第4章 傳熱課件

Chapter4PrinciplesofSteady-StateHeatTransfer4.1Introduction4.2.ConductionHeatTransfer4.3ConvectionHeatTransfer

4.4Heattransferwithoutphasechange4.5Heattransferwithphasechange4.6RadiationHeattransfer4.7Overallheattransfercalculation4.8Heatexchangeequipment傳熱-4.1概述4.1.1傳熱過程在化工生產(chǎn)中的應用4.1.2傳熱的三種基本方式4.1.3冷、熱流體的接觸方式4.1.4熱載體及其選擇4.1.5間壁式換熱器的傳熱過程第4章傳熱傳熱-4.1.1傳熱過程在化工生產(chǎn)中的應用熱力學第二定律：只要存在溫度差，熱量會自發(fā)從高溫傳遞向低溫，直至溫度相等。傳熱方向：傳熱極限：傳熱推動力：高溫→低溫溫度相等溫度差傳熱-ApplicationDryingoflumber(木材)、foods[milk、fruitjuice(果汁)、vegetableextracts(蔬菜汁)]、pharmaceuticals(醫(yī)藥)、finechemicalproduction、alcoholdistillation、evaporation、sterilization(消毒)offoods

Itisoftennecessarytoheatviscousmaterialsinordertomakethemfloweasily.Anotherreasonforheatingistomeltsolidsortochangeliquidsintovaporsbyboilingthem.Chemicalengineersisthata10℃increaseintemperaturewillapproximatelydoubletherateofmostreactions.傳熱-傳熱在化工生產(chǎn)過程中的應用：1）加熱或冷卻，使物料達到指定的溫度；2）通過換熱，回收利用熱量；3）保溫，以減少熱損失。傳熱-目的舉例措施加熱或冷卻加熱反應物，使之達化學反應溫度強化傳熱加熱精餾進料，在飽和溫度下入塔分離冷卻飽和的結晶母液，使結晶析出換熱精餾塔頂、塔底物料與進料的換熱鍋爐的廢氣包、受熱面保溫鍋爐、熱反應塔器、熱管線的保溫削弱傳熱冰箱的隔熱層傳熱-Theaimofheatheater

①Itmaybesensibleheat(顯熱)fromtheriseorfallinthetemperatureoffluidwithoutanyphasechange②Itmaybelatentheatacccompanyingaphasechangesuchascondensationorvaporization傳熱-4.1.2傳熱的三種基本方式

熱傳導：

Conduction熱量從物體內(nèi)溫度較高的部分傳遞到溫度較低的部分，或傳遞到與之接觸的另一物體的過程特點：

分子無規(guī)則熱運動，使相鄰分子間傳熱傳熱速率相對較慢。單純的導熱，物體各部分之間無宏觀運動。固體的主要傳熱方式傳熱-流體中質(zhì)點發(fā)生相對位移而引起的熱量傳遞，只能發(fā)生在流體中

傳熱速率與流動狀態(tài)密切相關。對流傳熱：流體與固體壁面之間的傳熱過程。2、對流傳熱Convection.傳熱-強制對流

自然對流

用機械能（泵、風機、攪拌等）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

傳熱-物體溫度↑，熱輻射能力↑輻射是一種通過電磁波傳遞能量的過程。物體發(fā)射電磁波，在紅外、可見光范圍內(nèi)具有熱效應。物體由于熱的原因而發(fā)出輻射能的過程，稱為熱輻射。輻射傳熱，不僅是能量的傳遞，還伴隨著能量形式的轉化。輻射傳熱不需要任何介質(zhì)作媒介，兩物體不需接觸?？梢栽谡婵罩袀鞑ポ椛銻adiation傳熱-4.1.3冷、熱流體的接觸方式一、直接接觸式將熱流體與冷流體直接混合的一種傳熱方式。

傳熱-涼水塔傳熱-二、蓄熱式storeheat先將熱流體的熱量存儲在熱載體上，然后由熱載體將熱量傳遞給冷流體優(yōu)點：結構較簡單耐高溫缺點：設備體積大有一定程度的混合傳熱-傳熱面為內(nèi)管的表面積

