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1、1,化工原理,Principles of Chemical Engineering,化工原理教研室 Chemical Engineering Teaching&Research Section,2,第五章 传 热,Chapter 5 Heat Transfer,3,概述(Introduction),化工生产的传热问题,化学反应：向反应器提供热量或从反应器移走热量； 蒸发、蒸馏、干燥：有一定的温度要求，需输入或输出热量； 高温或低温管道与设备要求隔热保温，减少热损失； 热能的合理利用和废热回收。 凡是有温差的地方就有热量传递，传热处处存在。,4,概述(Introduction),传热的三种基本方
2、式,一、热传导： 依靠物体中微观粒子的热运动，热量从物体内部高温部分传 递到低温部分或者相互接触的物体之间由高温物体传递到低 温物体的过程，如固体中的传热； 特点：单纯的热传导过程中，物体各部分之间不发生相对位移，即没有物质的宏观位移。 从微观角度来看，气体、液体、导电固体和非导电固体的导 热机理各不相同： 气体：气体分子做不规则热运动时相互碰撞的结果。,5,导电固体：自由电子在晶格间的运动；良好的导电体中有相当多的自由电子在晶格之间运动，正如这些自由电子能传导电能一样，它们也能将热能从高温处传到低温处。 非导电固体：非导电体导热是通过晶格结构的振动来实现的 液体：存在两种不同的观点，类似于气
3、体和非导电固体。 二、对流：流体各部分质点发生相对位移而引起的热量传递过程，对流只能发生在流体中。通常把传热固体表面与接触流体的传热也称为对流给热，简称给热。 自然对流：静止流体内部由于温度不同、密度不同，造成流体内部发生对流而传热。 强制对流：流体在外力的强制作用下运动而发生的对流。,6,三、辐射传热：以电磁波传递能量的现象。物体会因各种原因发射出辐射能热辐射：物体因热的原因发出辐射能的过程，高温物体把热能转变成辐射能，以电磁波的形式进行传热现象。任何物体能以电磁波的形式把热能辐射出来，也能把其他物体辐射的电磁波吸收并转变成热能。特点：热辐射既是能量的转移，又伴有能量形式的转化。此外，辐射能
4、可以在真空中传播，不需要任何物质作媒介。高温下，辐射传热是主要传热方式。,7,一、温度场和等温面 温度场：某一时刻，物体（或空间）各点的温度分布,热传导,t 某点的温度，； x,y,z 某点的坐标； 时间。,不稳定温度场：各点的温度随时间而改变的温度场。,稳定温度场：任一点的温度均不随时间而改变的温度场。,8,等温面：在同一时刻，温度场中所有温度相同的点组成的面。不同温度的等温面不相交。,任意点不能同时有两个温度,9,二、温度梯度 温度梯度：两等温面的温度差t与其间的垂直距离n之比，在n趋于零时的极限（表示温度场内某一点沿等温面法线方向上的温度变化率）。,偏导数的意义：不同等温面间的导热，只考
5、虑其沿法线方向的温度差。,温度梯度是向量，其方向垂直于等温面，温度增加方向为正。,10,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； 热导率，表征材料导热性能的物性参数， 越大，导热性能越好，W/(m),三、傅立叶定律 热传导速率（单位时间内传导的热量）与温度梯度及垂直于法向的导热面积成正比。,用热通量来表示：,一维稳态热传导：,11,四、热导率,热导率定义由傅立叶定律给出：,物理意义：温度梯度为1时，单位时间内通过单位传热面积的热通量；数值上等于单位温度梯度下的热通量， ，导热性能越好。 从强化传热来看，选用大的材料；相反要削弱传热，选用小的材料。
