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

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，又稱導熱。

特點：沒有物質的宏觀位移氣體分子做不規(guī)則熱運動時相互碰撞的結果固體導電體：自由電子在晶格間的運動非導電體：通過晶格結構的振動來實現(xiàn)的液體機理復雜第三頁，共三十八頁，2022年，8月28日（二）對流流體內(nèi)部質點發(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（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。能量轉移的同時有能量形式的轉化不需要任何物質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?！鑼嶋H熱交換的過程中，熱傳導和對流傳熱分為：★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對流對流導熱冷流體Q熱流體穩(wěn)態(tài)傳熱：一側另一側第十頁，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?？倐鳠崴俾史匠?經(jīng)驗的總結)：（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（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速率與該微元等溫面的法向溫度剃度及該微元的導熱面積呈正比：式中dQ──熱傳導速率，W或J/s；dA──垂直于熱流方向的導熱面積，m2；t/n──溫度梯度，℃/m或K/m；

──導熱系數(shù)，W/(m·℃)或W/(m·K)。若物體質地均勻；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熱性能的物性參數(shù)越大，導熱性能越好用熱通量來表示對一維穩(wěn)態(tài)熱傳導

（4-2）第十六頁，共三十八頁，2022年，8月28日二、熱導率

(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熱面積的熱量。=f(結構，組成，密度，溫度，壓力）(3)各種物質的熱導率金屬固體>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(結構，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（一）通過單層平壁的穩(wěn)定熱傳導t1t2btxdxQxQx+dx假設：(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；

──平壁的導熱系數(shù)，W/(m·℃)或W/(m·K)；t1,t2──平壁兩側的溫度，℃。(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成呈線形關系。3．當隨t變化時若隨t變化關系為：則t～x呈拋物線關系。

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t1t2b1txb2b3t2t4t3假設：(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（一）通過單層圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導

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：設不隨t而變

式中Q──熱流量或傳熱速率，W或J/s；

──導熱系數(shù)，W/(m·℃)或W/(m·K)；t1,t2──圓筒壁兩側的溫度，℃；

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(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熱速率（W/m）第三十五頁，共三十八頁，20