化工原理课件传热-2011-第一节

1、School of Chemical and Energy Engineering, SCUT ，杨东杰博学博学 慎思慎思 明辨明辨 笃行笃行 Chapter 4 Principles of Steady-State Heat Transfer 4.1 Introduction 4.2. Conduction Heat Transfer 4.3 Convection Heat Transfer 4.4 Heat transfer without phase change 4.5 Heat transfer with phase change 4.6 Radiation Heat transfe

2、r 4.7 Overall heat transfer calculation 4.8 Heat exchange equipment 4.1 概述概述 4.1.1 传热过程在化工生产中的应用传热过程在化工生产中的应用 4.1.2 传热的三种基本方式传热的三种基本方式 4.1.3 冷、热流体的接触方式冷、热流体的接触方式 4.1.4 热载体及其选择热载体及其选择 4.1.5 间壁式换热器的传热过程间壁式换热器的传热过程 第第4章章 传热传热 4.1.1 传热过程在化工生产中的应用传热过程在化工生产中的应用 热力学第二定律：只要存在温度差，热量会自发从高温传递向热力学第二定律：只要存在温度差，热

3、量会自发从高温传递向 低温，直至温度相等。低温，直至温度相等。 传热方向：传热方向： 传热极限：传热极限： 传热推动力传热推动力： 高温高温低温低温 温度相等温度相等 温度差温度差 resistance heating force driving transfer heating of rate 目的目的举例举例措施措施 加热或冷却加热或冷却 加热反应物，使之达化学反应温度加热反应物，使之达化学反应温度 强化传热强化传热 加热精馏进料，在饱和温度下入塔加热精馏进料，在饱和温度下入塔 分离分离 冷却饱和的结晶母液，使结晶析出冷却饱和的结晶母液，使结晶析出 换热换热 精馏塔顶、塔底物料与进料的换热

4、精馏塔顶、塔底物料与进料的换热 锅炉的废气包、受热面锅炉的废气包、受热面 保温保温 锅炉、热反应塔器、热管线的保温锅炉、热反应塔器、热管线的保温 削弱传热削弱传热 冰箱的隔热层冰箱的隔热层 The aim of heat heater It may be sensible heat (显热显热)from the rise or fall in the temperature of fluid without any phase change It may be latent heat acccompanying a phase change such as condensation or va

5、porization 4.1.2 传热的三种基本方式传热的三种基本方式 热传导：热传导： Conduction 热量从物体内温度较高的部分传递到温度较低的部分，或传热量从物体内温度较高的部分传递到温度较低的部分，或传 递到与之接触的另一物体的过程递到与之接触的另一物体的过程 特点：特点： 分子无规则热运动，使相邻分子间传热分子无规则热运动，使相邻分子间传热 传热速率相对较慢。传热速率相对较慢。单纯的导热，单纯的导热， 物体各部分之间无宏观运动。物体各部分之间无宏观运动。 固体的主要传热方式固体的主要传热方式 l流体中质点发生相对位移而引起的热量传递，流体中质点发生相对位移而引起的热量传递， l

6、只能发生在流体中只能发生在流体中 l传热速率与流动状态密切相关。传热速率与流动状态密切相关。 对流传热对流传热：流体与固体壁面之间的传热过程。：流体与固体壁面之间的传热过程。 2 2、对流传热对流传热Convection. School of Chemical and Energy Engineering, SCUT ，杨东杰博学博学 慎思慎思 明辨明辨 笃行笃行 强制对流强制对流 自然对流自然对流 用机械能（泵、风机、搅拌等）使流体发生对用机械能（泵、风机、搅拌等）使流体发生对 流而传热。流而传热。 由于流体各部分温度的不均匀分布，形成密由于流体各部分温度的不均匀分布，形成密 度的差异，在浮

