第四章传热第1、2节

1、O返回2022-5-9O返回2022-5-9一、传热在化工生产中的应用一、传热在化工生产中的应用 1、传热过程传热过程(传热操作单元传热操作单元)： 热量自动的从高温向低温传递的过程。由温差而引起热量自动的从高温向低温传递的过程。由温差而引起的能量传递。的能量传递。 2、传热研究的内容传热研究的内容： 热量传递的基本规律，利用其基本规律解决实际问题。热量传递的基本规律，利用其基本规律解决实际问题。 3、传热学传热学与与热力学热力学的关系：的关系： 热力学不研究热力学不研究传热的机理以及传热的快慢问题；传热的机理以及传热的快慢问题；而而传热学研究传热学研究传热过程的速率问题。传热过程的速率问题。

2、O返回2022-5-9传热的共性问题归纳如下传热的共性问题归纳如下1) 1)加热加热( (使物料升温使物料升温) )tt；冷却冷却( (使物料降温使物料降温) )tt，( (无相变化，无相变化，显热量显热量) )物料变温过程。物料变温过程。2) 2)蒸发、汽化、冷凝、沸腾蒸发、汽化、冷凝、沸腾( (t t不变不变) )，相变化，潜热量，相变化，潜热量物料相变过程。物料相变过程。 化工过程中解决的传热问题如下：化工过程中解决的传热问题如下：加强传热：加强传热：加热快、冷却快，即加快传热速度。加热快、冷却快，即加快传热速度。 削弱传热：保温削弱传热：保温防止热（冷）量损失，减少热量损失，防止热（冷

3、）量损失，减少热量损失， 热量的合理利用；节能。热量的合理利用；节能。O返回2022-5-9二、传热的三种方式二、传热的三种方式1 1、热传导、热传导( (导热导热) )：物体内部不发生质点的宏观运动，只靠物体内部不发生质点的宏观运动，只靠 物体各部位接触的能量传递。物体各部位接触的能量传递。 需要有温差需要有温差tt及及导热介质导热介质存在；固体、液体、气体存在；固体、液体、气体都可以作为导热介质，只是导热机理不同。都可以作为导热介质，只是导热机理不同。 纯粹的导热只发生在静止的固体内部。纯粹的导热只发生在静止的固体内部。O返回2022-5-92、热对流：、热对流：流体内发生相对位移过程中，

4、由于不同温度流体内发生相对位移过程中，由于不同温度 流体质点的位移及混合引起的热量传递。热对流只发生在流体质点的位移及混合引起的热量传递。热对流只发生在 流体内流体内( (传热介质传热介质) )。其中引起其中引起热对流热对流的原因不同，的原因不同，可将热对流分为两种：可将热对流分为两种：自然对流自然对流：流体流体内部内部有有温度差温度差tt而引起密度差而引起密度差，而引起热对流而引起热对流( (无无外力作用外力作用) )。强制对流强制对流：在在外力外力作用下作用下的热对流的热对流( (搅拌等搅拌等) )。O返回2022-5-93、热辐射热辐射: 不需要温差不需要温差tt及传热介质及传热介质，只

5、要物体具有一定温度，只要物体具有一定温度，向外辐射能量的现象。可在空间传播，辐射传热过程伴随向外辐射能量的现象。可在空间传播，辐射传热过程伴随热能与辐射能的转换。热能与辐射能的转换。4、化工过程中的传热方式、化工过程中的传热方式应该是应该是三种三种传热方式的组合，而不是单一的一种传热传热方式的组合，而不是单一的一种传热方式。方式。 在化工生产中将流体与固体间的传热在化工生产中将流体与固体间的传热( (导热导热+ +对流对流) )称为称为对流传热对流传热。 对流传热的特点：对流传热的特点：最终的热流方向总是由最终的热流方向总是由高温向低温高温向低温进行传递。进行传递。O返回2022-5-95、载

