第4章传热教学文案

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1、第四章 传 热,Heat transfer,本章主要内容,4.1 概 述 4.2 热传导 4.3 对流传热 4.4 传热计算 4.5 热辐射 4.6 换热器,4.1 概 述,一、传热过程的应用 二、传热的基本方式 三、冷、热流体热交换形式 四、传热速率方程式,一、传热过程在化工生产中的应用,热力学第二定律指出，凡是有温度差存在的地方，就必然有热量传递，故在几乎所有的工业部门，如化工、能源、冶金、机械、建筑等都涉及传热问题。,强化传热,削弱传热,1、物料的加热与冷却。 2、生产中热能的合理利用，废热回收。 3、化工设备和管道的保温，以减少热损失。,1、热传导(conduction),机理：借分子

2、、原子和自由电子等微观粒子的热运动而引起的热量传递现象。,特点：物体的分子或质点不发生宏观的相对位移。 （1）金属固体中，导热起主要作用的是自由电子的扩散运动； （2）不良导体的固体和大部分的液体中，导热是通过晶格结构的振动,即原子、分子对其平衡位置附近的振动来实现的； （3）在气体中，导热则是由于分子的不规则运动而引起的。,机理：流体质点发生宏观移动和混合，将热能由高温处传递到低温处。 分类 自然对流：因流体内部冷、热部分的密度差异所致。 强制对流：用外力（如搅拌流体使流体强制流动。,2、热对流(convection),3、热辐射(radiation),机理：物体因本身温度的原因，激发产生电

3、磁波，向空间传播，称为热辐射。,特点： 不仅产生能量的转移，而且伴随着能量形式的转换； 传播不需要任何物质做媒介,可以在真空中传播； 是高温物体之间的主要传热形式。,三、冷、热流体热交换形式,1、直接接触式和混合换热器 2、间壁式换热和间壁式换热器 3、蓄热式换热和蓄热器,传热过程中，根据冷热流体接触方式的不同，热交换可分为三种基本形式，每种传热形式所用换热设备的结构也各不相同。,1、直接接触式和混合换热器,蒸米饭,1、直接接触式和混合换热器,主要特点：冷热两种流体间的热交换，是依靠热流体和冷流体直接接触和混合过程实现的。 优点：传热速度快、效率高，设备简单。 设备：凉水塔、喷洒式冷却塔、洗涤

4、塔、混合式冷凝器 适用范围：无价值的蒸汽冷凝，或其冷凝液不要求是纯粹的物料等，允许冷热两流体直接接触混合的场合。,列管式换热器,2、间壁式换热和间壁式换热器,主要特点：冷热两种流体被一固体间壁所隔开，在换热过程中，两种流体互不接触，热量由热流体通过间壁传给冷流体。 设备：列管式换热器、套管式换热器。 适用范围：不许直接混合的两种流体间的热交换。,2、间壁式换热和间壁式换热器,冷、热流体通过间壁两侧的传热过程包括以下三个步骤： （1）热流体以对流方式将热量传递给管壁； （2）热量以热传导方式由管壁的一侧传递至另一侧； （3）传递至另一侧的热量又以对流方式传递给冷流体。,流体与壁面之间的热量传递以

5、对流为主，并伴随热传导，通常把这一传热过程称为对流传热。,3、蓄热式换热和蓄热器,3、蓄热式换热和蓄热器,主要特点：蓄热器内装有固体填充物（如耐火砖等），热、冷流体交替地流过蓄热器，利用固体填充物来积蓄和释放热量而达到换热的目的。 优缺点：结构简单，可耐高温，但设备体积庞大，且不能完全避免两种流体的混合。 适用范围：使用不多，常用于高温气体热量的回收或冷却。,四、 稳态传热和非稳态传热,稳态传热：传热系统中各点的温度仅随位置的变化而变化，不随时间变化而变化。 特点：在同一热流方向上的传热速率为常量。 非稳态传热：传热系统中各点的温度不仅随位置不同而不同，而且随时间发生变化。 连续生产过程中所进

