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热传、环境工程学知识笔记，思维导图，知识框架图

2023-10-18 08:48:43   0  举报

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大纲/内容

热量传递的方式

传热的过程

凡是有温差存在的地方,就必然有热量传递。

传热方向:高温→低温

环境工程领域中的传热现象

对水或污泥进行加热

在冷却操作中移出热量

对管道与设备进行保 温以减少系统的热量或者冷量散失

传热的强化与削弱→传热速率问题

根据传热机理，热的传递方式

导热

热对流

热辐射

根据传热介质的特征,热量传递的过程

热传导

发生场合

固体、静止的液体和气体 (物体各部分之间无宏观运动 )

注意：热传导在气态、液态和固态物质中都可以发生,但热 传递的方式和机理不同

气体

气体分子作不规则热运动

固体

晶格振动和自由电子的迁移

液体

介于气体和固体之间

对流传热

发生场合(条件)

流体与流体之间、或流体与固体壁面之间 必须有相对位移(宏观运动)

特点

对流传热总是包含导热和热对流两种热量传递方式

靠近壁面附近的流体层中依靠导热方式传热

在流体主体中主要依靠热对流方式传热

对流传热的传热快慢与流体 流动状况密切相关

辐射传热

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;

特点

有能量的传递和能量形式的转换;

辐射传热不需要任何物质作媒介

只有在物体温度较高时,热辐射才能成为主耍的传热方式

冷热流体的接触方式

直接接触式传热

冷、热流体直接接触进行的传热,有传质过程发生

混合式换热器类型

凉水塔、洗涤塔、文氏管、喷射冷凝管等

特点

传热设备简单,传热效率高;

冷热流体不相同时不适用

蓄热式传热

优点

结构较简单

耐高温

缺点

设备体积大

有一定程度的混合

间壁式传热

列管换热器

管程：流体流经的管束

壳程：流体流经的管间环隙

管程流体：流经管程的流体

壳程流体：流经壳程的流体

套管换热器

传热过程

热流体给热于管壁外侧(对流换热)

热量自管壁外侧传导至管壁内侧(导热)

管壁内侧给热于冷流体(对流换热)

传热面为内管壁的表面积 A=πdL

热传导

概念

温度场

任一瞬间物体或系统内各点的温度分布总和。

等温面

在同一时刻,温度场中所有温     度相同的点组成的面

温度梯度

是一个点的概念，是一个向量，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

傅立叶定律

通过等温面的导热速率与温度梯度及传热面积成正比

特点

傅立叶定律与牛顿粘性定律表达式相类似

导热系数与粘度类似,均是粒子微观运动特性的表现

热量传递和动量传递具有类似性

导热系数

定义式

几何意义

在数值上等于单位温度梯度下的热通量

物理意义

分子微观运动的宏观表现,表征物质导热能力的大小, 是物质的物理性质之一

1、固体的导热系数

金 属:   纯金属> 合金

非金属:   同样温度下,P越大, 入越大。

2、液体的导热系数

一般地：液态金属的入 > 非金属液体的入

在非金属液体中,水的导热系数最大;

纯液体的导热系数比其溶液的要大

3、气体的导热系数

气体不利于导热,但可用来保温或隔热。

通过平壁的定态热传导

通过圆筒壁的定态热传导

单层圆筒壁的热传导

多层圆筒壁的热传导

对流传热

概念

实际生产中所指的对流传热为固体壁面与流动流体间的热量传递。

对流传热过程分析

实际对流传热的机理

层流流体与固体壁面间的传热

理论

在传热方向上无流体质 点的移动与混合,故不存在热对 流,该方向上的热量传递仅为热 传导。

实际

受到自然对流的影响,使传热加剧

湍流流体与固体壁面间传热

流体层流内层中的传热

在垂直于流体流动方向上不存在热对流，该方向上的热传递仅为 热传导;

由于流体的导热系数较低,故该层的热阻较大,即温度 梯度较大。

流体湍流主体中的传热

流体质点剧烈混合并充满旋涡,热传递以热对流为主导

湍流主体中温度差(温度梯度)极小,各处的温度基本相同.

流体过渡区中的传热

热传导与热对流对热传递均具重要作用,两者均不可忽略.

强化对流传热的途径

对流传热的热阻主要集中在层流内层

减薄层流内层厚度，是强化对流传热的主要途径

对流传热分类

有相变传热

冷凝传热

沸腾传热

无相变传热

自然对流

强制对流

管外对流

管内对流

非圆管道

宽管

圆形直管

湍流

过渡流

滞流

热流量及对流传热系数

牛顿冷却定律

对流传热系数

几何意义

数值上等于单位温度差下、单位传热面积的对流传热速率;

物理意义

反映了对流传热的快慢,非流体的物理性质

一般规律 α(液体)>α(气体), α(强制对流)>α(自然对流), α(有相变)>α(无相变)

影响对流传热系数的因素

(1)引起流动的原因

自然对流

强制对流

(2)流体的物性

(3)流动型态

α湍 > α层

(4) 传热面的形状,大小和位置

形状:如管、板、管束等;

大小:如管径和管长等;

位置:如管子的排列方式(管束有正四方形和三角形排列);管或板是垂直放置还是水平放置.

(5)是否发生相变

α相变 > α无相变

对流传热系数经验关联式的建立

获得α的主要方法

1、理论分析法

建立理论方程式，通过数据分析求出精确解

2、实验方法

因次分析, 再结合实验,建立经验关系式

3、类比方法

把理论上比较成熟的动量传递的研究成果类比到热量传递过程

对流传热系数的因次分析

公式

流体无相变时的对流传热系数

圆形直管内强制湍流

非圆形管强制湍流

当量直径法

误差大,准确性差,但简单、实用

流体在管外强制对流

影响管束传热的因素

Re , Pr 数

管子排列方式, 管间距和 管排数.

准数关联式

流体在错排管束外流过时,平均给热系数

流体在直排管束外流过时,平均给热系数

大空间自然对流

流体有相变时的对流传热系数

蒸汽冷凝

膜状冷凝

滴状冷凝

给热系数

层流(Re<1800)

湍流(Re>1800)

冷凝传热的影响因素

1) 流体物性

2) 温差

3) 不凝气体

4) 蒸汽流速与流向 (u>10m/s )

5) 冷凝面的形状和位置

蒸汽在水平管外冷凝

液体沸腾

沸腾种类

大容积沸腾

管内沸腾（强制对流沸腾）

产生条件

必要条件:液体需要过热,过热度为 t=tW-ts

汽化核心:一般为粗糙加热面的细小凹缝处;

传热过程

汽化核心→生成汽泡→长大→脱离壁面→新汽泡形成→搅动液层

沸腾曲线

1、自然对流

2、核状(泡状)沸腾

3、膜状沸腾

沸腾传热的影响因素

(1) 液体的性质

(2)温差

(3) 操作压强

(4) 加热面

(5)不凝性气体

传热计算

计算类型

设计计算

根据生产要求的热负荷,确定换热器的传热面积

校核计算

计算给定换热器的传热量、流体流量或温度等

能量衡算

单位时间热流体放出的热量=冷流体吸收的热量

无相变时 流体的等压热容不随温度变化或取平均值

有相变时 ,如饱和蒸汽冷凝

总传热速率方程

换热器中任一微元面积dS的间壁两侧流体的传热

热流体

对流传热

固体壁面

热传导

冷流体

对流传热

总传热系数计算式

总热阻

总传热系数

K的确定方法

(1) 选取经验值

(2) 实验测定

(3) 计算确定

平均温度差

恒温传热

变温传热

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