6、热体及其选择：、载热体及其选择： 在传热过程中，物料在换热器内在传热过程中，物料在换热器内被加热被加热或或被冷却被冷却，都需，都需要用要用另一种流体另一种流体提供或取走热量，均称为提供或取走热量，均称为载热体载热体。起加热作用的高温流体起加热作用的高温流体(T):(T):热流体热流体/ /加热剂加热剂起冷却作用的低温流体起冷却作用的低温流体(t): (t): 冷流体冷流体/ /冷却剂冷却剂载热体载热体 载热体的用量多与少，直接影响工程的经济效益。载热体的用量多与少，直接影响工程的经济效益。选择载热体还需以下原则：选择载热体还需以下原则：1) 1)载热体的温度易调节控制；饱和蒸汽压较低，不易分解

7、；载热体的温度易调节控制；饱和蒸汽压较低，不易分解；2) 2)毒性小，不易然、易爆，不易腐蚀设备；毒性小，不易然、易爆，不易腐蚀设备；3) 3)价格便宜，来源容易，等。价格便宜，来源容易，等。O返回2022-5-91 1、热源、热源 1 1）电热：）电热：特点是加热能达到的温度范围广，而且便于控制，使用方特点是加热能达到的温度范围广，而且便于控制，使用方便，比较清洁。便，比较清洁。但费用比较高。但费用比较高。2 2）饱和水蒸气：）饱和水蒸气： 优点：优点：饱和水蒸气的冷凝温度和压强是一一对应的关系，饱和水蒸气的冷凝温度和压强是一一对应的关系，调节饱和水调节饱和水蒸汽的压强就可以控制加热温度，蒸

8、汽的压强就可以控制加热温度，使用方便，而且饱和蒸汽冷凝过程的传使用方便，而且饱和蒸汽冷凝过程的传热速率快。热速率快。 缺点：缺点：饱和水蒸气冷凝传热能达到的温度受压强的限制。饱和水蒸气冷凝传热能达到的温度受压强的限制。 3 3）烟道气）烟道气 烟道气的温度可达烟道气的温度可达700700以上，可以将物料加热到比较高的温度以上，可以将物料加热到比较高的温度 。缺点：传热速度慢，温度不易控制。缺点：传热速度慢，温度不易控制。2 2、冷源：、冷源：一般采用一般采用水、空气和冷冻盐水水、空气和冷冻盐水等作为冷源。等作为冷源。 O返回2022-5-96、稳定传热与不稳定传热、稳定传热与不稳定传热1)稳定

9、传热稳定传热：流体温度只随位置改变，不随时间改变流体温度只随位置改变，不随时间改变( (传热速率传热速率 Q Q为常数为常数) )： t,T=f(x,y,z) t,T=f(x,y,z) 换热器中不积累热量，即换热器中不积累热量，即输入热量输入热量= =输出热量输出热量2)不稳定传热：不稳定传热：流体温度既随位置又随时间改变。不稳定传热流体温度既随位置又随时间改变。不稳定传热 过程的传热速率不为常数：过程的传热速率不为常数： t,T=f(x,y,z,)t,T=f(x,y,z,)O返回2022-5-9三、传热速率三、传热速率Q：2 2、热通量、热通量q q ( (热流密度热流密度) )：单位时间、

10、单单位时间、单 位传热面积上所位传热面积上所传递的热量。传递的热量。 w/mw/m qAQdAdQq;1 1、定义：、定义：单位时间传递热量的多少。单位时间传递热量的多少。 单位单位： w=J/sw=J/s；kw=kJ/s kw=kJ/s 或传热推动力与传热阻力之比。或传热推动力与传热阻力之比。 稳定传热稳定传热Q Q是常数是常数，即：，即：Q Q1 1=Q=Q2 2=Q=Q3 3 不稳定传热不稳定传热Q Q是变量。是变量。四、工程上换热设备中的传热方式：四、工程上换热设备中的传热方式：热量由高温自动的传向低温物体。热量由高温自动的传向低温物体。(1)(1)热流体与固体壁间的热流体与固体壁间的