6、行的传热多为稳态传热。 在间歇操作的换热设备中或连续操作的换热设备处于开、停车阶段以及改变操作条件时所进行的传热，都属于非稳态传热。,五、传热速率和热流密度,传热速率Q（rate of heat transfer）：又称热流量（rate of heat flow），指单位时间内通过传热面的热量，单位W 。 整个换热器的传热速率表征了换热器的生产能力。 热流密度q：又称热通量（heat flux），指单位时间内通过单位传热面积传递的热量，单位W/m2 。 在一定的传热速率下，q越大，所需的传热面积越小。因此，热通量是反映传热强度的指标，又称为热流强度。,六、传热速率方程式,传热过程的推动力：两流

7、体的温度差，通常用平均温度差tm进行计算，单位为K或。 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tm成正比。即传热速率方程式为：,其中，比例系数K为总传热系数（overall heat transfer coefficient），单位为W/(m2.K),4.2 热传导,一、傅里叶定律 二、导热系数 三、平壁的稳态热传导 四、圆筒壁的稳态热传导,4.2 热传导,冬天，铁凳与木凳温度一样，但我们坐在铁凳子上要比坐在木凳子上，感到冷得多，为什么？ 一杯热牛奶，放在水里比摆在桌子上要冷得快，为什么？,讨论：,1温度场（temperature field） 任一瞬间，物体或系统

8、内所有各点的温度分布称为温度场。 2等温面 指同一时刻，温度场中相同温度各点所组成的面，彼此不相交 。 3等温线 指等温面与同一平面相交的交线。 4温度梯度（temperature gradient） 指温度场内某一点等温面法线方向的温度变化率。方向与给定点等温面的法线方向一致，以温度增加的方向为正。,基本概念,一、傅里叶定律（Fouriers Law）,式中：Q导热速率，W A导热面积，m2 材料的导热系数，W/（m.）或W/（m.K） dt/dx沿x方向的温度梯度，/m或K/m。x方向为热流方向，即温度降低的方向，故为负值。,在质地均匀的物体中，若等温面上各点的温度梯度相同，则单位时间内传

9、导的热量与温度梯度和垂直于热流方向的导热面积成正比。,二、导热系数（thermal conductivity）,在数值上等于单位温度梯度下，单位导热面积上的导热速率。它表征物质导热能力的大小，是物质的物理性质之一，通常用实验测定。,物质的导热系数主要与物质的种类和温度有关。 纯金属合金非金属建筑材料液体绝缘材料气体,1、 固体的导热系数,金属：金属是最好的导热体。 纯金属：熔融状态时变小。 合金：随纯度。 随T 。 非金属建筑材料和绝热材料 与温度、组成和结构的紧密程度有关。 随T ， 随密度 ，存在最佳密度，使最小。,2、 液体的导热系数,水的导热系数最高。 水=0.6。 除水、乙二醇和甘油

10、外，随T。 一般，溶液纯有机液体。,3、 气体的导热系数,气体的导热系数最小，对导热不利，但利于保温隔热。 随T 常压下，随压力的增减变化很小，可忽略不计。 过高或过低压力时 (200 MPa 或2.7KPa ) ，随P。,导热系数与温度的关系,对于大多数的物质，在温度变化范围不大时，导热系数与温度近似成直线关系：,0 (1+t),式中：物质在温度 t 时的导热系数， 0物质在温度 0 时的导热系数， 温度系数，-1，对大多数金属材料和液体为负值，而对大多数非金属材料和气体为正值。,在工程计算中，对于各处温度不同的固体，其导热系数应取最高温度和最低温度下导热系数的算术平均值，或者由平均温度t=

11、(t1+t2)/2求得。,三、平壁的稳态热传导,1、单层平壁热传导,由傅立叶定律：,分离变量后积分，可得导热速率方程为：,2、多层平壁的热传导,在稳定传热时，通过串联平壁的导热速率都是相等的。,根据等比定律,对n层平壁，,思考题,对于多层平壁的稳态导热过程而言，下列论断正确的是： （1）传热推动力和热阻是可以加和的，总热阻等于各层热阻之和，总推动力等于各层推动力之和。 （2）哪层热阻大，哪层温差大；反之，哪层温差大，哪层热阻一定大。 （3）通过每层壁面的热量相等。 （4）温差确定后减少阻力就可强化传热，可通过减少壁厚或增加导热系数和平壁面积来达到。,【例4-1】某平壁燃烧炉由一层100mm厚的

