《传热过程基础》由会员分享，可在线阅读，更多相关《传热过程基础（46页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第五章传热过程基础第一节传热导论传热：冷热物体间的热量交换。一、传热在化工中的应用：1. 加热2. 去热3. 隔热4. 热能的综合利用二、传热方向。高温 低温，推动力是温差 T。传热速率q、阻力R与推动力 T之间的关系q -R三、学习本章的目的：研究传热机理，了解设备结构，强化传热过程。强化传热：提高传热速率 Q即提高单位时间传热量。第二节传热物理量与传热基本方程一、传热中的一些物理量和单位：1. 热量：是能量的一种形式。用 Q表示，J;2. 传热速率：单位时间内传递的热量q二Q J即w；z - s3. 热强度（热通量、热流密度）：单位时间、单位传热面积所传递的热量。 w/ m 2 ；QS4.
2、 焓：单位质量的物质所具有的热量称为焓。J/ kg 或J/mol5. 潜热：单位质量的物体在一定的温度下发生相变时所吸收或放出的热量；6. 恒压比热：压强恒定时（常指一个绝对大气压）单位质量的物体温度升高1K时所需要的热量。J kg 4 K 4或J mol K ；7. 显热：物体的质量与比热及温度变化值的乘积。Q县二m CpT 。二、稳态传热与非稳态传热当与热流方向垂直的任一截面上、某点的温度和传热速率随位置变化而不随时间而变化时，称为稳态传热。当与热流方向垂直的任一截面上、某点的温度和传热速率既随位置变化又随时间而变化时，称为非稳态传热。三、工业上的换热方法1.直接换热（混合式换热）冷热两种
3、流体在换热中直接混合而交换。例如：硫酸工业中，对高温的SO2炉气进行降温，就是用冷水与SO2直接接触进行换热。2间壁换热：冷热流体处于固体壁面的两侧，热流体将热量传给壁面，通过间壁由另一壁面将 热量传给冷流体。3.蓄热式换热：热流体通过炉内，放出热量使炉温升高，然后将需要加热的冷流体通过炉内，吸收热量炉温下降，然后使热流体再次入炉，如此交替使冷、热流体换热。四，热量传递的基本方式1. 导热（热传导）：物体分子振动或物体内部自由电子的转移而引起的传热过程。（可以发生在固、液、气三相中。）2. 热对流（给热）：流体各部分之间发生相对位移所引起的热传递过程。（仅发生在流体中，如气体、液体。）3. 热
4、辐射：因热的原因而产生的电磁波在空间的传递。（固、液、气都可以进行热辐射，一般500 C以上才考虑热辐射影响。）五.总传热速率方程.-：tm 传热推动力1/ ks传热总阻力q 传热速率w；K总传热系速；S传热面积厶Tm 平均温度差C。K的物理意义：K二STmt金属管壁面我们比较传热系数的好坏，只比较 可以了。K值大小就行了。如同流体内摩擦力大小，只比较粘度操作的重点设计的重点，为了研究K我们以间壁传热为例,研究的重点.T为了强化传热过程，即 q S! K必须进行传热过程的分析:热流体给热 管壁内侧 导热 管壁外侧 给热 冷流体tw1t w2Ttwitw2t第三节热传导531热传导与傅立叶定律一
5、、热传导（又称导热）现象：导热：所有物体 将其本身动量（ 热就其本质上讲：火棍（固、液、气）均由分子组成，有温差、分子振动快慢有差异，振动速度快的分子 mv）传递给邻近振动速度较慢的分子，热量就这样从高温向低温的传递下去， 分子振动传热。温度是物体平均动能的量度。二、温度场和温度梯度1.温度场：任一瞬间物体或系统内各点温度分布的总和。一般情况下，物体内任一点的温度为该点的位置及时间的函数，故温度场的数学表达式为:t 二 f(X,Y, ZJ)若温度场内各点的温度随时间而变，此温度场为不稳定场；若温度场内各点的温度不随时间而变，即为稳定温度场，（与稳定流动相似）其数学表达式为:t 二 f(X,Y,
6、Z)在特殊的情况下，若物体内的温度仅沿一个坐标方向发生变化，此温度场为稳定的一维温度场,即：t = f(X)。2.等温面：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。3.温度梯度：两相邻等温面（t t ）及t之间的温度差，与该两面之间的垂直距离 厶r之比值TT:t 1，（其含义是温n 、n也t的极限称为温度梯度。温度梯度的数学定义式为：gradt= lim爲ri 0度只随n而变化，其它因素可作为常量。对稳定的一维温度场，温度梯度可表示为：gra舟。三.傅立叶定律表示通过等温表面的导热速率与温度梯度及传热面积成正比，即:盘亠ctdq ： -ds 或dq - - dsEncnq 导热速率
7、，即单位时间内传导的热量W ；n 与传热面相垂直厚度m2s等温表面的面积m ；-比例系数，称为导热系数由傅式写为:dq.：:tds：nW（moC）式中的负号表示热流方向和温度梯度的方向相反。532导热系数2ds=1 m ，: t=1 C ：n =1 m上式即为导热系数的定义式，导热系数在数值上等于单位温度梯度下的热通量。二dq（热通量：单位面积上的传热速率。也W m2）ds 我们比较物体导热速率大小，只要比较导热系数就行了。、影响的因素：1. 不同的物体有不同的， 金属固液气（与分子距离有关）2. 同种物体的化学组成愈纯、越大，如纯铜 = 330千卡/米.时.oC 如纯铜中含有微量的砷时 =1
