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1、水工艺设备基础,环境与市政工程学院给排水教研室熊家晴2002年9月22日,3.4 热量传递与交换理论,热量是因温度差别而转移的能量,它是过程量而不是状态量。热量传递有三种形式：热传导、热对流和热辐射。3.4.1 热传导一、概述 热传导（简称导热）：指温度不同的物体各部分无相对位移，或温度不同的两物体之间直接接触时，依靠分子、原子、自由电子等的移动、转动即自由电子等微观粒子热运动而进行的热量传递现象。的运动有密切的关系。因此，物质的导热本质或机理就必然与组成物质的微观粒子的运动密切相关。热量传递和交换理论是从宏观角度进行分析研究的，并不关心物质的微观结构，而把物质看作是连续介质。水工艺设备中热量
2、交换介质的几何尺寸远大于分子的直径和分子间的距离，因此，研究对象热媒和被加热水可以认为是连续的介质,二、导热基本概念（1）温度场 在物体中，热量传递与物体内温度的分布情况密切相关。某一时间，物体中任何一点都有一个温度的数值，某一时刻空间所有各点温度分布的总合称为温度场。T=f（x，y，z，t）式中：T温度；x，y，z空间坐标；t时间。上式表示物体的温度在x，y，z三个方向和在时间上都发生变化的三维非稳态温度场。非稳态温度场的导热过程叫做非稳态导热。如果温度场不随时间而变化，称为稳态温度场，稳态温度场的导热过程叫做稳态导热，这时表达式简化为T=f（x，y，z）如果稳态温度场仅和一个坐标有关，则称
3、为一维稳态温度场 T=f（x）,（2）等温面与等温线 同一时刻，温度场中所有同温度的点连接所构成的面叫做等温面。相同的等温面与同一平面相交，则在此平面上构成一簇曲线，称为等温线。（3）温度梯度 在等温面上，因不存在温度差异，所以不可能有热量的传递。热量传递只发生在不同的等温面之间。从某一等温面上的某点出发，沿不同方向到达另一等温面时，因距离不同，则单位距离的温度变化（即温度的变化率）也不同。其中，以该点法线方向的温度变化率为最大。沿法线方向温度浠实南蛄砍莆温度梯度，温度增加的方向规定为正，见图3.79。温度梯度的表达式为：式中n表示法线方向上的单位向量，表示沿法线方向温度的方向导数。温度梯度在
4、直角坐标系中的三个分量等于其相应的方向导数，即式中i、j、k分别表示三个坐标轴方向的单位向量。温度梯度的负值叫温度降度，它是与温度梯度数值相等而方向相反的向量。,（4）热流向量q 热量传递不能沿等温面进行，必须穿过等温面。单位时间单位面积上所传递的热量称为热流密度，或称热流通量。在不同方问上，热流密度的大小是不同的。以通过等温面上某点最大热流通量的方向为方向，数值上也正好等于沿该方向热流通量的向量称为热流通量向量，简称热流向量。其他方向的热流通量都是热流向量在该方向的分量。（5）傅立叶定律 法国数学物理学家傅里叶（JFourier）通过研究导热过程发现，热流向量与温度梯度的大小成正比的关系，即
5、：q=grad T 式中的比例系数恒为正数，称为导热系数。热流向量和温度梯度位于等温面的同一法线上，但指向温度降低的方向，式中的负号就是表示热流向量的方向与温度梯度的方向相反，永远沿着温度降低的方向。博里叶定律确定了热流向量和温度梯度的关系。因此要确定热流向量的大小，就必须知道温度梯度，亦即知道物体内的温度场。,关于导热系数:不同物质构造上的差别和固、液、气三相不同的导热机理，导致了不同物质间导热系数的差异。工程计算中，导热系数常取使用温度范围内的算术平均值，并把它作为常数看待。气体：气体的导热系数不随压力发生变化；当气体的温度升高时，气体的分子运动平均速度和定容比热都增大，所以，气体的导热系