12、耐火砖和一层80mm厚的普通砖砌成，其导热系数分别为1.0W/（m.）及0.8W/（m.）。操作稳定后，测得炉壁内表面温度为720，外表面温度为120。为减小燃烧炉的热损失，在普通砖的外表面增加一层厚为30mm，导热系数为0.03W/（m.）的保温材料。待操作稳定后，又测得炉壁内表面温度为800，外表面温度为80。设原有两层材料的导热系数不变，试求： （1）加保温层后炉壁的热损失比原来减少的百分数； （2）加保温层后各层接触面的温度。,解：（1）加保温层后炉壁的热损失比原来减少的百分数,加保温层前，为双层平壁的热传导，单位面积炉壁的热损失，即热通量q1为：,加保温层后，为三层平壁的热传导，单位

13、面积炉壁的热损失，即热通量q2为,加保温层后热损失比原来减少的百分数为,解：（2）加保温层后各层接触面的温度,已知q2=600w/m2，且通过各层平壁的热通量均为此值。,各层的温度差和热阻的数值,【例4-2】某冷库的墙壁由三层材料构成，内层为软木，厚15mm，导热系数= 0.043W/(m)，中层为石棉板，厚40mm，导热系数= 0.10W/ (m) ，外层为混凝土，厚200mm，导热系数= 1.3W/ (m) ，测得内墙表面为-18，外墙表面温度为24， 计算每平方米墙面的冷损失量；若将内、中层材料互换而厚度不变，冷损失量将如何变化。,互换材料后，由于导热热阻的增大，使得冷量损失减少。在使用

14、多层材料保温时要注意热阻的分配。,将内、中层材料互换而厚度不变时：t1-18，t4=24， 1= 0.10W/(m) ， 2= 0.043W/(m) ， 3=1.3W/ (m),解：t1-18，t4=24， 1=0.043W/(m)， 2=0.10W/(m)， 3=1.3W/ (m),四、圆筒壁的稳态热传导,1、单层圆筒壁热传导,在r处，传热面积A=2rl。,1、单层圆筒壁热传导,1、单层圆筒壁热传导,说 明,在任一半径r处，温度表示为: 表明温度沿r方向为对数曲线分布，温度梯度随r增大而减小。,在稳态下，传热速率Q为常量，与坐标r无关。但热流密度q=Q/(2rl)随坐标r变化。所以，工程上通

15、常取单位圆筒壁长度计算传热速率，记为ql，单位是W/m。,2、多层圆筒壁热传导,2、多层圆筒壁热传导,说 明,总推动力为各层温度差之和，总热阻为各层热阻之和。,各层的导热速率相同，温差与热阻成正比。,不论圆筒壁由多少层组成，通过各层导热速率Q和ql为常量，但q不为常量；,其中每一层的温度分布为对数曲线，但各层分布曲线不同。,【例4-3】在一60mm3.5mm的钢管外包有两层绝热材料，里层为40mm的氧化镁粉，平均导热系数=0.07W/（m.），外层为20mm的石棉层，其平均导热系数=0.15W/（m.）。现用热电偶测得管内壁的温度为500，最外层表面温度为80，管壁的导热系数=45W/（m.）

16、。 试求每米管长的热损失及保温层界面的温度。,解：（1）每米管长的热损失,此处，,（2）保温层界面温度t3,解得，,例4-4：有直径38mm2mm的黄铜冷却管，假如管内生成厚度为1mm的水垢，水垢的热导率为=1.163W/（m.），试计算水垢热阻是黄铜管热阻的多少倍？黄铜管的热导率为=110W/（m.）。,思考题,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：保温层越厚，保温效果越好吗？,思考题,思考1：,导热系数_，保温效果越好。 导热速率Q _，保温效果越好。,思考题,思考2：保温层越厚，保温效果越好吗？,所以，如果保温层的半径小于rc，则增加保温层的厚度反而使热损失增大。,由此可知，对管径较小的管路包扎较大的保温材料时，需要核算保温层的半径是否小于rc。,输送水蒸气的圆管外（ 35mm2mm ）包覆两层厚度相同（b=5mm）、热导率不同的保温材料， 1=1.0W/（m.）， 2=0.1W/（m.），若改变两层保温材料的先后次序，其保温效果如何变化？(圆管的热阻忽略不