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1、第五章 传热 ( Heat transfer ),一、学习目的 通过本章学习，掌握传热的基本原理和规律，并运用这些原理和 规律去分析和计算工程实际应用过程的有关传热的问题。 二、学习要点 本章重点内容 （1）热传导速率方程及其应用； （2）换热器的热量衡算，总传热速率方程和总传热系数的计算； （3）对流传热系数的影响因素及量纲分析法; （4）换热器的结构形式和传热强化途径。 2.本章应掌握的内容 （1）传热的基本方程式； （2）间壁式换热器； （3）对流传热机理和对流传热系数； （4）辐射传热速率方程及其应用； （5）换热器设计的规范、相关计算和设备选型要考虑的问题。,本章学习指导,特别是在下
2、列技术领域大量存在传热问题,动力、化工、制冷、建筑、机械制造、新能源、微电子、核能、航空航天、微机电系统（MEMS）、新材料、军事科学与技术、生命科学与生物技术,传热学在生产技术等众多领域中的应用十分广泛。,a 航空航天： 高温叶片气膜冷却与发汗冷却； 火箭推力室的再生冷却与发汗冷却； 卫星与空间站热控制； 空间飞行器重返大气层冷却； 超高音速飞行器冷却； 核热火箭、电火箭；微型火箭（电火箭、化学火箭）； 太阳能高空无人飞机。,Space Shuttle Discovery,美国发现号航天飞机升空,载人飞船 (Manned Spacecraft),对接（Docking),A,B,va,交会（R
3、endezvous),礼炮4号与联盟号货运飞船对接示意图,和平号空间站,b 微电子： 电子芯片冷却 c 生物医学：肿瘤高温热疗；生物芯片；组织与器官的冷冻保存 d 军 事：飞机、坦克；激光武器；弹药贮存 e 制 冷：跨临界二氧化碳汽车空调/热泵；高温水源热泵 f 新能源：太阳能；燃料电池,徐州发电厂,5.1 概述,传热是因温差导致的能量传递过程，又称热传递。由热力学第二定律可知，在有温度差存在时，热量会自发地从高温处传递到低温处。因此，传热是自然界和工程技术领域中普遍存在的能量传递现象。无论是在能源、化工、冶金等工业部门，还是在农业、环境保护等行业中都会涉及到传热问题。,化学工业与传热的关系尤
4、为密切。因为化工生产中的很多过程和单元操作，都需要加热和冷却。,精馏操作中的传热过程： 塔釜上升蒸汽 塔顶冷凝产品,江苏张家港某企业有一化工设备，材质为碳钢，设备壁厚12mm。设备内物料温度63, 物料流量220T/h,保温前设备外表面温度53 ,设备总外表面积1000m2, 具体外形见下图，上下箱体长24m,需要计算保温前后的热损失。已知当地室外平均气温冬季5 , 春季17 ,夏季25 。计划保温层厚度50mm,保温材料=0.043W/(m.k),传 热 具 体 应 用 实 例,在设计时进行合理的优化设计使其在满足工艺要求的条件下投资费用最小；在操作中进行最优化操作，对节省传热设备投资，节省
5、能源有着重要的意义。,最佳保温层厚度问题 目前，城市居民楼很多都是简单的平屋顶，假设屋顶由里向外的结构是0.1(cm)涂料，1.5(cm)水泥砂浆，20(cm)楼板，2(cm)水泥砂浆，珍珠岩保温层，2(cm)水泥砂浆，1(cm)三毡四油防水材料。 北方地区这样的屋顶，夏季太阳日照下的表面温度最高可以达到摄氏75度，冬季为摄氏零下40度。为了保持室内有较好的舒适温度，又不造成浪费， （1）保温层厚度应该多厚为好？ （2）如果更换保温层成其它保温材料，你认为那种好，其厚度是多少？,化工生产中对传热过程的要求通常有以下两种情况： 一是强化传热，即加大传热过程速率的过程。如各种换热设备中的传热，要求
6、传热速率快，传热效果好。 另一种是削弱传热，也即减小传热速率的过程。要求传热速率慢，以减少热量或冷量的损失。如设备和管道的保温过程。,稳态传热和非稳态传热 稳态传热：各点温度分布不随时间而改变 非稳态传热：各点温度随位置和时间而变 说明：连续生产过程中的传热多为稳态传热,5.1.1 传热的基本方式 根据机理的不同，传热有三种基本方式：热传导、热对流和热辐射。传热过程可依靠其中的一种或几种方式同时进行。 热传导conduction 热传导又称导热，是借助物质的分子或原子振动以及自由电子的热运动来传递热量的过程。当物质内部在传热方向上无质点宏观迁移的前提下，只要存在温度差，就必然发生热传导。,对流
