化工基礎(chǔ)4.1_化工生產(chǎn)中傳熱過程91905

1、 化化 工工 基基 礎(chǔ)礎(chǔ)教學(xué)目的：教學(xué)目的：重重 點：點：第四章第四章 傳熱過程傳熱過程了解學(xué)習(xí)傳熱過程的意義，掌握傳熱的了解學(xué)習(xí)傳熱過程的意義，掌握傳熱的一些基本物理量。一些基本物理量。傳熱中的一些基本物理量傳熱中的一些基本物理量4.1 概述概述4.1 4.1 化工生產(chǎn)中的傳熱過程及常見換熱器化工生產(chǎn)中的傳熱過程及常見換熱器 1 1化工生產(chǎn)中的傳熱過程化工生產(chǎn)中的傳熱過程 單元操作中的蒸發(fā)、精餾、干燥等過程也需要按單元操作中的蒸發(fā)、精餾、干燥等過程也需要按一定速率供給熱量或移走熱量；設(shè)備和管道在高溫一定速率供給熱量或移走熱量；設(shè)備和管道在高溫或低溫下運行，盡量減少它們與外界的傳熱，就需或低溫

2、下運行，盡量減少它們與外界的傳熱，就需要保溫；傳熱過程不但為化工生產(chǎn)過程提供了必要要保溫；傳熱過程不但為化工生產(chǎn)過程提供了必要的溫度條件，保證了過程的熱量平衡，滿足了生產(chǎn)的溫度條件，保證了過程的熱量平衡，滿足了生產(chǎn)的要求，而且也是化學(xué)工業(yè)提高經(jīng)濟效益、保護環(huán)的要求，而且也是化學(xué)工業(yè)提高經(jīng)濟效益、保護環(huán)境的重要措施。境的重要措施。系統(tǒng)內(nèi)由于溫度的差異使熱量從高溫向低溫轉(zhuǎn)移的系統(tǒng)內(nèi)由于溫度的差異使熱量從高溫向低溫轉(zhuǎn)移的過程稱之為過程稱之為熱量傳遞過程熱量傳遞過程，簡稱傳熱過程。，簡稱傳熱過程。 化工生產(chǎn)對傳熱的要求有兩類，一是要求熱量化工生產(chǎn)對傳熱的要求有兩類，一是要求熱量的傳遞速率要高，目的是增

3、大設(shè)備的傳熱強度、提的傳遞速率要高，目的是增大設(shè)備的傳熱強度、提高生產(chǎn)能力或減小設(shè)備尺寸、降低生產(chǎn)費用；另一高生產(chǎn)能力或減小設(shè)備尺寸、降低生產(chǎn)費用；另一類則是要求盡量避免熱量傳遞，需要采用隔熱等方類則是要求盡量避免熱量傳遞，需要采用隔熱等方法減小傳熱速率。法減小傳熱速率。化工生產(chǎn)中傳熱主要運用于：化工生產(chǎn)中傳熱主要運用于：應(yīng)用于生產(chǎn)中原料的加熱、成品的冷卻或冷凝。應(yīng)用于生產(chǎn)中原料的加熱、成品的冷卻或冷凝。應(yīng)用于控制化學(xué)反應(yīng)所需要的一定溫度范圍而采取的加熱、應(yīng)用于控制化學(xué)反應(yīng)所需要的一定溫度范圍而采取的加熱、冷卻或保溫。冷卻或保溫。應(yīng)用于某些稀溶液的加熱、蒸發(fā)結(jié)晶、干燥等操作或某些濃應(yīng)用于某些稀

4、溶液的加熱、蒸發(fā)結(jié)晶、干燥等操作或某些濃溶液的冷卻。溶液的冷卻。應(yīng)用于生產(chǎn)中熱量的合理利用和廢熱回收，以節(jié)省熱能。應(yīng)用于生產(chǎn)中熱量的合理利用和廢熱回收，以節(jié)省熱能。 傳熱過程也分為傳熱過程也分為定態(tài)傳熱和非定態(tài)傳熱定態(tài)傳熱和非定態(tài)傳熱兩種，換兩種，換熱器傳熱面上各點溫度不隨時間而改變的過程稱為熱器傳熱面上各點溫度不隨時間而改變的過程稱為定定態(tài)傳熱態(tài)傳熱，反之，稱為，反之，稱為不定態(tài)傳熱不定態(tài)傳熱。定態(tài)傳熱：定態(tài)傳熱：在傳熱體系中各點的在傳熱體系中各點的溫度只隨換熱器的位置的溫度只隨換熱器的位置的變化而變，不隨時間而變特點：變化而變，不隨時間而變特點：通過傳熱表面的傳熱速通過傳熱表面的傳熱速率為