11、热对流热对流Q Q1 1(2)(2)固体壁内的固体壁内的导热导热Q Q2 2(3)(3)固体壁与冷流体的固体壁与冷流体的热对流热对流Q Q3 3(4)(4)Q Q1 1 ，Q Q3 3为热对流速率，为热对流速率，Q Q2 2为导热速率为导热速率固体壁固体壁TQ1tQ3Q2TwtwO返回2022-5-93 3、传热速率的另一种表达：稳定传热：、传热速率的另一种表达：稳定传热：Q Q1 1 = Q = Q2 2 = Q= Q3 3 即各种传热方式的传热速率相等，传热方向与流体流动即各种传热方式的传热速率相等，传热方向与流体流动方向垂直。方向垂直。传热阻力传热温差传热热阻传热推动力传热速率33221

12、1RttQRtTQRTTQWWWW；总传热推动力：总传热推动力：tTtttTTTtWWWW)()()(总热阻：总热阻：321RRRR传热速率：传热速率：iiiiRtRtQQQQ321O返回2022-5-9研究导热主要解决以下重要问题：研究导热主要解决以下重要问题：导热速率导热速率 一、基本概念与傅立叶导热定律一、基本概念与傅立叶导热定律传热的传热的推动力推动力：温差温差，这种温度差异，说明存在这种温度差异，说明存在温度分布：温度分布：系统中温度的差别状态称系统的系统中温度的差别状态称系统的 温度分布温度分布。每一种。每一种温度分布温度分布表示对应的温差大表示对应的温差大小，决定了导热速率大小。

13、小，决定了导热速率大小。1、温度场：、温度场：物体各点的温度、时间物体各点的温度、时间 与空间与空间(x (x，y y，z) z) 分布状态总和的函数关系为分布状态总和的函数关系为温度场温度场。O返回2022-5-90t物系内任一点的空间坐标与时间的对应关系物系内任一点的空间坐标与时间的对应关系温度场温度场t=f(x，y，z,)不稳定的温度场不稳定的温度场 ( (t t随随x x、y y、z z、 同时改变同时改变) )不稳定传热：不稳定传热：Q Q不是常数。不是常数。t=f(x,y,z)稳定传热温度场稳定传热温度场稳定传热稳定传热0t特殊处理特殊处理: :系统内温度变化系统内温度变化仅沿一个

14、方向进行变化。仅沿一个方向进行变化。t=f(x)一维稳定温度场：一维稳定温度场：0; 0ztytO返回2022-5-9等温线：等温线： 在具有一定温度分在具有一定温度分布的温度场中，将温度布的温度场中，将温度相同的点联结称为相同的点联结称为等温等温线。线。等温面等温面：将等温线联结将等温线联结即为即为等温面。等温面。 因等温面上温度处处相等，因等温面上温度处处相等，所以不同温度的等温面不能相所以不同温度的等温面不能相交，交，温度温度t t是位置的单值函数。是位置的单值函数。温度场内，温度场内，等温面上等温面上t=0,t=0,没有热量传递。没有热量传递。O返回2022-5-9dxdtnt问题：问

15、题：tt最大的方向是什么方向？最大的方向是什么方向？ 由数学知由数学知tt最大最大的方向应该是垂直于等温面的方向应该是垂直于等温面的的法向方向法向方向。 即相邻两等温面的温差即相邻两等温面的温差tt与该两面的与该两面的垂直垂直距离距离nn之比，称之比，称温度梯度温度梯度( (t/ t/ n)n)定义温度梯度定义温度梯度: :nt tt t tq (q (与与n n方向相反方向相反) )ntnt0nim一维稳定温度场的温度梯度：一维稳定温度场的温度梯度：drdtntO返回2022-5-9 通过等温面的导热速率通过等温面的导热速率dQdQ与温度梯度与温度梯度t/ t/ n n及传热面积及传热面积d

