传热幻灯片-

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1、第四章 传热,教学基本要求重点掌握 ：（1）流体无相变时对流传热系数的计算； （2）热负荷、传热平均温差及总传热系数计算；掌 握： （1）传热的基本方式； （2）传热速率方程式； （3）稳态热传导的概念及计算；,2017/5/23,一、传热在化工生产中的应用,传热：是温度差而引起的热量传递过程（又称热传递）。1、化工生产与传热的关系1）绝大多数化学反应过程都要求在一定的温度下进行，为了使物料达到并保持指定的温度，就要预先对物料进行加热或冷却，并在过程中及时取出放出的热量或补充需要吸收的热量。,4.1 概述,2017/5/23,2）一些单元操作过程，例如蒸发、蒸馏、干燥等，需要按一定的速率向设备

2、输入或输出热量。3）在高温或低温下操作的设备，要求保温，以减少它们和外界传热。4）对于废热也需合理的利用与回收。 2、化工生产中所涉及的传热过程有以下两类： 1）强化传热：各种换热设备中的传热。 2）削弱传热：如对设备和管道的保温，以减少热损失,2017/5/23,二、传热的三种基本方式,1、热传导）（静止介质的传热） 热量从物体内部温度较高的部分传递到温度较低的部分或者传递到与之相接触的温度较低的另一物体的过程称为热传导，简称导热。 特点：物质间没有宏观位移，只发生在静止物质内的一种传热方式。 微观机理因物态而异,2017/5/23,3、热辐射 辐射是一种通过电磁波传递能量的过程。物体由于热

3、的原因而产生的电磁波在空间的传递，称为热辐射。,辐射传热的特点是：（1）能量传递过程中有能量形式的转变（2）任何物体只要在绝对零度以上都能发射辐射能,2017/5/23,4、传热设备的不同形式,在化工生产中使用的传热设备可以分为三类：1、直接接触式传热设备 冷流体和热流体直接混合。进行热交换，并能实现热传导和热对流两种传热方式的传热设备2、间壁式传热设备 多数情况自下，工业生产不允许冷热流体直接接触，因而直接接触式传热设备在工业上并不多，工业上应用最多的是间壁式传热设备。其中最典型的间壁式传热设备是列管式换热器。两种温度不同的流体分别在管内、外流动，通过管壁实现热传导和热对流两种方式传热设备。

4、,2017/5/23,管程流体：流体由封头一端的接管进入热交换器，流体在分配室中分配到个管中，流体流经管束后由另一端的封头的接管流出。壳程流体：流体由壳体一侧的接管流入，流经管束和壳体之间的空间（管隙）后从另一端的壳体接管引出。单程列管式换热器：管程流体在管束中只流过一次，这种换热器称单程列管式换热器。,3、蓄热式传热设备将冷热流体交替通过蓄热体一实现它们之间的热交换。,由管束，固定管束的管板，封头，壳体,2017/5/23,1、间壁式换热器 1）换热器：进行换热的设备称为换热器。 2）间壁式换热：工业上，一般情况下不允许冷、热两种流体直接接触进行热交换，要求用固体壁面隔开，冷、热流体分别在壁

5、的两侧流动，不相混合，通过固体壁进行热量传递。例：套管式换热器 套管式换热器是由两种直径大小不同的直管组成的同心管，一种流体在内管中流动，另一种流体在内、外两壁间的环隙中流动，通过内管管壁进行热量交换。内管壁的表面积即为传热面积。,三、间壁换热过程的剖析,2017/5/23,2017/5/23,2、传热速率与热流密度传热速率（热流量 ）Q ：单位时间内通过传热面的热量，单位为w。热流密度（热通量）q ：单位时间内通过单位传热面积的热量。单位为w/m2传热速率与热流密度的关系为,2017/5/23,3、稳态传热与非稳态传热 1）稳态传热：在传热过程中物系各点温度不随时间变化的热量传递过程。 2）

6、非稳态传热：在传热过程中物系各点温度随时间变化的热量传递过程。4、两流体通过间壁的传热过程传热过程可分为三步： 热流体将热量传给固体壁面（对流传热）热量从壁的热侧传到壁的冷侧（热传导） 热量从壁的冷侧面传给冷流体（对流传热）壁的面积称为传热面，是间壁式换热器的基本尺寸。,2017/5/23,5、传热速率方程式 传热过程的推动力是两流体的温度差，沿传热管长度，各位置的温差不同，故使用平均温度差，以 表示。 对于稳态传热：,-传热速率方程式（传热基本方程式）,Q传热速率，J/s（或W）；K总传热系数，W/(m2.K)；A传热面积，m2； 两流体的平均温度差，K,2017/5/23,传热速率方程式可

7、以写成推动力与阻力的形式：,或：,R总传热面的热阻，K/W；r单位传热面积的热阻， (m2.K)/W,2017/5/23,只要有温差存在，就一定有热量传递，单位时间传递的热量的多少，取决于热阻的大小,热阻具有加和性,2017/5/23,6、载热体,物料在换热器中进行加热或冷却，要由另一种流体给出或取走热量，此流体称为载热体,载热体的分类：加热剂：载热体起加热作用。冷却剂：载热体起冷却作用。选择载热体的原则：a载热体应能满足工艺上要求达到的加热或冷却的温度。b 载热体的温度易于调节。c 载热体的饱和蒸气压小，加热过程中不会分解。d 载热体的毒性小，对设备基本没有腐蚀。e 载热体应价格低廉，容易得