7、 convection 由于流体质点的转移或者混合，将热量从一处传至另一处称为热对流。这是流体质点宏观运动的结果。 自然对流：密度差为推动力。 强制对流：外力的作用。如泵，风机、搅拌等。热辐射 radiation 通过电磁波传递热量的过程。,1、直接接触式换热和混合式换热器 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，是工业换热器的首选类型。 典型设备：如凉水塔、喷洒式冷却塔、混合式冷凝器 适用范围：无价值的蒸气冷凝，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。,5.1.2 冷热两种流体的接触方式及
8、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。以达到换热的目的。 优点：传热速度较快，适用范围广，热量的综合利用和回收便利。 典型设备：套管式换热器、 列管式换热器。 适用范围；不许直接混合的两种流体间的热交换。, 热量由热流体靠对流传热传给金属壁的一侧（对流给热）； 热量自管壁一侧以热传导的形式传至另一侧（导热）； 热量以对流传热的方式从壁面的另一侧传给冷流体（对流给热）。,间壁式换热器内冷、热流体间的传热过程可以包括以下三个步骤：,3、蓄热式换热器 蓄热式换热器，简称蓄热器。是借助蓄热体将热量
9、由热流体传给冷流体的。在此类换热器中，热、冷流体交替进入，热流体将热量储存在蓄热体中，然后由冷流体取走，从而达到换热的目的。此类换热器结构简单，可耐高温，缺点是设备体积庞大，传热效率低且两流体有部分混合。,5.1.3 传热基本概念,（1）传热速率（热流量） 单位时间内通过传热面传递的热量Q（W），整个换热器的传热速率表征了换热器的生产能力，单位为W； （2）热通量 单位时间、单位传热面积上传递的热量q（W/m2）；,5.1.4 载热体及其选择 载热体（加热剂、冷却剂） 热载体：为了将冷流体加热或热流体冷却，必须用另一种流体供给或取走热量，此流体称为热载体。起加热作用的热载体称为加热剂；而起冷却
10、作用的热载体称为冷却剂。 选择载热体原则： 温度易调节控制；饱和蒸气压低，加热时不易分解； 毒性小，不易燃、易爆，不易腐蚀设备； 价格便宜，来源容易。 （1）加热剂 工业中常用的有热水（40100）、饱和水蒸气（100180）、矿物油或联苯或二苯醚混合物等低熔混合物（180540）、烟道气（5001000）等；除此外还可用电来加热。 （2）冷却剂 工业中常用的有水（2030）、空气、冷冻盐水、液氨（-33.4）等等。,5.2 热传导（导热Conduction）,5.2.1 傅里叶定律（Flouriers law） （1）温度场（Temperature field）物体（或空间）各点温度在时空中
11、的分布称为温度场。t = f（x，y，z，） 温度相同的点所组成的面称为等温面。温度不同的等温面不可能相交，为什么？,（2）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，即,5.2.1 傅里叶定律（Flouriers law）,（3）傅里叶定律傅里叶定律是用以确定在物体各点间存在温度差时，因热传导而产生的热流大小的定律。单位时间内，单位传热面积上传递的热量即热通量与温度梯度成正比，,传热速率不仅与温度梯度成正比，还与传热面积成正比，即,5.2.2 导热系数（热导率）,物理意义：温度梯度为1时，单位时间内通过单位面积的传热量，在数值上等于单位温度梯度下的热通量， 越大，导
