化工原理课程课件之第四章传热

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1、天津商业大学 本科生课程 化工原理,第四章 传热,1,第四章 传热,4.1 概述,化工生产中传热过程：,一、传热的基本方式：,发生在相互接触的物质之间或物质（静止或层流流动）内部，靠分子、原子、电子运（振）动。 无物质的宏观位移。,发生在流体内部，宏观位移。,电磁波传热。不依赖介质。,天津商业大学 本科生课程 化工原理,第四章 传热,2,二、传热中冷热流体热交换的基本方式,1. 直接接触式传热 ,2. 蓄热式换热 ,3. 间壁式换热 ,天津商业大学 本科生课程 化工原理,第四章 传热,3,三、传热速率与热通量,传热速率（热流量 ）Q 单位时间内通过传热面的热量，单位为W。 热通量（又称为热流密

2、度或传热速度）q 单位传热面积的传热速率，单位为W/m2 。 传热速率与热通量的关系为,传热温差以t 表示（），热阻以R或R表示 （/W）或（m2/W）,天津商业大学 本科生课程 化工原理,第四章 传热,4,四、稳态传热与非稳态传热,稳态传热：体系无热量积累的传热过程。特点是温度分布不随时间变化，传热速率恒定。如连续生产过程。 t=f (x，y，z) 非稳态传热：温度分布随时间变化的传热过程。如间歇操作的换热设备及连续设备的开、停车都为非稳态传热过程。 t=f (x，y，z，),天津商业大学 本科生课程 化工原理,第四章 传热,5,五、热源和冷源,1、热源 1）电热：特点是加热能达到的温度范围

3、广，而且便于控制，使用方便，比较清洁。但费用比较高 。 2）饱和水蒸气：优点：饱和水蒸气的冷凝温度和压强有一一对应的关系，调节饱和水蒸气的压强就可以控制加热温度，使用方便，而且饱和蒸汽冷凝过程的传热速率快。缺点：饱和水蒸气冷凝传热能达到的温度受压强的限制。,天津商业大学 本科生课程 化工原理,第四章 传热,6,3）烟道气 烟道气的温度可达700以上，可以将物料加热到比较高的温度 。缺点：传热速度快，温度不易控制。 4）高温载热体： 优点：沸点高（饱和蒸汽压低），化学性质稳定。 2、冷源 一般采用水、空气和冷冻盐水等作为冷源。 常见载热体见P221,天津商业大学 本科生课程 化工原理,第四章 传

4、热,7,1、温度场和等温面 温度场 :,任一瞬间物体或系统内部各点的温度分布总和,温度场的数学表达式为,稳定温度场,不稳定温度场,温度场中各点的温度随时间而改变,温度场中各点的温度不随时间而改变,等温面：,温度场中温度相同的点组成的面,4.2 热传导,4.2.1 傅里叶定律,天津商业大学 本科生课程 化工原理,第四章 传热,8,2、温度梯度 温度梯度 ：,等温面法线方向上的温度变化率，用grad t 表示 。,温度梯度是向量，正方向指向温度增加的方向。 对于一维稳定的温度场，温度梯度可表示为 ：,3、傅里叶（Fourier）定律,天津商业大学 本科生课程 化工原理,第四章 传热,9,比例系数，

5、 称为导热系数，W/(m )。 负号表示热流方向与 温度梯度方向相反。,傅里叶定律,天津商业大学 本科生课程 化工原理,第四章 传热,10,4.2.2 导热系数,1、导热系数的定义,在数值上等于单位温度梯度下的热通量，越大导热性能越好。 是物质的物理性质之一 。,一般地， 导电固体 非导电固体， 液体 气体t ， 气体， 水，其它液体的 。,天津商业大学 本科生课程 化工原理,第四章 传热,11,2、固体的导热系数 纯金属的导热系数一般随温度的升高而降低， 金属的导热系数大都随纯度的增加而增大。 非金属的建筑材料或绝热材料的导热系数随密度增加而增大，也随温度升高而增大。,3、液体的导热系数 在

