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1、第四章传热的过程概述：在化工生产实践中，经常会遇到传热问题。例如：吸热反应和放热反应,或预热中都有热的传递。传热，或者说，热的传递。是由于物体或系统内的温度不同，使热量由一处转移到另一处的过程。传热的传递方式有三种：传导、对流和辐射。4-1 热传导1、 传导传热固体或静止的流体中，由于温度不同而发生的热量由温度较高部分传至温度较低的部分的过程，称为传导传热。其实质是较高部分物质微粒（分子、原子、电子）具有较高的能量，因而热运动较剧烈。当它与相邻能量低的粒子相互撞碰时，将热量传给后者，直至整个物体温度均匀。 t12x图 4-1 热传导的基本关系(1)傅立叶定律均匀平板内，热的传递方向图示 4-1
2、假设：(1) 平壁面积 A 远大于壁厚，壁边缘处 Q 散失 =0。(2) 温度 t 只沿着垂直于壁面的 x 方向变化，等温面是垂直于 x 轴的平面。(3)壁面两侧的温度 t1 、 t 2不随时间而变化。根据以上假设单层平壁的定态热传导为一维热传导： tfx Q=常量 、 A=常量实践证明，单位时间内通过平板传导的热量 dQ 与温度梯度 dt/dx 及垂直于热流方向的导热面积 A 正比，即：dQ/d=-Adt/dx (4-1)稳定传热时，因导热量 Q 随时间而改变，即单位时间内的导热量为定值，故上式可写为q=Q/=-A(dt/dx) (4-2)q-单位时间内通过平板传导的热量，称为导热速率J/s
3、或W；式中：A - 导热面积；- 导热系数；dt/dx- 温度梯度；负号- 表示与热流方向相反。(2)导热系数导热系数是物理性质，表示物质的导热能力。由实验测定。其意义：当温度梯度为 1，导热面积为 1 时，单位时间传递的热量。影响导热系数的因素有：物质的化学组成，物理状态，湿度，压强和温度常压下各种物质的导热系数如下：表 4-1 一些物质的导热系数物质名称导热系数W/m.K金属 5-420建筑材料0.5-2绝热 0.01-04材料水 0.6其他液体0.09-0.7气体 0.007-0.17从上面数据可以看出，金属的导热系数最大，气体的导热系数最小，一些保温材料导热系数小是因为保温材料内有大量
4、的空气的原因。物料的导热系数随温度发生变化。金属和液体的导热系数变化小。大多数液体导热系数随温度升高而减少水和甘油除外） 。气体的导热系数随温度升高而增大 。固体材料的导热系数随温度而变，绝大多数质地均匀的固体，导热系数与温度近似呈线性关系 at)(10（43） 式中 固体在温度 t时的导热系数，w/（m 2）o固体在温度 0时的导热系数，w/（m 2）a 温度系数，1 ；对于大多数金属材料为负值，而对大多数非金属材料为正值。2、平壁热传导（1）单层平壁的稳定热传导 图 4-2 所示为一平壁。壁厚为 b，壁的面积为A，假定壁的材质均匀，导热系数 不随温度变化，视为常数，平壁的温度只沿着垂直于壁
5、面的x 轴方向变化，故等温面皆为垂直于 x 轴的平行平面。若平壁侧面的温度 t1及 t2恒定，则当 x=0 时，t= t1；x=b 时，t= t 2，根据傅立叶定律 tt1Ot2Qxx dxb A图 4-2 单层平壁热传导 (4-4)t = t 1-t2为导热的推动力，而 R=b/A 则为导热的热阻。（2） 、多层平壁的稳定热传导 以图 4-3 所示的三层平壁为例，讨论多层平壁的稳定热传导问题。假定各层壁的厚度分别为b1，b 2，b 3，各层材质均匀，导热系数分别为 1， 2， 3，皆视为常数，层与层之间接触良好，相互接触的表面上温度相等，各等温面亦皆为垂直于 x 轴的平行平面。壁的面积为 A
6、，在稳定导热过程中，穿过各层的热量必相等。与单层平壁同样处理，可得下列方程。 第一层 同理，第二层 第三层 对于稳定导热过程： ob1 b2 b3tt1 t2t3t4图 4-3 多层平壁稳态热传导因此 亦可写成下面形式 (4-5)同理，对具有 n 层的平壁，穿过各层热量的一般公式为 (4-6)例 4-1 有一燃烧炉，炉壁由三种材料组成。最内层是耐火砖，中间为保温砖，最外层为建筑砖。已知 耐火砖 b 1=150mm 1=1.06W/m 保温砖 b 2=310mm 2=0.15W/m 建筑砖 b 3=240mm 3=0.69W/m 今测得炉的内壁温度为 1000，耐火砖与保温砖之间界面处的温度为9
7、46。试求： (a)单位面积的热损失； (b)保温砖与建筑砖之间界面的温度； (c) 建筑砖外侧温度。 解 (a) 热损失 q q=Q/A= 1/b1(t1-t2) =1.06/0.15(1000-946) =381.6W/m2 (b) 保温砖与建筑砖的界面温度 t3 因系稳定热传导，所以 q 1=q2=q3=q q= 2/b2(t2-t3)381.6=0.15/0.31(946- t3) 解得 t 3=157.3 (c) 建筑砖外侧温度 t4 同理 q= 3/b3(t3-t4)381.6=0.69/0.24(157.3- t4) 解得 t 4=24.63 园筒壁的热传导化工生产中，所用设备、
