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25.1 5.1 传热过程概述传热过程概述第五章第五章 传传 热热3传热传热热量从高温度区向低温度区移动的过程称为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。量传递，简称传热。 概述概述4化学反应化学反应(放热放热)快点把热量取快点把热量取走吧走吧,否否则则化学反应化学反应(吸热吸热)快点加点热量快点加点热量吧吧,否则否则单元操作单元操作 按一定速率输按一定速率输入或输出热量入或输出热量5一是一是强化传热过程强化传热过程，如各种换热设备中的传热。，如各种换

2、热设备中的传热。二是二是削弱传热过程削弱传热过程，如对设备或管道的保温，以，如对设备或管道的保温，以减少热损失。减少热损失。化工生产中对传热过程的要求化工生产中对传热过程的要求概述概述6根据传热机理的不同根据传热机理的不同,热的传递有三种基本方式热的传递有三种基本方式:传导传导(heat conduction)对流对流(heat convection)辐射辐射(heat radiation)7稳态传热稳态传热(steady heat transfer)：传热系统中各传热系统中各点的温度点的温度不不随时间而改变。随时间而改变。非稳态传热非稳态传热(non-steady heat transfer

3、)：传热系传热系统中各点温度既随位置又随时间而变。统中各点温度既随位置又随时间而变。均衡的连续操作均衡的连续操作间歇操作间歇操作),(zyxtt ),(zyxtt 8传热中的一些基本物理量和单位传热中的一些基本物理量和单位热量热量(heat quantity）：）：是能量的一种形式。是能量的一种形式。 1 J = 0.2389 cal传热速率传热速率Q(heat transfer rate, heat flux):也称热也称热流量，是指单位时间传递的热量，单位为流量，是指单位时间传递的热量，单位为W。热流密度热流密度(heat density):也称为传热强度、也称为传热强度、热通热通量量，是

4、单位时间单位传热面积所传递的热量，是单位时间单位传热面积所传递的热量，是是传热设备的性能标志之一传热设备的性能标志之一，单位为，单位为W.m-2。SQq/95.1 5.1 传热过程概述传热过程概述5.1.15.1.1热传导及导热系数热传导及导热系数第五章第五章 传传 热热10一、热传导一、热传导( (导热导热) ) 不依靠物体内部各部分质点的宏观混合运不依靠物体内部各部分质点的宏观混合运动，而是借助于物体分子、原子、离子、自由动，而是借助于物体分子、原子、离子、自由电子等电子等微观粒子微观粒子的的热运动热运动产生的热量传递称为产生的热量传递称为热传导，简称导热。热传导，简称导热。 想一想想一想

5、什么情况下热量的传递主要是传导传热什么情况下热量的传递主要是传导传热？固体固体静止静止流体流体传热方向与传热方向与流体质点运流体质点运动方向相垂动方向相垂直直11dQtdSn 傅立叶定律（傅立叶定律（Fouriers Law）温度梯温度梯度度导热系导热系数数微分导微分导热通量热通量热通量与热通量与温度梯度温度梯度方向相反方向相反一、热传导一、热传导( (导热导热) )12二、导热系数二、导热系数导热系数dQ dStn 导热系数导热系数表征了物质热传导能力的大小，是表征了物质热传导能力的大小，是物质的基本物质的基本物理性质物理性质之一，其值与物质的形态、之一，其值与物质的形态、组成、密度、温度等

6、有关。组成、密度、温度等有关。 13导热系数导热系数W/(m.W/(m.o oC)C)0.0060.0060.060.060.10.10.70.70.20.23.03.015154204200.0030.0030.060.06气体气体液体液体非导电固体非导电固体金属金属绝热材料绝热材料二、导热系数二、导热系数141.1.固体固体的导热系数的导热系数纯金属的纯金属的导热系数导热系数与与电导率电导率的关系可用魏德曼的关系可用魏德曼（WiedemanWiedeman）- -弗兰兹（弗兰兹（FranzFranz）方程描述）方程描述 eLT良好的电导体必然是良好的导热体，反之亦然。良好的电导体必然是良好

7、的导热体，反之亦然。 二、导热系数二、导热系数合金的导热系数比纯金属要低。合金的导热系数比纯金属要低。15对大多数对大多数均质固体均质固体，导热系数与温度近似呈线，导热系数与温度近似呈线性关系性关系 01t对大多数金属材料，对大多数金属材料， 为负值；为负值；而对大多数非金属材料，而对大多数非金属材料， 为正值；为正值；对理想气体，对理想气体， =1/=1/T T ，1/K1/K。 二、导热系数二、导热系数162.2.液体液体的导热系数的导热系数除水和甘油外除水和甘油外，大多数，大多数非金属液体非金属液体的导热系数亦的导热系数亦随温度的升高而降低。随温度的升高而降低。 金属液体金属液体的导热系