6、非金属液体中，水的导热系数最大。除水和甘油外， 绝大多数液体的导热系数随温度的升高而略有减小，,天津商业大学 本科生课程 化工原理,第四章 传热,12,纯液体的导热系数比溶液的导热系数大。,4、气体的导热系数 气体的导热系数很小，不利于导热，但有利于保温。 气体的导热系数随温度升高而增大 。 在相当大的压强范围内，气体的导热系数随压强变化极小 注意：在传热过程中，物质内不同位置的温度可能不相同，因而导热系数也不同，在工程计算中常取导热系数的算术平均值。,天津商业大学 本科生课程 化工原理,第四章 传热,13,4.2.3 通过平壁的稳定热传导,1、单层平壁的稳定热传导,边界条件为： x=0时，t

7、 = t1x = b 时，t = t2,天津商业大学 本科生课程 化工原理,第四章 传热,14,R导热热阻，/W ；R单位面积的导热热阻 ， m2 /W 。 传导距离b越大，传热面积和导热系数越小，传导热阻越大,天津商业大学 本科生课程 化工原理,第四章 传热,15,2、多层平壁的稳定热传导,假定条件,Q常数，q常数,天津商业大学 本科生课程 化工原理,第四章 传热,16,推广到n层平壁有：,多层平壁导热是一种串联的导热过程，串联导热过程的推动力为各分过程温度差之和，即总温度差，总热阻为各分过程热阻之和，也就是串联热阻叠加原则。,各层的温差分布？,天津商业大学 本科生课程 化工原理,第四章 传

8、热,17,3、接触热阻,若以R0表示单位传热面的接触热阻， 通过两层平壁的热通量变为 ：,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,天津商业大学 本科生课程 化工原理,第四章 传热,18,4.2.4 圆筒壁的稳定热传导,1、单层圆筒壁的热传导,仿照平壁热传导公式，通过该圆筒壁的导热速率可以表示为：,天津商业大学 本科生课程 化工原理,第四章 传热,19,分离变量积分：,圆筒壁的导热热阻,这个式子也可以写成与平壁传导速率方程类似的形式,天津商业大学 本科生课程 化工原理,第四章 传热,20,圆筒壁的内外表面

9、的对数平均面积，m2,当r2/r12时可用算术平均值代替对数平均值,天津商业大学 本科生课程 化工原理,第四章 传热,21,2、多层圆筒壁的热传导,与多层平壁的稳定热传导计算类似，可导出：,Q恒定，但q变化,天津商业大学 本科生课程 化工原理,第四章 传热,22,推广到n层圆筒壁有：,或,天津商业大学 本科生课程 化工原理,第四章 传热,23,对数平均、算术平均、几何平均的比较：,绿线-几何平均 黄线-对数平均 红线-算术平均,平均值,x=5时,对数平均,几何平均,算术平均,天津商业大学 本科生课程 化工原理,第四章 传热,24,思考题：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

10、穿在外面好？,b,b,1,2,Q,b,b,2,1,Q,天津商业大学 本科生课程 化工原理,第四章 传热,25,天津商业大学 本科生课程 化工原理,第四章 传热,26,天津商业大学制药工程系 本科生课程 化工原理,第四章 传热,27,4.3 对流传热,注意间壁附近,温度分布与流体的速度分布具有类似性。,流动边界层,热 边 界 层t,4.3.1 对流传热的分析,壁面附近因换热而使流体温度发生了变化的区域 。,天津商业大学制药工程系 本科生课程 化工原理,第四章 传热,28,流体沿固体壁面的流动,滞流内层,缓冲层,湍流主体,流体分层运动，相邻层间没有流体的宏观运动。在垂直于流动方向上不存在热对流，该

11、方向上的热传递仅为流体的热传导。该层中温度梯度较大。,热对流和热传导作用大致相同，在该层内温度发生较缓慢的变化。,对流快温度梯度很小，各处的温度基本相同。,热边界层的形成和发展 ,天津商业大学制药工程系 本科生课程 化工原理,第四章 传热,29,对流传热是集对流和热传导于一体的综合现象。对流传热的热阻主要集中在滞流内层。减薄滞流内层的厚度是强化对流传热的主要途径。,天津商业大学制药工程系 本科生课程 化工原理,第四章 传热,30,4.3.2 壁面和流体间的对流传热速率,1、对流传热速率表达式,推动力：壁面和流体间的温度差（TTw）或（twt） 阻力：影响因素很多，但与壁面的表面积（S）成反比。