6、,与分子运动和分子间相互作用力有关，是物质导热能力的表征；数值大小取决于物质的结构及组成、温度和压力等因素。,12,（1）固体 纯金属 ， ， 纯金属比合金的大。 非金属 ， ， 同样温度下， 越大， 越大 在一定温度范围内（温度变化不太大），大多数均质固体与t呈直线关系，可表示为： （2）液体:金属液体和非金属液体 金属液体导热系数较高，非金属液体较低，非金属中，水的导热系数最大。,绝大多数液体，T 增 减 。 一般来说， 纯液体溶液 。,13,(金属固体) (非金属固体) (液体) (气体) 的大概范围： (金属固体101102 W/(mK)(建筑材料10-1100 W/(mK) (绝缘材
7、料10-210-1 W/(mK)(液体10-1 W/(mK) (气体10-210-1 W/(mK),（3）气体 气体不利于导热，但可用来保温或隔热。 固体绝热材料的热导率之所以小，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。,14,五、平壁的稳定热传导 （一）单层平壁的稳定热传导,假设： 平壁内温度只沿x方向变化，y和z方向上无温度变化，是一维温度场。 (2)各点的温度不随时间而变，稳定的温度场。,一维稳定的温度场：,若对边界条件积分：,若不随 t 而变,15,式中: Q 热流量，即单位时间通过平壁的热量，W或J/sA 平壁的面积，m2；b 平壁的厚度，m； 平壁的热导率
8、，W/(m)或W/(mK)；t1 , t2 平壁两侧的温度，。,若积分式上限从 改为 积分得：,若 不随t变化，t x 直线关系；,则 t x 抛物线关系。,若 随 t 变化关系为：,16,（二）通过多层平壁的稳定热传导,假定： （1）一维稳定的温度场 （2）各层接触良好，接触面两侧温度相同。,推广至n层：,17,（三）各层的温差从上面的式子可以推出：,在稳定多层壁导热过程中，哪层热阻大，哪层温差就大； 反之，哪层温差大，哪层热阻一定大。 当总温差一定时，传热速率的大小取决于总热阻的大小。,18,六、通过圆筒壁的稳定热传导,假设： (1) 各点温度不随时间而变，稳定温度场； (2) 各点温度只
9、沿径向变化，一维温度场。,（一）通过单层圆筒壁的稳定热传导,取厚度为dr同心薄层圆筒,圆筒的内外半径不等，导热面积与半径成正比，A =2 r l,代入傅立叶公式：,19,Q 热流量，即单位时间通过圆筒壁的热量，W或J/s 圆筒壁的导热系数，W/(m)或W/(mK)；t1 , t2 圆筒壁两侧的温度，。r1 , r2 圆筒壁内外半径，m。,边界条件为：,20,2对于 的圆筒壁，以算术平均值代替对数平均值 导致的误差4%。,1上式可以变为：,对数平均面积,3积分上限改为变量 t 和 r , 圆筒壁内的温度分布为：,tr 成对数曲线变化(假设不随 t 变化),21,圆筒壁的热传导，各层圆筒的不同半径
10、 r 处Q 相等，各处热通量 q 却不等。,多层圆筒壁传热的总推动力也为总温度差，总热阻也为各层热阻之和，但计算时与多层平壁不同的是各层热阻对应的传热面积不相等，应采用每层的平均面积 。,4通过平壁的热传导，各处的 Q 和 q 均相等:,对于n层圆筒壁：,22,两流体通过间壁的传热,直接混合式传热：冷热两种流体直接接触，在混合过程中 进行热交换,如凉水塔。 间壁式换热：参与传热的两种流体在固体间壁的两侧，冷 热流体在不直接接触的条件下通过固体间壁进行热量交换,两流体间的热量传递,23,换热器换热过程：固体间壁的导热；流体与壁面间的传热对流给热。,流体在间壁两侧作湍流流动，近壁处分为: 层流底层
