环境工程原理(2017-03-15)

热传导
q Q dT A dy
傅立叶定律
(T T ) T Q 1 2 R R
b R A
R
b Am
传热速率 =
传热的推动力
导热热阻
4
第四章 热量传递
本章主要内容
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
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Th2
Th1
T1
Th2
Tc2
T2
Tc2 Tc1 并流
Tc1
逆流
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第三节 对流传热
在换热器的传热量及总传热系数相同的条件下，采用逆流 操作，其优点是： （ 1）可以节省传热面积，减少设备费； （ 2）或可以减少换热介质的流量，降低运行费。 因此，在实际工程中多采用逆流操作 逆流操作的缺点： 热、冷流体的最高温度集中在换热器的一端，使 得该处的壁温较高。 对于高温换热器，应避免采用逆流操作
第三节 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 对流传热与热传导的区别： 流体质点的相对位移 （ 1）流动对传热的贡献
搅拌杯中热水 ——加快热水冷却
人站在冷风里 ——与站在背风的地方相比感觉要冷得多
在高温的夏季里，打开电扇 ——人会感到凉快 电扇风速越大，感觉愈凉快些
（ 3）热量由壁面的冷侧传到冷流体 对流传热
对流
导热
对流
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第三节 对流传热
（ 4）对流传热问题的分类
强制对流传热 热水冷却 蒸汽冷凝 自然对流传热
套管式换热器 暖气片
流体在外加能量的作用 下处于流动状态 流体在传热过程中有无相变
流体由于内部温度差 产生密度差而流动
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第三节 对流传热
一、影响对流传热的因素
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第四节 换热器及间壁传热过程计算
三、强化换热器传热过程的途径
（ 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 改变两侧流体相互流向 提高蒸汽的压强可以提高蒸汽的温度 增加管壳式换热器的壳程数 （ 3）提高传热系数 设法减少对传热系数影响最大的热阻 ①提高流体的速度 ④在气流中喷入液滴 ②增强流体的扰动 ⑤采用短管换热器 ③在流体中加固体颗粒 ⑥防止结垢和及时清除污垢

5～ 25 20～ 100 200～ 1000 1000～ 15000 5000～ 15000 500～ 2000 2500～ 25000
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第三节 对流传热
四、保温层的临界直径
设备和管道保温的方法是在其外部包装绝热材料 问题：保温层的厚度？越厚越好？
d1 d 2
Tf
Tc1 Tf Tc1 Tf Q ln(d 2 / d1 ) 1 R1 R2 2π L πd 2 L
难以准确估计，采用经验值
bA1 A1 A1 1 1 rS1 rS2 K 1 Am A2 2 A2
外侧表面上单位传热 面积的污垢热阻 内侧表面上单位传热 面积的污垢热阻
对于平壁或薄管壁，有
1 1 b 1 rS1 rS2 K 1 2
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第四节 换热器及间壁传热过程计算
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第三节 对流传热
三、对流传热速率
(一 ) 牛顿冷却定律
dQ dAT
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 局部对流传热系数，或称 为膜系数，W/（m2· K）
与传热方向垂直的 微元传热面积，m2
牛顿冷却定律：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 。
与静止流体中的导热一样吗？
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第三节 对流传热
(一 ) 流动边界层的传热机理及温度分布
在静止的流体中 机理相同
在层流流动的流体中
大小变化
质点发生相对位移 对流传热
实际上，流体流动使传热增强。 流体的流动增大了壁面处的温度梯度，使壁面处的热通 量较静止时大
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第三节 对流传热
(一 ) 流动边界层的传热机理及温度分布
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第四章 热量传递
本章主要内容
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
流体被冷却时 在流体被加热时
T T TW T TW T
与流体相接触的传热 壁面的温度，K 流体的温度
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第三节 对流传热
(一 ) 牛顿冷却定律 K) 局部对流传热系数 W/(m2· 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
《环境工程原理》
第I篇 环境工程原理基础
1
第I篇 环境工程原理基础
本篇主要内容 第二章 质量衡算与能量衡算 第三章 流体流动 第四章 热量传递 第五章 质量传递
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第四章 热量传递
本章主要内容
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
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传热过程总推动力
T Th Tc
传热总热阻
R
1 b 1 1 A1 Am 2 A2
总热阻等于各 项热阻之和
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第四节 换热器及间壁传热过程计算
（二）总传热系数
Q KAT
总传热系数 取定的面积
传热基本方程
A1 A2 Am
表示换热设备性能的极为重要的参数
以外表面积作为基准
（ 2）湍流边界层 由边界层的流动情况决定 湍流区
湍流中心 缓冲层 层流底层
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。
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第三节 对流传热
(一 ) 流动边界层的传热机理及温度分布
（ 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）
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第三节 对流传热
二、对流传热的机理
(一 ) 流动边界层的传热机理及温度分布
湍流区
T0 层流区
TW
（ 1）层流边界层 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。
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。
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第三节 对流传热
(二 ) 传热边界层 流动边界层厚度与传热边界层厚度间的关系 取决于普兰德数Pr Pr＝ 1时， δ＝ δT
δ>δT δT
温度变化主要在层流 δ 底层中，热阻主要集 中在层流底层中
ν μ cp a Pr = = c p a λ 表明分子动量传递能力和分子热量传递能力的比值。
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第四节 换热器及间壁传热过程计算
(三 ) 传热推动力 与换热器中两流体的温度变化情况及两流体的 相互流动方向有关 间壁式换热器 错流
并流
变温传热 逆流
折流
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第四节 换热器及间壁传热过程计算
（ 1）逆流和并流时的传热温差
Tc2 Th1 Tc1 Tc1 Th1
Tc2 Th2
Th2
T2
Th1
T1
对流传热
Tc1
传导热阻
ln(d 2 / d1 ) R1 2π L
对流传热热阻
R2 1 πd 2 L
热传导
当保温层厚度增加（即d 2增大）时 Q ? R R
1
2
23
1 1 2πL(Tc1 T f ) 2 2 d d dQ 2 2 0 dd 2 ln(d 2 / d1 ) 1 d 2
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第三节 对流传热
(二 ) 传热边界层
（1）传热边界层 δT （ 2）传热边界层的厚度 δT
壁面附近因传热而使流体温 度发生变化的区域 （即存在温度梯度的区域）
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。 边界层以外的区域认为不存在温度梯度。
湍流区
湍流中心 缓冲层 层流底层
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。 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。
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第三节 对流传热
Q AT
对流传热速率也可以用对流传热热阻表示，即
Q T 1 A
导热热阻
1 为对流传热热阻 A
b R A
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第三节 对流传热
（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 换热方式 空气自然对流 气体强制对流 水自然对流 水强制对流 水蒸气冷凝 有机蒸气冷凝 水沸腾
Q
（ 2）热量从壁的热侧面传到冷侧面 －导热
1
A1

