化工原理第四章传热4-1教材

1、第四章第四章 传传 热热第一节第一节 概述概述一、传热过程在化工生产中的应用传热：传热：是不同温度的两个物体之间或同一物体的两个不同温是不同温度的两个物体之间或同一物体的两个不同温度部位之间所进行的热的转移。度部位之间所进行的热的转移。传热在化学工程中的应用：传热在化学工程中的应用：其它设备其它设备60%传热设备传热设备40%几乎所有的化工生产过程均伴有传热操作几乎所有的化工生产过程均伴有传热操作聚氯乙烯生产：乳液聚合聚氯乙烯生产：乳液聚合8atm，55；合成氨：合成氨： 300atm，500，放热反应；，放热反应；锅炉烟道气温度锅炉烟道气温度800，如何利用？，如何利用？暖气管道的保温，暖气

2、片的散热。暖气管道的保温，暖气片的散热。对原料和产品进行加热及冷却：对原料和产品进行加热及冷却：几乎所有的化学反应过程都需要控制在一定的温度下进行。有些单元操作如蒸馏、蒸发、干燥和结晶等，都有一定的温度要求 能量回收：节能减排、资源回用！同时，是化工厂提高经济效益的一个重要措施！余热资源被认为是继煤、石油、天然气和水力之后的又一常规能源。例如：钢铁行业烟气余热回收对比例如：钢铁行业烟气余热回收对比余热没有回收余热没有回收热交换器进行余热回收热交换器进行余热回收回收余热、废热，充分利用能量：回收余热、废热，充分利用能量：对设备及管线进行保温（保冷），减少热量损失：对设备及管线进行保温（保冷），减

3、少热量损失： 强化传热过程：强化传热过程：对各种换热设备要求传热速率快，传热效果好，完成相同传热任务所需的传热面积少，传热设备的结构紧凑，设备费用低 抑制（削弱）传热过程：抑制（削弱）传热过程：如设备和管道的保温，要求传热速率慢，以减少热损失。化工生产过程对传热的要求：化工生产过程对传热的要求： 二、传热的三种基本方式二、传热的三种基本方式 1、热传导、热传导热量从物体内温度较高的部分传递到温度较低的部热量从物体内温度较高的部分传递到温度较低的部分，或传递到与之接触的另一物体的过程称为热传分，或传递到与之接触的另一物体的过程称为热传导，又称导热。导，又称导热。特点：特点：没有物质的宏观位移没有

4、物质的宏观位移 气体 分子做不规则热运动时相互碰撞的结果 固体 导电体：自由电子在晶格间的运动 非导电体：通过晶格结构的振动来实现的 液体 机理复杂2、对流、对流流体内部质点发生相对位移的热量传递过程流体内部质点发生相对位移的热量传递过程。强制对流：强制对流： 因泵（或风机）或搅拌等外力所导致的对流称为强制对流。因泵（或风机）或搅拌等外力所导致的对流称为强制对流。 流动的原因不同，对流传热的规律也不同。在同一流体中流动的原因不同，对流传热的规律也不同。在同一流体中有可能有可能同时发生同时发生自然对流和强制对流。自然对流和强制对流。热对流的两种方式：热对流的两种方式：自然对流：自然对流： 由于流

5、体各处的温度不同而引起的密度差异，致使流体产由于流体各处的温度不同而引起的密度差异，致使流体产生相对位移，这种对流称为自然对流。生相对位移，这种对流称为自然对流。 实际上热对流总伴随着热传导，因为流体中的分子总是在运动实际上热对流总伴随着热传导，因为流体中的分子总是在运动中。中。 化工中常遇到的是固体表面与接触流体之间的传热，其特点是化工中常遇到的是固体表面与接触流体之间的传热，其特点是壁面附近的流体层流内层中主要以传导方式传热壁面附近的流体层流内层中主要以传导方式传热, 流体主体中主要流体主体中主要以对流方式传热。以对流方式传热。对流对流传导传导对流传热对流传热 这种对流和传导联合作用的传热

6、过程也称为这种对流和传导联合作用的传热过程也称为对流传热。对流传热。固体壁面固体壁面层流内层层流内层湍体主体湍体主体流体流动流体流动3、热辐射、热辐射因热的原因而产生的因热的原因而产生的电磁波电磁波在空间的传递，称为热辐射。在空间的传递，称为热辐射。所有物体都能将热以电磁波的形式发射出去，而不需要任何所有物体都能将热以电磁波的形式发射出去，而不需要任何介质。当电磁波遇到物体时，又转变为热。介质。当电磁波遇到物体时，又转变为热。任何物体只要在绝对零度以上都能发射辐射能，但是只有在任何物体只要在绝对零度以上都能发射辐射能，但是只有在物体温度较高的时候，热辐射才能成为主要的传热形式。物体温度较高的时

