导（一）一）通过单层平壁的稳定热传导通过单层平壁的稳定热传导t1t2btxdxQxQx+dx 假设：假设：(1)A大，b小；(2)材料均匀；(3)温度仅沿x变化，且不随时间变化。本讲稿第二十页，共三十八页取dx的薄层，作热量衡算：对于稳定温度场 傅立叶定律：边界条件为：本讲稿第二十一页，共三十八页得：设不随t而变 式中Q 热流量或传热速率，W或J/s；A 平壁的面积，m2；b 平壁的厚度，m；平壁的导热系数，W/(m)或W/(mK)；t1,t2 平壁两侧的温度，。(4-5)本讲稿第二十二页，共三十八页讨论：2分析平壁内的温度分布上限由
10、1可表示为推动力：热阻：为本讲稿第二十三页，共三十八页 不随t变化，tx成呈线形关系。3当随t变化时若随t变化关系为：则tx呈抛物线关系。如：1t1，2t2本讲稿第二十四页，共三十八页（二）二）通过多层平壁的稳定热传导通过多层平壁的稳定热传导t1t2b1txb2b3t2t4t3 假设：假设：(1)A大，b小；(2)材料均匀；(3)温度仅沿x变化，且不随时间变化。(4)各层接触良好，接触面两侧温度相同。本讲稿第二十五页，共三十八页推广至n层：(4-7)热阻大的壁层，其温度差也大。热阻大的壁层，其温度差也大。本讲稿第二十六页，共三十八页例1、本讲稿第二十七页，共三十八页四、四、通过圆筒壁的稳定热传
11、导通过圆筒壁的稳定热传导（一）一）通过单层圆筒壁的稳定热传导通过单层圆筒壁的稳定热传导 假定：假定：(1)稳定温度场；(2)一维温度场。本讲稿第二十八页，共三十八页取dr同心薄层圆筒，作热量衡算：对于稳定温度场 傅立叶定律 本讲稿第二十九页，共三十八页边界条件 得：设不随t而变 式中Q 热流量或传热速率，W或J/s；导热系数，W/(m)或W/(mK)；t1,t2 圆筒壁两侧的温度，；r1,r2 圆筒壁内外半径，m。(4-9)本讲稿第三十页，共三十八页讨论：1上式可以为写 对数平均面积本讲稿第三十一页，共三十八页2 3圆筒壁内的温度分布上限从改为tr成对数曲线变化(假设不随t变化)4平壁：各处的
12、Q和q均相等；圆筒壁：不同半径r处Q相等，但q却不等。本讲稿第三十二页，共三十八页例2、外径为426mm的蒸汽管，有400mm厚的保温层，其=0.5+0.0009t W/mK，管壁温度为150，保温层壁温度为40。求每米的散热量。解：本讲稿第三十三页，共三十八页（二）通过多层圆筒壁的稳定热传导二）通过多层圆筒壁的稳定热传导(4-12)=+-=-=-=-3111343323221211ln1)4(2ln1)4(2ln1)3(2ln1)2(2iiiirrttlrrttlrrttlrrttlQpppp本讲稿第三十四页，共三十八页对于n层圆筒壁：式中 q1,q2,q3分别为半径r1,r2,r3处的热通量。按单位圆筒壁长度计算导热速率（W/m）本讲稿第三十五页，共三十八页或：本讲稿第三十六页，共三十八页例3、603.5的钢管包有两层绝热材料，里层为40mm的氧化镁粉，=0.07W/m，外层为20mm的石棉层，=0.07W/m，管内壁温度为500，最外层温度为80，钢管的=45W/m，求每米长热损失及两保温层界面的温度。解：本讲稿第三十七页，共三十八页作业：198页，4-4，4-6题谢 谢本讲稿第三十八页，共三十八页