8、管道及换热器管子多为圆筒形，所以通过圆筒的热传导非常普遍。 （1）单层圆筒壁的稳定热传导如图 4-4 所示，设圆筒的内半径为r1，内壁温度为 t1，外半径为 r2，外壁温度为 t2。温度只沿半径方向变化，等温面为同心圆柱面。圆筒壁与平壁不同点是其面随半径而变化。在半径 r 处取一厚度为 dr 的薄层，若圆筒的长度为 L，则半径图 4-4 单层平壁稳态热传导 为 r 处的传热面积为 A=2rL。根据傅立叶定律，对此薄圆筒层可写出传导的热量为(4-7)分离变量得 假定导热系数 为常数，在圆筒壁的内半径 r1和外半径 r2间进行积分 移项，得 (4-8)或用另外类似平壁一种方式表示设 rm=(r2-
9、r1)/ln(r2/r1)= b/ ln(r2/r1)ln(r2/r1)= b/rm ln1)t-L( q2r(4-9)mrb1)t-( q2(4-10) b)t-( l2 q21(4-11)t-Am(21r2/r1=2, 使用算术平均值计算，即 rm=(r1+r2)/2 代替 r2-r1/ln（r 2/r1）误差为 4% r2/r1 =或2，可以用算术平均值代替对数平均值 b)t-Am( q21=2L (t1-t2)/ （b/）mr=2Lr 1+r2 /2(t1-t2)/ （b/）例题 4-2 若在热交换器里的一根钢管，管内径是 25mm，管壁厚度3.25mm，管长 5.0m，管内壁温度是
10、373K。管外壁温度是 371K.己知钢的导热系数 =49 W/mK，这根钢管传递热量为多少？解 己知 r 1=25/2=12.5mm=0.0125mr2=12.5+3.25=15.75mm=0.01575mb=3.25mm=0.00325mL=5.00m =49W/mKt1=373K t2=371K(1)按园壁传导的基本公式计算(2) 按平壁热传导公式计算q=2Lr 1+r2 /2(t1-t2)/ b=23.145.0490.0141(373-371)/0.00325=1.34104 W从上述计算结果可以出，r 2/r110000，0.725000 时，按上式计算出 后乘以下式的修正系数 f
11、)015(83/Gr.f(4-23)由于强制滞流时 较低，故在换热器的设计中，应避免在滞流条件下换热。3、流体在圆形直管内作过渡流：当 23003000。特性尺寸：管外径 do。定性温度：流体进、出口温度的算术平均值。流速取流体通过每排管子最狭窄通道处的速度。管束排数应为 10，否则应将计算结果乘以修正系数，修正系数的数值请查阅有关手册。3.2.7 有相变流体 的确定. 蒸汽冷凝饱和蒸汽 ts和冷壁面 tw接触（t stw）蒸汽放出潜热在壁面凝成液体,有膜状液体和滴状液体。(1) 膜状冷凝(2) 滴状冷凝4-2.8 液体的沸腾传热在液体的对流传热过程之中，伴有由液相变为气相，即在液相内部产生气
12、泡或气膜的过程，称为液体沸腾（又称沸腾传热）工业上液体沸腾的方法有两种：一种是将加热壁面浸没在无强制对流的液体中，液体受热沸腾，称为大容积沸腾；另一种是液体在管内流动时受热沸腾，称为管内沸腾。为水的沸腾曲线，它从一个方面可以说明液体沸腾的规律。例题 3-5：流量为 0.17 sm/3的某油品用列管式换热器进行预热，所用的换热器具有 80 根长度为 6m 的 0.12的钢管，管外用饱和蒸汽加热，可将油品预热至指定温度。现欲提高油品的预热温度，将加热管数增至 400 根，管长及其它条件不变，问出口油温能否提高？已知油品在进、出口平均温度下的有关物性为 KmWKkgJcsPamkgp /12.0,/
13、108.,102.7,/80 333 解：在原换热器内 smdnqvu/30.14387422.Re因流动状态已进入湍流区。故给热系数可用下式计算：14.03.08.023.0wpcud（1）在新换热器内smdnqvu/6.03.1407422.8Re流动状态为层流，故给热系数需用下式计算：14.0313186.1wpcud（2）由式（1） 、式（2）可得1.063.1023.868.3 原换热器与新换热器的传热面积之比为2.4 ndlA 因 A，故采用新换热器后，虽然换热面积提高了 5 倍，但油品出口温度不但不能升高，反而有所降低。3-3 热辐射在热辐射中，只要物体的温度不变，它向外界发射的
14、由热量转变成的辐射能不变。前述，辐射只能在液体和大多数固体的表面进行，当辐射能进入上述物体时被吸收并转变成热量。只有少数固体和气体，才能让辐射深入其内部并有可能穿透。 热辐射与光辐射的本质完全相同，区别是：波长不同。热辐射的波长范围理论上：0。而有实际意义的是：0.38100m.热辐射线和可见光一样，具有相同的传播规律。服从反射、折射定律。在真空和大多数气体(惰性气体和对称双原子气体)中热射线可以完全透过，但对液体和大多数的固体不行。互相能“照见”的物体间才能进行热辐射。设投射到某物体上辐射能 Q，物体吸收 QA；反射QR；Q D透过。如图 3-6 所示。Q= QA +QR +QD 令 A=Q A/Q R=QR/Q D=QD/Q则：A+R+D=1A：吸收率，吸收辐射能的本领。A=1，R=D=0 黑体 能吸收全部的热辐射。R：反射率，反射辐射能的本领。R=1，A=D=0 白体、镜体 能反射全部的热辐射。D：透过率，透过辐射能的本领。D=1，透热体 能透过全部的热辐射。灰体 能以相同的吸收率 A(1)吸 A=0的辐射能，是不透热体，A+R=1。 黑体、镜体、透热体和灰体均是理想化的物体。物体的
