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1、第二章传热HeatTransfer第一节概述一、传热即热的传递，是自然界和工程技术领域中极普遍的一种传递过程，由热力学第二定律知：凡是有温度差存在的地方就会有热的传递，故在能源、化工、冶金、机械等工业部门都涉及到传热的问题。二、化工中的传热（1）化学反应在一定的温度下进行，为了达到并保持一定的温度，就需向反应器输入和输出热量。（2）在蒸发、蒸馏、干燥等单元操作中，也要输入和输出热量。（3）化工设备的保温、热能的合理利用以及废物的回收等。三、两种传热情况（1）强化传热，如各种换热设备中的传热。（2）削弱传热，对设备和管道的保温，以减少热损失。二、对流传热对流传热是指流体中质点发生相对位移而引起的
2、热交换过程，因而对流只能发生在流体中。在化工生产中，流体流过固体表面时，热能由流体传到固体壁面。或由固体壁面传到周围流体，这一过程称为对流传热。1、强制对流传热：用机械能使流体发生对流而传热。2、自然对流传热：若流体原来是静止的，因受热而有密度的局部变化，导致对流而传热的。三、辐射因热的原因而产生的电磁波在空间的传递称为热辐射。物体（固体、液体和气体）都能将热能以电磁波形式发射出去，而不需任何介质。1、热辐射不仅产生能量的传递，而且伴随着能量的转换。高温物体辐射向低温物体2、辐射传热是物体间相互辐射和吸收能量的结果。3、任何物体只要在绝对零度以上都能发生辐射能，但是只有物体的温度差别较大时，辐
3、射传热才成为最主要的传热方式。高温物体辐射能低温物体几点说明：上述三种传热方式，常常不是单独出现的，传热过程往往是两种或三种基本传热方式的组合。例如：生产中常遇到热量从热流体通过间壁（多为管壁）向冷流体传递的过程，称为热交换过程，它包括通过间壁的热传导和间壁两侧的对流传热。传热的基本物理量 1热量Q,单位J,1J=1Nm 2 传热速率,也称热流量,指单位时间传递的热量.=Q/,单位w,1w=1Js-1 工程中常用传热速率单位是kcalh-1 换算:1cal=4.187J,1kcal=4187J 1w=1J/1s=(1/4187)/(1/3600)=0.860 kcalh-1 3 热流密度,指单
4、位时间单位面积传递的热量, q= /A=Q/A 4 比定压热容cp是指压力恒定时单位质量物质温度升高1度所需热量,单位Jk-1kg-1,定压摩尔热容cp,m,单位Jk-1mol-1显热和潜热mcpt在工程上称为显热,当物质释放出显热时,物质温度显著降低.单位质量物质在发生相变时伴随的热量变化称为潜热,其值取决于物质的本性,包括物质的气化热,凝结热,升华热,溶(熔)解热,结晶热,稀释热等,其单位均为Jkg-1.摩尔相变热的单位Jmol-1第二节传导传热温度场中同一时刻下相同温度各点所组成的面称为等温面。因为空间任一点不能同时有两个不同的温度，所以温度不同的等温面不会相交。等温面无热量传递,而沿与
5、等温面相交的任何方向移动，温度都发生变化，即有热量传递。这种温度随距离的变化率以沿等温面垂直的方向最大。两等温面间的温度差t与其间的垂直距离n之比在n趋于零时的极限，称为温度梯度，即：温度梯度是矢量，既有大小，又有方向（正法线方向，即指向温度增加的方向）三、傅立叶定律FouriersLaw物体内热流的产生是由于存在温度梯度的结果，且热流的方向永远与温度降低的方向一致，即与温度梯度方向相反。1822年，法国数学家Fourier对导热数据和实践经验的提炼，将导热规律总结为傅立叶定律。即通过等温面的导热速率与温度梯度及传热面积成正比。傅立叶定律对定态传热和非定态传热都适用.2.4导热系数由傅立叶定律