（1）套管換熱器冷流體t1t2熱流體T1T2三、間壁式

熱流體通過間壁將熱量傳遞給冷流體傳熱-傳熱-（2）列管換熱器傳熱面為殼內(nèi)所有管束的表面積

傳熱-(3)夾套式換熱器

Jacketheatexchanger

傳熱-4.1.4熱載體及其選擇

加熱劑：熱水、飽和水蒸氣礦物油或聯(lián)苯等低熔混合物、煙道氣等

用電加熱冷卻劑：水、空氣、冷凍鹽水、液氨等加熱溫度

180C飽和水蒸氣冷卻溫度

30C水傳熱-壁式換熱的特點是冷、熱流體被一固體隔開，分別在壁的兩側流動，不相混合，通過固體壁進行熱量傳遞傳熱過程可分為三步：熱流體將熱量傳給固體壁面（對流傳熱）熱量從壁的熱側傳到冷側（熱傳導）熱量從壁的冷側面?zhèn)鹘o冷流體（對流傳熱）壁的面積稱為傳熱面，是間壁式換熱器的基本尺寸。

4.1.5間壁式換熱器的傳熱過程冷流體t1t2熱流體T1T2傳熱-熱負荷Q’：工藝要求，同種流體需升溫或降溫時吸收或放出的熱量，單位J/s或W。傳熱速率Q（熱流量）：單位時間內(nèi)通過換熱器的整個傳熱面?zhèn)鬟f的熱量，單位J/s或W。熱流密度q

（熱通量（又稱為熱流密度或傳熱速度））

：單位時間內(nèi)通過單位傳熱面積傳遞的熱量，單位J/(s·m2)或W/m2。一、基本概念式中 A──總傳熱面積傳熱-傳熱溫差以△T表示，熱阻通常以R或r表示

傳熱-二、穩(wěn)態(tài)與非穩(wěn)態(tài)傳熱

穩(wěn)態(tài)傳熱溫度僅隨位置變化而不隨時間變化的傳熱方式。顯著特點是傳熱速率為常量。連續(xù)傳熱過程屬于穩(wěn)態(tài)傳熱。非穩(wěn)態(tài)傳熱溫度既隨位置變化又隨時間變化的傳熱方式。顯著特點是傳熱速率為變量。間歇傳熱過程屬于非穩(wěn)態(tài)傳熱。傳熱-三、冷、熱流體通過間壁的傳熱過程t2t1T1T2對流對流導熱冷流體Q熱流體穩(wěn)態(tài)傳熱：傳熱-4.2熱傳導4.2.1有關熱傳導的基本概念4.2.2傅立葉定律4.2.3導熱系數(shù)4.2.4通過平壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導4.2.5通過圓筒壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導傳熱-4.2.1有關熱傳導的基本概念t──某點的溫度，℃；

x,y,z──某點的坐標；

──時間。溫度場：物體或系統(tǒng)內(nèi)部的各點溫度分布的總和，各點的溫度分布。

一、溫度場和等溫面?zhèn)鳠?非穩(wěn)態(tài)溫度場

穩(wěn)態(tài)溫度場

等溫面：在同一時刻，溫度場中所有溫度相同的點組成的面。

不同溫度的等溫面不相交t1t2t1>t2等溫面Q傳熱-沿等溫面移動時∵△t=0，∴無傳熱現(xiàn)象；若沿與等溫面相交的任何方向移動時∵△t≠0，∴必傳熱。在單位面積內(nèi)，同樣的距離下，△t↑，傳遞的熱量↑。在諸多方向中，沿垂直等溫面的方向上的（△t/△n）最大，傳熱強度也最大。二、溫度梯度

單位距離下溫差的極限——溫度梯度傳熱-溫度梯度

溫度梯度：等溫面法線方向上的溫度變化率，用gradt表示。

t+

tt-

ttnQdA溫度梯度是一個點的概念。溫度梯度是一個向量。方向垂直于該點所在等溫面，以溫度增加的方向為正對于一維定態(tài)熱傳導傳熱-4.2.2傅立葉定律

dA──導熱面積，m2

t/

n──溫度梯度，℃/m或K/m；

──導熱系數(shù)，W/(m·℃)或W/(m·K)。熱傳導速率：通過等溫面導熱速率與其等溫面的面積及溫度梯度成正比。負號──傳熱方向與溫度梯度方向相反傳熱-

表征材料導熱性能的物性參數(shù)

越大，導熱性能越好用熱通量來表示對一維穩(wěn)態(tài)熱傳導

傳熱-（3）

是分子微觀運動的宏觀表現(xiàn)4.2.3導熱系數(shù)

