化工流体流动第二节_热传导

1、间壁式换热和间壁式换热器间壁式换热和间壁式换热器图图4-3 4-3 间壁两侧流体间传热间壁两侧流体间传热第第 4 章章 传热传热4.1 概述概述 4.2 热传导热传导4.2 热传导热传导4.2.1 基本概念和傅立叶定律基本概念和傅立叶定律1. 温度场和温度梯度温度场和温度梯度1. 温度场和温度梯度温度场和温度梯度 ，zyxft 温度场的数学表达式温度场的数学表达式:（1）温度场温度场zyxft，定态温度场定态温度场:定态一维温度场定态一维温度场： xft 定义：任一瞬间物体或系统内各点的温度分布总和。定义：任一瞬间物体或系统内各点的温度分布总和。 （2）等温面）等温面定义：温度场中同一时刻下相

2、同温度各点所组成的定义：温度场中同一时刻下相同温度各点所组成的 面积。面积。b 沿等温面无热量传递沿等温面无热量传递;a 温度不同的等温面彼此不相交；温度不同的等温面彼此不相交；c 沿和等温面相交的任何方向上，温度随距离沿和等温面相交的任何方向上，温度随距离 的变化程度以沿与等温面的垂直方向为最大。的变化程度以沿与等温面的垂直方向为最大。1. 温度场和温度梯度温度场和温度梯度特点：特点：(3)(3)温度梯度温度梯度定义：定义：梯度。梯度。之比值的极限称为温度之比值的极限称为温度离离，与两面之间的垂直距，与两面之间的垂直距之间的温度差之间的温度差两相邻等温面两相邻等温面与与通常，将温度为通常，将

3、温度为ntttt ntntgradtn 0lim数学定义式：数学定义式：1. 温度场和温度梯度温度场和温度梯度(3)(3)温度梯度温度梯度1. 温度场和温度梯度温度场和温度梯度 温度梯度为向量，它的正方向是指向温度增加的温度梯度为向量，它的正方向是指向温度增加的方向；通常将温度梯度的标量也称为温度梯度。方向；通常将温度梯度的标量也称为温度梯度。定态的一维温度场：定态的一维温度场：xtgradtdd 1. 温度场和温度梯度温度场和温度梯度4.2.1 基本概念和傅立叶定律基本概念和傅立叶定律2.傅立叶定律傅立叶定律2. 傅立叶定律傅立叶定律ntdSdQntSQdd 定义式：定义式： 表示通过等温面

4、的导热速率与温度梯度及传热表示通过等温面的导热速率与温度梯度及传热面积成正比。面积成正比。 傅立叶定律与牛顿定律相类似，导热系数傅立叶定律与牛顿定律相类似，导热系数 是是粒子微观运动特性的表现。粒子微观运动特性的表现。 4.2 热传导热传导4.2.1 基本概念和傅立叶定律基本概念和傅立叶定律4.2.2 导热系数导热系数4.2.2 导热系数导热系数ntSQdd 定义式：定义式： 导热系数在数值上等于单位温度梯度下的热通量导热系数在数值上等于单位温度梯度下的热通量； 导热系数表征物质导热能力的大小，是物质的物理导热系数表征物质导热能力的大小，是物质的物理性质之一；性质之一； 一般来说，金属的导热系

5、数最大，非金属固体次一般来说，金属的导热系数最大，非金属固体次之，液体较小，气体最小。之，液体较小，气体最小。导热系数导热系数W/(moC)0.0060.060.070.70.23.0154200.25气体气体液体液体非导电固体非导电固体金属金属绝热材料绝热材料4.2.2 导热系数导热系数与组成、温度和密度等因素有关与组成、温度和密度等因素有关1. 固体的导热系数固体的导热系数非金属随着密度增加而增大，随着温度升高而增大。非金属随着密度增加而增大，随着温度升高而增大。纯金属导热系数一般随温度升高而降低；纯金属导热系数一般随温度升高而降低；金属的导热系数大多随着其纯度的增加而增大；金属的导热系数