7、候，热辐射才能成为主要的传热形式。三种传热方式一般不单独存在，往往相互伴随，同时出现。三种传热方式一般不单独存在，往往相互伴随，同时出现。p 能量转移、能量形式的转化p 不需要任何物质作媒介p EaT4冷、热流体在传热设备中通过冷、热流体在传热设备中通过直接混合的方式直接混合的方式进行热量交换，进行热量交换，又称为又称为混合式传热。混合式传热。 优点：优点：方便和有效，而且设备方便和有效，而且设备结构较简单，常用于热气体的水结构较简单，常用于热气体的水冷或热水的空气冷却。冷或热水的空气冷却。缺点：缺点：在工艺上必须允许两种在工艺上必须允许两种流体能够相互混合。流体能够相互混合。1 直接接触式传

8、热直接接触式传热冷热流体的接触方式冷热流体的接触方式2 蓄热式传热蓄热式传热冷、热两种流体交替冷、热两种流体交替通过同一蓄通过同一蓄热室时，即可通过填料将从热流体热室时，即可通过填料将从热流体来的热量传递给冷流体，达到换热来的热量传递给冷流体，达到换热的目的。的目的。优点：优点：结构较简单，可耐高温，结构较简单，可耐高温，常用于气体的余热或冷量的利用。常用于气体的余热或冷量的利用。缺点：缺点：由于填料需要蓄热，所由于填料需要蓄热，所以设备的体积较大，且两种流体交以设备的体积较大，且两种流体交替时难免会有一定程度的混合。替时难免会有一定程度的混合。3 间壁式传热间壁式传热在多数情况下，化工工艺上

9、在多数情况下，化工工艺上不允许冷热流体直接接触不允许冷热流体直接接触，故直接接触式，故直接接触式传热和蓄热式传热在工业上并不很多，工业上应用最多的是传热和蓄热式传热在工业上并不很多，工业上应用最多的是间壁式传热间壁式传热过过程。这类换热器的程。这类换热器的特点是特点是在冷、热两种流体之间用一金属壁在冷、热两种流体之间用一金属壁(或石墨等导热或石墨等导热性能好的非金属壁性能好的非金属壁)隔开，以便使两种流体在隔开，以便使两种流体在不相混合的情况下进行热量传不相混合的情况下进行热量传递递。这类换热器中以。这类换热器中以套管式换热器和列管式换热器套管式换热器和列管式换热器为典型设备。为典型设备。三、

10、两流体通过间壁换热与传热速率方程式三、两流体通过间壁换热与传热速率方程式1 1、间壁式换热器、间壁式换热器LdSoo 外传热面积：外传热面积： 内传热面积：内传热面积： LdSii 平均传热面积：平均传热面积： LdSmm 2 2、传热速率与热流密度、传热速率与热流密度传热速率传热速率Q：传热速率指的是由于传热面与介质间有温度差而使热量由高温处向低温处流动的速率；热流量，单位时间内通过换热器的整个传热面传递的热量，单位 J/s或W热流密度热流密度q：热通量，单位时间内通过单位传热面积传递的热量，单位 J/(s.m2)或W/m2AQq 式中，A总传热面积，m2。热流密度与传热面积热流密度与传热面

11、积A大小无关，完全取决于冷、热流体之间的大小无关，完全取决于冷、热流体之间的热量传递过程，是反映热量传递过程，是反映具体传热过程速率大小的特征量。具体传热过程速率大小的特征量。在传热体系中各点的在传热体系中各点的温度只随换热器的位置的变化而变，不随温度只随换热器的位置的变化而变，不随时间而变。特点：时间而变。特点：通过传热表面的传热速率为常量，热通量不通过传热表面的传热速率为常量，热通量不一定为常数。一定为常数。若传热体系中各点的若传热体系中各点的温度，既随位置的变化，又随时间变化。温度，既随位置的变化，又随时间变化。特点：特点：传热速率、热通量均为变量。传热速率、热通量均为变量。 通常连续生

