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1、化工原理（上册）,化工原理,4. 传热 4.1 传热及基本方程 热的传递自然界、技术领域 温差存在的地方 热流方向 高温 低温工业： 强化 削弱 方式：热传导（导热）：连续存在温度差 静止物质 无宏观位移 介质 ：金属-自由电子 不良导体与液体-分子动量传气体-分子不规则运动对流传热：质点发生相对位移，流体中，多指流体到壁面， 自然对流（温差） 强制对流（外力）辐射传热：电磁波在空间的传递 不需介质 互相照得见能量形式转变 热能辐射能热能,分类：稳定传热-温度不随时间变化/不稳定传热-温度随时间变化 传热速率： W J/s 单位时间内通过传热面的热量。稳定传热是常量 4.2 热传导 （基本概念
2、与傅立叶定律） 4.2.1 温度场和温度梯度温度分布 t=f(x.y.z.) 不稳定与有关，稳定则与无关温度场:温度分布的总和 等温面： 同一时刻 ，温度相等的点构成的面 ，彼此互不相交温度梯度： t 温度差, n垂直距离 Q的传递方向与温度梯度的方向相反,Q,温度梯度, t / n,t + t,t,0,x,t,t1,t2,b,0,b1,b2,b3,x,t,t1,t2,t 3,t4,1,2,3,Q,Q,单层与多层平壁热传导,4.2.2 傅立叶定律： dQdA ( t / n ) 导热系数 W/(m.K) 的情况见图表 P166 d Q /dA q =Q/A J/s.m2 热通量,的情况,金 属
3、 t, 一般 大致范围W/m2.K%，大都 大多为负 2.3420 =0（1+ t）非金属 建筑材料 通常, 大多为正 0.053绝缘材料 t, 0.0250.25液体金属 t, 大多液 体 非 金 属 t, 除水与油 0.090.6%， 有机物水溶液m =0. 9 ai i m 有机物互溶液m =ai i ai质量分率气 体 t, ,（p2105kpa,p3kpa) 0.0060.4m =i y i M i 1/3 / i M i 1/3 y i摩尔分率 M i分子量温度在各位置上各不相同，故亦不同，则取平均,x,t,t1,t2,b,0,b1,b2,b3,x,t,t1,t2,t 3,t4,1
4、,2,3,Q,Q,单层与多层平壁热传导,4.2.3 平壁的热传导 单层 P171 图4-4 分离变量积分Q d x = Ad tx=0, t=t1 ;x=b, t=t2 多层 P172 图4-5 Q=Q1=Q2=Q3 = t i/ R i t i= Q R i t 1 + t 2 + t 3 = Q (R1+R2+R3) i =1n 例 1、2,教案12 例1 导热计算某平壁燃烧炉是由一层耐火砖与一层普通砖砌成，两层的厚度均为100mm，其导热系数分别为0.9 W/m.K及0.7 W/m.K。待操作稳定后，测得炉壁的内表面温度为700，外表面温度为130，为减少燃烧炉的热损失，在普通砖的外表面
5、增加一层厚度为40mm，导热系数为0.06 W/m.K的保温材料。操作稳定后，又测得炉内表面温度为740，外表面温度为90。设两层材料的导热系数不变。试计算加保温层后炉壁的热损失比原来的减少百分之几？ 解：加保温层前，单位面积炉壁的热损失(Q/A)1；此为双层平壁的热传导，其导热速率方程为: (Q/A)1=(t1-t3)/(b1/1+b2/2)=(700-130)/(0.1/0.9+0.1/0.7)=2240 W/m2加保温层后，单位面积炉壁的热损失(Q/A)2：此为三层平壁的热传导，其导热速率方程式为：(Q/A)2=(t1-t4)/( b1/1+b2/2+b3/3)=(740-90)/(0.