（2）

在數(shù)值上等于單位溫度梯度下的熱通量

=f(結構,組成,密度,溫度,壓力）（4）各種物質(zhì)的導熱系數(shù)

金屬固體

>

非金屬固體

>

液體

>

氣體

（1）反映物質(zhì)導熱能力的大小，是物性之一傳熱-

金屬固體：101～102W/(m.K)

建筑材料：10-1～100W/(m.K)

絕熱材料：10-2～10-1W/(m.K)

液體：10-1～100W/(m.K)

氣體：10-2～10-1W/(m.K)

的大概范圍：傳熱-ThermalConductivitiesofSomeMaterialsat101.325kPa(1Atm)Pressure(kinW/m·K)SubstanceTemp.(K)

SubstanceTemp.(K)

Gases

Solids

Air2730.0242

Ice2732.25

3730.0316

Fireclaybrick4731.00

H22730.167

Paper—0.130

n-Butane2730.0135

Hardrubber2730.151Liquids

Corkboard3030.043Water2730.569

Asbestos3110.168

Benzene3030.159傳熱-在一定溫度范圍內(nèi)：

0,

──0℃、t℃時的導熱系數(shù)，W/(m·K)；

a──溫度系數(shù)。固體金屬：

純金屬>

合金

非金屬：同樣t下，

對大多數(shù)金屬材料：a<0，t

對大多數(shù)非金屬材料：a>0

，

t

傳熱-液體金屬液體

較高；非金屬液體

低，水的

最大

t

（除水和甘油）一般來說，純液體的

大于溶液水和甘油可以作為加熱介質(zhì)傳熱-氣體t

氣體的導熱系數(shù)很小在相當大的壓強范圍內(nèi)，氣體的導熱系數(shù)隨壓強變化極小Atverylowpressures(vacuum),however,thethermalconductivityapproacheszero.傳熱-氣體不利用導熱，但可用來保溫或隔熱傳熱-4.2.4通過平壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導一、通過單層平壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導假設：(1)平壁面積>>壁厚，壁邊緣散失的熱量可以忽略。(2)材料均勻；(3)溫度僅沿x變化，且不隨時間變化。t1t2bxtdxQxQx+dx傳熱-取dx的薄層，作熱量衡算：

傅立葉定律：

邊界條件為：

A──平壁的面積，m2；b──平壁的厚度，m；

──平壁的導熱系數(shù)，W/(m·℃)或W/(m·K)；t1,t2──平壁兩側的溫度，℃。傳熱-影響因素傳熱-R——導熱熱阻，K/W

；r——單位面積的導熱熱阻。傳導距離b越大，傳熱面積和導熱系數(shù)越小，傳導熱阻越大傳熱-分析平壁內(nèi)的溫度分布上限由改為傳熱-

不隨t變化，

t～x呈線形關系當

隨t變化時若

隨t變化關系為：則t～x呈拋物線關系

如：

1～t1，2～t2；

可取平均值傳熱-二、通過多層平壁的定態(tài)熱傳導假設：各層接觸良好，接觸面兩側溫度相同。t1t2b1txb2b3t2t4t3對于三層：傳熱-傳熱-多層平壁導熱是一種串聯(lián)的導熱過程，串聯(lián)導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。

推廣至n層：

傳熱-三、各層的溫差推動力與熱阻成正比t1t2t3t4

3

1

2QxtProblem:(1)Theeffectofband

on△t

(2)b1=b2=b3

1

?

2?

3傳熱-傳熱-4.2.5通過圓筒壁的定態(tài)熱傳導一、通過單層圓筒壁的定態(tài)熱傳導Lr2r1假定：(1)定態(tài)溫度場(2)一維溫度場傳熱-傳熱-取dr同心薄層圓筒，作熱量衡算：對于定態(tài)溫度場傅立葉定律傳熱-邊界條件

得：

不隨t而變時

傳熱-討論：對數(shù)平均面積

傳熱-圓筒壁內(nèi)的溫度分布上限從改為t～r呈對數(shù)關系變化傳熱-

平壁：各處的Q和q均相等；

圓筒壁：不同半徑r處Q相等，但q卻不等傳熱-二、通過多層圓筒壁的定態(tài)熱傳導以三層為例：傳熱-對于n層圓筒壁：

傳熱-

例4-1有一蒸汽管道，外徑為25mm，管外包有兩層保