12、产多为稳态传热，间歇操作多为非稳态传热。通常连续生产多为稳态传热，间歇操作多为非稳态传热。化工过程中连续生产是主要的，因而化工过程中连续生产是主要的，因而本章主要讨论稳态传热本章主要讨论稳态传热。3 3、稳态传热与非稳态传热、稳态传热与非稳态传热非稳态传热非稳态传热 ,zyxftqQ 稳态传热稳态传热 zyxftqQ, 0 t4 4、两流体通过间壁的传热过程、两流体通过间壁的传热过程t2t1T1T2对流对流对流对流导热导热冷流体Q热流体间壁管壁内侧热流体对流)(1) 1 (Q管管壁壁外外侧侧管管壁壁内内侧侧热热传传导导)(2)2(Q冷流体冷流体管壁外侧管壁外侧对流对流)(3)3(Q稳态传热：稳

13、态传热：QQQQ 321流体与壁面之间的热量传递以对流方式为主，并伴有流体分子热运动引起的热传导，通常把这一传热过程称为对流传热。5 5、传热速率方程式、传热速率方程式传热过程的推动力是两流体的温度差，因沿传热管长度不同位置的温度差不同，通常在传热计算时使用平均温度差，以 表示。经验指出，在稳态传热过程中，传热速率Q与传热面积A和两流体的温度差 成正比。即得传热速率方程式为：mtmt式中 K 总传热系数，W/(m2)或W/(m2K)； Q 传热速率，W或J/s； A 总传热面积，m2； tm 两流体的平均温差，或K。 总热阻总传热推动力KAttKAQ/1mm传递过程的普遍关系式为：传递过程的普

14、遍关系式为： 过程传递速率过程传递速率=过程的推动力过程的推动力/过程过程的阻力。的阻力。 (对传热，传质，动量传递对传热，传质，动量传递“三传三传”均适用）均适用）第二节第二节 热传导热传导一、傅立叶定理一、傅立叶定理,zyxft 式中 t某点的温度，； x,y,z某点的坐标； 时间。温度场：某时刻，物体或空间各点的温度分布。 (1)(1)温度场和等温面温度场和等温面不稳定温度场不稳定温度场 ,zyxft 稳定温度场稳定温度场 zyxft, 等温面等温面：在同一时刻，温度场中所有温度相同的点组成的面。 t1t2t1t2等温面Q0t等温面互不相交等温面互不相交等温面上没有热量传递等温面上没有热

15、量传递 (2)(2)温度梯度温度梯度 ntnttgradn0limt+tt-ttnQdA 温度梯度是一个点点的概念。温度梯度是一个向量。 方向垂直于该点所在等温面，以温度增的方向为正一维稳定热传导dxdt /（3 3）傅立叶定律）傅立叶定律dxdtAQ式中 Q 热传导速率，W或J/s； A 导热面积，垂直于热流方向的截面积，m2； dt/dx 为沿x方向的温度梯度，/m或K/m； 热导率或导热系数，W/(m)或W/(mK)。 傅立叶定律是热传导的基本定律，它指出：单位时间内传导傅立叶定律是热传导的基本定律，它指出：单位时间内传导的热量与温度梯度及垂直于热流方向的截面积成正比，即的热量与温度梯度

16、及垂直于热流方向的截面积成正比，即式中的负号指热流方向和温度梯度方向相反。式中的负号指热流方向和温度梯度方向相反。 为单位温度梯度下的热通量大小为单位温度梯度下的热通量大小(物理意义物理意义)表征物质导热能力的大小，表征物质导热能力的大小， 越大，导热性能越好越大，导热性能越好是物质的物理性质之一，其值与物质的组成，结构、密度、温是物质的物理性质之一，其值与物质的组成，结构、密度、温度及压强有关，由实验测得度及压强有关，由实验测得一般金属一般金属（固体）（固体）的导热系数的导热系数非金属（固体）非金属（固体）液体液体气体气体导热系数导热系数单位：单位：W/(m K)二、热导率二、热导率dxdt

17、AQdxdtAQ固体热导率固体热导率 金属材料金属材料 101010102 2 W/(m W/(m K)K) 建筑材料建筑材料 1010-1-110 W/(mK)10 W/(mK) 绝热材料绝热材料 1010-2-21010-1-1 W/(mK) W/(mK)液体热导率液体热导率 0.090.6 W/(mK) 金属液体金属液体 较高，非金属液体较高，非金属液体 低；低； 非金属液体水的非金属液体水的 最大；最大； 气体热导率气体热导率 一般情况下，一般情况下， 随随p p的变化可忽略；的变化可忽略； 气体不利于导热，有利于保温或隔热。气体不利于导热，有利于保温或隔热。0.0060.4 W/(m