12、 对间壁传热，沿流动方向温度会变化，传热速率也会随之而变，应用局部微分形式。对流传热速率方程可表示为：,牛顿冷却定律,天津商业大学制药工程系 本科生课程 化工原理,第四章 传热,31,在换热器中，局部对流传热系数随管长而变化，但在工程计算中，常使用平均对流传热系数，此时牛顿冷却定律可以表示为：,2、对流传热系数 对流传热系数定义式：,表示单位温度差下，单位传热面积的对流传热速率。 反映了对流传热的快慢，对流传热系数大，则对流传热快。,单位 W/(m2 )。,天津商业大学制药工程系 本科生课程 化工原理,第四章 传热,32,的量级,空气,水,总之：,油类,天津商业大学制药工程系 本科生课程 化工

13、原理,第四章 传热,33,4.3.3 换热微分方程式,温度梯度主要分布在靠近壁面的流体。,再看一下间壁传热的温度分布。,天津商业大学制药工程系 本科生课程 化工原理,第四章 传热,34,如果用,表示贴壁处流体的温度梯度，,则,理论上计算对流传热系数的基础,天津商业大学制药工程系 本科生课程 化工原理,第四章 传热,35,表明：对一定的流体，当流体与壁面的温度差一定时，对流传热系数只取决于紧靠壁面流体的温度梯度。热边界层的厚薄，影响层内温度分布，因而影响温度梯度。当边界层内、外的温度差一定时，热边界层越薄，温度梯度越大，因而也就上升。因此通过改善流动状况，使层流底层厚度减小，是强化传热的主要途径

14、之一。,天津商业大学制药工程系 本科生课程 化工原理,第四章 传热,36,思考：保温层越厚，保温效果越好吗？有没有可能出现保温层越厚反而散热越快的情况？如果有，什么情况下会保温层越厚反而散热越快?,天津商业大学制药工程系 本科生课程 化工原理,第四章 传热,37,4.3.4 保温层的临界直径,设：保温层内表面温度为t1，周围环境温度为tf，保温层的内外半径分别为ri和ro，保温层外表面对环境的对流传热系数为。 稳定传热时，管道的热损失为：,天津商业大学制药工程系 本科生课程 化工原理,第四章 传热,38,天津商业大学制药工程系 本科生课程 化工原理,第四章 传热,39,热损失Q为最大值时的保温

15、层半径,保温层的临界半径,保温层的外径小于临界直径，即dodc时，增加do有利于保温。,保温层的临界直径,天津商业大学制药工程系 本科生课程 化工原理,第四章 传热,40,天津商业大学制药工程系 本科生课程 化工原理,第四章 传热,41,传热计算,设计计算,校核计算,根据生产任务的要求，确定换热器的传热面积及换热器的其它有关尺寸，以便设计或选用换热器。,判断一个换热器能否满足生产任务的要求或预测生产过程中某些参数的变化对换热器传热能力的影响。,依据：总传热速率方程和热量衡算。,4.4 传热计算,天津商业大学制药工程系 本科生课程 化工原理,第四章 传热,42,4.4.1 热量衡算,热量衡算：两流体在换热过程中温度变化的相互关系对于间壁式换热器，假设换热器绝热良好，热损失可忽略，则在单位时间内换热器中热流体放出的热量等于冷流体吸收的热量。即：,换热器的热量衡算式,应用：计算换热器的传热量无相变，若换热器中两流体的比热不随温度而变或可取平均温度下的比热时,对整个设备而言，,微分式,注意各参数意义： Q 换热器热负荷 kJ/h, kW W 质量流量 kg/h, kg/s I 流体的焓 kJ/kg c p 比热容 kJ/(kg ) 脚标 h 热流体 c 冷流体进口出口,