12、热性能越好。 （1）固体的导热系数纯金属：t, ;非金属： 或 t, 。=0（1+t） 式中、 0固体分别在温度t、273K时的导热系数，W/(m K);温度系数，对大多金属材料为负值，大多非金属 材料为正值，1/K。,（2）液体的导热系数t, ；一般纯液体（水和甘油除外）的导热系数比其溶液的导热系数大。 （3）气体的导热系数气体的很小，对导热不利，但对保温有利。在相当大的压强范围内，压强对气体的导热系数无明显影响。一般情况下气体 = f ( t )， t, 。,固体、液体、气体的热导率的大致范围： 金属固体非金属固体液体气体 金属固体：101 102 W/(m K)； 建筑材料： 10-1
13、10 W/(m K)； 绝缘材料： 10-2 10-1 W/(m K)； 液体： 10-1 W/(m K)； 气体： 10-2 10-1 W/(m K)；,冬天,棉被经过晒后拍打,为什么感觉特别暖和?,电影泰坦尼克号里，为什么Jack冻死了，而Rose没有？,5.2.3 平壁的稳定热传导,（1）单层平壁稳定热传导一高度和宽度均很大的平壁，厚度为b ，两侧表面温度保持均匀恒定，分别为t1 及t2 ，且t1 t2，若t1、t2不随时间而变，壁内的传热属于沿厚度x 方向的一维定态热传导过程（见图4-5）。此时傅里叶定律可写成,积分上式,传热速率（单位时间通过面积A上的传热量）为：,b或A 或，R 。
14、上式为常数，所以平壁内的温度分布为一直线；若导热系数与温度有关，则温度分布又是怎样的？,（2）多层平壁稳定热传导,应用合比定律，得,推广到n层平壁,从上式可以看出，通过多层壁的定态热传导，传热推动力和热阻是可以加和的；总推动力等于各层推动力之和，总热阻等于各层热阻之和。,此式说明，在多层壁导热过程中，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。,将上式写成热通量的形式为,5.2.4 圆筒壁的稳定热传导,（1）单层圆筒壁稳定热传导有内、外半径分别为r1、r2的圆筒，内、外表面分别维持恒定的温度t1、t2，且管长l足够大，圆筒壁内的导热属于沿径向的一维定态热传导，傅里叶定律可写成,
15、积分,式中 b = r2- r1，为圆筒壁的厚度。平均面积 Am= 2lrm，而,称为对数平均半径。当r2/ r1 2时，可以改用算术平均值，即取rm= （r2+ r1）/2。 热阻为：,（2）多层圆筒壁稳定热传导,推广到n层圆筒壁,例1：外径为 426mm的蒸汽管道，其外包扎一层厚度为 426mm的保温层，保温材料的导热系数为 0.615 W/(m)。若蒸汽管道外表面温度为 177 ，保温层的外表面温度为 38，试求每米管长的热损失以及保温层中的温度分布。,解：此题为单层圆筒壁的热传导问题。,已知条件：,蒸汽导管外表面的半径 r20.426/20.213m,温度 t2177,保温层的外表面的
16、半径 r30.2130.4260.639m,温度 t338,由：,可得每米管道的热损失为：,设保温层内半径 r 处的温度为 t，代入上式：,将已知数据代入，整理得温度t与半径的关系式为：,t = -126.6 ln r 18.64,筒壁内的温度分布不是直线，而是曲线。,例2: 管外径为25mm，管外包以两层保温材料，每层厚均为25mm。外层与内层保温材料的导热系数之比为2/1=5，此时的热损失为Q。今将内、外两层材料互换位置，且设管外壁与外层保温层外表面的温度均不变，其热损失为Q。求Q / Q ，说明何种材料放在里层为好。,思考：分析保温瓶的保温措施有哪些？ 讨论： 对平壁一维稳定热传导在传热方向上处处传热速率Q与热通量q相等； 对圆筒壁一维稳定热传导在传热方向上其传热速率Q处处相等，但由于各处传热面积不同，故其热通量不等； 对平壁求单位面积的传热量或热损失即求热通量q；对圆筒壁求单位长度的传热量或热损失，即求Q/l； 热导率小，不利于导热，但有利于保温； 多层材料间应紧密接触，若有空隙则其总的导热能力下降，因为其间隙充满气体，气体的热导率小于固体； 采用多层保温措施时，热导率小的材料置于内层有利于保温。,