5、常量率為常量.非定態(tài)傳熱：非定態(tài)傳熱：若傳熱體系中各點的若傳熱體系中各點的溫度，既隨位置的變化，溫度，既隨位置的變化，又隨時間變化。特點：又隨時間變化。特點：傳熱速率、熱通量均為變量。傳熱速率、熱通量均為變量。 通常連續(xù)生產(chǎn)多為穩(wěn)定傳熱，間歇操作多為不穩(wěn)定傳熱。通常連續(xù)生產(chǎn)多為穩(wěn)定傳熱，間歇操作多為不穩(wěn)定傳熱?；み^程中連續(xù)生產(chǎn)是主要的，因而我們主要討論定態(tài)傳化工過程中連續(xù)生產(chǎn)是主要的，因而我們主要討論定態(tài)傳熱。熱。蓄熱式間壁式直接接觸式T t 間壁式 t T 直接接觸式換熱方式換熱方式 工業(yè)上的傳熱過程中，冷流體和熱流體的接觸工業(yè)上的傳熱過程中，冷流體和熱流體的接觸有三種方式。有三種方式。

6、在這類傳熱中，冷、熱流在這類傳熱中，冷、熱流體在傳熱設(shè)備中通過體在傳熱設(shè)備中通過直接混合直接混合的方式的方式進行熱量交換，又稱為進行熱量交換，又稱為混合式傳熱?；旌鲜絺鳠?。 優(yōu)點：優(yōu)點：方便和有效，而且方便和有效，而且設(shè)備結(jié)構(gòu)較簡單，常用于熱氣設(shè)備結(jié)構(gòu)較簡單，常用于熱氣體的水冷或熱水的空氣冷卻。體的水冷或熱水的空氣冷卻。缺點：缺點：在工藝上必須允許在工藝上必須允許兩種流體能夠相互混合。兩種流體能夠相互混合。直接接觸式傳熱直接接觸式傳熱 t T 直接接觸式 間壁式傳熱間壁式傳熱在多數(shù)情況下，化工工藝上在多數(shù)情況下，化工工藝上不允許冷熱流體直接接觸不允許冷熱流體直接接觸，故，故直接接觸式傳熱和蓄熱

7、式傳熱在工業(yè)上并不很多，工業(yè)上應(yīng)用直接接觸式傳熱和蓄熱式傳熱在工業(yè)上并不很多，工業(yè)上應(yīng)用最多的是最多的是間壁式傳熱間壁式傳熱過程。這類換熱器的過程。這類換熱器的特點是特點是在冷、熱兩種在冷、熱兩種流體之間用一金屬壁流體之間用一金屬壁(或石墨等導(dǎo)熱性能好的非金屬壁或石墨等導(dǎo)熱性能好的非金屬壁)隔開，隔開，以便使兩種流體在以便使兩種流體在不相混合的情況下進行熱量傳遞不相混合的情況下進行熱量傳遞。這類換熱。這類換熱器中以器中以套管式換熱器和列管式換熱器套管式換熱器和列管式換熱器為典型設(shè)備。為典型設(shè)備。這種傳熱方式是這種傳熱方式是冷、熱兩種流冷、熱兩種流體交替體交替通過同一蓄熱室時，即可通通過同一蓄熱

8、室時，即可通過填料將從熱流體來的熱量，傳遞過填料將從熱流體來的熱量，傳遞給冷流體，達到換熱的目的。給冷流體，達到換熱的目的。優(yōu)點：優(yōu)點：結(jié)構(gòu)較簡單，可耐高溫，結(jié)構(gòu)較簡單，可耐高溫，常用于氣體的余熱或冷量的利用。常用于氣體的余熱或冷量的利用。缺點：缺點：由于填料需要蓄熱，所由于填料需要蓄熱，所以設(shè)備的體積較大，且兩種流體交以設(shè)備的體積較大，且兩種流體交替時難免會有一定程度的混合。替時難免會有一定程度的混合。蓄熱式傳熱蓄熱式傳熱傳導(dǎo)傳熱傳導(dǎo)傳熱 系統(tǒng)溫度較高部分的粒子因熱運動與相鄰的粒子碰撞將熱量傳遞給溫度較系統(tǒng)溫度較高部分的粒子因熱運動與相鄰的粒子碰撞將熱量傳遞給溫度較低粒子的過程稱為低粒子的過

9、程稱為傳導(dǎo)傳熱傳導(dǎo)傳熱，簡稱熱傳導(dǎo)或?qū)?。，簡稱熱傳導(dǎo)或?qū)帷崃總鬟f的基本方式有熱量傳遞的基本方式有傳導(dǎo)傳熱、對流傳熱和輻射傳熱傳導(dǎo)傳熱、對流傳熱和輻射傳熱三種。三種。2傳熱基本方式傳熱基本方式 對流傳熱對流傳熱 流體中質(zhì)點發(fā)生相對位移而引起的熱量傳遞，稱為對流傳熱 對流只能發(fā)生在流體中。強制對流 自然對流 用機械能（泵、風(fēng)機等）使流體發(fā)生 對流而傳熱。由于流體各部分溫度的不均勻分布，形成 密度的差異，在浮升力的作用下，流體發(fā) 生對流而傳熱 熱輻射熱輻射 熱輻射是一種通過電磁波來傳遞熱量的方式。具體地說，熱輻射是一種通過電磁波來傳遞熱量的方式。具體地說，物體先將熱能轉(zhuǎn)變成輻射能，以電磁波的形