7、升力的作用下，流体发生对度的差异，在浮升力的作用下，流体发生对 流而传热流而传热 物体温度物体温度，热辐射能力，热辐射能力 l 辐射是一种通过电磁波传递能量的过程。辐射是一种通过电磁波传递能量的过程。 物体发射电磁波，在红外、可见光范围内具有热效应。物体发射电磁波，在红外、可见光范围内具有热效应。 l物体由于热的原因而发出辐射能的过程，称为热辐射。物体由于热的原因而发出辐射能的过程，称为热辐射。 l辐射传热，不仅是能量的传递，还伴随着能量形式的转化。辐射传热，不仅是能量的传递，还伴随着能量形式的转化。 辐射传热不需要任何介质作媒介，辐射传热不需要任何介质作媒介，两物体不需接触。两物体不需接触。

8、可以在可以在 真空中传播真空中传播 辐射辐射Radiation 传热面为内管的表面积传热面为内管的表面积 （1）套管换热器）套管换热器 冷流体冷流体t1 t2 热流体热流体T1 T2 三、间壁式三、间壁式 热流体通过间壁将热量传递给冷流体热流体通过间壁将热量传递给冷流体 （2）列管换热器）列管换热器 传热面为壳内所有管束的表面积传热面为壳内所有管束的表面积 4.1.4 4.1.4 热载体及其选择热载体及其选择 加热剂加热剂：热水、饱和水蒸气热水、饱和水蒸气 矿物油或联苯等低熔混合物、烟道气等矿物油或联苯等低熔混合物、烟道气等 用用电电加热加热 冷却剂冷却剂：水、空气、冷冻盐水、液氨等：水、空气

9、、冷冻盐水、液氨等 加热温度加热温度 180180 C C 饱和水蒸气饱和水蒸气 冷却温度冷却温度 3030 C C 水水 壁式换热的特点是冷、热流体被一固体隔开，分别在壁的两壁式换热的特点是冷、热流体被一固体隔开，分别在壁的两 侧流动，不相混合，通过固体壁进行热量传递侧流动，不相混合，通过固体壁进行热量传递 传热过程可分为三步：传热过程可分为三步： 热流体将热量传给固体壁面（热流体将热量传给固体壁面（对流传热对流传热） 热量从壁的热侧传到冷侧（热量从壁的热侧传到冷侧（热传导热传导） 热量从壁的冷侧面传给冷流体（热量从壁的冷侧面传给冷流体（对流传热对流传热） 壁的面积称为传热面，壁的面积称为传

10、热面，是间壁式换热器的基本尺寸。是间壁式换热器的基本尺寸。 4.1.5 4.1.5 间壁式换热器的传热过程间壁式换热器的传热过程 冷流冷流 体体t1 t2 热流体热流体 T1 T2 热负荷热负荷Q：工艺要求，同种流体需升温或降温时吸：工艺要求，同种流体需升温或降温时吸 收或放出的热量，单位收或放出的热量，单位 J/s或或W。 传热速率传热速率Q（热流量）：单位时间内通过换热器的整（热流量）：单位时间内通过换热器的整 个传热面传递的热量，单位个传热面传递的热量，单位 J/s或或W。 热流密度热流密度q （热通量（热通量（又称为热流密度或传热速度）（又称为热流密度或传热速度） ：单位：单位 时间内

11、通过单位传热面积传递的热量，单位时间内通过单位传热面积传递的热量，单位 J/(sm2) 或或W/m2。 一、基本概念一、基本概念 A Q q 式中式中 A总传热面积总传热面积 传热温差以传热温差以T表示，热阻通常以表示，热阻通常以R或或r表示表示 r T q R T Q 二、稳态与非稳态传热二、稳态与非稳态传热 稳态传热稳态传热 温度仅随位置变化而不随时间变化的传热方式。温度仅随位置变化而不随时间变化的传热方式。 显著显著特点特点是传热速率为常量。是传热速率为常量。 连续传热过程属于稳态传热。连续传热过程属于稳态传热。 非稳态传热非稳态传热 温度既随位置变化又随时间变化的传热方式。温度既随位置