6、数随温度的升高而增大。液体：液体的导热系数与液体的定压比热，液体的密度，液体的分子量以及一个与晶格振动在液体中的传播速度成正比的系数有关，这个系数与温度有关，而与液体的性质无关。对水来说，水的导热系数随温度和压力的升高而增大。金属固体：大多数纯金属的导热系数随着温度的升高而减小，而大部分合金的导热系数是随着温度的升高而增大的。非金属固体：导热系数都随温度的升高而增大。与水工艺设备有关的非金属固体主要是隔热保温材料。隔热保温材料也叫热绝缘材料,二、导热基本定律1、导热微分方程式 假定：（1）所研究的物体是连续均匀和各向同性的介质；（2）导热系数、比热C和密度均已知(3)假定物体内具有内热源qv（
7、W/m3）表示内热源的 强度(单位体积单位时间内所发出的热量)。从进行导热过程的物体中分割出一个微元体dVdxdydz，设：在dt时间内，导入与导出微元体的净热量为dQ1，内热源的发热量为dQ2，微元体内能的增加为dQ3，根据能量守恒与转化定律dQ1+dQ2=dQ3其中：dQ1dxdydz dtdQ2=qvdxdydzdtdQ3 dxdydzdt将dQ1、dQ2、dQ3代入，去掉dxdydzdt得导热微分方程式：,导热微分方程式把物体中各点的温度联系起来，表达了物体的温度随空间和时间的变化关系。其实质是导热过程的能量方程。当导热物体的导热系数、比热C和密度都为常数时，导热微分方程式可简化为 或
8、写成 式中：2T温度T的拉普拉斯运算符，导温系数，或称热扩散系数（m2/s）。当导热物体的导热系数、比热C和密度都为常数且无内热源时，可简化为,当物体的温度不随时间发生变化时，即式能量方程简化为当物体的温度不随时间发生变化且无内热源时，可进一步简化为 因为水工艺设备中常用的圆柱或圆筒形设备和材料，如换热器、热水罐、热水管道等是轴对称物体，可以用圆柱坐标系。通过坐标变换，导热微分方程式为：,2、导热过程的单值性条件 单值性条件又是求解特定导热微分方程，获得唯一解的必要条件。一个特定导热过程的完整的数学描述应由导热微分方程式和它的单值性条件两部分组成。特定导热过程的单值性条件一般有四个：（1）几何
9、条件 说明参与导热过程物体的几何特征，如形状、尺寸。（2）物理条件 说明参与导热过程物体的物理特征。如参与导热过程物体的物理性能参数、和C等的数值大小及随温度变化的规律；内热源的数量、大小和分布情况。（3）时间条件 说明参与导热过程物体的温度随时间变化的特征。对于非稳态导热过程，应该说明过程开始时刻物体内的温度分布，所以，时间条件又称初始条件。,（4）边界条件 参与导热过程的物体不能绝对独立，总是和周围环境相互联系。说明物体边界上导热过程进行特点的条件称为边界条件。常见的边界条件有三类：第一类边界条件：已知任何时刻物体边界面s的温度值Tw。对于稳态导热过程，Tw不随时间发生变化；对于非稳态导热
10、过程，若边界面上温度随时间而变化，还应给出边界面的温度值Tw的函数关系式=f（t）。第二类边界条件：已知任何时刻物体边界面s上的热流通量值qw。即已知边界面上温度变化率的值，并不是已知物体的温度分布。第二类边界条件可以表示为 对于稳定导热过程，物体边界面上的热流通量值qw为常数，不随时间发生变化；对于非稳态导热过程，若边界面上热流通量是随时间变化的，还应给出边界面上热流通量值的函数关系qw=f（t）。,第三类边界条件：已知边界面s周围流体温度Tf和边界面s与流体之间的对流换热系数。根据牛顿冷却定律，物体边界面s与流体间的对流换热量可以写为 对于稳态导热过程，和Tf不随时间而变化；对于非稳态导热
