化工原理：5-1 传热过程概述

1、1 第五章 传 热 通过本章学习，掌握传热的基本原理和规律， 并运用这些原理和规律去分析和计算传热过程 的有关问题。 学习目的 与要求 2 5.1 传热过程概述 第五章 传 热 3 传热 热量从高温度区向低温度区移动的过程称 为热量传递，简称传热。 一是强化传热过程，如各种换热设备中的传热。 二是削弱传热过程，如对设备或管道的保温，以 减少热损失。传热过程可连续也可间歇进行。 化工生产中对传热过程的要求 5.1 概述 三种传热方式 热传导、对流和热辐射。 4 5.1 传热过程概述 5.1.1热传导及导热系数 第五章 传 热 5 一、热传导(导热) 热传导(导热) 不依靠物体内部各部分质点的宏观

2、混合运动而借 助于物体分子、原子、离子、自由电子等微观粒子的 热运动产生的热量传递称为热传导，简称导热。 原理：微粒热运动 金属(良导电/热体)：靠自由电子运动； 不良导体(固)和大多液体：靠晶格振动(原子、 分子在其平衡位置附近的振动、碰撞等)； 气体：靠分子的不规则运动。 特点： 发生在物体内部或相互接触的物质之间。 2.在传热方向上物系内部无宏观上的相对位移。 6 dQt dSn 描述热传导现象的物理定律为傅立叶定律 （Fouriers Law），其表达式为 傅立叶定律（Fouriers Law） 温度梯 度 导热系 数 微分导 热通量 热通量与 温度梯度 方向相反 一、热传导(导热)

3、7 二、导热系数 导热系数 dQ dS tn 导热系数表征了物质热传导能力的大小，是 物质的基本物理性质之一，其值与物质的形态、 组成、密度、温度等有关。 导热系数通常用实验方法测定。表51列举 了一些导热系数的大致范围。用时可查阅有关手 册。 8 导热系数W/(m.oC) 0.0060.06 0.10.7 0.23.0 15420 0.0030.06 气体 液体 非导电固体 金属 绝热材料 二、导热系数 一般一般， 金属 金属 非金属非金属 液体液体 气体气体。其值由试验测定或 。其值由试验测定或 查表，少数可以用经验式计算。查表，少数可以用经验式计算。 9 1.固体的导热系数 纯金属的导热

4、系数与电导率的关系可用魏德曼 （Wiedeman）-弗兰兹（Franz）方程描述 e L T 良好的电导体必然是良好的导热体，反之亦然。 二、导热系数 洛伦兹 数 电导率 10 对大多数均质固体，导热系数与温度近似呈线 性关系 0 1t 对大多数金属材料，为负值；而对大多数非金 属材料，为正值； 二、导热系数 11 2.液体的导热系数 除水和甘油外，大多数非金属液体的导热系数亦 随温度的升高而降低。 金属液体的导热系数比一般的液体要高 纯液体的导热系数比其溶液的要大 溶液的导热系数在缺乏数据时，可根据纯液体的 数据进行估算。公式55，56。 二、导热系数 12 3.气体的导热系数 气体导热系数

5、随温度升高而增大。 在相当大的压力范围内，气体的导热系数随压力 的变化很小，可以忽略不计。 气体混合物的导热系数可由式5-7估算。 二、导热系数 13 5.1 传热过程概述 5.1.1 热传导及导热系数 第五章 传 热 5.1.2 对流 14 对流是由流体内部各部分质点发生宏观运 动和混合而引起的热量传递过程。因此对流只 能发生在流体内部。 对流传热 在化工生产中特指流体与固体壁面之间的热 量传递过程。区别于一般意义的对流。 特点：靠近固体壁面附近的流体层中依靠热传导 方式传热，而在流体主体中则主要依靠对流方式 给热。 对流 对流传热：热对流+导热=对流传热 15 强制对流传热强制对流传热 自