16、SdS成成正比。正比。dxdtSQ 式中：式中：“”表示传热方向表示传热方向( (Q Q) )与温度梯度相反；与温度梯度相反； ：表示导热系数；表示导热系数； S：表示导热面积表示导热面积( (等温面等温面) )，垂直于热流方向上的截面积。垂直于热流方向上的截面积。dQ dS t/nntdSdQ稳定传热稳定传热Q Q是常数是常数一维一维O返回2022-5-9定义式：定义式：ntqntdSdQ1) )的物义的物义：单位温度梯度单位温度梯度( ( t/t/n n =1 =1) )，单位导热面积，单位导热面积S=1S=1时的导热速度时的导热速度Q= Q= J/s;J/s;表示物体的导热能力，即比较表

17、示物体的导热能力，即比较 值的大小即可确定值的大小即可确定导热速率。导热速率。2) 2) 的单位的单位：w/ m；kw/ m3) 3)的特性的特性：为物质的为物质的物理属性物理属性，值的大小表示其物质的导值的大小表示其物质的导 热能力。热能力。 值与物质的组成、结构、密度及所在温度有关；值与物质的组成、结构、密度及所在温度有关；值由实验测量并列表。值由实验测量并列表。与物质纯度有关：物质越纯，与物质纯度有关：物质越纯，；纯铜纯铜=377W/m;青铜青铜=187W/m；熟铁熟铁=61W/m;钢钢=45W/m;与物质内部结构有关：同一材料密度越大则与物质内部结构有关：同一材料密度越大则；硬朔料硬朔

18、料=20W/m；泡沫朔料泡沫朔料=0.02W/m；与物质物理性状有关：与物质物理性状有关：冰冰=2.25W/m；00水水=0.57W/m；00汽汽=0.016W/m。O返回2022-5-9气体液体非导体导体(1)(1)均匀固体的均匀固体的 ： =0 0(1+t)(1+t)0 0: :固体在固体在0 0 时的导热系数；时的导热系数； :温度系数温度系数1/1/；其；其与温度近似呈线性关系。与温度近似呈线性关系。1 1）金属的金属的00 0 对于固体其对于固体其值，可取不同的温度下的平均值值，可取不同的温度下的平均值 m m。(2)(2)液体的液体的:规律规律水和甘油的规律相同水和甘油的规律相同:

19、 : tt、 ； 其它液体：其它液体：t t ， 。(3) (3) 气体的气体的 ：一般比较小，有利于保温和绝热；一般比较小，有利于保温和绝热；规律规律 tt、 。O返回2022-5-9决定导热速率决定导热速率Q QSntS S的表达式由的表达式由换热器形状换热器形状决定决定温度梯度由温度梯度由导热方式导热方式决定决定1、单层平壁的稳定热传导单层平壁的稳定热传导 设设：平壁厚：平壁厚bm,bm,两侧外表面积两侧外表面积SmSm2 2 每个等温面或传热面相等；每个等温面或传热面相等； 导热方式：导热方式：热量从高温侧传导至热量从高温侧传导至低温侧；认为传热方向是低温侧；认为传热方向是垂直于垂直于

20、该壁该壁面进行，面进行，温度由温度由t t1 1降至降至t t2 2；导热系数导热系数为常数。为常数。O返回2022-5-92、单层平壁导热速率公式单层平壁导热速率公式dndtdSdQdxdtSQ平壁平壁S S为常数，为常数，边界条件：边界条件：2121;,0ttttbxttxbttdtSdxQ012导热热阻。导热热阻；bRRtbtSQqSbRRtbttSQ;21O返回2022-5-9xqttxqttxx11;dxdtSQq10ttxxdtdxq积分上式：3、单层平壁内的温度分布：单层平壁内的温度分布：平壁平壁S S为常数，设在为常数，设在x x处其温度为处其温度为t tx x：;比较与bax

