第4章 传热课件

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

4.4Heattransferwithoutphasechange4.5Heattransferwithphasechange4.6RadiationHeattransfer4.7Overallheattransfercalculation4.8Heatexchangeequipment传热-4.1概述4.1.1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4.1.3冷、热流体的接触方式4.1.4热载体及其选择4.1.5间壁式换热器的传热过程第4章传热传热-4.1.1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低温，直至温度相等。传热方向：传热极限：传热推动力：高温→低温温度相等温度差传热-ApplicationDryingoflumber(木材)、foods[milk、fruitjuice(果汁)、vegetableextracts(蔬菜汁)]、pharmaceuticals(医药)、finechemicalproduction、alcoholdistillation、evaporation、sterilization(消毒)offoods

Itisoftennecessarytoheatviscousmaterialsinordertomakethemfloweasily.Anotherreasonforheatingistomeltsolidsortochangeliquidsintovaporsbyboilingthem.Chemicalengineersisthata10℃increaseintemperaturewillapproximatelydoubletherateofmostreactions.传热-传热在化工生产过程中的应用：1）加热或冷却，使物料达到指定的温度；2）通过换热，回收利用热量；3）保温，以减少热损失。传热-目的举例措施加热或冷却加热反应物，使之达化学反应温度强化传热加热精馏进料，在饱和温度下入塔分离冷却饱和的结晶母液，使结晶析出换热精馏塔顶、塔底物料与进料的换热锅炉的废气包、受热面保温锅炉、热反应塔器、热管线的保温削弱传热冰箱的隔热层传热-Theaimofheatheater

①Itmaybesensibleheat(显热)fromtheriseorfallinthetemperatureoffluidwithoutanyphasechange②Itmaybelatentheatacccompanyingaphasechangesuchascondensationorvaporization传热-4.1.2传热的三种基本方式

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，或传递到与之接触的另一物体的过程特点：

分子无规则热运动，使相邻分子间传热传热速率相对较慢。单纯的导热，物体各部分之间无宏观运动。固体的主要传热方式传热-流体中质点发生相对位移而引起的热量传递，只能发生在流体中

传热速率与流动状态密切相关。对流传热：流体与固体壁面之间的传热过程。2、对流传热Convection.传热-强制对流

自然对流

用机械能（泵、风机、搅拌等）使流体发生对流而传热。由于流体各部分温度的不均匀分布，形成密度的差异，在浮升力的作用下，流体发生对流而传热

传热-物体温度↑，热辐射能力↑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，两物体不需接触。可以在真空中传播辐射Radiation传热-4.1.3冷、热流体的接触方式一、直接接触式将热流体与冷流体直接混合的一种传热方式。

传热-凉水塔传热-二、蓄热式storeheat先将热流体的热量存储在热载体上，然后由热载体将热量传递给冷流体优点：结构较简单耐高温缺点：设备体积大有一定程度的混合传热-传热面为内管的表面积

（1）套管换热器冷流体t1t2热流体T1T2三、间壁式

热流体通过间壁将热量传递给冷流体传热-传热-（2）列管换热器传热面为壳内所有管束的表面积

传热-(3)夹套式换热器

Jacketheatexchanger

传热-4.1.4热载体及其选择

加热剂：热水、饱和水蒸气矿物油或联苯等低熔混合物、烟道气等

用电加热冷却剂：水、空气、冷冻盐水、液氨等加热温度

180C饱和水蒸气冷却温度

30C水传热-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传热过程可分为三步：热流体将热量传给固体壁面（对流传热）热量从壁的热侧传到冷侧（热传导）热量从壁的冷侧面传给冷流体（对流传热）壁的面积称为传热面，是间壁式换热器的基本尺寸。

4.1.5间壁式换热器的传热过程冷流体t1t2热流体T1T2传热-热负荷Q’：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J/s或W。传热速率Q（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J/s或W。热流密度q

（热通量（又称为热流密度或传热速度））

：单位时间内通过单位传热面积传递的热量，单位J/(s·m2)或W/m2。一、基本概念式中 A──总传热面积传热-传热温差以△T表示，热阻通常以R或r表示

传热-二、稳态与非稳态传热

稳态传热温度仅随位置变化而不随时间变化的传热方式。显著特点是传热速率为常量。连续传热过程属于稳态传热。非稳态传热温度既随位置变化又随时间变化的传热方式。显著特点是传热速率为变量。间歇传热过程属于非稳态传热。传热-三、冷、热流体通过间壁的传热过程t2t1T1T2对流对流导热冷流体Q热流体稳态传热：传热-4.2热传导4.2.1有关热传导的基本概念4.2.2傅立叶定律4.2.3导热系数4.2.4通过平壁的稳态热传导4.2.5通过圆筒壁的稳态热传导传热-4.2.1有关热传导的基本概念t──某点的温度，℃；