10、式在空中進物體先將熱能轉(zhuǎn)變成輻射能，以電磁波的形式在空中進行傳送，當(dāng)遇到另一個能吸收輻射能的物體時，即被其行傳送，當(dāng)遇到另一個能吸收輻射能的物體時，即被其部分或全部吸收并轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，從而實現(xiàn)傳熱。根據(jù)赫部分或全部吸收并轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，從而實現(xiàn)傳熱。根據(jù)赫爾波爾茲曼定律：凡溫度高于絕對零度的物體均具有爾波爾茲曼定律：凡溫度高于絕對零度的物體均具有將其本身的能量以電磁波的方式輻射出去，同時有接受將其本身的能量以電磁波的方式輻射出去，同時有接受電磁波的能力，且物體的輻射能力大致與物體的絕對溫電磁波的能力，且物體的輻射能力大致與物體的絕對溫度的度的4 4次方成正比。次方成正比。其特點是不需要任何傳熱介質(zhì)，

11、可在其特點是不需要任何傳熱介質(zhì)，可在真空中傳遞。真空中傳遞。 實際生產(chǎn)中的傳熱過程很少是以一種方式進行，實際生產(chǎn)中的傳熱過程很少是以一種方式進行，而是兩種或三種基本方式的聯(lián)合，如間壁式換熱就而是兩種或三種基本方式的聯(lián)合，如間壁式換熱就是熱對流和熱傳導(dǎo)的串聯(lián)過程。是熱對流和熱傳導(dǎo)的串聯(lián)過程。3間壁式換熱器間壁式換熱器 間壁式換熱器中，熱量自熱流體傳給冷流體的過間壁式換熱器中，熱量自熱流體傳給冷流體的過程包括三個步驟：程包括三個步驟：熱流體將熱量傳到壁面一側(cè)；熱流體將熱量傳到壁面一側(cè)；熱量通過固體壁面的熱傳導(dǎo)；熱量通過固體壁面的熱傳導(dǎo)；壁面的另一側(cè)將熱量壁面的另一側(cè)將熱量傳給冷流體。傳給冷流體。即

12、即給熱一導(dǎo)熱一給熱給熱一導(dǎo)熱一給熱的串聯(lián)過程。的串聯(lián)過程。 依傳熱面的結(jié)構(gòu)可分為依傳熱面的結(jié)構(gòu)可分為管式換熱器管式換熱器和和板式換熱板式換熱器器。管式換熱器的傳熱面是由管子做成的，包括。管式換熱器的傳熱面是由管子做成的，包括套管套管式、列管式、蛇管式、噴淋式和翅片管式式、列管式、蛇管式、噴淋式和翅片管式等；板式換等；板式換熱器的傳熱面是由板材做成的，包括熱器的傳熱面是由板材做成的，包括夾套式、螺紋板夾套式、螺紋板式、螺旋板式式、螺旋板式等。等。換熱器的外形換熱器的外形換熱器的管束換熱器的管束 圖圖41為簡單的套管換熱器為簡單的套管換熱器 套管式換熱器1內(nèi)管 2外管套管式換熱器套管式換熱器由直徑

13、不同的兩根圓管組成的同心套管。一種流體由直徑不同的兩根圓管組成的同心套管。一種流體在內(nèi)管中流動，另一種流體在套管的環(huán)隙中流動，在內(nèi)管中流動，另一種流體在套管的環(huán)隙中流動，兩流體是通過內(nèi)管壁面進行換熱。兩流體是通過內(nèi)管壁面進行換熱。優(yōu)點：采用標(biāo)準管子與管件。構(gòu)造簡單，加工方優(yōu)點：采用標(biāo)準管子與管件。構(gòu)造簡單，加工方便，排數(shù)和程數(shù)伸縮性大，可距需要增減。適當(dāng)便，排數(shù)和程數(shù)伸縮性大，可距需要增減。適當(dāng)?shù)剡x擇內(nèi)、外管的直徑，可使兩種流體都達到較地選擇內(nèi)、外管的直徑，可使兩種流體都達到較高流速，從而提高傳熱系數(shù)；兩流體可始終以逆高流速，從而提高傳熱系數(shù)；兩流體可始終以逆流方向流動，平均溫度差最大。流方向

14、流動，平均溫度差最大。缺點：接頭多易泄漏，占地面積大，單位面積消缺點：接頭多易泄漏，占地面積大，單位面積消耗金屬量大。耗金屬量大。列管式換熱器列管式換熱器為了改變套管式換熱器傳熱面積小，設(shè)備不緊湊的為了改變套管式換熱器傳熱面積小，設(shè)備不緊湊的狀況，常將若干細管組成的管束放在一大的外管中，狀況，常將若干細管組成的管束放在一大的外管中，這種換熱器稱為列管式換熱器這種換熱器稱為列管式換熱器一種流體由封頭的進口管進入，流經(jīng)封頭與管板的空一種流體由封頭的進口管進入，流經(jīng)封頭與管板的空間分配至各管內(nèi)，從另一端封頭的出口管流出。另一間分配至各管內(nèi)，從另一端封頭的出口管流出。另一種流體則由殼體的接管流入，在殼