21、y性的。平壁内的温度分布为线O返回2022-5-94、多层平壁的稳定热传导、多层平壁的稳定热传导讨论对象：三层平壁为均匀固体，讨论对象：三层平壁为均匀固体，且接触良好，两接触面的温度相同。且接触良好，两接触面的温度相同。对稳定传热对稳定传热:Q1=Q2=Q3三层固体壁厚三层固体壁厚:b:b1 1、b b2 2、b b3 3导热系数导热系数:1 1、2 2、3 3为常数为常数各层温变各层温变:t:t1 1tt2 2tt3 3tt4,4,R R1 1RR2 2RR3 3根据单层平壁的导热速率，知：根据单层平壁的导热速率，知：SbQtttQttbSQSbQtttQttbSQSbQtttQttbSQ3

22、34334333322322322221121121111)()()(O返回2022-5-9)(33221141321SbSbSbQttttt总热阻总推动力iRttSbSbSbtttQ41332211321推广到推广到n n层平壁的稳定热传导速度：层平壁的稳定热传导速度：iiniinbttSQqSbttQ1111;注意：注意：总推动力即总温差；推动力与阻力相对应，总推动力即总温差；推动力与阻力相对应，即推动力与阻力在同即推动力与阻力在同 一范围内。一范围内。O返回2022-5-9 以上结论是针对两面接触良好情况下以上结论是针对两面接触良好情况下得到的；实际情况是不同的两接触面间，得到的；实际情

23、况是不同的两接触面间，由于粗糙不平存在空隙而由于粗糙不平存在空隙而产生产生接触热阻接触热阻，使接触面处出现明显的温度降，这是中间使接触面处出现明显的温度降，这是中间有空隙造成的。有空隙造成的。 接触热阻接触热阻与材料、表面粗糙程度及接与材料、表面粗糙程度及接触面上的压强也有关系。触面上的压强也有关系。接触热阻值是由实验测得的，列表接触热阻值是由实验测得的，列表( (表表4-4)4-4)。O返回2022-5-9 某平壁层由三层材料组成，其厚度分别为某平壁层由三层材料组成，其厚度分别为30cm,25cm,40cm;30cm,25cm,40cm;导热系数分别为：导热系数分别为：1.6W/m1.6W/

24、m；0.58W/m0.58W/m；0.93W/m0.93W/m；已知；已知内层温度为内层温度为11001100；最外层温度为；最外层温度为100100；求：各层温度降？求：各层温度降？ 如果由于某种原因，在第二层与第三层之间有一如果由于某种原因，在第二层与第三层之间有一3mm3mm厚的厚的空气层，而要求热损失与原来相同，再求最外层温度为多少？空气层，而要求热损失与原来相同，再求最外层温度为多少？已知：已知：b1=0.3m,b2=0.25m,b3=0.4m;1= =1.6W/m;2= =0.58W/m；3= =0.93W/m;t1=1100;t4=100；求：求：1)t1;t2;t3;2)又有又

25、有b=0.003m=0.003m而而Q Q不变，不变，t t5=?(=?(查空气的查空气的0.031W/m)0.031W/m)O返回2022-5-993. 04 . 058. 025. 016. 13 . 0100110033221141bbbttq/8931198. 110002mWq得：由23116. 13 . 0893;111111bqtbtq38558. 025. 0893222bqt38493. 04 . 0893333bqtO返回2022-5-9则：4 .108693. 04 . 0031. 0003. 058. 025. 016. 13 . 051qtt空气层的温度降4 .860

26、31. 0003. 0893bqt93. 04 . 0031. 0003. 058. 025. 016. 13 . 01100533221151tbbbbttq6 .134 .108615ttO返回2022-5-9；则按单位厚度计算bt6 . 9;288;4 .15;1 . 7332211btbtbtbt但应该是静止空气。层，说明空气是较好的保温温度降最大为空气层，O返回2022-5-9O返回2022-5-9圆筒壁的圆筒壁的导热面导热面S S：不是常数，随管壁不是常数，随管壁半径（壁厚）半径（壁厚）r r改变：改变：S=2rL 导热（传热）方向导热（传热）方向：由圆心向：由圆心向外壁面发散进行。外壁面发散进行。设内壁温为设内壁温为t t1 1, ,内半