《化工传热与控制技术》课件-项目2热量传递

CaloriesChemicalIndustry第一节

热量传递的方式化工传热与控制技术第一节热量传递的方式热量Q由热力学第二定律可知，物质之间只要存在温度差，就会发生热量传递，当没有外功加入时，热量总是自发从高温物质向低温物质传递。第一节热量传递的方式日常生活中，到处都会有温差的存在，无论是在能源石油化工食品船舶，矿山机械冶金建筑航空等领域，还是在农业环境保护等其他部门都涉及到很多传热问题。化工生产过程中涉及的传热过程主要有两种情况第一节热量传递的方式强化传热过程，如各种热交换设备中的传热；削弱传热过程，如对设备和管道的保温，以减少热量损失。传热速率问题根据传热机理的不同，热的传递主要有三种方式：第一节热量传递的方式物体各部分之间无宏观运动

通过物质的分子、原子和电子的振动、位移和相互碰撞发生的热量传递过程。热传导流体中质点发生相对位移而引起的热量传递过程，仅发生在液体和气体中。通常认为是流体与固体壁面之间的热传递过程。对流传热物体由于热的原因而发出辐射能的过程。辐射传热根据冷热流体的接触情况，热传过程中冷热流体的接触方式主要有三种方式：第一节热量传递的方式例如热气体的直接水冷及热水的直接空气冷却，可使得冷、热流体直接接触进行传热。直接接触式传热间壁式传热化工生产中，大多数情况不允许冷、热流体直接接触传热，更多用到的是间壁式传热。这种热量传递过程主要包括三个步骤。1热流体给热于管壁内侧2热量自管壁内侧传导至管壁外侧3管壁外侧给热于冷流体首先使热流体流过蓄热器中固体壁面，用热流体将固体填充物加热；然后停止热流体，使冷流体流过固体表面，用固体填充物所积蓄之热量加热冷流体。如此周而复始，冷、热流体交替流过壁面，达到冷热流体之间传热的目的。蓄热式传热CaloriesChemicalIndustry第二节

热传导化工传热与控制技术目录CONTENTS01傅立叶定律02导热系数03通过平壁的稳定热传导04通过圆管壁的稳定热传导在气态、液态和固态物质中都可以发生，但传递的方式和机理是不同的。第二节热传导物体各部分之间无宏观运动。条件通过物质的分子、原子和电子的振动、位移和相互碰撞发生的热量传递过程。机理热量传递是气体分子作不规则热运动时相互碰撞的结果；气

体以两种方式传递热量：晶格振动和自由电子的迁移；固

体液体的结构介于气体和固体之间，分子可作幅度不大的位移，热量的传递既由于分子的振动，又依靠分子间的相互碰撞。液

体

第二节热传导一、温度场与温度梯度温度场就是任一瞬间物体或系统内各点的温度分布总和一般情况下，物体内任一点的温度为该点的位置以及时间的函数，即：t=f(x、y、z、θ)第二节热传导若为稳态温度场稳态的一维温度场第二节热传导温度随距离的变化程度以沿与等温面的垂直方向为最大。通常，将温度为(t+Δt)与t两相邻等温面之间的温度差Δt，与两面间的垂直距离Δn之比值的极限称为温度梯度。温度梯度图片来源：百度百科第二节热传导热传导的微观机理较为复杂，但这宏观规律可用傅里叶定律加以描述，表明单位时间内通过某一截面的热量与该截面处的温度梯度成正比，且热量传递的方向与温度升高的方向相反。一、傅立叶定律热量传递的推动力负号表示热量通量方向与温度梯度的方向相反，即热量是沿着温度降低的方向传递的。λ：热导率热量通量与温度梯度成正比或第二节热传导导温系数是物质的性质，反映温度变化在物体中的传播能力说明物体的某部分一旦获得热量，该热量能在整个物体中很快扩散单位体积物质温度升高1℃时所需要的热量，代表物质的蓄热能力导热系数，表明物质的导热能力(4.2.5)第二节热传导二、导热系数1导热物质在单位面积、单位温度梯度下的导热速率2表明物质导热性强弱即导热能力的大小3是物质的物理性质，与物质的种类、温度和压力有关4不同物质的导热系数差异较大对于同一种物质，λ值可能随不同的方向变化——各向异性(1)气体的导热系数随温度升高而增高，近似与绝对温度的平方根成正比。一般情况下，压力对其影响不大，但在高压（高于200MPa）或低压（低于2.7kPa）下，气体的导热系数随压力的升高而增大。(一)λ的影响因素：第二节热传导二、导热系数气体的导热系数(2)液体的导热系数随温度升高而减小（水、甘油例外）压力对其影响不大。经验公式：水甘油T/℃[W·(m·k)-1][W·(m·k)-1]第二节热传导二、导热系数液体的导热系数1-无水甘油；2-蚁酸；3-甲醇；4-乙醇；5-蓖麻油；6-苯胺；7-乙酸；8-丙酮；9-丁醇；10-硝基苯；11-异丙苯；12-苯；13-甲苯；14-二甲苯；15-凡士林油；16-水(用右边的坐标)(3)固体的导热系数影响因素较多纯金属的导热系数随温度升高而减小；合金却相反，随温度上升而增大。晶体的导热系数随温度的升高而减小，非晶体则相反。第二节热传导二、导热系数固体的导热系数（二）工程中常用材料的导热系数第二节热传导金属液体隔热材料气体金属50～415W/(m·K)，合金12～120W/(m·K)0.03～0.17W/(m·K）0.17～0.7W/(m·K)0.007～0.17W/(m·K)水氢换热壁面材料水是工程上最常用的导热介质保温材料受潮后隔热性能将大幅度下降——防潮多孔材料作为保温材料在液体中，水的导热系数最大，20℃时为0.6W／(m·K)。因此，水是工程上最常用的导热介质。水比空气的导热系数大得多，隔热材料受潮后其隔热性能将大幅度下降。因此，露天保温管道必须注意防潮。气体的导热系数很小，对导热不利，但利于绝热、保温。工业上常用多孔材料作为保温材料，就是利用了空隙中存在的气体，使导热系数变小。第二节热传导(1)液体(2)气体(3)非金属非金属中，石墨的导热系数最高，可达100～200W／（m·K），高于一般金属；同时，由于其具有耐腐蚀性能，因此石墨是制作耐腐蚀换热器的理想材料。平壁厚度为