11、过程，和Tf可以是时间的函数，还要求给出它们和时间的具体函数关系。,3、稳态导热(1)平壁稳态导热 设一厚度为（m）的单层平壁，如下图所示，无内热源，材料的导热系数为常数。当平壁的长度与宽度远大于其厚度时（长度和宽度是厚度的10倍以上），可以认为沿长度与宽度两个方向温度变化很小，而仅沿厚度方向发生变化，近似地认为是一维稳态导热。这种单层平壁称为无限大平壁。一维无内热源时=0 积分求解 将两个界面的第一类边界条件T1和T2代入上式，求出单层平壁的温度分布式,根据傅立叶定律，一维稳态导热时，热流密度q为 将 代入上式后整理得 式中/称单位面积平壁的导热热阻，用符号R表示,则上式为 若平壁面积为F，
12、则通过平壁的热量为,在工程计算中，常遇到多层平壁，如带保温层的热水箱。图3.81是由彼此紧贴的三层不同材料组成的无限大平壁。各自的厚度分别为1、2和3，导热系数分别为1、2和3，且都为常数。已知多层平壁两侧表面分别维持均匀稳定的温度T1和T4，彼此接触的两表面具有相同的温度，分别为T2和T3。在稳态情况下，通过各层的热流通量是相等的，对于三层平壁的每一层可以分别写出各层热流密度的计算式 移项，得各层温度差 多层平壁导热时，各层内部的温度分布都是直线，整个多层壁的温度分布形成一条折线。多层平壁两端面的总温度差T=T1-T4，总热阻为各层热阻之和，则多层平壁的热流密度的计算公式为,(2）圆筒壁稳态
13、导热 水工艺设备中有许多圆筒状的设备部件或材料，要换热或防止散热。这些圆筒状物体的长度远大于壁厚，沿轴向的温度变化可以忽略不计。下图表示一内半径为r1，外半径为r2，长度为l的圆筒壁，无内热源，圆筒壁材料的导热系数为常数。圆筒壁内、外两表面的温度均匀稳定，温度分别为T1和T2，而且T1T2。因温度场是轴对称的。所以采用圆柱坐标系更为方便，圆壁内的温度仅沿坐标r方向发生变化，属一维稳态温度场。其导热微分方程式简化为 积分求解得 代入第一类边界条件：r=r1时，T=T1；r=r2时，T=T2。可得圆筒壁内温度分布式,根据傅立叶定律，可有圆筒壁热流量计算公式：注:dT/dr不是常数，而是半径r的函数
14、，不同半径r处的热流密度不是常数，但在稳态情况下通过长度为l的圆筒壁的热流量是恒定的。对圆筒壁内温度分布式求导代入上式整理得圆筒壁热流量计算公式 或 则单位长度圆筒壁热流量计算公式为,与多层平壁一样，由不同材料构成的多层圆筒壁的热流量也按总温差和总热阻来计算,n层圆筒壁单位长度热流量计算公式为(3)关于接触热阻 对于多层平壁和多层圆筒壁，其表面一般不是完全平整光滑的，两固体直接接触时，其界面不是完全与平整的面接触，而是点接触。当导热过程在这两个点接触的固体之间进行时，就会有一个额外的热阻，这种热阻称为接触热阻。接触热阻使实际的温度分布与分析结果差别很大，实际的导热量小于计算值。特别是当界面空隙
15、中充满导热系数远小于固体的气体时，接触热阻更为明显。因为有接触热阻，在接触界面上就会有温差（T2a-T2b）。按照热阻的定义，界面的接触热阻可以表示为,3.4.2 对流换热 热对流是传热的另一种基本方式，工程中的实际传热问题都是流体与固体壁直接接触时的换热，所以把流体与固体壁间的换热称为对流换热（也称放热）。对流换热的基本计算式是牛顿于1701年提出的，即 q（TwTf）T（Wm2）或 QF（TwT）FT（W）或 式中：Tw固体壁表面温度，；Tf流体温度，；F固体壁表面积，m2；T流体与固体壁之间的温差，；换热系数，是指流体与固体壁之间为温差1时，单位面积上单位时间内所传递的热量，单位是Jm2