12、变化又随时间变化的传热方式。 显著显著特点特点是传热速率为变量。是传热速率为变量。 间歇传热过程属于非稳态传热。间歇传热过程属于非稳态传热。 三、冷、热流体通过间壁的传热过程三、冷、热流体通过间壁的传热过程 t2 t1 T1 T2 对流对流对流对流导热导热 冷冷 流流 体体 Q 热热 流流 体体 稳态传热：稳态传热： 管管壁壁外外侧侧管管壁壁内内侧侧 热热传传导导 )( 2 )2( Q 冷流体冷流体管壁外侧管壁外侧 对流对流 )( 3 )3( Q 管壁内侧管壁内侧热流体热流体 对流对流 )( 1 )1( Q 4.2.1 有关热传导的基本概念有关热传导的基本概念 4.2.2 傅立叶定律傅立叶定律

13、 4.2.3 导热系数导热系数 4.2.4 通过平壁的稳态热传导通过平壁的稳态热传导 4.2.5 通过圆筒壁的稳态热传导通过圆筒壁的稳态热传导 4.2 热传导热传导 4.2.1 有关热传导的基本概念有关热传导的基本概念 1、冬天，铁凳与木凳温度一样，但我们坐在铁凳、冬天，铁凳与木凳温度一样，但我们坐在铁凳 子上要比坐在木凳子上感到冷，为什么？子上要比坐在木凳子上感到冷，为什么？ 2、一杯牛奶，放在水里比摆在桌子上要冷得快，为什、一杯牛奶，放在水里比摆在桌子上要冷得快，为什 么？么？ 同样是固体材质不同，传热速率不同的同样是固体材质不同，传热速率不同的 水的传热速率快些水的传热速率快些 问问 题

14、题： 热传导机理热传导机理 液体液体：分子间作用力较强，由相邻分子振动导致热传递子间作用力较强，由相邻分子振动导致热传递 固体：相邻分子的碰撞或电子的迁移。固体：相邻分子的碰撞或电子的迁移。 气体：温度不同的相邻分子相互碰撞，造成热量传递气体：温度不同的相邻分子相互碰撞，造成热量传递。 在温度差的驱动下，通过分子相互碰撞、分子振动、电子在温度差的驱动下，通过分子相互碰撞、分子振动、电子 的迁移传递热量的过程的迁移传递热量的过程-导热导热 t / 6 4 3 2 1 7 8 0 l / m 加热炉加热炉 i时间 导 热 过 程 示 意 图 t 某点的温度，某点的温度，； x,y,z 某点的坐标；

15、某点的坐标； 时间。时间。 温度场温度场：物体或系统内部的各点温度分布的总和物体或系统内部的各点温度分布的总和 ， 各点的温度分布各点的温度分布。 一、温度场和等温面一、温度场和等温面 ,zyxft 非稳态非稳态温度场温度场 ,zyxft 稳态温度场稳态温度场 zyxft, 等温面等温面：在同一时刻，温度场中所有温度相同：在同一时刻，温度场中所有温度相同 的点组成的面。的点组成的面。 不同温度的等温面不相交不同温度的等温面不相交 t1 t2 t1t2 等温面等温面 Q 0 t 沿等温面移动时沿等温面移动时 t=0t=0，无传热现象；无传热现象； 若沿与等温面相交的任何方向移动时若沿与等温面相交

16、的任何方向移动时 t0t0，必传热。必传热。 在单位面积内，同样的距离下，在单位面积内，同样的距离下，tt，传递的热，传递的热 量量。在诸多方向中，沿。在诸多方向中，沿垂直等温面垂直等温面的方向上的（的方向上的（ t/t/n n）最大，传热强度也最大。）最大，传热强度也最大。 二、温度梯度二、温度梯度 单位距离下温差的极限单位距离下温差的极限温度梯度温度梯度 温度梯度温度梯度 温度梯度温度梯度 ： 等温面法线方向上的温度变化率，用等温面法线方向上的温度变化率，用gradt表示表示 。 n t n t gradt n 0 lim t+ t t- t t n Q dA 温度梯度是一个温度梯度是一个