6、可知：在数值上等于单位温度梯度下，单位导热面积上的导热速率,单位wm-1k-1。它表征物质导热能力的大小，是物质的物理性质之一，通常用实验测定。金属的值最大,非金属次之,液体的较小，气体的最小，常见的值可从手册中查得。一、固体的导热系数固体的导热系数大多与温度有关，对于大多数均质固体，其值与温度大致呈线性关系:0(1t),0为0时固体的导热系数.同种金属材料在不同温度下的导热系数可在化工手册中查到，当温度变化范围不大时，一般采用该温度范围内的平均值。二、液体的导热系数液态金属的导热系数比一般液体要高，而且大多数液态金属的导热系数随温度的升高而减小。在非金属液体中，水的导热系数最大。除水和甘油外
7、，绝大多数液体的导热系数随温度的升高而略有减小。一般说来纯液体的导热系数比其溶液的要大。三、气体的导热系数气体的导热系数随温度的升高而增大。在相当大压强范围内，气体的导热系数与压强几乎无关。由于气体的导热系数太小，因而不利于导热，但有利于保温和绝热。工业上的保温材料，例如玻璃棉等，就是因为其空隙中有气体，所以导热系数低，适用于保温隔热。2.5平面壁的定态热传导导热在稳定的温度场中进行,则物体内各点温度t只是位置的函数,不随时间而变.对材料均匀的平壁,经过任意一个微元dA,单位时间传递的热量为d,则d/dA为定值，记为/A，于是傅立叶定律为：在本节里，我们将讨论傅立叶定律在单层平壁和多层平壁中的
8、稳定热传导。一、单层平壁的稳定热传导1、数学模型的三个假设（1）导热系数为定值（2）无限平壁平壁面积与厚度之比很大，故从平壁边缘处的热损可以忽略。（3）一维稳定导热平壁的温度变化仅沿垂直壁面的x方向变化。于是等温面是垂直于x轴的平面。即：2、推导3、讨论二、多层平壁的稳定热传导在许多化工过程中，遇到的是多层平壁的热传导问题，如炉壁由三层组成：耐火砖、保温砖、建筑砖，如下图所示。1、数学模型的四个假设（1）、（2）、（3）与单层平壁的假设相同。（4）相接触的两表面温度相同（层与层接触良好）t1t2t3t42、推导在稳定导热中，通过各层的导热速率是否相等：=1=2=3？还是=1+2+3？3、结论与
9、讨论（1）多层平壁导热是一种串联的传热过程，串联传热的推动力（总温度差）为各分过程的温差之和，总热阻为各分过程的热阻之和串联热联热 阻叠加原则则，它和物理学中串联电联电 阻的欧姆定律相似。稳稳定的串联传热过联传热过 程的温差与热热阻成正比，当总总温差一定时时，传热传热 速率取决于总热总热 阻。（2）图图示法56圆筒壁的稳定热传导圆筒壁与平壁的热传导的不同处在于圆筒壁的传热面积不是常量，随半径而变，同时温度也随半径而变。如右图所示，设圆筒的内半径为r1，外半径为r2，长度为L，圆筒内，外壁面的温度分别为t1和t2，且t1t2。推导现讨论在半径为r，厚度为dr的薄壁圆筒，其传热面积可视为常量，薄壁
10、圆筒温差为dt，则沿半径方向的导热速率3、讨论（1）在化工中经常用到对数平均值，若当，可用算术平均半径代替对数平均半径,两者相差小于4%。（2）与分析多层平壁导热类似，应用串联热阻叠加的概念同样可以分析通过多层圆筒壁的热传导。对于三层圆筒壁，如右图示，假定层与层之间接触良好，各层的导热系数分别为1、2、3均为常数，根据串联的热阻叠加、推动力叠加原理，通过三层圆筒壁热传导的热流量为： 同理，对第二层，可以得到：利用数学中的合比定律得推广到n层圆筒的传热速率公式为（3）稳定传热时，为定值，q是否为定值？显然，通过各层的相同，但圆筒壁导热计算举例 【例21】在一603.5mm的钢管外包有两层绝热材料
11、,里层为40mm的氧化镁粉,平均导热系数=0.07W.m1K1,外层为20mm的石棉层,其平均导热系数=0.15W.m1K1.现用热电偶测得管内壁的温度为500,最外层表面温度为80,管壁的导热系数=45W.m1K1.试求每米管长的热损失及保温层界面的温度.(类似P109:例43)第三节对流传热 我们坐在教室里，手脸都不感觉得冷，如果开启电扇，扇起风来，就感觉冷了，这是为什么？因为空气流速加大，空气将人体表面的热量带走的速率加大，人体内部热量补充不上，所以感觉冷。一杯热牛奶，用均匀搅拌比不搅拌要凉得快，边搅拌边吹风，则凉得更快。前者利用牛奶对流，后者再加上空气对流。对流给热的定义是，通过流体内