18、K)1(0at 在一定温度范围内：在一定温度范围内：式中 0, 0, t时的导热系数，W/(mK)； a 温度系数。 对大多数金属材料和液体a 0 ， t 1无水甘油无水甘油2蚁酸蚁酸3甲醇甲醇4乙醇乙醇5蓖麻油蓖麻油6苯胺苯胺7醋酸醋酸8丙酮丙酮9丁醇丁醇10硝基苯硝基苯11异丙苯异丙苯12苯苯13甲苯甲苯14二甲苯二甲苯15凡士林油凡士林油0161026242012水水11514131211109876543285.98/(Wm-11）t /475153555759492060100140物质种类物质种类 金属固体金属固体 非金属固体非金属固体 液体液体 气体气体 物质状态物质状态同一种物

19、质同一种物质: 固体固体 液体液体 气体气体 0 冰冰 225 W/(m) 水水 0.57 W/(m) 水蒸汽水蒸汽 0.016 W/(m)温温 度度l 对大多数金属材料，液体（水、甘油除外）对大多数金属材料，液体（水、甘油除外） t l 绝热材料，气体绝热材料，气体 t 压压 强强l 压强变化对固体、液体的导热系数基本没有影响。压强变化对固体、液体的导热系数基本没有影响。l 对于气体：压强对于气体：压强p ， 。 （且一般压力变化大时才考虑。）（且一般压力变化大时才考虑。）如图所示：如图所示：bt1t2Qtt1t2obx平壁壁厚为平壁壁厚为b b，壁面积为，壁面积为A A；平壁侧面的温度平壁

20、侧面的温度t t1 1及及t t2 2恒定。恒定。4 4、平壁的稳态热传导、平壁的稳态热传导(1)(1)单层平壁的稳态热传导单层平壁的稳态热传导三点假设平壁材料均匀,导热系数不随温度而变;平壁内温度仅沿垂直于壁面的x方向变化;平壁面积A与厚度b相比很大,从壁边缘处损 失的热可忽略.一维定态传热一维定态传热由假设可知：为稳态一维热传导，根据傅里叶定律dxdtAQ210tbtQdtdxA 分离变量后积分得导热速率方程式12()QA ttb或1212()tttQbRAQqttAb传热推动力热阻讨论： QtR推动力热阻ttt()12RbA2分析平壁内的温度分布QdxAdtbtt012 上限由2ttbx

21、 时，xxtt时，AQxttttAxQ11)(1可表示为推动力：热阻：为 不随t变化， tx成呈线形关系。)1 (0at3当随t变化时() /122若随t变化关系为：则tx呈抛物线关系。 如：1t1，2t2用用平均温度下的导热系数计算传热速率即可。平均温度下的导热系数计算传热速率即可。mmttt221取取txxdxt1t2t1t2 0tt2 2），A=2rlA=2rl，导热系数，导热系数：计算：计算：傅立叶定律 QAtr ddrtrlrtAQdd2dd边界条件 rrtt11时，rrtt22时，得：Qdrrldtrrtt12122 21212ttrrdtlrdrQ设不随t而变 Rtrrlttrr

22、ttlQ12211221ln21ln)(2112211rrlnrrlnttttxxxxtttrrr11:,:若将积分限改为若将积分限改为t t1 1、t t2 2、r r1 1、r r2 2 为定值，可以写成：为定值，可以写成：xxrlnbat可见，单层圆筒壁内部温度随半径呈可见，单层圆筒壁内部温度随半径呈对数曲线对数曲线变化。变化。圆筒壁内温度分布：圆筒壁内温度分布：1222112212111ln122lnttQrrttQrLrrLrrr 或21122mmmttQbSSr Lbrr再令：，导热推动力上式进一步变为：圆筒壁导热热阻2121:lnmrrrrr令12211()2mttQrrL r

23、则上式变为：mAttQ21圆筒壁导热方程的简化圆筒壁导热方程的简化另一形式：另一形式：以平均面积以平均面积S Sm m 代替导热面积代替导热面积S S ，把圆筒壁看作平壁的一，把圆筒壁看作平壁的一个特例，有：个特例，有：注：注：当当r r2 2/r/r1 1 22时，以时，以r rm m=(r=(r1 1+r+r2 2)/2)/2来代替来代替，误差小于，误差小于4 4。mmrmS2圆筒壁的对数平均半径，圆筒壁内外表面的对数平均面积，m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特点：特点：圆筒壁的传热面积不是常