6、1/0.9+0.1/0.7+0.04/0.06)=706 W/m2,故加保温层后热损失比原来减少的百分数为：(Q/A)1-(Q/A)2/ (Q/A)1100%= (2240-706)/2240100%=68.5% 试再求各层间的温度：Q/A=(t1-t2)/( b1/1)=(t3-t4)/( b3/3) 此时 t1=740 t4=90 求出t2,t3 则 7060.1/0.9=740- t2, t2=740-78.4=661.6 7060.04/0.06= t3-90 , t3 =470.7+90=560.7 热阻越大，温差越大。,教案12 例2 界面温度的求取某炉壁由下列三种材料组成： 耐火
7、砖1=1.4W/m.K,b1=225mm ; 保温砖2=0.15 W/m.K,b2=125mm;建筑砖3=0.8 W/m.K,b3=225mmt 1 2 3t1t2t3t4b1 b2 b3 x 已测得内、外表面温度分别为930和55,求单位面积的热损失和各层间接触的温度。,解：由公式可求得单位面积的热损失为： q = t/(b/) =(930-55)/(0.225/1.4+0.115/0.15+0.225/0.8)=875/(0.1607+0.767+0.281)=724 W/m2t1=q. b1/1=7240.1607=116 t2=t1-t1=930-116=814t2=q. b2/2=7
8、240.767=555 t3=t2-t2=814-555=259t3=t3-t4=259-55=204 本例中，保温砖热阻最大，分配于该层的温差也最大。,4.2.4 圆筒壁的热传导 单层 P173 图4-6 分离变量积分r1r2,t1t2,单层与多层圆筒,Q,t1,t2,r1,r2,Q,r1,r1,r4,r3,r2,t1,t2,t3,t4,1,2,3,多层 P174 图4-7 t i= Q R i t 1 + t 2 + t 3 = Q (R1+R2+R3)每层Q相等 但q=Q/A不等 例 3,教案12 例3 管路热损失的计算圆管导热为了减少热损失，在外径150mm的饱和蒸汽管外覆盖厚度为10
9、0mm的保温层，保温材料的导热系数=0.103+0.000198t W/m. （式中t单位为）。已知饱和蒸汽温度为180，并测得保温层中央即厚度为50mm处的温度为100，试求：(1)由于热损失每米管长的蒸汽冷凝量为多少？(2)保温层的外侧温度为多少？ 解：（1）对定态传热过程，单位管长的热损失Q/l沿半径方向不变，故可根据靠近管壁50mm保温层内的温度变化加以计算。若忽略管壁热阻，此保温层内的平均温度和平均导热系数为 tm=（180+100）/2=140 , m=0.103+0.000198 tm=0.103+0.000198140=0.13 W/m. 则 Q/l =2m(t1-t2)/ln
10、(r2/r1) =23.140.13(180-100)/ln(0.125/0.075)=128.6 W/m 查附录得180饱和蒸汽的汽化热为 r =2.019106J/kg,每米管长的冷凝量为 (Q/l)/r=128.6/2.019106=6.3410-5kg/(m.s) （2）设保温层外侧温度为 t3, 则t3= t1- Q/lln(r3/r1)/2m 式中m为保温层内、外侧平均温度下的导热系数，因外侧温度未知，故须试差，设t3=41 tm=（180+41）/2=110.5m=0.103+0.000198 tm=0.103+0.000198110.5=0.125 W/m.t3=180-128
11、.6ln(0.175/0.075)/20.125=41.1 因的计算值与假定值相等，故此计算结果有效。,4.3 对流传热 对流传热分析： 热 对流传热 流体固体壁面 P247 图5-13质点移动和混合边界层：层流底层：热传导 热阻大 大 bR湍流主体中温差极小 对流传热速率：方程：半经验方程 速率=推动力/阻力=系数推动力推动力t =T-Tw R=b/（A） AR 各处t变微分形式： 牛顿冷却定律局部对流传热系数Q=At 平均 w/m2.K t平均温度差对应A1，A2有1，2 T-Tw/ tw - t dQ=2 (T-Tw)dA2 =1(tw - t)dA1,T,t,主体,冷流体主体,对流传热,热流体,边界层,边界层,壁 面,Tw,tw,对流传热系数范围P186 表4-1传热方式 对流传热系数/W/ m2.K 传热方式 对流传热系数/W/ m2.K 空气自然对流 525 油类的强制对流 51500空气强制对流 20100 水蒸汽冷凝 500015000水的自然对流 2001000 有机蒸汽冷凝 5002000水的强制对流 100015000 水的沸腾 250025000因为 理论上实际经验式关联求,