15、體與管束間的空隙種流體則由殼體的接管流入，在殼體與管束間的空隙流動中通過管束表面與管束內(nèi)流體換熱，然后從殼體流動中通過管束表面與管束內(nèi)流體換熱，然后從殼體的另一端接管排出。為增加流體湍動程度，通常殼體的另一端接管排出。為增加流體湍動程度，通常殼體內(nèi)安裝若干與管束垂直的折流檔板。內(nèi)安裝若干與管束垂直的折流檔板。 流體流經(jīng)管束的過程，稱為流經(jīng)管程，將該流體稱為流體流經(jīng)管束的過程，稱為流經(jīng)管程，將該流體稱為管程管程(管方管方)流體；流體；流體流經(jīng)殼體環(huán)隙的過程，稱為流經(jīng)殼程，將該流體流體流經(jīng)殼體環(huán)隙的過程，稱為流經(jīng)殼程，將該流體稱為殼程稱為殼程(殼方殼方)流體流體。 圖圖42為單程列管式換熱器。為單

16、程列管式換熱器。 圖圖43為雙程列管式換熱器。為雙程列管式換熱器。若流體只在管程內(nèi)流過一次的，稱為單管程；若流體只在管程內(nèi)流過一次的，稱為單管程；只在殼程內(nèi)流過一次的，稱為單殼程只在殼程內(nèi)流過一次的，稱為單殼程。若列管換熱器的傳熱面積較大，而需要的管數(shù)很多時，若列管換熱器的傳熱面積較大，而需要的管數(shù)很多時，有時流體在管內(nèi)的流速便較低，結(jié)果使流體的對流傳有時流體在管內(nèi)的流速便較低，結(jié)果使流體的對流傳熱系數(shù)減小。為了提高管程流速，可在換熱器封頭內(nèi)熱系數(shù)減小。為了提高管程流速，可在換熱器封頭內(nèi)設(shè)置隔板，將全部管子平均分成若干組，流體在管束設(shè)置隔板，將全部管子平均分成若干組，流體在管束內(nèi)來回流過多次后

17、排出，稱為多內(nèi)來回流過多次后排出，稱為多(管管)程列管式換熱器，程列管式換熱器，如圖示。如圖示。程數(shù)增多，雖然提高了管內(nèi)流體的流速，增大了管內(nèi)程數(shù)增多，雖然提高了管內(nèi)流體的流速，增大了管內(nèi)的對流傳熱系數(shù)，但同時也使流動阻力增大，平均溫的對流傳熱系數(shù)，但同時也使流動阻力增大，平均溫度差降低。此外，設(shè)置隔板后占去部分布管面積而減度差降低。此外，設(shè)置隔板后占去部分布管面積而減少了傳熱面積。因此，程數(shù)不宜過多，一般為雙程、少了傳熱面積。因此，程數(shù)不宜過多，一般為雙程、四程、六程。四程、六程。傳熱中的一些基本物理量和單位傳熱中的一些基本物理量和單位1、熱量、熱量Q：單位：單位：kgm2s-2，Nm，J，

18、cal，kcal1cal=4.186 J2、熱流量（傳熱速率）、熱流量（傳熱速率）：單位時間內(nèi)傳遞的熱量。：單位時間內(nèi)傳遞的熱量。單位：單位：W，kcal h-11kcal h-1 =1.163WQ3、傳熱強度、傳熱強度q：單位：單位：W m-2 ， kgs-3QqA單位時間單位面積傳遞的熱量。也叫熱流密度。單位時間單位面積傳遞的熱量。也叫熱流密度。4.2 4.2 傳導(dǎo)傳熱傳導(dǎo)傳熱教學(xué)目的：教學(xué)目的：重重 點：點：掌握傳導(dǎo)傳熱的機理，以及傳導(dǎo)傳熱掌握傳導(dǎo)傳熱的機理，以及傳導(dǎo)傳熱的基本方程及其應(yīng)用。的基本方程及其應(yīng)用。傳導(dǎo)傳熱的機理傳導(dǎo)傳熱的機理難難 點：點：傳導(dǎo)傳熱的基本方程傳導(dǎo)傳熱的基本方程

19、 1.熱傳導(dǎo)基本方程熱傳導(dǎo)基本方程傅里葉定律傅里葉定律 當(dāng)均勻物體當(dāng)均勻物體兩側(cè)有溫度差兩側(cè)有溫度差(t1一一t2)時，熱時，熱量以傳導(dǎo)的方式量以傳導(dǎo)的方式, 由高溫向由高溫向低溫傳遞。單位時間物體的低溫傳遞。單位時間物體的導(dǎo)熱量導(dǎo)熱量dQd與導(dǎo)熱面積與導(dǎo)熱面積A和溫度梯度和溫度梯度dtd呈正比。呈正比。寫為等式：寫為等式： dQdtAdd 如圖如圖44所示，所示，1）傅里葉定律）傅里葉定律上式稱為上式稱為傅里葉（傅里葉（Fourier）定律）定律。定態(tài)傳熱時：。定態(tài)傳熱時： QdtAd = dtd溫度梯度，溫度梯度，Km-1，表示傳熱方向上因距，表示傳熱方向上因距離而引起溫度變化的程度離而引