6、大多随着其纯度的增加而增大；4.2.2 导热系数导热系数 对大多数均质固体，导热系数与温度近似对大多数均质固体，导热系数与温度近似呈线性关系呈线性关系 01t为常数，又称温度系数，为常数，又称温度系数，1/1/。对大多数金。对大多数金属材料，属材料， 为负值为负值; ;对大多数非金属材料，对大多数非金属材料，为正值。为正值。1.固体的导热系数固体的导热系数4.2.2 导热系数导热系数2.液体的导热系数液体的导热系数 非液态金属，除水和甘油外，液体的导热系数随非液态金属，除水和甘油外，液体的导热系数随 温度升高而减小；温度升高而减小； 液态金属导热系数比一般液体的要高；液态金属导热系数比一般液体

7、的要高；大多数液态金属的导热系数随温度升高而降低；大多数液态金属的导热系数随温度升高而降低；纯液体的导热系数比其溶液的要大。纯液体的导热系数比其溶液的要大。4.2.2 导热系数导热系数2.液体的导热系数液体的导热系数iia 90.m有机化合物水溶液的导热系数的估算式为有机化合物水溶液的导热系数的估算式为iia m有机化合物的互溶混合液的导热系数的估算式为有机化合物的互溶混合液的导热系数的估算式为4.2.2 导热系数导热系数3.气体的导热系数气体的导热系数 在相当大的压强范围内，气体的导热系数随压强在相当大的压强范围内，气体的导热系数随压强变化甚微。在过高或过低的压强下，考虑压强的影变化甚微。在

8、过高或过低的压强下，考虑压强的影响，此时随压强增高导热系数增大。响，此时随压强增高导热系数增大。3131iiMyMyiii m气体的导热系数随温度升高而增大。气体的导热系数随温度升高而增大。常压下混合气体的导热系数计算式为常压下混合气体的导热系数计算式为4.2.2 导热系数导热系数4.2 热传导热传导4.2.1 基本概念和傅立叶定律基本概念和傅立叶定律4.2.2 导热系数导热系数4.2.3 平壁的热传导平壁的热传导4.2.3 平壁的热传导平壁的热传导1. 单层平壁的热传导单层平壁的热传导假设假设：（1）平壁材料均匀；）平壁材料均匀；（2）导热系数不随）导热系数不随 温度而变；温度而变；4.2.

9、3 平壁的热传导平壁的热传导1. 单层平壁的热传导单层平壁的热传导假设假设：（3）平壁内的温度仅沿）平壁内的温度仅沿 垂直于壁面的垂直于壁面的 方方 向变化；向变化；x（4）平壁面积与厚度相比）平壁面积与厚度相比 很大，可以忽略边缘处的热损失。很大，可以忽略边缘处的热损失。1. 单层平壁的热传导单层平壁的热传导xtSQdd RtSbttQ 2121ttSbQ RtbtSQq 21210ttttbxttx 且且；，；， 传递过程的普遍关系式及热阻传递过程的普遍关系式及热阻过程的阻力过程的阻力过程的推动力过程的推动力过程传递速率过程传递速率 由热阻可判断界面温度和温度差。由热阻可判断界面温度和温度

10、差。RtSbttQ 21RtbtSQq 1. 单层平壁的热传导单层平壁的热传导 两侧面导热系数的算术平均值，或两侧面温度两侧面导热系数的算术平均值，或两侧面温度之算术平均值之下的导热系数。之算术平均值之下的导热系数。平均导热系数平均导热系数 导热系数为常数时，平壁内温度分布为常数；导热系数为常数时，平壁内温度分布为常数；导热系数为温度的函数时，平壁内温度分布为曲线。导热系数为温度的函数时，平壁内温度分布为曲线。1. 单层平壁的热传导单层平壁的热传导4.2.3 平壁的热传导平壁的热传导1. 单层平壁的热传导单层平壁的热传导2.多层平壁的热传导多层平壁的热传导2.多层平壁的热传导多层平壁的热传导图