6、然对流传热自然对流传热 蒸气冷凝蒸气冷凝 液体沸腾液体沸腾 对对 流流 传传 热热 无相变无相变 有相变有相变 对流传热分类： 对流 16 对流传热速率可由牛顿冷却定律描述 dQ t dS 温度差 对流传 热系数 微分对流 传热通量 对流 17 5.1 传热过程概述 5.1.1 热传导及导热系数 5.1.2 对流 第五章 传 热 5.1.3 热辐射 18 热辐射 因热的原因而产生的电磁波在空间的传递 称为热辐射。 热辐射 特点： 可以在完全真空的地方传递而无需任何介质。 不仅产生能量的转移，而且还伴随着能量形式 的转换。 任何物体只要在绝对零度以上，都能发射辐射 能，但仅当物体的温度较高、物体

7、间的温度差 较大时，辐射传热才能成为主要的传热方式。 19 5.1 传热过程概述 5.1.1 热传导及导热系数 5.1.2 对流 5.1.3 热辐射 第五章 传 热 5.1.4 冷热流体（接触）热交换方式及 换热器 20 一、直接接触式换热和混合式换热器 例如气体的冷却或水蒸气的冷凝，凉水塔、洗涤塔等。 二、蓄热式换热和蓄热器 三、间壁式换热和间壁式换热器 冷热流体（接触）热交换方式及换热器 21 图5-1 套管式换热器 1-内管 2-外管 冷热流体（接触）热交换方式及换热器 动画22 22 图5-2 单程管壳式换热器 1-外壳,2-管束,3、4-接管,5-封头,6-管 板,7-挡板,8-泄水

8、管 冷热流体（接触）热交换方式及换热器 动画21 23 随着随着 d 取为取为di , do , dm= ( di+do ) / 2，相应地有相应地有Si , So , Sm 。S 是换热器的是换热器的指标之一指标之一，同体积的换热器，同体积的换热器， S大者好。大者好。 由上可见，管壁是传递热量的中介。壁面积由上可见，管壁是传递热量的中介。壁面积的的 大大小反映传热面积的大小。对于列管式换热器：小反映传热面积的大小。对于列管式换热器： dLnS 冷热流体（接触）热交换方式及换热器 24 间壁式换热器内冷、热流体间的传热过程包括以 下三个步骤： （1）热流体以对流方式将热量传递给管壁； （2）

9、热量以热传导方式由管壁的一侧传递至另 一侧； （3）传递至另一侧的热量又以对流方式传递给 冷流体。 冷热流体（接触）热交换方式及换热器 25 5.1 传热过程概述 5.1.1 热传导及导热系数 5.1.2 对流 5.1.3 热辐射 5.1.4 冷热流体（接触）热交换方式及换热器 第五章 传 热 5.1.5 载热体及其选择 26 载热体及其选择 在化工生产中，物料在换热器内被加热或 冷却时，通常需要用另一种流体供给或取走热 量，此种流体称为载热体，其中起加热作用的 称为加热介质（或加热剂）；起冷却（冷凝） 作用的称为冷却介质（或冷却剂）。 载热体 27 选择载热体原则 （1）载热体的温度易调节控

10、制； （2）载热体的饱和蒸气压较低，加热时不易分 解； （3）载热体的毒性小，不易燃、易爆，不易腐 蚀设备； （4）价格便宜，来源容易。 表5-2、3给出了常用加热剂和冷却剂及其适用温 度范围。 载热体及其选择 28 第五章 传 热 5.2 热传导 5.2.1 平壁一维稳态热传导 29 传热速率传热速率Q 单位时间、通过传热面的热量，单位时间、通过传热面的热量， J/s或或W。反映设备的反映设备的传热能力传热能力。 热通量热通量 q= Q / S单位时间、通过单位传热面积单位时间、通过单位传热面积 的热量的热量, J/m2.s 或或 W/m2。反映设备的反映设备的传热性能传热性能。 传热速率和

11、热通量传热速率和热通量 传热速率传热速率Q=Q=传热推动力（温差）传热推动力（温差）/ /传热阻力传热阻力 通式表示通式表示： Q=Q=t/R Rt/R R：整个传热面的热阻，：整个传热面的热阻， / / W W q= q=t/R R t/R R ：单位传热面的热阻，：单位传热面的热阻，m m2 2 / / W W 30 稳态传热：稳态传热：在传热系统中不积累能量（即输入的能在传热系统中不积累能量（即输入的能 量等于量等于 输出的能量）的系统。输出的能量）的系统。 特点：特点：温度分布不随时间而变，传热速率在任何时间都为温度分布不随时间而变，传热速率在任何时间都为 常数。常数。 非稳态传热：非

