第五章 传热

1. 第五章 传热

2. 5.1 概述 5.2 热传导 5.3 对流传热 5.4 传热过程的计算 5.5 热辐射 5.6 换热器

3. 5.1 概述 5.1.1 传热过程在化工生产中的应用 5.1.2 冷热流体的接触方式 5.1.3 热载体及其选择 5.1.4 传热的三种基本方式 5.1.5 间壁式换热器的传热过程

4. 5.1.1 传热过程在化工生产中的应用 作用： • 加热 • 冷却 • 保温 目的： • 强化有益传热 • 削弱有害传热

5. 5.1.2 冷热流体的接触方式 一、直接接触式 此方法传热效率高、时间短。但冷、热介质必须能直接混合。 板式塔

6. 低温流体 高温流体 二、蓄热式 • 优点： • 结构较简单 • 耐高温 • 缺点： • 设备体积大 • 有一定程度的混合

7. 热流体T1 t2 冷流体t1 T2 三、间壁式：冷热介质中间由一层固体壁面所隔开 套管换热器 传热面为内管壁的表面积

8. 热流体T1 t2 冷流体t1 T2 列管换热器 由壳体、管板、管束、顶盖、接管组成。 传热面为壳内所有管束壁的表面积

9. 5.1.3 热载体及其选择 热源：热水、饱和水蒸气 矿物油或联苯等低熔混合物、烟道气等 用电加热 冷却剂：水、空气、冷冻盐水、液氨等 • 冷却温度30C 水 • 加热温度180C 饱和水蒸气

10. 5.1.4 传热的三种基本方式 一、热传导 定义：物体中由于分子的振动，与相邻分子发生碰撞而将热量从高温传向低温的传递方式。 特点：没有物质的宏观位移,靠微观分子的热运动。 • 气体分子做不规则热运动时相互碰撞的结果。 • 固体导电体：自由电子在晶格间的运动。 • 非导电体：通过晶格结构的振动来实现的。 • 液体 机理复杂 • 化工操作 固体中、静止或层流流动的流体中。

11. 二、对流 流体内部质点发生相对位移的热量传递过程。 特点：靠流体质点的宏观运动进行热量传递。 仅发生在流体中。 • 自然对流：由于温差而引起密度差产生的对流。 • 强制对流：依靠机械施加外力使流体运动。 三、热辐射 物体因热的原因发出辐射能的过程称为热辐射。 • 能量转移、能量形式的转化。 • 不需要任何物质作媒介。

12. T1 t2 对流 传导 对流 Q 热流体 冷流体 T2 t1 5.1.5 间壁式换热器的传热过程

13. 5.2 热传导 5.2.1 有关热传导的基本概念 5.2.2 傅立叶定律 4.2.3 导热系数 4.2.4 通过平壁的稳定热传导 5.2.5 通过圆筒壁的稳定热传导

14. 5.2.1 有关热传导的基本概念 (1)温度场 温度场：物体或系统中各点的温度分布总和。 某时刻，物体或空间各点的温度分布。 与时间和位置有关。 式中 t ── 某点的温度，℃； x,y,z ── 某点的坐标；  ── 时间。

15. 不稳定温度场 从时间上： 稳定温度场 一维温度场： 二维温度场： 三维温度场： 从位置上： 本书研究的是稳定的、一维温度场 t＝f(x)

16. 等温面 t1 t2 Q t1>t2 （2）等温面 等温面：在温度场中，同一时刻温度相同的点所组成的面。 不同温度的等温面不相交。

17. t-t t t+t Q dA n (3)温度梯度 ------实质是一个变化率 等温面法线方向上的温度变化率。 速度梯度： 动量传递 温度梯度： 热量传递 浓度梯度： 质量传递 • 温度梯度是一个点的概念。 • 温度梯度是一个向量。 • 方向垂直于该点所在等温面，以温度增的方向为正 • 一维稳定热传导 三传定律