11、图4-9 4-9 三层平壁热传导三层平壁热传导接触热阻接触热阻2.多层平壁的热传导多层平壁的热传导由于表面粗糙不平，不同材料由于表面粗糙不平，不同材料构成的界面之间可能出现明显的温构成的界面之间可能出现明显的温度降低而产生接触热阻。度降低而产生接触热阻。接触热阻接触热阻2.多层平壁的热传导多层平壁的热传导因两个接触面间有空穴，而空因两个接触面间有空穴，而空穴内又充满空气，因此，传热过程穴内又充满空气，因此，传热过程包括通过实际接触面的热传导和通包括通过实际接触面的热传导和通过空穴的热传导过空穴的热传导( (高温时还有辐射高温时还有辐射传热传热) )。一般来说，因气体的导热一般来说，因气体的导热

12、系数很小，接触热阻主要由空穴造成。系数很小，接触热阻主要由空穴造成。接触热阻接触热阻2.多层平壁的热传导多层平壁的热传导 接触热阻与接触面材料、表面接触热阻与接触面材料、表面粗糙度及接触面上压强等因素粗糙度及接触面上压强等因素有关，主要依靠实验测定。有关，主要依靠实验测定。2.多层平壁的热传导多层平壁的热传导图图4-9 4-9 三层平壁热传导三层平壁热传导假设：假设： (1)(1)导热系数不随温导热系数不随温 度变化，或可取度变化，或可取 平均值；平均值； (2)(2)一维稳态；一维稳态； (3)(3)忽略热损失；忽略热损失； (4)(4)没有接触热阻。没有接触热阻。 2.多层平壁的热传导多层

13、平壁的热传导343323221211bttSbttSbttSQ SQbttt11211 SQbttt22322 SQbttt33433 定态导热时，通过各层的导热速率必相等定态导热时，通过各层的导热速率必相等图图4-9 4-9 三层平壁热传导三层平壁热传导SbSbSbttSbSbSbtttQ33221141332211321 RtSbttQniiin 111 2.多层平壁的热传导多层平壁的热传导SQbttt11211 SQbttt22322 SQbttt33433 4.2 热传导热传导4.2.1 基本概念和傅立叶定律基本概念和傅立叶定律4.2.2 导热系数导热系数4.2.3 平壁的热传导平壁的

14、热传导4.2.4 圆筒壁的热传导圆筒壁的热传导4.2.4 圆筒壁的热传导圆筒壁的热传导1.单层圆筒壁的热传导单层圆筒壁的热传导常量常量常量常量传热速率传热速率传热面积传热面积热通量热通量平壁平壁圆筒壁圆筒壁常量常量随半径变随半径变常量常量随半径变随半径变1.单层圆筒壁的热传导单层圆筒壁的热传导12212ln()ttQLr r1.单层圆筒壁的热传导单层圆筒壁的热传导可写成与单层平壁热传导速可写成与单层平壁热传导速率方程相类似的形式率方程相类似的形式 12m21ttQSrr21mm2122ln()rrSLr Lr r其中其中圆筒壁的圆筒壁的对数平均对数平均面积面积圆筒壁的对圆筒壁的对数平均半径数平

15、均半径1.单层圆筒壁的热传导单层圆筒壁的热传导21mm2122ln()rrSLr Lr r2121m2211222lnln2LrLrSSSLrSLrS 1.单层圆筒壁的热传导单层圆筒壁的热传导 化工计算中，经常采用两量的对数平均值。当化工计算中，经常采用两量的对数平均值。当两个物理量的比值等于两个物理量的比值等于2时，算术平均值与对数平时，算术平均值与对数平均值相比，计算误差仅为均值相比，计算误差仅为4%，这是工程计算允许，这是工程计算允许的。因此当两个变量的比值小于或等于的。因此当两个变量的比值小于或等于2时，经常时，经常用算术平均值代替对数平均值，使计算较为简便。用算术平均值代替对数平均值，使计算较为简便。2.多层圆筒壁的热传导多层圆筒壁的热传导 假设层与层之假设层与层之间接触良好，即互间接触良好，即互相接触的两表面温相接触的两表面温度相同。度相同。 热传导速率可表示为热传导速率可表示为 14143324324211122331m12m23m3111lnlnln222ttttQrrrr