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1、第五章 传 热 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传热过程的有关问题。学习目的与要求15.1 传热过程概述第五章 传 热2传热 热量从高温度区向低温度区移动的过程称为热量传递，简称传热。 一是强化传热过程，如各种换热设备中的传热。二是削弱传热过程，如对设备或管道的保温，以 减少热损失。传热过程可连续也可间歇进行。化工生产中对传热过程的要求5.1 概述三种传热方式热传导、对流和热辐射。35.1 传热过程概述5.1.1热传导及导热系数第五章 传 热4一、热传导(导热)热传导(导热) 不依靠物体内部各部分质点的宏观混合运动而借助于物体分子、原子、离子、自由电子等
2、微观粒子的热运动产生的热量传递称为热传导，简称导热。 原理：微粒热运动 金属(良导电/热体)：靠自由电子运动； 不良导体(固)和大多液体：靠晶格振动(原子、分子在其平衡位置附近的振动、碰撞等)； 气体：靠分子的不规则运动。特点： 发生在物体内部或相互接触的物质之间。 2.在传热方向上物系内部无宏观上的相对位移。5描述热传导现象的物理定律为傅立叶定律（Fouriers Law），其表达式为傅立叶定律（Fouriers Law）温度梯度导热系数微分导热通量热通量与温度梯度方向相反一、热传导(导热)6二、导热系数导热系数 导热系数表征了物质热传导能力的大小，是物质的基本物理性质之一，其值与物质的形态
3、、组成、密度、温度等有关。 导热系数通常用实验方法测定。表51列举了一些导热系数的大致范围。用时可查阅有关手册。7导热系数W/(m.oC)0.0060.060.10.70.23.0154200.0030.06气体液体非导电固体金属绝热材料二、导热系数 一般一般， 金属金属 非金属非金属 液体液体 气体气体。其值由试验测定或。其值由试验测定或 查表，少数可以用经验式计算。查表，少数可以用经验式计算。81.固体的导热系数纯金属的导热系数与电导率的关系可用魏德曼（Wiedeman）-弗兰兹（Franz）方程描述 良好的电导体必然是良好的导热体，反之亦然。 二、导热系数洛伦兹数电导率9对大多数均质固体
4、，导热系数与温度近似呈线性关系 对大多数金属材料，为负值；而对大多数非金属材料，为正值；二、导热系数102.液体的导热系数除水和甘油外，大多数非金属液体的导热系数亦随温度的升高而降低。 金属液体的导热系数比一般的液体要高 纯液体的导热系数比其溶液的要大溶液的导热系数在缺乏数据时，可根据纯液体的数据进行估算。公式55，56。 二、导热系数113.气体的导热系数气体导热系数随温度升高而增大。在相当大的压力范围内，气体的导热系数随压力的变化很小，可以忽略不计。 气体混合物的导热系数可由式5-7估算。二、导热系数125.1 传热过程概述5.1.1 热传导及导热系数第五章 传 热5.1.2 对流13 对
5、流是由流体内部各部分质点发生宏观运动和混合而引起的热量传递过程。因此对流只能发生在流体内部。 对流传热 在化工生产中特指流体与固体壁面之间的热量传递过程。区别于一般意义的对流。特点：靠近固体壁面附近的流体层中依靠热传导方式传热，而在流体主体中则主要依靠对流方式给热。对流对流传热：热对流+导热=对流传热14强制对流传热强制对流传热自然对流传热自然对流传热蒸气冷凝蒸气冷凝液体沸腾液体沸腾对对流流传传热热无相变无相变有相变有相变对流传热分类：对流15对流传热速率可由牛顿冷却定律描述 温度差对流传热系数微分对流传热通量对流165.1 传热过程概述5.1.1 热传导及导热系数5.1.2 对流第五章 传
