化工原理第四章传热导论概要

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1、4.1概述 一、传热在化工生产中的应用 (1)化学反应（Reaction)； (2)单元操作(Unit operation)； 动量传递（chapter1-2） 热量传递（chapter4-5） 质量传递 化学工程 反应工程 三传（化工原理） 热量传递（传热）：由于热量在空间位置上分布的不均匀，热能够 自发地从高温物体传送到低温物体 。 4.1概述 二、热量传递的三种方式 热传导（conduction） 对流传热（convection） 热辐射（radiation） 实际传热过程中，这三种传热方式或单独存在或同时存在 热传导 热传导(conduction)是由于物体中微观粒子的热运动所致，在传

2、热 过程中质点没有宏观运动。通常发生在相互接触的流体之间和流体 内部。 热传导机理热传导机理 液体液体- - 分子间的作用力较强，由分子振动的强弱导分子间的作用力较强，由分子振动的强弱导 致热传递。致热传递。 固体固体-相邻分子的碰撞或电子的迁移。相邻分子的碰撞或电子的迁移。 气体气体-温度不同（能级不同）的分子相互碰撞，造温度不同（能级不同）的分子相互碰撞，造 成热量传递。成热量传递。 对流传热是指流体各部分质点发生宏观相对位移而引起的热量传递 过程，因而对流只能发生在流体中。 对流传热 分类 自然对流传热-因受热而有密度的局部变化，导致 发生对流而传热 强制对流传热-用机械能使流体发生对流

3、而传热 tw: 壁温 tf：流体温度 牛顿冷却定律 对流传热 辐射是一种以电磁波形式传播能量的现象，不需要任何介质作媒介。 在高温情况下，辐射传热成为主要传热方式。 辐射传热 基本概念 1、传热速率Q（热流量）：单位时间内通过传热面的热量，单位 W 传热速率传热推动力（温差）/传热热阻（阻力） 2、热通量q（热流密度）：单位传热面积上的传热速率，单位 W/m2 3、稳态传热：物体中各点温度不随时间而改变得传热过程。 4、非稳态传热：物体的温度分布随时间而变化的传热过程。 5、温度场：物体中各点的温度随时间和空间位置变化的函数。 tf（x，y，z，）。 定态温度场：物体内温度分布与时间无关。 非

4、稳态温度场：物体内各点温度随时间变化。 6、等温面：温度场中温度相同的点连成的面。 等温线：两维坐标中的等温面。 注意：温度不同的等温面（线）不能相交。 等温面（等温线）的切线方向上没有温度变化，没有 热量传递。穿过等温面的任何方向上均有温度变化和热量传递。 7、温度梯度：在等温面（线）的法线方向上的温度变化率称为 温度梯度。 基本概念 热传导的基本定律 傅立叶定律：热传导速率与等温面的法向温度梯度及导热面积成 正比。 式中: dQ 热传导速率，W或J/s； dA 导热面积，m2； t/n 温度梯度，/m或K/m； 导热系数， W/(m)或W/(mK) 表征材料导热性能的物性参数 越大，导热性

5、能越好 一维稳态热传导： 热通量来表示： 导热系数 1、导热系数的物理意义 物理意义：单位温度梯度下的热通量 强化传热：选用大的材料；削弱传热：选用小的材料。 2、影响导热系数的因素 与分子运动和分子间相互作用力有关 数值大小取决于物质的结构及组成、温度和压力等因素。 固体 液体 金属液体导热系数非金属液体的导热系数 在非金属液体中，水的导热系数最大 纯液体的大于溶液 绝大多数液体t，（除水和甘油等少量液体 ） 纯金属t，纯金属比合金的大。 非金属t，同样温度下，越大，越大。 气体 t，。在通常压力范围内，p对的影响一般不考虑。 影响导热系数的因素 固体 液体 金属液体导热系数非金属液体的导热