18. （4）其他 热负荷Q’：工艺要求，同种流体需要温升或温降时，吸收或放出的热量，单位 J/s或W。 传热速率Q：热流量，单位时间内通过换热器的整个传热面传递的热量，单位 J/s或W。 热流密度q：热通量，单位时间内通过单位传热面积传递的热量，单位 J/(s. m2)或W/m2。 式中 A──总传热面积，m2。

19. 5.2.2 傅立叶定律 -------表示传导的定律 温度场：稳定的、一维的 式中 Q ── 热传导速率，W或J/s； A ── 导热面积，m2； dt/dn── 温度梯度，℃/m或K/m； ── 导热系数，W/(m·℃)或W/(m·K)。

20. 负号表示传热方向与温度梯度方向相反 • 对一维稳态热传导 • 表征材料导热性能的物性参数 • 越大，导热性能越好

21. 5.2.3 导热系数 • 单位： (2)意义：在数值上等于单位温度梯度下的热通量。 表示物质导热能力的一个物性参数。 (3) 是分子微观运动的宏观表现。  = f(结构,组成,密度,温度,压力） (4) 各种物质的导热系数 金属固体> 非金属固体> 液体> 气体

22. 600 铜 400 不 铝 200 同 锌（固体） 100 物 钢（液体） 低碳钢 60 质 锌（液体） 40 钾（液体） 合金钢 导 w/mK 20 热 高合金钢 铝（液体） 10 6 导热系数λ 系 4 数 冰 镁砖 硅砖 2 随 粘土耐火砖 1 温 0.6 水 0.4 度 0.2 变 化 0.1 0.06 的 硅藻土 0.04 空气 甲烷 比 0.02 较 苯（气态） 二氧化碳 0.01 1000 1400 600 1800 200 温度 K 物质热导率的大致范围 物质种类 热导率 金属 10+1～102； 建筑材料 10-1～101； 液体 10-1～100； 绝热材料和气体 10-2～10-1；

23. 1)固体 • 金属：纯金属> 合金 • 非金属：同样温度下，越大， 越大。 在一定温度范围内： 式中 0,  ── 0℃, t℃时的导热系数，W/(m·K)； a ── 温度系数。 对大多数金属材料a < 0 ，t  对大多数非金属材料a > 0，t  

24. 2)液体 • 金属液体较高，非金属液体低，水的最大。 • 一般来说，纯液体的大于溶液 • t （除水和甘油） 3)气体 • t 气体不利用导热，但可用来保温或隔热。

25. 傅立叶定律的应用 • 工业上常见的传热面类型 ⑴平壁 ⑵圆筒壁 单层 多层 ⑶球壁 ⑷不规则壁 √ 单层 多层 √

26. δ t t1 Qx+dx Qx t2 x dx 5.2.4 通过平壁的稳定热传导 一、 通过单层平壁的稳定热传导 假设： (1) A大，δ小； (2) 材料均匀； (3)温度仅沿x变化，且不随时间变化。

27. 得： 设不随t而变 式中 Q ── 热流量或传热速率，W或J/s； A ── 平壁的面积，m2； δ── 平壁的厚度，m； ── 平壁的导热系数，W/(m·℃)或W/(m·K)； t1,t2 ── 平壁两侧的温度，℃。

28. 讨论： 1．可表示为 推动力： 热阻： 2. 不随t变化，t～x成呈线形关系。 若随t变化关系为： 则t～x呈抛物线关系。

29. 二、 通过多层平壁的稳定热传导 t 假设： (1) A大， δ小； (2) 材料均匀； (3) 温度仅沿x变化，且不随时间变化。 (4) 各层接触良好，接触面两侧温度相同。 δ1 δ2 δ3 t1 t2 t3 t2 t4 x