x,y,z──某点的坐标；

──时间。温度场：物体或系统内部的各点温度分布的总和，各点的温度分布。

一、温度场和等温面传热-非稳态温度场

稳态温度场

等温面：在同一时刻，温度场中所有温度相同的点组成的面。

不同温度的等温面不相交t1t2t1>t2等温面Q传热-沿等温面移动时∵△t=0，∴无传热现象；若沿与等温面相交的任何方向移动时∵△t≠0，∴必传热。在单位面积内，同样的距离下，△t↑，传递的热量↑。在诸多方向中，沿垂直等温面的方向上的（△t/△n）最大，传热强度也最大。二、温度梯度

单位距离下温差的极限——温度梯度传热-温度梯度

温度梯度：等温面法线方向上的温度变化率，用gradt表示。

t+

tt-

ttnQdA温度梯度是一个点的概念。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对于一维定态热传导传热-4.2.2傅立叶定律

dA──导热面积，m2

t/

n──温度梯度，℃/m或K/m；

──导热系数，W/(m·℃)或W/(m·K)。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度成正比。负号──传热方向与温度梯度方向相反传热-

表征材料导热性能的物性参数

越大，导热性能越好用热通量来表示对一维稳态热传导

传热-（3）

是分子微观运动的宏观表现4.2.3导热系数

（2）

在数值上等于单位温度梯度下的热通量

=f(结构,组成,密度,温度,压力）（4）各种物质的导热系数

金属固体

>

非金属固体

>

液体

>

气体

（1）反映物质导热能力的大小，是物性之一传热-

金属固体：101～102W/(m.K)

建筑材料：10-1～100W/(m.K)

绝热材料：10-2～10-1W/(m.K)

液体：10-1～100W/(m.K)

气体：10-2～10-1W/(m.K)

的大概范围：传热-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传热-在一定温度范围内：

0,

──0℃、t℃时的导热系数，W/(m·K)；

a──温度系数。固体金属：

纯金属>

合金

非金属：同样t下，

对大多数金属材料：a<0，t

对大多数非金属材料：a>0

，

t

传热-液体金属液体

较高；非金属液体

低，水的

最大

t

（除水和甘油）一般来说，纯液体的

大于溶液水和甘油可以作为加热介质传热-气体t

气体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Atverylowpressures(vacuum),however,thethermalconductivityapproacheszero.传热-气体不利用导热，但可用来保温或隔热传热-4.2.4通过平壁的稳态热传导一、通过单层平壁的稳态热传导假设：(1)平壁面积>>壁厚，壁边缘散失的热量可以忽略。(2)材料均匀；(3)温度仅沿x变化，且不随时间变化。t1t2bxtdxQxQx+dx传热-取dx的薄层，作热量衡算：

傅立叶定律：

边界条件为：

A──平壁的面积，m2；b──平壁的厚度，m；

──平壁的导热系数，W/(m·℃)或W/(m·K)；t1,t2──平壁两侧的温度，℃。传热-影响因素传热-R——导热热阻，K/W

；r——单位面积的导热热阻。传导距离b越大，传热面积和导热系数越小，传导热阻越大传热-分析平壁内的温度分布上限由改为传热-

不随t变化，

t～x呈线形关系当

随t变化时若

随t变化关系为：则t～x呈抛物线关系

如：

1～t1，2～t2；

可取平均值传热-二、通过多层平壁的定态热传导假设：各层接触良好，接触面两侧温度相同。t1t2b1txb2b3t2t4t3对于三层：传热-传热-多层平壁导热是一种串联的导热过程，串联导热过程的推动力为各分过程温度差之和，即总温度差，总热阻为各分过程热阻之和，也就是串联电阻叠加原则。

推广至n层：

传热-三、各层的温差推动力与热阻成正比t1t2t3t4

3

1

2QxtProblem:(1)Theeffectofband

on△t

(2)b1=b2=b3

1

?

2?

3传热-传热-4.2.5通过圆筒壁的定态热传导一、通过单层圆筒壁的定态热传导Lr2r1假定：(1)定态温度场(2)一维温度场传热-传热-取dr同心薄层圆筒，作热量衡算：对于定态温度场傅立叶定律传热-边界条件

得：

不随t而变时

传热-讨论：对数平均面积

传热-圆筒壁内的温度分布上限从改为t～r呈对数关系变化传热-

平壁：各处的Q和q均相等；

圆筒壁：不同半径r处Q相等，但q却不等传热-二、通过多层圆筒壁的定态热传导以三层为例：传热-对于n层圆筒壁：

传热-

例4-1有一蒸汽管道，外径为25mm，管外包有两层保