6、系数 在非金属液体中，水的导热系数最大 纯液体的大于溶液 绝大多数液体t，（除水和甘油等少量液体 ） 纯金属t，纯金属比合金的大。 非金属t，同样温度下，越大，越大。 气体 t，。在通常压力范围内，p对的影响一般不考虑。 影响导热系数的因素 W/(mK) 金属固体 101102 建筑材料10-1100 绝缘绝缘 材料10-210-1 液体10-1 气体10-210-1 (金属固体) (非金属固体) (液体) (气体) 固体绝缘材料(软木,玻璃棉)的导热系数之所以小，是因为 其结构呈纤维状或多孔，其空隙率很大，孔隙中含有大量空 气的缘故。 影响导热系数的因素 热传导微分方程及其定解 即 热传导微

7、分方程及其定解 若为常数，则： 定解条件： 热传导微分方程及其定解 由以上方程和边界条件、初始条件可数值求解温度场。 但是，下面我们将重新从热量衡算出发求解一维导热问题 。 热传导微分方程及其定解 一、无限大单层平壁一维稳态导热 一维稳态导热-单层平壁(薄壳衡算法) 不为常 数时温度 分布？ 二、无限大多层平壁一维稳态导热 一维稳态导热-多层平壁 假设各层之间接触良好，可以近似地认为 接合面上各处的温度相等 由热阻分析法： 思考1：现在已经知道了q，如何计算其中第 i 层的右侧壁温？ 第一层： 第二层： 第 i 层： 思考2：各层的温差比？ 一维稳态导热-多层平壁 思考3：若上述平壁的右侧温度

8、非固定，而是与环境进行对流传 热，设环境温度为t0、对流传热系数为，则传热量表达式如何？ 一维稳态导热-多层平壁 例题1 某一冷库的墙壁由三层材料筑成，内层为软木，厚度12.7mm； 中层为松木，厚度101.6mm；外层为混凝土，厚度76.2mm，现 侧得冷库的内墙表面温度为255.4K，外墙面为297.1K。 已知 松木的导热系数1=0.151W/mK； 软木的2=0.0433W/mK； 混凝土的3=0.762W/mK。 （1）试求每平方米墙面的散热量W/m2； （2）各层接触面上的温度； （3）若去掉中间松木层，内外表面温度不变， 则每平方米墙面的散热量又为多少？ 例题1 例题1 单层平壁

9、 多层平壁 一维平壁稳态热传导 若为常数，则： -可见温度分布 为对数关系 一维稳态导热-单层圆筒壁 一维稳态导热-单层圆筒壁 Q=常数，但 q常数 一维稳态导热-多层圆筒壁 思考1： 气温下降，应添加衣服，应把保暖性好的衣服穿在 里面好，还是穿在外面好？ 思考2：圆管保温层越厚，保温效果越好吗？ 一维稳态导热-多层圆筒壁 假设： 保温性能好的放在内层 思考题1 思考题2-保温层的临界厚度 影响因素： 接触材料的种类及硬度， 接触面的粗糙程度， 接触面的压紧力， 空隙内的流体性质。 接触热阻一般通过实验测定或凭经验估 计 接触热阻 例题2 505的不锈钢管，导热系数1为16 W/mK，外包厚3

10、0mm的 石棉，导热系数2为0.2 W/mK。若管内壁温为350，保温层 外壁温度为100，试计算每米管长的热损失。 20mm 25mm 55mm 1=16W/mK1=0.2W/mK 100350 20mm 25mm 55mm 1=16W/mK1=0.2W/mK 100350 例题2 20mm 25mm 55mm 1=16W/mK1=0.2W/mK 100350 例题2 20mm 25mm 55mm 1=16W/mK1=0.2W/mK 100350 例题2 对数平均半径 一维圆筒壁稳态热传导 对数平均面积 传热数率 间壁两侧流体热交换过程 影响对流传热系数的因素 获得对流传热系数的方法 对流传