20、起溫度變化的程度； A導(dǎo)熱面積，導(dǎo)熱面積，m2；比例系數(shù)，熱導(dǎo)率，也稱為導(dǎo)熱系數(shù)，比例系數(shù)，熱導(dǎo)率，也稱為導(dǎo)熱系數(shù)，Wm-1K-1。 u 負號是因為熱量傳遞方向與溫度升高方向相反。負號是因為熱量傳遞方向與溫度升高方向相反。導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù): :是物質(zhì)導(dǎo)熱性能的標(biāo)志，是物理性質(zhì)之一。是物質(zhì)導(dǎo)熱性能的標(biāo)志，是物理性質(zhì)之一。一般來說：一般來說： 金屬金屬非金屬固體非金屬固體液體液體 氣體氣體.導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù)的值越大，表示其導(dǎo)熱性能越好的值越大，表示其導(dǎo)熱性能越好的物理意義為：的物理意義為： 當(dāng)溫度梯度為當(dāng)溫度梯度為1K/m1K/m時，每秒鐘通過時，每秒鐘通過1m1m2 2的導(dǎo)熱面積而傳導(dǎo)的熱量，的

21、導(dǎo)熱面積而傳導(dǎo)的熱量，其單位為其單位為W/mKW/mK或或W/mW/m。金屬金屬 2.32.3420 w/mK 420 w/mK 建筑材料建筑材料 0.250.253 w/mK 3 w/mK 液體液體 0.090.090.6 w/mK 0.6 w/mK 氣體氣體 0.0060.0060.4 w/mK 0.4 w/mK 2 2）導(dǎo)熱系數(shù)：）導(dǎo)熱系數(shù)：數(shù)值的大小與物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、密度等有關(guān)。數(shù)值的大小與物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、密度等有關(guān)。數(shù)值的大小也與外界條件溫度、壓力等有關(guān)。數(shù)值的大小也與外界條件溫度、壓力等有關(guān)。（金屬） （非金屬）（固體） （液體） （氣體） （緊密） （疏松）2間壁式換熱器壁面

22、的熱傳導(dǎo)間壁式換熱器壁面的熱傳導(dǎo) 平面壁指間壁幾何結(jié)構(gòu)為平面的傳熱面，特點是沿平面壁指間壁幾何結(jié)構(gòu)為平面的傳熱面，特點是沿傳熱方向?qū)崦娣e傳熱方向?qū)崦娣eA不發(fā)生變化。不發(fā)生變化。 如圖如圖45所示的單所示的單層平面壁，在定態(tài)傳熱層平面壁，在定態(tài)傳熱條件下，其熱導(dǎo)率不隨條件下，其熱導(dǎo)率不隨時間發(fā)生變化，傳熱面時間發(fā)生變化，傳熱面的溫度沿垂直于壁面的的溫度沿垂直于壁面的熱量傳遞方向變化、但熱量傳遞方向變化、但不隨時間變化。不隨時間變化。 （1）平面壁的定態(tài)熱傳導(dǎo)）平面壁的定態(tài)熱傳導(dǎo)=Q/=A/ 12()/ttA /()tA=t/R = = 式中式中/A稱為熱阻，記作稱為熱阻，記作R, KW-1

23、圓筒壁面熱傳導(dǎo)的特點是傳熱面積圓筒壁面熱傳導(dǎo)的特點是傳熱面積A沿?zé)崃總鬟f沿?zé)崃總鬟f方向而變化，即傳熱面積方向而變化，即傳熱面積A隨圓筒的半徑而變化。隨圓筒的半徑而變化。 （2）圓筒壁的定態(tài)熱傳導(dǎo)）圓筒壁的定態(tài)熱傳導(dǎo))(21tt 依據(jù)：過程速率過程推動力/過程阻力，單層平面壁的熱流量也可寫為由傅里葉公式由傅里葉公式如圖所示，熱量由管內(nèi)壁面向如圖所示，熱量由管內(nèi)壁面向管外壁面定態(tài)傳導(dǎo)，考察厚度管外壁面定態(tài)傳導(dǎo)，考察厚度為為dr的薄層，由博里葉定律得：的薄層，由博里葉定律得： =-Adtd=-2rl dtdr積分：積分： 22112rtrtdrldtr 整理得：整理得：12212()1/lnl tt

24、rrmrtlrrrrtl2ln21212 = r2r1122()/ml ttr 又可改寫為：又可改寫為：12/()mmtttAA 為半徑的對數(shù)平均值，為半徑的對數(shù)平均值， 2121lnmrrrrr為圓筒壁厚為圓筒壁厚 2121lnmAAAAA圓筒壁面的半徑較大且其厚度較薄時，圓筒壁面的半徑較大且其厚度較薄時，可以用算術(shù)平均值取代對數(shù)平均值計算圓筒壁的可以用算術(shù)平均值取代對數(shù)平均值計算圓筒壁的rm和和Am。 當(dāng)當(dāng)r r2 2/r/r1 12時可用算術(shù)平均半徑代替：時可用算術(shù)平均半徑代替：r rm m=(r=(r1 1+r+r2 2) )/2/2lrrR2ln12圓筒壁的導(dǎo)熱熱阻 1221ln2r