8、数比的导热系数比一般的液体一般的液体要高。要高。 纯液体纯液体的导热系数比其的导热系数比其溶液溶液的要大。的要大。 二、导热系数二、导热系数173.3.气体气体的导热系数的导热系数气体导热系数随温度升高而增大气体导热系数随温度升高而增大。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。的变化很小，可以忽略不计。 二、导热系数二、导热系数气体的气体的 值很小，对导热不利，但对却对保温有利。值很小，对导热不利，但对却对保温有利。185.1 5.1 传热过程概述传热过程概述5.1.1 5.1.1 热传导及导热系数热传导及导热系数第五章第五

9、章 传传 热热5.1.2 5.1.2 对流对流19 对流是由流体内部各部分质点发生对流是由流体内部各部分质点发生宏观宏观运运动和混合而引起的热量传递过程。动和混合而引起的热量传递过程。 对流对流对流传热对流传热 在化工生产中特指流体与固体壁面之间的在化工生产中特指流体与固体壁面之间的热量传递过程。热量传递过程。 对流对流20因流体质点位置变动而形成的因流体质点位置变动而形成的对流有两种形式对流有两种形式：自然对流自然对流( (natural convection)natural convection)：因流体内部存在温因流体内部存在温度差，引起密度差异而形成的度差，引起密度差异而形成的流体微团

10、发生运动流体微团发生运动。强制对流强制对流( (forced convection)forced convection)：借助于机械搅拌借助于机械搅拌或机械作用而引起流体微团发生运动。或机械作用而引起流体微团发生运动。强制对流比自然对流有较好的传热效果。强制对流比自然对流有较好的传热效果。21对流传热速率可由对流传热速率可由牛顿冷却定律牛顿冷却定律描述描述 dQtdS温度差温度差对流传对流传热系数热系数微分对流微分对流传热通量传热通量对流对流225.1 5.1 传热过程概述传热过程概述5.1.1 5.1.1 热传导及导热系数热传导及导热系数5.1.2 5.1.2 对流对流第五章第五章 传传 热

11、热5.1.3 5.1.3 热辐射热辐射23 因热的原因而产生的电磁波在空间的传递因热的原因而产生的电磁波在空间的传递称为称为热辐射热辐射。 热辐射1.1.可以在完全真空的地方传递而无需任何介质。可以在完全真空的地方传递而无需任何介质。 2.2.不仅产生能量的转移，而且还伴随着能量形不仅产生能量的转移，而且还伴随着能量形式的转换。式的转换。 3.3.任何物体只要在绝对零度以上，都能发射辐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、物体间的温度射能，但仅当物体的温度较高、物体间的温度差较大时，辐射传热才能成为主要的传热方式。差较大时，辐射传热才能成为主要的传热方式。 24斯蒂

12、芬斯蒂芬波兹曼（波兹曼（StefanBoltzmann）定律定律理想辐射体（黑体）的辐射能力（单位表面积向外发射能理想辐射体（黑体）的辐射能力（单位表面积向外发射能量的速率）量的速率）Eb与其热力学温度的四次方成正比：与其热力学温度的四次方成正比：40TEb 0斯蒂芬斯蒂芬波兹曼常数，其值为波兹曼常数，其值为5.669 10-8 W.m-2.K-4。255.1 5.1 传热过程概述传热过程概述5.1.1 5.1.1 热传导及导热系数热传导及导热系数5.1.2 5.1.2 对流对流5.1.3 5.1.3 热辐射热辐射第五章第五章 传传 热热5.1.45.1.4 冷热流体（接触）热交换方式及冷热流

13、体（接触）热交换方式及换热器换热器26一、直接接触式换热和混合式换热器一、直接接触式换热和混合式换热器 二、蓄热式换热和蓄热器二、蓄热式换热和蓄热器三、间壁式换热和间壁式换热器三、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冷热流体（接触）热交换方式及换热器27图图5-1 5-1 套管式换热器套管式换热器1-1-内管内管 2-2-外管外管冷热流体（接触）热交换方式及换热器冷热流体（接触）热交换方式及换热器动画2228图图5-2 5-2 单程管壳式换热器单程管壳式换热器1-1-外壳外壳,2-,2-管束管束,3,3、4-4-接管接管,5-,5-封头封头,6-,6-管管板板,7-,7-

14、挡板挡板,8-,8-泄水池泄水池 冷热流体（接触）热交换方式及换热器冷热流体（接触）热交换方式及换热器动画2129间壁式换热器间壁式换热器内冷、热流体间的传热过程包括以内冷、热流体间的传热过程包括以下三个步骤：下三个步骤：（1 1）热流体以）热流体以对流对流方式将热量传递给管壁；方式将热量传递给管壁；（2 2）热量以）热量以热传导热传导方式由管壁的一侧传递至另方式由管壁的一侧传递至另一侧；一侧；（3 3）传递至另一侧的热量又以）传递至另一侧的热量又以对流对流方式传递给方式传递给冷流体。冷流体。冷热流体（接触）热交换方式及换热器冷热流体（接触）热交换方式及换热器305.1 5.1 传热过程概述传