16、s或Wm2；Ri单位固体壁表面积上的对流换热热阻，m2/W。,一、影响对流换热的因素（1）流体流动的原因 流体以某一流速在壁面上流动的原因有两种，自然对流和受迫对流。受迫对流的换热系数较高，所以，水工艺设备中主要应用受迫对流换热方式。（2）流体的流动状态 流体在壁面上流动又有层流和紊流两种流态。紊流时换热比层流要强。（3）流体的物理性质 影响对流换热的物理性质主要是比热Cp、容积膨胀系数、导热系数、密度和粘度，流体的这些物理性质因种类、温度、压力而变化。导热系数影响流体与固体表面间的导热作用。流体的比热与密度大，携带的热量多，对流作用时传递热量的能力也高。流体的粘度主要影响流体的流动状态，粘性
17、大的流体的流速小，不利于热对流。,流体的物理性质受温度影响较大。在换热过程中，流场内各处流体的物理性质随该处的温度变化。因此要选择某一特征温度来确定物理性质参数，这个特征温度称定性温度，定性温度主要有三种：流体平均温度Tf，固体壁表面温度Tw，流体与固体壁的算术平均温度Tm（Tf+Tw）/2。（4）流体的相变 流体在换热过程中有冷凝、沸腾等相变参与的换热称相变换热。流体相变，不仅改变了流体的物理性质，而且流体的流动状态和换热机理也都发生了变化，对对流换热过程影响较大。凝结换热方式应用于蒸汽为热媒的热交换设备中。（5）换热表面状况 固体壁面的形状、尺寸（用l表示）及与流体的相对位置（用表示）直接
18、影响流体在壁面上的流态、速度分布、温度分布，进而影响对流换热作用。综合上述分析可以看出，放热过程是个很复杂的过程，换热系数是许多因素的函数，可以表示为,二、对流换热过程微分方程式 粘性流体在壁面上流动，由于粘性的作用，在靠近固体壁处，流体的速度随着离固体壁距离的缩短而逐渐降低，在贴壁处流速为零，这时热量只能以导热方式通过这一极薄的贴壁流体层。设固体壁x处壁温为Tw，x，远离固体壁的地方流体温度为Tf，x，局部热流密度为q以导热和对流换热方式通过贴壁流体层时，按傅立叶导热定律和牛顿冷却公式，可分别表示为：式中：x点贴壁处流体的温度梯度，m；流体导热系数，Wm。x固体壁x处局部对流换热系数。故,w
19、x,寻求具体情况下换热系数计算公式的方法有理论方法和实验方法两类。主要采用相似理论指导的实验方法。（1）相似准则:依据某一换热问题的数学模型或影响过程的所有物理量的因次进行分析，把众多的变量组合成几个无因次的“量群”，这种无因次量群叫做相似准则。每一个相似准则反映了某几个物理量对过程某一方面的综合影响。对换热系数函数式进行因次分析，或对其换热过程的数学模型进行过程分析，可以求得影响对流换热过程的四个相似准则：雷诺淮则它反映流体运动时惯性力与粘性力的相对大小，其表达式为格拉晓夫准则反映流体自然对流时浮升力与粘性力的相对大小，表达式为,普朗特准则反映边界层内流体动量传递和热量传递特性的相对比较。表