Am b
2
A2
Tc
（ 3）热量从壁面传给冷流体 －对流传热
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第四节 换热器及间壁传热过程计算
（一）总传热速率方程 内侧 外侧
Th
ThW
热 流 体
热侧流体对壁面的传热速率为
Q1 1 A1 (Th ThW )
TcW
冷 流 体
冷侧流体对壁面的传热速率为
1 1 b 1 rS1 rS2 K 1 2
1 1 1 K 1 2
若
2 1 2 1
1 1 K 1 1 1 K 2
间壁外侧对流传热控制
间壁内侧对流传热控制
若污垢热阻很大，则称为污垢热阻控制，此时 欲提高必须设法 减慢污垢形成速度或及时清除污垢
流体流动使对流传热速率加快
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第三节 对流传热
（ 2）对流传热过程
对流传热过程是热传导与对流联合作用的结果
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第三节 对流传热
工程中常见的对流传热过程
——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
列管式换热器
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第三节 对流传热
（ 3）间壁式换热器热量传递过程： （ 1）热量由热流体传给固体壁面 （ 2）热量由壁面的热侧传到冷侧 对流传热 导热
热侧为外侧时
1 1 b 1 KA1 1 A1 Am 2 A2
A 1 1 bA1 1 K 1 Am 2 A2
对于平壁或薄管壁
A1 A2 Am
1 1 b 1 K 1 2
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第四节 换热器及间壁传热过程计算
污垢热阻 比间壁的热阻大得多
由此得到热损失Q 为最大值时的保温层直径： 2 d2 dc 保温层的临界直径

保wenku.baidu.com层的临界厚度
d c d1 2
如果保温层的外径小于临界直径即
dQ 为正值 dd 2
d 2 dc
即增加保温层的厚度反而使热损失增加。
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第四章 热量传递
本章主要内容
第一节 热量传递的方式
第二节 热传导 第三节 对流传热
套管式换热器
列管式换热器
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第四节 换热器及间壁传热过程计算
一、换热器的分类与间壁式换热器
夹套式换热器 平板式换热
器
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第四节 换热器及间壁传热过程计算
二、间壁传热过程计算
外侧 内侧
热流体通过间壁将热量传给冷 流体的过程分为三步 ： （ 1）热流体将热量传给固体壁面 －对流传热
冷 流 体
Th
热 流 体
（ 1）物性特征
v 流体的密度 或比热容 越大，流体与壁面间的传热速率越大 v 导热系数 越大，热量传递越迅速；
v 流体的黏度 越大，越不利于流动，会削弱与壁面的传热。
（ 2）几何特征 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。
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第三节 对流传热
一、影响对流传热的因素
Q1 Q Q2
Q2 2 A2 (TcW Tc )
1

2
A2
Tc
通过间壁的传热速率为
Am A1 b 在稳态情况下
Q

b
Am (ThW TcW )
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Q1 Q2 Q
第四节 换热器及间壁传热过程计算
（一）总传热速率方程
Th Tc Q 1 b 1 1 A1 Am 2 A2
第四节 换热器及间壁传热过程计算 第五节 辐射传热
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第四节 换热器及间壁传热过程计算
一、换热器的分类与间壁式换热器
按用途分
加热器、预热器、过热器、蒸发器、 再沸器、冷却器、冷凝器
按交换方式分 间壁式 直接接触式 蓄热式
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第四节 换热器及间壁传热过程计算
一、换热器的分类与间壁式换热器
蛇管式换热器
(一 ) 流动边界层的传热机理及温度分布
湍流区 热阻分布情况？ 湍流中心
缓冲层
湍流传热速率的大小？ 层流底层 湍流传热时，流体从主流到壁面的传热过程也为稳态的串联 传热过程，热阻集中在层流底层上。
减少层流底层厚度是强化传热的重要途径
湍流传热速率远大于层流。
湍流流动中存在流体质点的随机脉动，促使流 体在 y方向上掺混，传热过程被强化