11、热 间壁两侧流体热交换过程 1、间壁式换热器2、列管式换热器 一、间壁式换热器 二、传热数率 三、两流体通过间壁的传热过程分析 间壁两侧流体热交换过程 第一步：热流体将 热量传至固体壁面 的热侧（对流传热 ） 第二步：热量从壁 面的热侧传至壁面 的冷侧（导热） 第三步、热量从壁 面的冷侧传至冷流 体（对流传热） 间壁两侧流体热交换过程 两流体通过间壁的传热速率： 间壁两侧流体热交换过程 ？ 四、对流传热系数（？） 当流体为湍流流动时，对 流传热的边界层可分为三 个区域： 湍流核心 缓冲层 层流底层 影响对流传热系数的因素 湍流核心 (turbulent core) 流体质点剧烈运动，其传 热阻

12、力很小，故温度梯度较 小。 影响对流传热系数的因素 层流底层（Buffer layer） 紧靠壁面，其热量传递以导热 方式为主。由于大多数流体的导 热系数较小，故该层热阻较大。 影响对流传热系数的因素 缓冲层 (Buffer layer) 热量传递由传导和对流共同作 用，温度逐渐而平缓地变化。 影响对流传热系数的因素 温差：T-Tw 热阻：三个区域 湍流核心 过渡层 层流底层 热阻之和 影响对流传热系数的因素 假设在靠近壁面处存在一层虚拟膜， 也称有效膜（effective film),该膜内集 中了全部传热温差、全部热阻，并以 导热方式传热。 这个膜区称为热边界层。 膜厚的决定： 温度t满足

13、 热边界层 影响对流传热系数的因素 热流体侧的传热量： 冷流体侧的传热量： 对流传热系数 对流传热速率 因次分析 影响对流传热系数的因素 因次分析在对流传热中的应用 1、把影响的因素归纳为几个准数(参照第一章) 2、用实验方法确定这些准数对的影响 因次分析： 通过因次分析得到： 无相变对流传热:Nu=f(Re，Pr，Gr) 在某些情况下,上式可简化如下: 自然对流 Nu=f(Pr，Gr) 强制对流 Nu=f(Re，Pr） 准数的符号和意义义 努塞尔特准数 (Nusselt) Nu 表示对对流传热传热 系数的准数 是导热热导热热 阻与对对流热热阻之比 雷诺诺准数 (Reynolds) Re 确定

14、流动动状态态的准数 普兰兰特准数 (Prandtl) Pr 表示物性影响的准数 一般，气体Pr1 格拉斯霍夫准数 (Grashof) Gr 表示自然对对流影响的准数 各准数中物理量的意义为: -对流传热系数, W/( m2 )； u-流速, m/s； -流体的密度, kg/ m3 ； l-传热面的特征尺寸,可以是管内径或外径,或平板高度等, m； -流体的导热系数,W/(m)； -流体的粘度, kg(ms)； Cp-流体的定压比热, kJ（kg）； t-流体与壁面间的温度差, ； -流体的体积膨胀系数, 1； g-重力加速度, m/ s2 。 传热过程中的几个准数 使用由实验整理得到的关联式时

15、,应注意以下几点: (1) 应用范围 关联式中Re,Pr等准数的数值范围等。 (2) 特征尺寸 Nu、Pr等准数中l应如何取定。 (3) 定性温度 各准数中流体的物性应按什么温度查定。 使用关联式时的注意点 管内强制对流传热传热系数的计算 一、流体在圆形直管内强制层流 二、过渡状态下的对流传热系数 三、流体在圆形直管内强制湍流 四、流体在弯曲管道内流动 五、流体在非圆形直管内强制湍流 流体在圆形直管内强制层流 定性温度 定性尺寸 使用范围 教科书P198 （考虑自然对流的影响） 过渡状态下的对流传热系数 流体在圆形直管内强制湍流 流体被加热时，n=0.4；被冷却时，n=0.3 1、流体在圆形直管内强制湍流 应用范围 Re1.01041.2105 0.7Pr120 管长与管径比 流体与管壁温差不大的场合 或 特征尺寸 Re、Nu等准数中的l取为管内径di。 定性温度 取为流体进、出口温度的算术平均值。 对于水，温差不大于2030 对于气体，温差不超过50 1)高粘度流体在圆形直管内做湍流：（ ) 工程计算中近似为： 当液体被加热 当液体被冷却： 2)圆形短直管(