17、点点的概念。的概念。 温度梯度是一个向量。温度梯度是一个向量。 方向垂直于该点所在等温面，以温度增加的方向为正方向垂直于该点所在等温面，以温度增加的方向为正 对于一维定态热传导对于一维定态热传导 dx dt gradt 4.2.2 傅立叶定律傅立叶定律 dA 导热面积，导热面积，m2 t/ n 温度梯度，温度梯度，/m或或K/m； 导热系数，导热系数，W/(m)或或W/(mK)。 热传导速率：热传导速率： 通过等温面导热速率与其等温面的面积及温度梯通过等温面导热速率与其等温面的面积及温度梯 度成正比度成正比。 负号负号传热方向与温度梯度方向相反传热方向与温度梯度方向相反 n t AQ dd 表

18、征材料导热性能的物性参数表征材料导热性能的物性参数 越大，导热性能越好越大，导热性能越好 用热通量来表示用热通量来表示 对一维稳态热传导对一维稳态热传导 n t A Q q d d x t AQ x t AQ d d d d dd （3） 是是分子微观运动的宏观表现分子微观运动的宏观表现 4.2.3 导热系数导热系数 nt q / （2） 在数值上等于单位温度梯度下的热通量在数值上等于单位温度梯度下的热通量 = f(结构结构,组成组成,密度密度,温度温度,压力）压力） （4）各种物质的导热系数）各种物质的导热系数 金属固体 金属固体 非金属固体非金属固体 液体液体 气体气体 （1）反映物质导热

19、能力的大小，是物性之一）反映物质导热能力的大小，是物性之一 金属固体金属固体：101102W/(m.K) 建筑材料建筑材料：10-1100W/(m.K) 绝热材料绝热材料：10-2 10-1W/(m.K) 液体液体：10-1 100W/(m.K) 气体气体：10-2 10-1W/(m.K) 的大概范围：的大概范围： 来源：实验方法测定来源：实验方法测定 ，工业上常见物质的热导率可，工业上常见物质的热导率可 从有关手册中查得。从有关手册中查得。 气体液体非金属金属 可见，在数值上： 物质热导率的大致范围物质热导率的大致范围 物质种类 热导率 纯金属 1001400 金属合金 50500 液态金属

20、 30300 非金属固体 0.05 50 非金属液体 0.55 绝热材料 0.051 气体 0.0050.5 0.01 0.02 0.04 0.06 0.1 0.2 0.4 0.6 1 2 4 6 10 20 40 60 100 200 400 600 200600 100014001800 空气 甲烷 二氧化碳 苯（气态） 硅藻土 冰 水 硅砖 粘土耐火砖 镁砖 铝（液体） 高合金钢 合金钢 低碳钢 钾（液体） 锌（液体） 钢（液体） 锌（固体） 铜 铝 温度 K 不 同 物 质 导 热 系 数 随 温 度 变 化 的 比 较 导热系数 w/mK )1( 0 at 在一定温度范围内：在一定温

21、度范围内： 0, 0、 t时的导热系数，时的导热系数，W/(mK)； a 温度系数。温度系数。 固体固体 金属：金属： 纯金属 纯金属 合金合金 非金属：同样非金属：同样t下，下， 对大多数金属材料：对大多数金属材料：a 0 ， t 液体液体 金属液体金属液体 较高；非金属液体较高；非金属液体 低，低，水的水的 最大最大 t （除水和甘油）（除水和甘油） 一般来说，纯液体的一般来说，纯液体的 大于溶液大于溶液 水和甘油可以作水和甘油可以作 为加热介质为加热介质 0 16 10 26 24 20 12 各种液体的导热率 水 1 15 1413 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 8

22、5.98/(Wm- 11） t / H2O85.98/(Wm- 11） 47 51 53 55 57 59 49 1无水甘油 2蚁酸 3甲醇 4乙醇 5蓖麻油 6苯胺 7醋酸 8丙酮 9丁醇 10硝基苯 11异丙苯 12苯 13甲苯 14二甲苯 15凡士林油 2060100140 几种液体的热导率：几种液体的热导率： 气体气体 t 气体气体的导热系数很小的导热系数很小 在相当大的压强范围内，气体的导热系数随压强变化极小在相当大的压强范围内，气体的导热系数随压强变化极小 At very low pressures (vacuum), however, the thermal conductivi