b

，壁面两侧温度分别为T1T2一维稳态热传导(4.2.6)(4.2.7)第二节热传导三、通过平壁的稳定热传导(一)单层平壁的稳态热传导第二节热传导传导距离越大，传热壁面和导热系数越小，则导热热阻越大温差ΔT

为传热的推动力。传热速率=传热的推动力导热热阻采用圆柱坐标时，即为一维稳态热传导对于半径为r的等温圆柱面，根据傅立叶定律，有稳态导热时，径向的Q为常数，将上式分离变量并积分内径r1外径r2半径r(4.2.13)第二节热传导四、通过圆管壁的稳定热传导传热面积随半径发生变化CaloriesChemicalIndustry第三节

对流传热化工传热与控制技术搅拌杯中热水流体流动使对流传热速率加快——

加快热水冷却人站在冷风里——

与站在背风的地方相比感觉要冷得多在高温的夏季里，打开电扇——

人会感到凉快电扇风速越大，感觉愈凉快些（1）流动对传热的贡献第三节对流传热流体中质点发生相对位移而引起的热量传递过程对流传热仅发生在流体中对流与热传导的区别：流体质点的相对位移第三节对流传热对流给热的分类对流给热强制对流给热自然对流给热蒸汽冷凝给热液体沸腾给热液体无相变化的给热过程发生相变化的给热过程第三节对流传热指流体流过与其温度不同的固体壁面时流体与壁面之间的热量交换对流换热（2）对流换热过程对流换热过程是热传导与对流联合作用的结果。（1）热量由热流体传给固体壁面（2）热量由壁面的热侧传到冷侧（3）热量由壁面的冷侧传到冷流体对流传热对流传热导热第三节对流传热（3）间壁式换热器热量传递过程：对流导热对流（1）物性特征（2）几何特征固体壁面的形状、尺度、方位、粗糙度、是否处于管道进口段以及是弯管还是直管等。第三节对流传热一、影响对流传热的因素流体的密度p

或比热容Cp越大，流体与壁面间的传热速率越大导热系数λ越大，热量传递越迅速；体的黏度μ越大，越不利于流动，会削弱与壁面的传热。（3）流动特征第三节对流传热一、影响对流传热的因素流动起因（自然对流、强制对流）有无相变化（液体沸腾、蒸汽冷凝）流动状态（层流、湍流）流体对流方式（并流、逆流、错流）(一)

流动边界层的传热机理及温度分布第三节对流传热二、对流传热的机理流体层与层之间无流体质点的宏观运动，在垂直于流动方向上，热量的传递通过导热进行。（1）层流边界层层流区湍流区(一)

流动边界层的传热机理及温度分布第三节对流传热层流底层缓冲层湍流中心湍流区质点强烈脉动，使主体部分的温度趋于均一，热量传递主要依靠对流进行，导热所起的作用很小；在湍流中心质点的脉动较弱，对流与导热的作用大致处于同等地位，由于对流传热的作用，温度梯度变小。缓冲层中温度梯度很小，即传热热阻很小，温度分布曲线趋于平坦。层流底层缓冲层湍流中心湍流区(一)

流动边界层的传热机理及温度分布第三节对流传热由边界层的流动情况决定。（2）湍流边界层热量传导主要依靠导热进行，符合傅立叶定律，温度分布几乎为直线；层流底层中由于流体的导热系数较低，使层内导热热阻很大，因此该层中温度差较大，温度分布曲线的斜率大。(二)

牛顿冷却定律第三节对流传热通过传热