20、达式为其中 称为导温系数。努谢尔特准则反映对流换热强弱程度的准则。表达式为 前三个相似准则都是由确定一个具体换热问题所必须给定的一些物理量组成的，不包含待求量，称为已定准则（或称定型准则），最后一个相似准则含有待求量，称为待定准则。由四个准则的表达式可以看出待定准则是定型准则的函数，即 上式称为对流换热问题的准则关联式。受迫紊流换热时，自然对流的影响可以忽略不计，上式简化为 自然对流换热时，流动状态由Gr来体现，简化为,（2）受迫紊流换热 流体受迫流动时换热系数较大，换热面的布置也容易适应换热和生产技术的要求，所以，在各种换热器内部的换热过程中得到广泛的应用。根据换热表面的形状和流体的流向，受
21、迫流动放热有许多类型，其中，管内受迫紊流换热和外掠圆管流动换热在水工艺设备中最常用。管内受迫紊流换热（受迫紊流流动时，不考虑自然对流的影响）换热准则关联式为 式中C、n、m是由实验研究确定的常数。对于管长与管径之比L/d10的光滑直管内的紊流换热，在tf与tw相差不大的情况下，按下式计算 当tf与tw相差较大时，可按下式计算 式中，f和w分别为流体温度tf和固体壁温读tw下的流体动力粘 度。n为系数，加热时，n=0.11；冷却时，n=0.25。,外掠圆管流动换热 流体的压强和主流速度沿程发生变化，在管的前半部压强逐渐减小，主流速度逐渐增加；过了最高点后，压强逐渐回升，而主流速度逐渐减小。当流体
22、横向掠过管束时，流体的流动将受到各排管子的连续干扰，除第一排管子保持了外掠单管的特征外，从第二排起，流体的流动将被前几排管子引起的涡旋所干扰，流动状况比较复杂。紊流状态下（Re2105）流体外掠光滑管束的换热准则关系式为 式中：z管束排列方式和数量的校正系数。,3.4.3 凝结换热一、概念 工质在饱和温度下由气态转变为液态的过程称为凝结或冷凝，当蒸汽与低于它的饱和温度的固体壁面接触时，就会放出汽化潜热而凝结下来，称为凝结换热。二、凝结形式 1、膜状凝结：凝结液能很好地润湿壁面，就会在壁面上形成一层完整的液膜，这种方式称为“膜状凝结”。2、珠状凝结：凝结液不能润湿壁面（如壁面涂有油脂），就会在壁
23、面形成一颗颗的液珠，这种方式称为“珠状凝结”。在工业设备里遇到的多是膜状凝结。三、影响膜状凝结的因素（1）蒸气流速：流速增大，凝结增强，换热被强化。（2）蒸气纯度：蒸气中微量导热性能差的物质会严重影响凝结换热。（3）粗糙度：当凝结雷诺数较低时，凝结液容易积存在粗糙的壁上，使液膜增厚，换热系数降低；但当雷诺数较大时，换热系数又可高于光滑壁。,四、两种常用凝结换热系数表达式（1）管外壁凝结换热式中：d水平管外径，m；Ts蒸汽饱和温度，；Tw冷壁面温度，；r饱和温度ts下的汽化潜热，Jkg；凝结液动力粘度，kgms；凝结液导热系数wm；凝结液密度kgm3。（2）水平管内凝结换热,式中：v蒸气密度，k
24、gm3；r潜热修正值，Jkg，r=r+0.68Cp（Ts-Tw）；Cp凝结液比热，Jkg。五、增强凝结换热的措施 增强凝结换热主要是减薄液结液膜层的厚度，加速液结液的排泄，促成珠状凝结形成等。可以采取下列措施：（1）改变表面几何特征（2）排除不凝气体 设备应正压运行。（3）加速液结液的排除。（4）造成珠状凝结的条件。3.4.4辐射换热该部分自学,3.4.5 传热过程一、平壁传热 设单层平壁厚度为的，qv=0，为常数，x0处界面一侧流体的温度为Tf1，对流换热系数为1，x处界面另一侧流体的温度为Tf2，对流换热系数2。热流体、单层平壁和冷流体的热流密度分别为：,在稳态传热过程中，热流体、单层平壁