24、量，随半径而变；故圆筒壁的传热面积不是常量，随半径而变；故热通热通量量也随半径而变。也随半径而变。平壁与圆筒壁的比较：平壁与圆筒壁的比较：注：在稳态下通过圆筒壁的导热速率Q与坐标r无关，但热流密度q1221ln2rrrttrlQAQq却随坐标r变化，因此，工程上为了计算方便，按单位圆筒壁长度计算导热速率，记为ql无关。与坐标一定时，可见，当比值rq/rrrrttlQqll121221ln2 对稳定导热过程，单位时间内由多层壁所传导的热量，亦对稳定导热过程，单位时间内由多层壁所传导的热量，亦即等于经过各单层壁所传导的热量：即等于经过各单层壁所传导的热量：Q1 = Q2 = = Qn如图所示：以三

25、层圆筒壁为例。如图所示：以三层圆筒壁为例。假定各层壁厚分别为假定各层壁厚分别为b b1 1= r= r2 2- - r r1 1， b b2 2=r=r3 3- r- r2 2，b b3 3=r=r4 4- r- r3 3； 各层材料的导热系数各层材料的导热系数1 1，2 2，3 3皆视为常数；皆视为常数； 层与层之间接触良好，相互层与层之间接触良好，相互接触的表面温度相等，各等接触的表面温度相等，各等温面皆为同心圆柱面。温面皆为同心圆柱面。(2) (2) 多层圆筒壁的稳定热传导多层圆筒壁的稳定热传导343432323212121ln1)(2ln1)(2ln1)(2rrttlrrttlrrtt

26、lQ34323212141ln1ln1ln1)(2rrrrrrttlQ34323212141ln1ln1ln1)(2rrrrrrttql321QQQQ例：在一例：在一 的钢管外包有两层绝热材料，里层为的钢管外包有两层绝热材料，里层为40mm的氧化镁粉，平均导热率为的氧化镁粉，平均导热率为 =0.07W/(m oC)，外层为外层为20mm的石棉层，平均导热率为的石棉层，平均导热率为 =0.15W/(m oC)。测得管内壁。测得管内壁温度为温度为500oC, 最外层表面温度为最外层表面温度为80oC，管壁的热导率，管壁的热导率 =45W/(m oC) 。试求每米管长的热损失及两层保温层界面的。试求

27、每米管长的热损失及两层保温层界面的温度。温度。 解解: (1) : (1) 每米管厂的热损失每米管厂的热损失34323212141ln1ln1ln1)(2rrrrrrttqlmmmm5 . 360此处，此处，r1=0.03-0.0035=0.0265m r2=0.0265+0.0035=0.03m r3=0.03+0.04=0.07m r4=0.07+0.02=0.09mmWql/19107. 009. 0ln15. 0103. 007. 0ln07. 010265. 003. 0ln451)80500(14. 32Cttrrrrttqol13203. 007. 0ln07. 010265.

28、003. 0ln451)500(14. 32191ln1ln1)(23323212131(2) 保温层界面温度t3 例题例题 A型分子筛制备中使用的间歇釜式反应器，反型分子筛制备中使用的间歇釜式反应器，反应釜的釜壁为应釜的釜壁为5mm厚的不锈钢板厚的不锈钢板()，粘附内壁的污垢层厚，粘附内壁的污垢层厚lmm()，釜夹套中通入，釜夹套中通入0.12MPa饱和水蒸气饱和水蒸气(t1105)进行进行加热，釜垢层内壁面温度加热，釜垢层内壁面温度t3为为90，试计算釜壁的面，试计算釜壁的面积热流量，并与无污垢层积热流量，并与无污垢层(设内壁面温度不变设内壁面温度不变)作比较。作比较。 11116KmW1

29、126 . 0KmW解解： =7579Wm-2 无污垢层时：无污垢层时：=48 000 Wm-2 计算结果表明，计算结果表明，污垢层虽薄，但因其热导率很小，对传热影污垢层虽薄，但因其热导率很小，对传热影响很大，热阻主要集中在污垢层中响很大，热阻主要集中在污垢层中。 iibttq311311bttq例 38mm2.5mm的水蒸汽管钢的=50W/(mK)包有隔热层.第一层是40mm厚的矿渣棉=0.07W/(mK),第二层是20mm厚的石棉泥 =0.15W/(mK).若管内壁温度为140,石棉泥外壁温度为30 .试求每米管长的热损失速率.若以同量的石棉作内层,矿渣棉作外层时,情况如何?试作比较.解:根据题意得033. 01d5011401t038. 02d07. 02158. 01d118. 03d15.03304tmWddtlQnn/1 .38118. 0158. 0ln15. 01038.