6、热5.1.3 热辐射17热辐射 因热的原因而产生的电磁波在空间的传递称为热辐射。 热辐射特点：可以在完全真空的地方传递而无需任何介质。 不仅产生能量的转移，而且还伴随着能量形式的转换。 任何物体只要在绝对零度以上，都能发射辐射能，但仅当物体的温度较高、物体间的温度差较大时，辐射传热才能成为主要的传热方式。 185.1 传热过程概述5.1.1 热传导及导热系数5.1.2 对流5.1.3 热辐射第五章 传 热5.1.4 冷热流体（接触）热交换方式及换热器19一、直接接触式换热和混合式换热器例如气体的冷却或水蒸气的冷凝，凉水塔、洗涤塔等。二、蓄热式换热和蓄热器三、间壁式换热和间壁式换热器冷热流体（接
7、触）热交换方式及换热器20图5-1 套管式换热器1-内管 2-外管冷热流体（接触）热交换方式及换热器动画2221图5-2 单程管壳式换热器1-外壳,2-管束,3、4-接管,5-封头,6-管板,7-挡板,8-泄水管 冷热流体（接触）热交换方式及换热器动画2122 随着随着 d 取为取为di , do , dm= ( di+do ) / 2，相应地有相应地有Si , So , Sm 。S 是换热器的是换热器的指标之一指标之一，同体积的换热器，同体积的换热器，S大者好。大者好。由上可见，管壁是传递热量的中介。壁面积由上可见，管壁是传递热量的中介。壁面积的的大大小反映传热面积的大小。对于列管式换热器：
8、小反映传热面积的大小。对于列管式换热器：冷热流体（接触）热交换方式及换热器23间壁式换热器内冷、热流体间的传热过程包括以下三个步骤：（1）热流体以对流方式将热量传递给管壁；（2）热量以热传导方式由管壁的一侧传递至另一侧；（3）传递至另一侧的热量又以对流方式传递给冷流体。冷热流体（接触）热交换方式及换热器245.1 传热过程概述5.1.1 热传导及导热系数5.1.2 对流5.1.3 热辐射5.1.4 冷热流体（接触）热交换方式及换热器第五章 传 热5.1.5 载热体及其选择25载热体及其选择 在化工生产中，物料在换热器内被加热或冷却时，通常需要用另一种流体供给或取走热量，此种流体称为载热体，其中
9、起加热作用的称为加热介质（或加热剂）；起冷却（冷凝）作用的称为冷却介质（或冷却剂）。载热体26选择载热体原则（1）载热体的温度易调节控制；（2）载热体的饱和蒸气压较低，加热时不易分解；（3）载热体的毒性小，不易燃、易爆，不易腐蚀设备；（4）价格便宜，来源容易。表5-2、3给出了常用加热剂和冷却剂及其适用温度范围。载热体及其选择27第五章 传 热5.2 热传导5.2.1 平壁一维稳态热传导28 传热速率传热速率Q 单位时间、通过传热面的热量，单位时间、通过传热面的热量，J/s或或W。反映设备的反映设备的传热能力传热能力。 热通量热通量 q= Q / S单位时间、通过单位传热面积单位时间、通过单位
10、传热面积的热量的热量, J/m2.s 或或 W/m2。反映设备的反映设备的传热性能传热性能。传热速率和热通量传热速率和热通量传热速率传热速率Q=Q=传热推动力（温差）传热推动力（温差）/ /传热阻力传热阻力通式表示通式表示： Q=Q=t/R Rt/R R：整个传热面的热阻，：整个传热面的热阻， / / W W q= q=t/R R t/R R ：单位传热面的热阻，：单位传热面的热阻，m m2 2 / / W W29稳态传热：稳态传热：在传热系统中不积累能量（即输入的能在传热系统中不积累能量（即输入的能 量等于量等于 输出的能量）的系统。输出的能量）的系统。特点：特点：温度分布不随时间而变，传热