25、rttlQlrrtt2ln1221Rtt21如圖所示為三層不同材如圖所示為三層不同材料組成的復(fù)合平面壁。定料組成的復(fù)合平面壁。定態(tài)導(dǎo)熱時各分層的傳熱速態(tài)導(dǎo)熱時各分層的傳熱速率分別為：率分別為：第一層第一層（3）多層壁面的定態(tài)熱傳導(dǎo)）多層壁面的定態(tài)熱傳導(dǎo)211111ttA1111111RtA1111211Attt第二層第二層第三層第三層322222ttA433333ttA3333333RtA2222222RtA因因A1=A2=A3=A, 定態(tài)熱傳導(dǎo)時定態(tài)熱傳導(dǎo)時, 上三式加和后得上三式加和后得32132141321333222111RRRtttttAAA2222322Attt3333433Att

26、t)(33221141Attt 可以看出，可以看出，過程的總推動力為各層推動力之和，過程的總推動力為各層推動力之和，總阻力為各層熱阻之和，即對多層壁面的定態(tài)熱傳導(dǎo)，總阻力為各層熱阻之和，即對多層壁面的定態(tài)熱傳導(dǎo)，傳熱推動力和傳熱阻力具有加和性傳熱推動力和傳熱阻力具有加和性。 由過程分析還可得到：由過程分析還可得到：iiiAAAAtttt:333222111321iiRRRRtttt:321321總阻力總推動力iiAit1多層壁面的定態(tài)熱傳導(dǎo)，各分層溫度降與該層的熱阻呈正比。多層壁面的定態(tài)熱傳導(dǎo)，各分層溫度降與該層的熱阻呈正比。根據(jù)以上關(guān)系也可以求得兩層壁交界處的溫度或任何一點的溫度.各層交界面

27、上的溫度求?。焊鲗咏唤缑嫔系臏囟惹笕。?11112Att或或11133322211112AAAAttt22223Att22233322211123AAAAttt或或推廣到n層平壁有：niiinniinAttRttQ111111 多層平壁導(dǎo)熱是一種串聯(lián)的導(dǎo)熱過程，串聯(lián)導(dǎo)熱過程 的推動力為各分過程溫度差之和，即總溫度差，總熱阻為 各分過程熱阻之和，也就是串聯(lián)電阻疊加原則。 多層圓筒壁的熱流量式為：多層圓筒壁的熱流量式為： iitRtmiAiiiitRtirirli121ln或或例例:有一鍋爐墻,有下列三種材料組成,耐火磚1=1.4w.m-1.c-1， 1=225mm，保溫磚2=0.15w.m-1.

28、c-1, 2=115mm,建筑磚3=0.8w.m-1.c-1 3=225mm,今測得其內(nèi)壁溫度為930,外壁溫度為55 ,求每秒鐘每平方米壁面損失的熱量,并求出各層接觸面上的溫度。例例 38382.5mm2.5mm的水蒸氣管（鋼的的水蒸氣管（鋼的=50W.m=50W.m-1-1.k.k-1-1 ）包有隔）包有隔熱層。第一層是熱層。第一層是40 mm40 mm厚的礦渣棉厚的礦渣棉(=0.07W.m(=0.07W.m-1-1.k.k-1-1) )，第二，第二層是層是20 mm20 mm厚的石棉泥（厚的石棉泥（ =0.15W.m=0.15W.m-1-1.k.k-1-1 ）。若管內(nèi)壁溫）。若管內(nèi)壁溫度

29、為度為140140 ，石棉泥外壁溫度為，石棉泥外壁溫度為3030 。試求每米管長的熱。試求每米管長的熱損失速率。若以同量的石棉作內(nèi)層，礦渣棉作外層時，情況損失速率。若以同量的石棉作內(nèi)層，礦渣棉作外層時，情況如何？試作比較。如何？試作比較。解：解：由題意得：由題意得：d1=0.033 d2=0.038 d3=0.118 d4=0.158=1=50 = 0.07 =0.15t1=140 t4=30 若以同量若以同量( (即相同體積即相同體積) )的石棉作內(nèi)層，礦渣棉作外層，的石棉作內(nèi)層，礦渣棉作外層，根據(jù)體積關(guān)系得：根據(jù)體積關(guān)系得：121lniiitdld210.03810.11810.158ln

30、lnln500.0330.070.0380.150.118 238.1Wm222230.1580.1180.03844d30.112dmd1=0.033 d2=0.038 d3=0.112 d4=0.158=1=50 2= 0.15 3=0.07t1=140 t4=30121lniiitdld210.03810.11210.158lnlnln500.0330.150.0380.070.112 257.0Wm第一層第一層第二層第二層第三層第三層/l交換前交換前0.0028216.191.94638.1交換后交換后0.002827.2064.91657.0u 導(dǎo)熱系數(shù)小的材料應(yīng)用于內(nèi)層。導(dǎo)熱系數(shù)小