8、22 千卡/米.时.oC 3. 内部结构愈紧密、值愈大，如聚异氰酸酯塑料二0.18千卡/米.时.C 而聚异氰酸酯泡沫塑料（低温保冷材料），=0.015 0.023 千卡/米.时.C。4. 物理状态：冰=1.93 千卡/米.时.C ，水=0.49 千卡/米.时.C 7水蒸气=0.0139 千卡/米.时.C 5. 湿度：湿材料的导热系数比同样组成的材料要高。因为湿材料含水多，而干材料有空气。6. 温度：气体，蒸汽，建筑材料和绝热材料的值，随温度升高而增大。大部分液体（水与甘油除外）和大部分金属的 ，值随温度升高而降低。空隙大气体 空隙大 升温丿、但分子运动速度快是矛盾主要的方面分子运动快-空隙大固
9、体 液体升温丿、但空隙大是矛盾主要的方面.分子运动快导热本质是分子振动传热，它取决于物质（分子排列）的疏松程度和温度（分子振动的速度）。矛盾的主要方面决定事物的性质，所以气体，蒸汽，建筑材料和绝热材料的，值，随温度升高而增大；大部分液体（水与甘油除外）和大部分金属的值随温度升高而降低。7. 压强：因为液体可视为不可以压缩，因此压强影响可以忽略。压强对气体的影响（高于2X105kPa或低于3Kpa）下，才考虑压强的影响，此时导热系数随压强增高而变大。二、的计算：对纯组分依据定性温度tm如，去查值，对于大多数固体二0（1 at）2混合液体xm= k瓦对于混和组分p r1/3常压下气体混合物 扎m/
10、 ；3瓦 yiMi1/3（i 各组分质量分率；i 各组分导热系数；k常数，固体为1.0，有机物水溶液为 0.9 ; yi 各组分摩尔分率；Mi 各组分摩尔质量kg/kmol）。传热遵循能量守恒，稳定传热为前提。稳定传热下，传热速率q=常数，传热面各点温度不变；如下式中t1, t2都不随时间而变化为常量。q传=4导=4给=4放二q吸（无热损失）生产中，对已选定的材料，影响的主要因素是温度，在计算时，各种材料值可根据温度查阅有关手册。必须指出，导热时，由于物质各点温度不同，导热系数不同，计算时可取两端温度下导热系数的平均值，较常用的是先求出两端的算术平均温度即tm二匸 如再杳值。2平壁的热传导单层
11、平壁的热传导（即又大又薄，热量来不由于面积S厚度b，壁边缘处散热可以忽略，可简化为一维热传导。因为稳定的一维平壁导热q,s, 不随温度而变。dtq - - s 积后dx（因为dx很薄、dt很小，设 该薄层值不变取为常量）。bt2q = dx = -，s dt。0tl取进出口平均温度下的，值，即 qs（ti t2）或b1 t? Atq =b R s式中 b 平壁厚度,m;t -温度差，导热推动力,C；R=b/ s导热热阻，C/W。二.多层平壁热传导c以三层平壁为例：各层的壁厚分别为bi , b2和b3 ；导热系数分别为1 , 2，和 3。ti，t2， t3 和 t4 设假设层与层之间接触良好，即
12、相接触的两表面温度相同，各表面温度分别为ti t2 t3 t4 。在稳定导热时通过各层的导热速率相等，即:q = qi = q2 = q3 或 q =bi2 S(t t3 ) 3S(t3 -4)b2b3由上式可得：.：tti -12二q二 t2 tb3二 q一3S将上式相加整理得:Lt =t2 ； =t3 q =bib21 -i S/2 Sb3ti - t4邑.电/1 S ?、2Sb+3S(1)对n层平壁其热导速率方程可表示为:t - t n 1 nzi=1biiS圆筒壁的热传导(2)一、单层圆筒壁热传导 圆筒壁与平壁热传导的不同之处，在于圆筒壁的传热面积不是常数，也随半径而变。热传导温度随半
13、径而变这是很正常的，但如何把导热的面积变成常量，即不随半径而变，这只有通过微积分去解决。随半径而变，同时，温度设圆筒内半径为r1，外半径为r2，长度为I，圆筒内外壁温度分别为t1和t2，且t1 -12，若在半径为r处沿半径方向取微分厚度dr的薄壁圆筒，其传热面积可视为常量。等于2二rl ；同时通过该薄层的温度为dt。对这一薄层的导热，完全可依照平壁导热的公式去解决。-JX-JX即: q =-肚一=-九（2兀rl），因为稳定导热，q是常量，扎=f （物质、平均温度），也drdr取为常数。将上式分离变量积分整理得:r2t2drq2 l dtr r1ti(丄dx= In x +c)x(i)2 l (t _ t2)lnr2式（1）即为单层圆筒壁的热传导速率方程式。该式也可以写成与平壁热传导速率方程相同的形式,即：qs（ti -12）bSm，(tl - t2)bSm，(t1- t2)D A(2)将（2 ）与（1）相比较，可解得平均面积为:Q=Q2l