12、分子的定向流动和混合而导致热量的传递。对流给热的机理如图29所示。固体壁面温度为tw（高温端），流体湍流主体的温度为t。在固体壁面存在层流层，然后是过渡层，再是湍流层。在层流层，热量靠热传导的方式传递，在过渡层和湍流层，热量靠分子的流动和混合来传递。直接按热传导的方式处理，显然不行，因为湍流层不能按导热处理。于是人们尝试，虚拟一个传热边界层，使得层流、过渡流、湍流的全部传热阻力集中在内。于是可以按平壁导热处理得：由于上式中的传热边界层是难以测定的，所以仍无法进行计算。于是令则上式为：即为牛顿冷却定律的数学表达式。就是：固体对流体的给热传热速率,与壁面积成正比，与壁面和流体间的温度差成正比比例系
13、数，亦称传热膜系数，其单位是:传热膜系数计算 与许多因素有关，所以不是物质特有性质(与不同).的求取十分复杂，目前主要通过因次分析法，在大量实验的基础上，得到一些经验的应用范围受限制的准数关联式。 例如圆管内湍流给热系数用Dittus公式：低粘度流体：当流体被加热时，n=0.4，流体被冷却时，n=0.3 高粘度流体： 式中，若流体为气体，则 若流体被加热，则 若流体被冷却，则值的大致范围一般情况下，值的大致范围如下：空气自然对流，525；空气强制对流，30300；水蒸汽冷凝，10008000；水沸腾，150030000；problem P142: Exercisesno.3,no.4第四节总传
14、热方程确切的讲是导热与给热的联合传热速率方程。我们以简单的并流套管式换热器为例，导出综合传热速率方程。在此种间壁式换热器中，热量传递要经历下列三个阶段：热流体对管内壁对流给热；管壁面间的导热；管外壁对冷流体的对流给热。单一的导热定律与对流给热定律，无法解决这个问题。另外，冷、热流体的温度差，沿轴向变化着，但对任一管截面，冷热流体的温度差不随时间而变，所以仍然是稳定传热过程，称为稳定的变温传热。此时，热推动力（温度差）和传热系数如何表达呢？取内管一微元管段B，其传热过程如图211所示。管段B传热面积为dAm2；此截面处热、冷流体的温度为T和tK；管壁温度分别为tw1和tw2K；通过该微元段的传热
15、速率为dJs1；下面列出该微元管段的传热速率方程。管壁内外的对流传热系数分别为1和2Wm2K1；管内径、外径分别为d1、dm、d2m；管壁厚度为bm。热流体对内管壁的对流给热速率为：管壁面间的导热速率为：管外壁对冷流体的给热速率为：稳定传热，即，根据比例定律中的合比定律得，若为平壁，即，则：K称为总传热系数，它是表示导热系数与给热系数的综合传热指标.当间壁为复合壁时,圆筒壁传热速率方程若为圆筒壁传热平均温度差根据两流体沿传热壁面流动时各点温度的变化，可分为恒温传热与变温传热两种情况 1、恒温传热若两侧流体皆为恒温，此时传热平均温度差就显得十分简单，即为两流体温度之差:tm=Tt这种情况是很特殊
16、的，它只是在间壁两侧的流体均发生相变的情况才出现。例如传热壁的一侧饱和蒸汽冷凝另一侧则是液体沸腾气化，在化工中在蒸发和蒸馏中就会有这种恒温传热的例子。2、变温传热间壁两侧流体的温度随传热面位置而变，这种情况称为变温传热，这是热交换中较为常见的情形。变温传热时，两流体的温度差t也是沿传热壁面不断变化的。因此，传热计算中应使用平均温度差tm，tm是指整个传热壁面的温度差的平均值。tm计算方法不仅与冷热流体的进出口温度有关，还与热交换器中冷热流体的相对流动方向有关。生产中常见的流体流向有四种类型，如图316所示。 （1）并流参与热交换的两流体流向相同，如图316（A)所示。（2）逆流参与热交换的两流体流向相反，如图316（B)所示。（3）错流参与热交换的两流体流向相互垂直如图316（C)所示。（4）折流分简单折流和复杂折流两种情况。在热交换器中，一种流体沿一个方向流动，另一种流体先以同向或反射流动，然后折回180度流动，也可以反复多次折回流动，这是简单折流，如图316（D)所示。若两流体均作折回流动，则称复杂折流。在折流过程中，两流体既并流，又逆流。错流和折流的情况比较复杂，本课程不予讨论，