31、的材料應(yīng)用于內(nèi)層。u 金屬管的熱阻很小，可以忽略。金屬管的熱阻很小，可以忽略。4 4.3 .3 對流傳熱對流傳熱教學(xué)目的：教學(xué)目的：重點難點：重點難點：了解對流傳熱的機理了解對流傳熱的機理掌握對流傳熱的基本方程以及各種情掌握對流傳熱的基本方程以及各種情況下給熱系數(shù)的準數(shù)關(guān)聯(lián)式?jīng)r下給熱系數(shù)的準數(shù)關(guān)聯(lián)式對流傳熱的機理和對流傳熱的基本方程對流傳熱的機理和對流傳熱的基本方程了解沸騰和冷凝時傳熱膜系數(shù)了解沸騰和冷凝時傳熱膜系數(shù) 過程分析過程分析 （1）層流邊界層）層流邊界層（層流內(nèi)層）內(nèi)：熱傳導(dǎo)，熱阻大；（層流內(nèi)層）內(nèi)：熱傳導(dǎo)，熱阻大；（2）過渡區(qū)：）過渡區(qū)：熱傳導(dǎo)與對流傳熱共同起作用；熱傳導(dǎo)與對流傳熱

32、共同起作用；（3）湍流區(qū)：）湍流區(qū)：充滿漩渦，混合很好，對流為主，熱阻小。充滿漩渦，混合很好，對流為主，熱阻小。1、對流傳熱機理、對流傳熱機理流體沿固體壁面的流動 滯流內(nèi)層過渡區(qū)湍流主體流體分層運動，相鄰層間沒有流體的宏觀運動。（在垂直于流動方向上不存在熱對流，該方向上的熱傳遞僅為流體的熱傳導(dǎo)。該層中溫度差較大，即溫度梯度較大。）熱對流和熱傳導(dǎo)作用大致相同，在該層內(nèi)溫度發(fā)生較緩慢的變化。 溫度梯度很小，各處的溫度基本相同。 對流傳熱是流體流動過程中發(fā)生的熱量傳遞對流傳熱是流體流動過程中發(fā)生的熱量傳遞. 工業(yè)工業(yè)過程的流動多為湍流狀態(tài)，湍流流動時，流體主體中過程的流動多為湍流狀態(tài)，湍流流動時，流

33、體主體中質(zhì)點充分擾動與混合，所以在與流體流動方向垂直的質(zhì)點充分擾動與混合，所以在與流體流動方向垂直的截面上，流體主體區(qū)的溫度差很小。截面上，流體主體區(qū)的溫度差很小。 由于壁面的約束和流體內(nèi)部的摩擦作用，在緊靠由于壁面的約束和流體內(nèi)部的摩擦作用，在緊靠壁面處總存在滯流底層，故主要熱阻及溫度差都集中壁面處總存在滯流底層，故主要熱阻及溫度差都集中在滯流底層。在滯流底層。強制湍流的情況分析如下：強制湍流的情況分析如下： 如圖為熱流體與壁面對流如圖為熱流體與壁面對流傳熱及壁面與冷流體的對流傳傳熱及壁面與冷流體的對流傳熱，工程上將湍流主體和過渡熱，工程上將湍流主體和過渡區(qū)的熱阻予以虛擬，折合為相區(qū)的熱阻予

34、以虛擬，折合為相當(dāng)厚度為當(dāng)厚度為t的滯流底層熱阻，的滯流底層熱阻，流體與壁面之間的溫度變化可流體與壁面之間的溫度變化可認為全部發(fā)生在厚度為認為全部發(fā)生在厚度為t的一的一個膜層內(nèi)個膜層內(nèi)，通常將這一存在溫，通常將這一存在溫度梯度的區(qū)域稱為度梯度的區(qū)域稱為傳熱邊界層傳熱邊界層。傳熱邊界層以外，溫度是一致傳熱邊界層以外，溫度是一致的、沒有熱阻的、沒有熱阻./()ttA式中式中流體的熱導(dǎo)率，流體的熱導(dǎo)率， 11KmWt傳熱邊界層厚度，傳熱邊界層厚度，m； T對流傳熱溫度差，對流傳熱溫度差， ,wTTTK或或 ,wtt 將湍流狀態(tài)復(fù)雜的對流傳熱歸結(jié)為通過傳熱邊界層將湍流狀態(tài)復(fù)雜的對流傳熱歸結(jié)為通過傳熱邊

35、界層的熱傳導(dǎo)，用熱傳導(dǎo)基本方程來描述對流傳熱過程的熱傳導(dǎo)，用熱傳導(dǎo)基本方程來描述對流傳熱過程ht令實際上對流傳熱過程：實際上對流傳熱過程： 1/()thAthAtAh物理意義物理意義 是指當(dāng)流體主體與壁面間的溫度差為是指當(dāng)流體主體與壁面間的溫度差為1K時時,每每秒通過秒通過1m2壁面所傳給流體壁面所傳給流體(或有流體給出或有流體給出)的熱量。的熱量。 該式稱為牛頓（該式稱為牛頓（NewtonNewton）冷卻定律或給熱方程，）冷卻定律或給熱方程，就是：固體對流體的給熱傳熱速率就是：固體對流體的給熱傳熱速率，與壁面積與壁面積A成正成正比，與壁面和流體間的溫度差比，與壁面和流體間的溫度差t成正比。