11、、过渡层、湍流主体。,层流底层：流体质点在流动方向作平行 流动，传热方向上无质点的混合，温度 变化大，近壁处层流底层的传热主要是 热传导。 层流底层膜虽薄却是主要热阻所在，层 流底层越厚，热阻大，温差大。 湍流主体：在远离壁面的湍流中心，流 体质点充分混合，温度趋于一致（热阻小），传热主要以对流方式进行。质点相互混合交换热量，温差小。,两流体通过间壁的传热,24,过渡区域：温度分布不像湍流主体那么均匀，也不像层流底层变化明显，传热以热传导和对流两种方式共同进行。实质上对流传热是流体的对流与热传导共同作用的结果。 根据热传导分析，温差大热阻就大。 流体湍流流动时，热阻主要集中在层流底层。 要强化
12、传热，必须减少层流底层的厚度。 对流传热多指流体与固体壁面之间的传热，其传热速率与流体性质及边界层的状况密切相关。 假设流体与固体壁面之间的传热热阻全集中在当量厚度为 t 的膜内，膜外无热阻存在，膜内传热主要以热传导的方式进行。 膜模型：该膜集中了全部传热温差并以导热方式传热的虚拟膜。,两流体通过间壁的传热,25,牛顿冷却定律,在虚拟膜内由傅立叶定律表示传热速率：,冷流体被加热：,热流体被冷却：,设,，对流传热速率方程可用牛顿冷却定律来描述：,冷流体被加热：,热流体被冷却：,给热系数 Tw tw壁温 T,t流体温度,两流体通过间壁的传热,26,通常热损失随保温层厚度增加而减少，对于直径小的管路
13、或设备，加保温层后散热仍然很多. 原因：管壁既有热传导，又要与环境对流传热。,保温层的临界厚度（补充）,热传导,对流,共同作用,r2,r1,tb,t1,t2,27,净传热： Q = f (r2),热损失与半径之间的关系： 临界点前，加保温层散热量随临界半径增大而增大 临界点后，加保温层散热量 随临界半径增大而减少。 一般实验室小管路系统的保温层不超过其临界厚度。,保温层的临界厚度,r2临界半径,临界点,28,传热速率和传热系数,间壁两侧流体的热交换过程包括：三个串联的传热过程。,稳定传热过程，两侧给热与间壁导热的三个过程热流量相等。 且对于平壁，传热面积相等为 A；热通量q 也相等。,29,三
14、个串联的传热过程组成：,管外对流：,管壁热传导：,管内对流：,对于稳定传热：,R,30,dm=(d1+d2)/2,R总热阻 K传热系数,若内外表面积不相等,三个串联的传热过程组成：,导热面积：,对平壁：,31,若三个传热面积不同， 各热通量也不同。 以内表面为基准：,以热阻形式表示,32,以内表面为基准的传热系数,以外表面为基准的传热系数,计算中，采用内外表面为基准结果相同，换热器生产厂家习惯以管外表面积表示。,传热系数,33,获取 K 的另外两种途径,查取 K 值 传热手册载有 K 的经验数值，可供设计参考。,(2) 实验测定 实验测定换热器的传热量和温度，由传热基本方程计算K 值,34,因
15、垢层导热系数很小，即使厚度不大，垢层热阻也很大，往往会成为主要热阻，计算K值时，污垢热阻不可忽视。 管壁内侧和外侧的污垢热阻分别: Rs1 和 Rs2 ，则总热阻,污垢热阻,为消除污垢热阻的影响，应定期清洗换热器。,以外表面 积为基准,平壁,35,污垢热阻,污垢热阻的大致数值,36,若求整个换热器的 Q， 需要对 积分， 因 K 和(Tt)均具有局部性，因此积分有困难。 为此，该式中 K 取整个换热器的平均值K， （Tt）也取为整个换热器上的平均值tm，则积分结果： 式中： K 平均总传热系数；tm 平均温度差。,总传热速率方程,总传热速率方程,37,减薄传热壁面； 当壁面两侧流体的对流给热系数差别大，即12K2 ，应设法提高给热系数小的一侧值 当壁面两侧流体的对流给热系数相差不大，即12 应同时提高两侧的给热系数。 若污垢热阻起主要作用，须设法减慢污垢生成速度， 减少污垢热阻。 增大传热系数 K，须设法减小占控制地位的主要热阻。,提高K值的途径,38,由生产工艺需要的传热速率确定传热面积，须对物料加热(冷却)时所需提供(移除)的热量加以考察。,