8、到。当温度不超过180oC,饱和水蒸气是适宜的加热剂。但温度不很低时，水是最适宜的冷却剂。,2017/5/23,4.2 热传导一、傅立叶定律,1、温度场和等温面 温度场：物系内所有各点温度分布的总和。温度场的数学表达式为：,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,2017/5/23,2、温度梯度 温度梯度 ：等温面法线方向上的温度变化率，用gradt表示 。,温度梯度是向量，其方向垂直于等温面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、傅立叶定律,2017/5/23,为导热系数。W/mK负号表示热流方向与温度梯度方向相反。,傅立叶

9、定律,2017/5/23,二、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 ， 是物质的重要物性参数之一 ，单位W/(m.K)。 一般，金属的导热系数最大，非金属的固体次之，液体的较小，气体的最小。 各类物质导热系数的范围见表4-1,2017/5/23,对大多数金属材料，为负值，对大多数非金属材料， 为正值。,2017/5/23,2017/5/23,在传热计算过程中，对于内外壁面温度不同的固体， 的取值：取两侧壁面温度下的值的算术平均值：取平均温度 下的值,2017/5/23,m, i 混合液和各组分的热导率， 【w/(m.K)】; :各组分的质量分数K:常数。对一般混合物

10、或溶液，K =1,对有机物的水溶液， K = 0.9,混合气体的热导率，按摩尔加和法估算, m, i 气体混合物和各组分的热导率， 【w/(m.K)】;yi : i各组分的质量分数 Mi: i各组分的摩尔质量， 【g/mol】,混合液体的热导率，按质量加和法估算,2017/5/23,三、平壁的稳定热传导,1、单层平壁的稳态热传导,边界条件为：x=0时，t=t1x=b时，t=t2,2017/5/23,R导热热阻，K/W ； r单位面积的导热热阻 。传导距离b越大，传热面积和导热系数越小，传导热阻越大,R = b/ (A),q为单位时间、单位面积的导热量，称为面积热流量或热流密度,2017/5/2

11、3,为了求出平壁内的温度分布，在平壁内x处取一与壁侧表面平行的平面，设该平面上的温度为t,此式表明，当为常数时，壁内的温度分布为一直线。壁内的等温面为一系列平行与壁侧面的平面（垂直与热流方向的平面）,2017/5/23,例：已知一平壁厚500mm，再侧温度分别维持900、500不变，热导率为温度的函数，可表示为=1.0(1+0.001t),式中t的单位为。若将热导率分别按常量（取平均热导率）和变量计算时，式求热流密度和平壁内的温度分布。,解：,2017/5/23,2017/5/23,2017/5/23,2017/5/23,傅立叶定律,2017/5/23,2、多层平壁的稳态热传导,2017/5/

12、23,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，也就是串联电阻叠加原则。,2017/5/23,多层平壁导热过程中，每层平壁内的温度均按直线分布，所以，对于整个多层平壁温度分布为一折线。,各层平壁的温差降与该层的热阻成正比。,2017/5/23,课堂习题： 某平壁炉的炉壁由三种材料组成，分别为耐火砖（1 = 1.4 W/(mK)，1 = 225 mm）、保温砖（2 = 0.15 W/(mK)， 2 = 115 mm）和建筑砖（3 = 0.8 W/(mK)， 3 = 225 mm）。测得炉内壁温度为930

13、，外壁温度为55 ，求单位面积炉壁的热损失及各层间界面上的温度。,2017/5/23,四、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：,2017/5/23,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,2017/5/23,2017/5/23,2、多层圆筒壁的稳态热传导,与多层平壁的稳定热传导计算类似，可导出：,2017/5/23,2017/5/23,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。,2017/5/23,对流传热速率表

14、达式,2017/5/23,同理：冷流体侧对流传热关系亦可表示为：,给热系数或传热分系数,2017/5/23,二、对流传热系数的经验关系式,1、影响对流传热系数的主要因素（1）流体的种类和状态 （2）流体的物性1）导热系数 滞流内层的温度梯度一定时，流体的导热系数愈大，对流传热系数也愈大。2）粘度 流体的粘度愈大，对流传热系数愈低。3）比热和密度,2017/5/23,cp：单位体积流体所具有的热容量。 cp值愈大，流体携带热量的能力愈强，对流传热的强度愈强。 4）体积膨胀系数 体积膨胀系数值愈大，密度差愈大，有利于自然对流。对强制对流也有一定的影响。（3）流体的温度（4）流体流动状态 湍流的对流

15、传热系数远比滞流时的大。（5）流体流动的原因（6）传热面的性状、大小和位置,2017/5/23,2017/5/23,流体与固体壁面之间的热量传递必然通过紧贴壁面速度为零的流体层，其传热为导热，因此传热规律遵循傅立叶定律。用 表示近壁处的温度梯度，则,牛顿冷却定律,很难得出！,如何确定对流传热系数？,对流传热微分方程式,理论上计算对流传热系数的基础,2017/5/23,2、对流传热过程的因次分析,（1）流体无相变时的强制对流传热过程列出影响该过程的物理量，并用一般函数关系表示：,根据因次分析法可以将上式转化为无因次形式,2017/5/23,2017/5/23,3、应用准数关联式应注意的问题1）定性温度：各准数中的物理性质按什么温度确定 2）定性尺寸：Nu，Re数中L应如何选定。 圆管-内径；非圆管-当量直径3）应用范围：关联式中Re,Pr等准数的数值范围。,2017/5/23,三、流体无相变时对流传热系数的经验关联式,1、流体在管内强制对流时的对流传热系数（1）流体在圆形直管内作强制湍流1)低粘度（大约低于2倍常温水的粘度）流体,