36、成正比。h h為表面?zhèn)鳠釣楸砻鎮(zhèn)鳠嵯禂?shù)系數(shù), ,或稱為對流傳熱系數(shù)，亦稱或稱為對流傳熱系數(shù)，亦稱給熱系數(shù)，單位為給熱系數(shù)，單位為 對流給熱強度的標(biāo)志對流給熱強度的標(biāo)志 。 12KmW2.對流傳熱系數(shù)的影響因素及其求取對流傳熱系數(shù)的影響因素及其求取 影響影響h的因素很多，主要有以下幾個方面：的因素很多，主要有以下幾個方面： 流體的種類和性質(zhì)流體的種類和性質(zhì) 流體的流動形態(tài)流體的流動形態(tài) 滯流、過渡流或湍流時滯流、過渡流或湍流時h各不相同。各不相同。當(dāng)流體種類確定后，根據(jù)溫度、壓力（氣體）查對應(yīng)當(dāng)流體種類確定后，根據(jù)溫度、壓力（氣體）查對應(yīng)的物性，影響的物性，影響h較大的物性有：較大的物性有： ，

37、 ， ，cp。滯流：滯流：熱流主要依靠熱傳導(dǎo)的方式傳熱。由于流體的導(dǎo)熱系熱流主要依靠熱傳導(dǎo)的方式傳熱。由于流體的導(dǎo)熱系數(shù)比金屬的導(dǎo)熱系數(shù)小得多，所以熱阻大。數(shù)比金屬的導(dǎo)熱系數(shù)小得多，所以熱阻大。 湍流：湍流：質(zhì)點充分混合且滯流底層變薄，質(zhì)點充分混合且滯流底層變薄，h較大。但較大。但Re ，動動力消耗大。力消耗大。傳熱壁面的形狀、排列方式和尺寸傳熱壁面的形狀、排列方式和尺寸流體的對流狀態(tài)流體的對流狀態(tài) 強制對流較自然對流時強制對流較自然對流時h為大。為大。自然對流：自然對流：由于流體內(nèi)部存在溫差引起密度差形成的浮升力，由于流體內(nèi)部存在溫差引起密度差形成的浮升力，造成流體內(nèi)部質(zhì)點的上升和下降運動，

38、一般造成流體內(nèi)部質(zhì)點的上升和下降運動，一般u較小，較小，h也較小。也較小。強制對流：強制對流：外力作用引起的流動運動，一般外力作用引起的流動運動，一般u較大，故較大，故h較大。較大。不同的壁面形狀、尺寸影響流型；會造成邊界層分離，產(chǎn)生旋不同的壁面形狀、尺寸影響流型；會造成邊界層分離，產(chǎn)生旋渦，增加湍動，使渦，增加湍動，使h增大。增大。（1）形狀：）形狀：比如管、板、管束等；比如管、板、管束等；（2）大小：）大?。罕热绻軓胶凸荛L等；比如管徑和管長等；（3）位置：）位置：比如管子得排列方式（如管束有正四方形和比如管子得排列方式（如管束有正四方形和三角形排列）；管或板是垂直放置還是水平放置。三角形排

39、列）；管或板是垂直放置還是水平放置。 工程上采用量綱分析的方法，將影響工程上采用量綱分析的方法，將影響h諸多因素歸納諸多因素歸納為較少的幾個量綱為一的特征數(shù)群，確定這些特征數(shù)為較少的幾個量綱為一的特征數(shù)群，確定這些特征數(shù)在不同情況下的相互聯(lián)系，從而得到經(jīng)驗性的關(guān)聯(lián)公在不同情況下的相互聯(lián)系，從而得到經(jīng)驗性的關(guān)聯(lián)公式。式。（1）流體無相變過程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的求取）流體無相變過程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的求取描述對流傳熱過程的特征數(shù)關(guān)系為：描述對流傳熱過程的特征數(shù)關(guān)系為：cbaGrANuPrRe各特征數(shù)的含義如下表各特征數(shù)的含義如下表4-1所示所示影響影響h的主要因素可用下式表示：的主要因素可用下式表示：( ,

40、, , ,)phfct u d L 流體在圓形直管內(nèi)作強制湍流時，對于低粘度流體，則有流體在圓形直管內(nèi)作強制湍流時，對于低粘度流體，則有mdhPrRe023. 08 . 0m=0.4 被加熱被加熱m=0.3 被冷卻被冷卻mdhNuPrRe023. 08 . 0應(yīng)用范圍應(yīng)用范圍：Re10000；0.6Pr160；長徑比長徑比 Ld50，適用于低粘度流體適用于低粘度流體,且過程中無相變化。且過程中無相變化。定性溫度定性溫度：取流體進、出口溫度的算術(shù)平均值：取流體進、出口溫度的算術(shù)平均值。特征尺寸特征尺寸：取為管內(nèi)徑：取為管內(nèi)徑de。 液體通過固體壁面被加熱的對流傳熱過程中，若伴液體通過固體壁面被加熱的對流傳熱過程中，若伴有液相變?yōu)闅庀?，即在液相?nèi)部產(chǎn)生氣泡或氣膜的過程有液相變?yōu)闅庀?，即在液相?nèi)部產(chǎn)生氣泡或氣膜的過程稱為稱為液體沸騰液體沸騰，又稱沸騰傳熱。，又稱沸騰傳熱。（2）流體有相變過程的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)）流體有相變過程的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)化工生產(chǎn)中多見的相變給熱是液體受熱沸騰和飽和水化工生產(chǎn)中多見