15、热过程概述5.1.1 5.1.1 热传导及导热系数热传导及导热系数5.1.2 5.1.2 对流对流5.1.3 5.1.3 热辐射热辐射5.1.4 5.1.4 冷热流体（接触）热交换方式及换热器冷热流体（接触）热交换方式及换热器第五章第五章 传传 热热5.1.5 5.1.5 载热体及其选择载热体及其选择31载热体及其选择载热体及其选择 在化工生产中，物料在换热器内被加热或在化工生产中，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

16、（冷凝）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）。作用的称为冷却介质（或冷却剂）。载热体载热体32选择载热体原则选择载热体原则（1 1）载热体的温度易调节控制；）载热体的温度易调节控制；（2 2）载热体的饱和蒸气压较低，加热时不易分解；）载热体的饱和蒸气压较低，加热时不易分解；（3 3）载热体的毒性小，不易燃、易爆，不易腐蚀设备；）载热体的毒性小，不易燃、易爆，不易腐蚀设备；（4 4）价格便宜，来源容易。）价格便宜，来源容易。载热体及其选择载热体及其选择33第五章第五章 传传 热热5.2 5.2 热传导热传导5.2.1 5.2.1 平壁一维稳态热传导平壁一维稳态热

17、传导34一、单层平壁一维稳态热传导一、单层平壁一维稳态热传导假设假设：1.1.导热系数不随温导热系数不随温度变化，或可取平度变化，或可取平均值；均值；2.2.一维稳态一维稳态3.3.忽略热损失。忽略热损失。 图图5-3 5-3 单层平壁热传导单层平壁热传导35对对平壁一维稳态热传导平壁一维稳态热传导 dtQSdx 积分并整理得积分并整理得12()SQttb微分式 积分式 一、单层平壁一维稳态热传导一、单层平壁一维稳态热传导3612tttQbRS12ttQtqbSR热传导推动力热传导速率热传导热阻导热热导热热阻阻一、单层平壁一维稳态热传导一、单层平壁一维稳态热传导热通量热通量37二、多层平壁的一

18、维稳态热传导二、多层平壁的一维稳态热传导图图5-4 5-4 三层平壁热传导三层平壁热传导假设：假设：1.1.导热系数不随温导热系数不随温度变化，或可取平度变化，或可取平均值；均值；2.2.一维稳态一维稳态3.3.忽略热损失忽略热损失4.4.没有接触热阻没有接触热阻 38通过各层平壁截面的传热速率必相等通过各层平壁截面的传热速率必相等 1234QQQQQ233412123123ttttttQSSSbbb233412123123ttttttQbbbSSS或或二、多层平壁的一维稳态热传导二、多层平壁的一维稳态热传导39三层平壁稳态热传导速率方程三层平壁稳态热传导速率方程 14312123ttQbbb

19、SSS对对n层平壁，其传热速率方程可表示为层平壁，其传热速率方程可表示为11niittQbS二、多层平壁的一维稳态热传导二、多层平壁的一维稳态热传导40bbbbtttt:332211321各层的温度降各层的温度降与各层的热阻与各层的热阻成正比成正比根据以上关系也可以求得两根据以上关系也可以求得两层壁交界处的温度或任何一层壁交界处的温度或任何一点的温度点的温度.41接触热阻 因两个接触表面粗糙不平而产生的附加热阻。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）。通过空穴的导热热阻（高温

20、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，可通过实验测定。面上压力等因素有关，可通过实验测定。 二、多层平壁的一维稳态热传导二、多层平壁的一维稳态热传导42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二、多层平壁的一维稳态热传导43第五章第五章 传传 热热5.2 5.2 热传导热传导5.2.1 5.2.1 平壁一维稳态热传导平壁一维稳态热传导5.2.2 5.2.2 圆筒壁的一维稳态热传导圆筒壁的一维稳态热传导44一、单层圆筒壁的一维稳态热传导一、单层圆筒壁的一维稳态热传导常量常量常量常量传热速率传热速率传热面积传热面积热通量热通量平壁平壁圆筒壁圆筒壁常量常量随半径变随半径变常量常量随半径变随半径变45图图5-6 5-6 单层圆筒壁的热传导单层圆筒壁的热传导一、单层圆筒壁的一维稳态热传导一、单层圆筒壁的一维稳态热传导46通过该薄圆筒壁的传热速率可以表示为通过该薄圆筒壁的传热速率可以表示为 (2)dtdtQSrLdrdr 12212ln()ttQLr r积分并整理得积分并整理得微分式 积分式 一、单层圆筒壁的一维稳