23、ty approaches zero. 8 几种气体的导热率 4 1 2 6 5 3 t / 0 7 200400 600 1000800 1 6 5 4 3 2 102/(Wm-11 ） 1水蒸气 2氧气 3二氧化 碳 4空气 5氮气 6氩气 几种气体的热导率：几种气体的热导率： 气体不利用导热，但可用来保温或隔热气体不利用导热，但可用来保温或隔热 4.2.4 通过平壁的稳态热传导通过平壁的稳态热传导 一、一、 通过单层平壁的稳态热传导通过单层平壁的稳态热传导 假设：假设： (1)平壁面积平壁面积壁厚，壁壁厚，壁 边缘散失的热量可以边缘散失的热量可以 忽略。忽略。 (2) 材料均匀；材料均匀

24、； (3) 温度仅沿温度仅沿x变化，且不变化，且不 随时间变化。随时间变化。 t1 t2 b x t dx Qx Qx+dx 取取dx的薄层，作热量衡算：的薄层，作热量衡算： 傅立叶定律：傅立叶定律： x t AQ d d 边界条件为：边界条件为： 1 0ttx 时时， 2 ttbx 时时， A b tt ttA b Q 21 21 )( A 平壁的面积，平壁的面积，m2； b 平壁的厚度，平壁的厚度，m； 平壁的导热系数，平壁的导热系数，W/(m)或或W/(mK)； t1,t2 平壁两侧的温度，平壁两侧的温度，。 影响因素 A tt Q b 21 R t A Q q b t r t R导热热

25、阻，导热热阻，K/W ； r单位面积的导热热阻单位面积的导热热阻 。 传导距离传导距离b越大，传热面积和导热系数越小，传导热阻越大越大，传热面积和导热系数越小，传导热阻越大 热阻 推动力 分析平壁内的温度分布分析平壁内的温度分布 2 1 dd 0 t t b tAxQ A Qx ttttA x Q 11 )( 上限由上限由 2 ttbx 时时，ttxx 时时， 改为改为 不随不随t变化，变化， tx呈线形关系呈线形关系 当当 随随t变化时变化时 若若 随随t变化关系为：变化关系为： 则则tx呈抛物线关系呈抛物线关系 如：如： 1t1， 2t2； 可取平均值可取平均值 A b tt ttA b

26、Q m m 21 21 )( 2 1 d)(d 0 t t b tAbtaxQ )1( 0 at 2/ )( 21 t/ x/m )1 ( 0 t m 单层平壁导热的热流量与壁内的温度 分布 二、二、 通过多层平壁的定态热传导通过多层平壁的定态热传导 假设：假设： 各层接触良好，接各层接触良好，接 触面两侧温度相同。触面两侧温度相同。 t1 t2 b1 t x b2b3 t2 t4 t3 对于三层：对于三层： A b tt A b tt A b tt Q 3 3 43 2 2 32 1 1 21 总总热热阻阻 总总推推动动力力 i i i i i i i R tt A b tt A b t 4

27、1 3 1 41 多层平壁导热是一种串联的导热过程，多层平壁导热是一种串联的导热过程， 串联导热过程的串联导热过程的推动力为各分过程温度推动力为各分过程温度 差之和，即总温度差，总热阻为各分过差之和，即总温度差，总热阻为各分过 程热阻之和，程热阻之和，也就是串联电阻叠加原则。也就是串联电阻叠加原则。 推广至推广至n层：层： n i i n n i i i n R tt A b tt Q 1 11 1 11 总热阻 总推动力 三、各层的温差三、各层的温差 A b A b A b tttttt 3 3 2 2 1 1 433221 : 推动力与热阻成正比推动力与热阻成正比 t1 t2 t3 t4

28、3 1 2 Q x t Problem: (1)The effect of b and on t (2)b1=b2=b3 1 ? 2? 3 4.2.5 通过圆筒壁的定态热传导通过圆筒壁的定态热传导 一、一、 通过单层圆筒壁的定态热传导通过单层圆筒壁的定态热传导 L r2 r1 假定：假定： (1) 定态温度场定态温度场 (2) 一维温度场一维温度场 不同点：不同点： 热流方向（径向）；热流方向（径向）； 传热面积沿径向不同传热面积沿径向不同 径向不同热流密度)/(Aq 2211 22qrqr 321 qqq r1 r2 t1 t2 单层圆筒壁的导热 rLAr2 School of Chemis