12、稳态传热：在传热系统中积累能量（即输入的能量不等在传热系统中积累能量（即输入的能量不等 于输出的能量）的系统。于输出的能量）的系统。 特点：特点：温度分布随时间变化，传热速率在任何时间都为常温度分布随时间变化，传热速率在任何时间都为常 数。数。 化工生产过程中大多数为连续生产，故多为稳态传热，因化工生产过程中大多数为连续生产，故多为稳态传热，因 此本章重点讨论此本章重点讨论稳态传热稳态传热。 稳态传热和非稳态传热稳态传热和非稳态传热 31 一、单层平壁一维稳态热传导 图示为大平壁上的一小块 导热系数不随温度变化， 或可取平均值； 平壁面积壁厚， 壁边缘散失的热量可以忽 略。平壁成为稳定单层平

13、壁的热传导的一维温度场。 平壁，S为常数。 壁边缘热损不计，各等 温面传递的热量相等，即 Q=常数。 图5-3 单层平壁热传导 32 对平壁一维稳态热传导 dt QS dx 积分并整理得 12 () S Qtt b 微分式 积分式 一、单层平壁一维稳态热传导 n t dSdQ 33 12 ttt Q b R S 12 ttQt q b SR 热传导推动力 热传导速率 热传导热阻 导热热 阻 一、单层平壁一维稳态热传导 34 二、多层平壁的一维稳态热传导 图5-4 三层平壁热传导 假设： 1.导热系数不随温 度变化，或可取平 均值； 2.一维稳态 3.忽略热损失 4.没有接触热阻 35 通过各层

14、平壁截面的传热速率必相等 1234 QQQQQ 233412 123 123 tttttt QSSS bbb 233412 123 123 tttttt Q bbb SSS 或 二、多层平壁的一维稳态热传导 36 三层平壁稳态热传导速率方程 14 312 123 tt Q bbb SSS 对n层平壁，其传热速率方程可表示为 11n i i tt Q b S 二、多层平壁的一维稳态热传导 37 接触热阻 因两个接触表面粗糙不平而产生的附加热阻。 接触热阻包括通过实际接触面的导热热阻和 通过空穴的导热热阻（高温时还有辐射传热）。 接触热阻与接触面材料、表面粗糙度及接触 面上压力等因素有关，可通过实

15、验测定。 二、多层平壁的一维稳态热传导 38 图图5-5 5-5 接触热阻的影响接触热阻的影响 接触热 阻 二、多层平壁的一维稳态热传导 例题例题 有一燃烧平壁炉，炉壁由三种材料构成。内有一燃烧平壁炉，炉壁由三种材料构成。内 层层耐火砖耐火砖b1 =150mm，导热系数可取，导热系数可取1.05W/(m.)； 中间层保温砖中间层保温砖b2 =290mm，导热系数可取导热系数可取 0.15W/(m.)0.15W/(m.)；外层普通砖外层普通砖b3 =228mm，导热系数导热系数 可取可取0.81W/(m.)0.81W/(m.)；测得炉内外温度；测得炉内外温度 t1 =1016， t4 =34；试

16、求单位面积的；试求单位面积的热损失热损失和各和各层之间的温层之间的温 度度 ，假设各层之间接触良好。假设各层之间接触良好。 关系，求每种关系，求每种 材料的材料的 时，须已知该材料的平均温度或该壁两侧时，须已知该材料的平均温度或该壁两侧 壁表面温度。显然，要用壁表面温度。显然，要用试差法试差法。 ta 0 经过试差分别得：耐火砖经过试差分别得：耐火砖 1 =1.05W/(m. ); 绝热砖绝热砖 2 =0.15W/(m. ) ；普通砖普通砖 1 =0.81W/(m. ) 321 41 332211 41 RRR tt bbb tt q CW /5 .416 2815. 0933. 11492. 0 982 81. 0 228. 0 15. 0 29. 0 05. 1 15. 0 341016 233412 123 123 tttttt Q b