化工原理传热1

1、化工原理化工原理2 0 1 52 0 1 515.1 概述概述 质质量量传传递递热热量量传传递递动动量量传传递递 加热或冷却加热或冷却换热换热 保温保温 强化传热过程强化传热过程 削弱传热过程削弱传热过程 一、传热目的一、传热目的化工原理化工原理2 0 1 52 0 1 52传热过程的应用传热过程的应用传热：就是热的传递，是自然界和工程技术领域中极普遍的 一种传递过程 。1、化工与传热、化工与传热1）绝大多数化学反应过程都要求在一定的温度下进行，为了使物料达到并保持指定的温度，就要预先对物料进行加热或冷却，并在过程中及时取出放出的热量或补充需要吸收的热量。化工原理化工原理2 0 1 52 0

2、1 532）一些单元操作过程，例如蒸发、蒸馏、干燥等，需要按一定的速率向设备输入或输出热量。3）在高温或低温下操作的设备，要求保温，以减少它们和外界传热。4）对于废热也需合理的利用与回收。 2、化工生产中传热过程的两种情况、化工生产中传热过程的两种情况 1）强化传热：）强化传热：各种换热设备中的传热。 2）削弱传热：）削弱传热：如对设备和管道的保温，以减少热损失 化工原理化工原理2 0 1 52 0 1 54二、传热的三种基本方式二、传热的三种基本方式 （一）（一）热传导热传导（导热）（导热）特点：特点：没有物质的宏观位移没有物质的宏观位移微观机理因物态而异微观机理因物态而异 ，重点讨论宏观规

3、律重点讨论宏观规律（二）（二）对流对流 对流只能发生在流体中。对流只能发生在流体中。流体内部质点流体内部质点发生相对位移发生相对位移的热量传递过程。的热量传递过程。 自然对流自然对流 强制对流强制对流5.1 概述概述主要发生在主要发生在固体、静止流体、固体、静止流体、 层流内层层流内层中。中。化工原理化工原理2 0 1 52 0 1 55（三）、辐射（三）、辐射 辐射是一种通过电磁波传递能量的过程。物体由于热的原因而发出辐射能的过程，称为热辐射。 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，可以在真空中传播。 物体发射电磁波，在红外、可见光范围内具有热效应

4、。物体温度，热辐射能力。实际传热过程：三种方式同时存在通常只有在通常只有在高温高温下才成为主要的传热方式下才成为主要的传热方式化工原理化工原理2 0 1 52 0 1 56间壁式换热间壁式换热 器器 间壁式换热的特点是冷、热流体被一固体隔开，分间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，通过固体壁进行热别在壁的两侧流动，不相混合，通过固体壁进行热量传递。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

5、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。 三、传热速率与热阻三、传热速率与热阻t2t1T1T2对流对流对流对流导热导热冷冷流流体体Q热热流流体体化工原理化工原理2 0 1 52 0 1 57t2t1T1T2对流对流对流对流导热导热冷冷流流体体Q热热流流体体热负荷热负荷Q：工艺要求，同：工艺要求，同种流体需要温升或温降时，种流体需要温升或温降时，吸收或放出的热量，单位吸收或放出的热量，单位 J/s或或W。5.1 概述概述传热速率传热速率Q： 热流量热流量 J/s或或W单位时间内通过换热器的单位时间内通过换

6、热器的整个传热面整个传热面传递的热量传递的热量化工原理化工原理2 0 1 52 0 1 58热流密度热流密度q：dQqdA热阻（阻力）传热温差（推动力）传热速率 TR5.1 概述概述单位时间内通过单位时间内通过单位传热面积单位传热面积传递的热量传递的热量热通量热通量 J/(s. m2)或或W/m2化工原理化工原理2 0 1 52 0 1 595.2 热传导热传导一、一、 傅里叶定律傅里叶定律,zyxft 温度场温度场：某时刻，物体或空间各点的温度分布。：某时刻，物体或空间各点的温度分布。 （1 1）温度场和温度梯度）温度场和温度梯度不稳定温度场不稳定温度场 ,zyxft 稳定温度场稳定温度场

7、zyxft, 等温面等温面：在同一时刻，温度场中所有在同一时刻，温度场中所有温度相同温度相同 的点组成的面。的点组成的面。 0t化工原理化工原理2 0 1 52 0 1 510不同温度的等温面不相交不同温度的等温面不相交。t1t2t1t2等温面Q（2）温度梯度）温度梯度 ntn0limt+tt-ttnQdA5.2 热传导热传导nttgrad 温度梯度是一个温度梯度是一个向量向量。 方向方向垂直于垂直于该点所在该点所在等温面等温面，以，以温增方向为正温增方向为正化工原理化工原理2 0 1 52 0 1 511（3）傅立叶定律）傅立叶定律 tqn 式中式中 dQ 热传导速率，热传导速率，W或或J/

8、s； 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)。tdQdAn 5.2 热传导热传导 负号表示传热方向与温度梯度方向相反负号表示传热方向与温度梯度方向相反（5-3）化工原理化工原理2 0 1 52 0 1 512 表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5.2 热传导热传导(2) 是是分子微观运动的宏观表现。分子微观运动的宏观表现。二、导热系数二、导热系数 qtn/(1) 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