25、和冷流体的热流密度相同，消去Tw1和Tw2，得热流体通过平壁传热给冷流体的热流密度为 或写成 式中K是传热系数。R为第三类边界条件下传热过程的总热阻，等于热流体、冷流体与壁面之间对流换热的热阻与平壁导热热阻之和。,对于由几层不同材料组成的多层平壁，因为多层平壁的总热阻等于各层热阻之和，所以，热流体经多层平壁传热给冷流体的传热过程的热流密度计算公式为,二、圆筒壁传热 设单层圆筒壁内、外半径分别为r1和r2，qv=0，为常数。rr1一侧流体的温度为Tf1，对流换热系数为a1，rr2一侧流体的温度为Tf2，对流换热系数为a2。热流体、单层圆筒壁和冷流体的热流密度分别为,由于ql1=ql2=ql3。消
26、去Tw1和Tw2，得热流体通过圆筒壁传热给冷流体的热流密度为 或 或 式中Kl为传热系数，表示热、冷流体之间温度相差1时，单位时间通过单位长度圆筒壁的传热量，单位是Wm。其倒数1/Kl=Rl是通过单位长度圆筒壁传热过程的热阻。,对于由n层不同材料组成的多层圆筒壁，因为多层圆筒壁的总热阻等于各层热阻之和，热流量计算公式为,三、通过肋壁传热 如下图，设肋和壁为同一种材料，壁厚，导热系数，无肋的光壁表面面积为F1，光壁面温度Tw1，光壁侧流体1的温度Tf1，换热系数为1；肋壁表面积F2由肋片表面积和肋与肋之间的壁表面积两部分组成，（F2=F2+F2）。肋基壁面温度Tw2，肋片的平均温度为Tw3。肋壁
27、侧流体2的温度为Tf2，换热系数2。设Tf1Tf2，则在稳态传热情况下，通过肋壁的传热量可写成下式：光壁换热 壁的导热 肋壁换热 式中：Q1肋与肋之间壁表面积换热量，Q2肋表面实际换热量，,Tf2,Tf1,肋表面理想换热量（即Tw3=Tw2,一般Tw3Tw2)则肋片的效率为故肋壁换热为设肋壁的总效率为代入上式得肋壁换热为,将联立得令有其中，称为肋化系数，K1为以光壁面面积为基准的传热系数。,对照平壁,四、复合换热 传热过程中，固体壁面上除对流换热外，还同时存在辐射换热时，称为复合换热。如热交换器、热水罐表面的散热损失，既有与空气之间的对流换热，也有与周围物体间的辐射换热。一般来说，参与传热的流
28、体为气体时，就要考虑表面的辐射换热。设固体壁温为tw，气体介质温度为tf，固体壁周围环境物体温度为tam，散热面积为F，与对流换热一样，复合换热换热量按下式计算 Q=f（Tw-Tf）式中为复合换热系数，复合换热系数由两部分组成=c+r 式中：c对流换热系数，W/m2；r辐射换热系数，W/m2，设备和管道保温，减少热量损失时，可以用导热系数小的材料包裹设备和管道，如岩棉、微孔硅酸钙等；也可以用发射率低的材料对设备和管道的表面进行处理，如刷白油漆、包裹铝皮等。,3.4.6 传热过程的增强与削弱一、传热过程的增强增强传热的积极措施是设法提高传热系数，降低传热过程的热阻:1、增大换热面积2、增大对流换
29、热系数小的一侧固体壁面的面积。3、增加流体（热媒和被加热水）的流速4、改变流体的流动状态5、对固体壁面进行处理6、传热面或流体产生振动，强化对流换热7、选用热阻小的管材，减薄管壁,二、传热过程的削弱与增强传热相反，削弱传热则要求降低传热系数：1、工程中最常用的削弱传热的方法是在设备和管道外侧覆盖热绝缘层或称隔热保温层，目前常用的材料有：超细玻璃棉毡、岩棉、聚氨酯泡沫塑料、聚苯乙烯泡沫塑料、微孔硅酸钙、硅藻土制品、膨胀珍珠岩等。2、除了在设备和管道外侧覆盖热绝缘层或称隔热保温层外，还可以采取下列方法减少热损失：（1）真空热绝缘层（2）设备外表面涂镀氧化铜、镍黑等材料，改变表面的辐射特性，削弱本身对环境的辐射换热损失。（3）加装抑制空气对流的元件，减少设备的对流热损失和对外辐射热损失。,