29、try and Chemical Engineering ,SCUT, Yang Dongjie博学博学 慎思慎思 明辨明辨 笃行笃行 取取dr同心薄层圆筒，作热量衡算：同心薄层圆筒，作热量衡算： t crrlQQ prrr d2 d 对于定态温度场对于定态温度场 0 t const d QQQ rrr 傅立叶定律傅立叶定律 r t rlQ d d 2 边界条件边界条件 11 ttrr ， 22 ttrr ， 得：得： 2 1 2 1 d2d t t r r trlrQ 不随不随t而变时而变时 1 2 21 1 2 21 ln 1 )(2 ln )(2 r r ttl r r ttl Q 讨论

30、：讨论： 1 2 1221 1 2 12 1221 ln )( ln)( )(2 A A b AAtt r r rr rrttl Q 12 12 m /lnAA AA A 对数平均面积对数平均面积 2 1 2 r r 2 21 m AA A 12 rrb 圆筒壁内的温度分布圆筒壁内的温度分布 1 1 1 1 ln 2 ln2 r r l Q tt r r ttlQ 2 1 2 1 d2d t t r r trlrQ 上限从上限从 22 ttrr ，改为改为 tr呈呈对数关系变化对数关系变化 ttrr ， 平壁：平壁：各处的各处的Q和和q均相等；均相等； 圆筒壁：圆筒壁：不同半径不同半径r处处Q

31、相等，相等，但但q却不等却不等 二、通过多层圆筒壁的定态热传导二、通过多层圆筒壁的定态热传导 2 3 2 32 1 2 1 21 ln 1 )(2 ln 1 )(2 r r ttl r r ttl Q 3 1 1 41 ln 1 )(2 i i i i r r ttl 3 4 3 43 ln 1 )(2 r r ttl 以三层为例：以三层为例： 对于对于n层圆筒壁：层圆筒壁： 332211 222lqrlqrlqrQ 332211 qrqrqr n i i n n iii i n n ii i i n R tt A b tt r r ttl Q 1 11 1m 11 1 1 11 ln 1 )

32、(2 例例4-1 有一蒸汽管道，外径为有一蒸汽管道，外径为25mm，管外包，管外包 有两层保温材料，每层材料均厚有两层保温材料，每层材料均厚25mm，外层保温，外层保温 材料与内层材料导热系数之比材料与内层材料导热系数之比 2/ 1=5，此时单位时，此时单位时 间的热损失为间的热损失为Q；现工况将两层材料互换，且设管；现工况将两层材料互换，且设管 外壁与保温层外表面的温度外壁与保温层外表面的温度t1、t3不变，则此时热损不变，则此时热损 失为失为Q，求，求Q/Q=？ r1 t3 旧工况旧工况新工况新工况 t1 r3 r2 t3 t1 2 1 1 2 5 . 1ln2ln5 )(10 50 75

33、 ln 5 1 25 50 ln 1 )(2 ln 1 ln 1 )(2 311 11 31 2 3 21 2 1 31 ttlttl r r r r ttl Q 旧工况旧工况 新工况新工况 5 . 1ln52ln )(10 50 75 ln 1 25 50 ln 5 1 )(2 ln 1 ln 1 )(2 311 11 31 2 3 11 2 2 31 ttlttl r r r r ttl Q 423. 1 5 . 1ln52ln 5 . 1ln2ln5 Q Q 例例4-2 炉壁内层为炉壁内层为120mm厚的耐火材料，外层厚的耐火材料，外层 为为230mm的建筑材料。测得炉内壁温为的建筑材料。测得炉内壁温为800C，外，外 壁温为壁温为113C。为了减少热损失再包一层厚。为了减少热损失再包一层厚50mm 、导热系数、导热系数0.2W/(m.C)的石棉，此时测得：炉内的石棉，此时测得：炉内 壁温仍为壁温仍为8