9、结构, 组成组成, 密度密度, 温度温度, 压力）压力）（热导率）（热导率）化工原理化工原理2 0 1 52 0 1 513(3) 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 5.2 热传导热传导)1 (0at在一定温度范围内：在一定温度范围内：对大多数对大多数金属金属材料材料 a 合金合金 非金属：同样温度下，非金属：同样温度下， 越大，越大， 越大。越大。对大多数对大多数非金属非金属材料材料a 0 ，t t 化工原理化工原理2 0 1 52 0 1 514 t 3) 气体气体 一般来说，纯液体的大于溶液一般来说，纯液体的大于溶液 t 气

10、体不利用导热，气体不利用导热，三、平壁的稳定热传导三、平壁的稳定热传导（一）（一） 单层平壁的稳定热传导单层平壁的稳定热传导5.2 热传导热传导2) 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。（除水和甘油）（除水和甘油）但可用来保温或隔热。但可用来保温或隔热。化工原理化工原理2 0 1 52 0 1 515假设：假设：无限大平壁无限大平壁 材料均匀；材料均匀；(3)温度仅沿温度仅沿x变化，不变化，不随时间变化。随时间变化。t1t2btxdxQxQx+dx5.2 热传导热传导化工原理化工原理2 0 1 52 0 1 516傅立叶定律：傅立叶定律：

11、 xtAQdd边界条件为：边界条件为： xtt01时，2ttbx 时，12()QA ttb积分得：积分得： 12ttbA讨论：讨论： QtR推动力热阻ttt()12RbA1可表示为可表示为推动力：推动力：热阻：热阻：5.2 热传导热传导（5-4a）化工原理化工原理2 0 1 52 0 1 5172平壁内的温度分布平壁内的温度分布1()QA ttx1QxttA 不随不随t变化，变化， tx成呈线性关系。成呈线性关系。)1 (0at若若 随随t变化关系为：变化关系为：则则tx呈呈抛物线关系。抛物线关系。5.2 热传导热传导边界条件为：边界条件为： xtt01时，xxtt时，xtAQdd化工原理化工

12、原理2 0 1 52 0 1 518（二）多层平壁的稳定热传导（二）多层平壁的稳定热传导 t t2 t3 t4 t1 0 x b假设各层接触良好，假设各层接触良好，接触面两侧温度相同。接触面两侧温度相同。AbttAbttAbttQ3343223211215.2 热传导热传导1431iiittbA14ittR总推动力总热阻化工原理化工原理2 0 1 52 0 1 519推广至推广至n层：层： QttbAttRniiinniin1111115.2 热传导热传导12nUIRRR1niiUR串联的导热过程串联的导热过程串联电阻叠加原则串联电阻叠加原则在多层壁导热过程中，哪层热阻大，哪层温差大；在多层壁

13、导热过程中，哪层热阻大，哪层温差大；反之，哪层温差大，哪层热阻一定大。反之，哪层温差大，哪层热阻一定大。 ttttttbAbAbARRR122334112233123:类似于：类似于： (5-6)化工原理化工原理2 0 1 52 0 1 520 思考：思考： 厚度相同的三层平壁传热，厚度相同的三层平壁传热，温度分布如图所示，温度分布如图所示，（1） 热阻大小排列？热阻大小排列？（2）各层）各层 的大小排列？的大小排列？（3）各层导热速率排列？）各层导热速率排列？t1t2t3t43125.2 热传导热传导应用：应用： 双层玻璃的功效双层玻璃的功效假设：假设：1. 设室内热量的流失是热传导引起的，

14、不存在户设室内热量的流失是热传导引起的，不存在户 内外的空气对流。内外的空气对流。2. 室内温室内温 度度T1与户外温与户外温 度度T2均为常数。均为常数。化工原理化工原理2 0 1 52 0 1 521ddl室室外外T2室室内内T1TaTb12112TTqddl112122TTldddd室室外外T2室室内内T11212TTqd 1222() / ()qqld5.2 热传导热传导化工原理化工原理2 0 1 52 0 1 522此函数的图形为此函数的图形为1216 32一般一般11 8 /qql d故故记记h=l/d并令并令f(h)= 181h考虑到考虑到美观美观和使用上和使用上 的的方便方便，

15、h不必取得过大，例如，可不必取得过大，例如，可 取取h=3，即，即l=3d，此时房屋热量的损失不超过单层玻璃窗，此时房屋热量的损失不超过单层玻璃窗时的时的 4% 。 01234567891000.10.20.30.40.50.60.70.80.91hf(h)5.2 热传导热传导化工原理化工原理2 0 1 52 0 1 523二、圆筒壁的稳定热传导二、圆筒壁的稳定热传导（一）（一） 单层圆筒壁的稳定热传导单层圆筒壁的稳定热传导5.2 热传导热传导化工原理化工原理2 0 1 52 0 1 524傅立叶定律傅立叶定律: QAtr ddd2dtrlr 积分得：积分得：21212ttrrldtdrrQ5.2 热传导热传导设设 不随不随t而变而变 12212()lnl ttQrr 122122112()()()lnl ttrrrrrr 化工原理化工原理2 0 1 52 0 1 525122121()()lnttAAAbA5.2 热传导热传导12mttbAArl2brr212121ln/mAAAAA对数平均面积对数平均面积2mr l2121ln/mrrrrr对数平均半径对数平均半径tR推动力热阻(5-7b)化工原理化工原理2 0 1 52 0 1 526（二