30. 由于稳定热传导，各层Q应相等。 等比定律 推广至n层：

31. 1 2 3 t1 t2 t3 t4 三、各层的温差 思考： 厚度相同的三层平壁传热，温度分布如图所示，哪一层热阻最大，说明各层的大小排列。

32. λ r1 t1 r2 t2 单层圆筒壁的导热 5.2.5 通过圆筒壁的稳定热传导 一、 通过单层圆筒壁的稳定热传导 假定： (1) 稳定温度场； (2) 一维温度场。

33. 对于稳定温度场 傅立叶定律

34. 边界条件 得： 设不随t而变 式中 Q ── 热流量或传热速率，W或J/s； ── 导热系数，W/(m·℃)或W/(m·K)； t1,t2 ── 圆筒壁两侧的温度，℃； r1,r2 ── 圆筒壁内外半径，m。

35. 讨论： 1．上式可以为写 对数平均面积

36. 2． 3．圆筒壁内的温度分布 t～r成对数曲线变化(假设不随t变化) 4．平壁：各处的Q和q均相等； 圆筒壁：不同半径r处Q相等，但q却不等。

37. 二、通过多层圆筒壁的稳定热传导

38. 应用： 1、确定壁的热传递速率。 2、求所需加的保温层厚度。 3、求层之间的温度。

39. 思考 [?]通过圆筒壁的每一层热通量相等，热阻越大，两侧温差越大。 [?]怎么样可以减弱热损失，是否保温层厚度越厚，损失越小。 [?]热水从内壁传到外壁，有三步，是否按每一步计算均可。

40. 4.3 对流传热 4.3.1 对流传热过程分析 4.3.2 对流传热速率 4.3.3 影响对流传热系数的因素 4.3.4 对流传热系数经验关联式的建立 4.3.5 无相变时对流传热系数的经验关联式 5.3.6 有相变时对流传热系数的经验关联式

41. w1，T1 w2，t1 t2 dA T2 5.3.1 对流传热过程分析 （1）流体流过固体壁时，由于存在温度差进行的传热。

42. （2）对流传热中的传热方式： 湍流 ：Re＞4000 主流区：对流 边界层：传导 层流：传热方式主要为传导 流体类型

43. 热流体 传热壁 冷流体 dt T TW tW t A1 A2 （3）温度分布 • 层流底层 • 温度梯度大，热传导方式 • 湍流核心（主流区） • 温度梯度小，对流方式 • 过渡区域 • 热传导和对流方式

44. 5.3.2 对流传热速率——牛顿冷却定律 下面来推导牛顿冷却定律 T 建立膜模型： TW tW 式中t──总有效膜厚度； e──湍流区虚拟膜厚度；  ──层流底层膜厚度。 t t

45. 式中 Q ── 对流传热速率，W；  ── 对流传热系数，W/(m2·℃)； Tw ── 壁温，℃； T ── 流体平均温度，℃； A ──传热面积，m2。

46. 1. 牛顿冷却定律是一种推论，假设Q∝t。 推动力： 阻力： 2. 复杂问题简单化表示。

47. 5.3.3 影响对流传热系数的因素 1.引起流动的原因 自然对流：由于流体内部密度差而引起流体的流动。 强制对流：由于外力和压差而引起的流动。 强> 自 2.流体的物性 ，，，cp

48. 3.流动形态 层流、湍流湍> 层 • 4. 传热面的形状，大小和位置 • 形状：如管、板、管束等； • 大小：如管径和管长等； • 位置：如管子的排列方式（管束有正四方形和三角形排列）；管或板是垂直放置还是水平放置。 5. 是否发生相变 蒸汽冷凝、液体沸腾 相变> 无相变

49. 5.3.4 对流传热系数经验关联式的建立 一、因次分析 ＝f(u，l，，，cp，，gt) 式中l——特性尺寸； u——特征流速。 基本因次：长度L，时间T，质量M，温度 变量总数：8个 由定律（8-4）=4，可知有4个无因次数群。