11、速率在任何时间都为温度分布不随时间而变，传热速率在任何时间都为 常数。常数。 非稳态传热：非稳态传热：在传热系统中积累能量（即输入的能量不等在传热系统中积累能量（即输入的能量不等 于输出的能量）的系统。于输出的能量）的系统。特点：特点：温度分布随时间变化，传热速率在任何时间都为常温度分布随时间变化，传热速率在任何时间都为常 数。数。化工生产过程中大多数为连续生产，故多为稳态传热，因化工生产过程中大多数为连续生产，故多为稳态传热，因此本章重点讨论此本章重点讨论稳态传热稳态传热。稳态传热和非稳态传热稳态传热和非稳态传热30一、单层平壁一维稳态热传导图示为大平壁上的一小块导热系数不随温度变化，或可取
12、平均值； 平壁面积壁厚，壁边缘散失的热量可以忽略。平壁成为稳定单层平壁的热传导的一维温度场。平壁，S为常数。壁边缘热损不计，各等温面传递的热量相等，即Q=常数。图5-3 单层平壁热传导31对平壁一维稳态热传导 积分并整理得微分式 积分式 一、单层平壁一维稳态热传导32导热热阻一、单层平壁一维稳态热传导33二、多层平壁的一维稳态热传导图5-4 三层平壁热传导假设：1.导热系数不随温度变化，或可取平均值；2.一维稳态3.忽略热损失4.没有接触热阻 34通过各层平壁截面的传热速率必相等 或二、多层平壁的一维稳态热传导35三层平壁稳态热传导速率方程 对n层平壁，其传热速率方程可表示为二、多层平壁的一维
13、稳态热传导36接触热阻 因两个接触表面粗糙不平而产生的附加热阻。 接触热阻包括通过实际接触面的导热热阻和通过空穴的导热热阻（高温时还有辐射传热）。 接触热阻与接触面材料、表面粗糙度及接触面上压力等因素有关，可通过实验测定。 二、多层平壁的一维稳态热传导37图图5-5 5-5 接触热阻的影响接触热阻的影响接触热阻二、多层平壁的一维稳态热传导38例题例题 有一燃烧平壁炉，炉壁由三种材料构成。内有一燃烧平壁炉，炉壁由三种材料构成。内层层耐火砖耐火砖b1 =150mm，导热系数可取，导热系数可取1.05W/(m.)；中间层保温砖；中间层保温砖b2 =290mm，导热系数可取导热系数可取0.15W/(m
14、.)0.15W/(m.)；外层普通砖外层普通砖b3 =228mm，导热系数导热系数可取可取0.81W/(m.)0.81W/(m.)；测得炉内外温度；测得炉内外温度 t1 =1016，t4 =34；试求单位面积的；试求单位面积的热损失热损失和各和各层之间的温度层之间的温度 ，假设各层之间接触良好。假设各层之间接触良好。39解：按非金属固体的解：按非金属固体的解：按非金属固体的解：按非金属固体的 关系，求每种关系，求每种材料的材料的 时，须已知该材料的平均温度或该壁两侧时，须已知该材料的平均温度或该壁两侧壁表面温度。显然，要用壁表面温度。显然，要用试差法试差法。 经过试差分别得：耐火砖经过试差分别得：耐火砖 1 =1.05W/(m. ); 绝热砖绝热砖 2 =0.15W/(m. ) ；普通砖普通砖 1 =0.81W/(m. )40材料材料材料材料t , t , R , mR , m2 2. / W. / W耐火砖耐火砖耐火砖耐火砖59.559.50.14290.1429绝热砖绝热砖绝热砖绝热砖805.1805.11.9331.933普通砖普通砖普通砖普通砖117.4117.40.28150.281541练 习 题 目思考题作业题P277: 1、2P2791. 热量传递的三种基本方式是什么？分别用什么定律可以描述？2.在热传导问题中，术语“一维”是什么意思？何谓稳态热传导？42
