导热系数的综合关系.ppt

1、第二章 传 热 Heat Transfer,第一节 概述 一、传热 即热的传递，是自然界和工程技术领域中极普遍的一种传递过程，由热力学第二定律知：凡是有温度差存在的地方就会有热的传递，故在能源、化工、冶金、机械等工业部门都涉及到传热的问题。 二、化工中的传热 （1）化学反应在一定的温度下进行，为了达到并保持一定的温度，就需向反应器输入和输出热量。 （2）在蒸发、蒸馏、干燥等单元操作中，也要输入和输出热量。 （3）化工设备的保温、热能的合理利用以及废物的回收等。 三、两种传热情况 （1）强化传热，如各种换热设备中的传热。 （2）削弱传热，对设备和管道的保温，以减少热损失。,四 传热的三种基本方法

2、 热的传递是由于T引起的，净的热流方向总是由T高T低，根据传热的机理不同，有三种形式：传导、对流、辐射。 一、热传导（又称导热） 若物体上的两部分间连续存在着温度差，则热将从高温部分自动流向低温部分，直至整个物体的各部分温度相等为止，此种传热方式称为热传导，又称导热。固体中热的传递是典型的热传导。 1、在金属固体中，起因于自由电子的运动。 2、在不良导体的固体和部分液体中，起因于个别电子的动量传递。 3、在气体中，热传导是由分子不规则运动而引起的。 注意：在热传导时，物体内的分子或质点不发生宏观运动。,二、对流传热 对流传热是指流体中质点发生相对位移而引起的热交换过程，因而对流只能发生在流体中

3、。在化工生产中，流体流过固体表面时，热能由流体传到固体壁面。或由固体壁面传到周围流体，这一过程称为对流传热。 1、强制对流传热：用机械能使流体发生对流而传热。 2、自然对流传热：若流体原来是静止的，因受热而有密度的局部变化，导致对流而传热的。,三、辐射 因热的原因而产生的电磁波在空间的传递称为热辐射。物体（固体、液体和气体）都能将热能以电磁波形式发射出去，而不需任何介质。 1、热辐射不仅产生能量的传递，而且伴随着能量的转换。高温物体辐射向低温物体 2、辐射传热是物体间相互辐射和吸收能量的结果。 3、任何物体只要在绝对零度以上都能发生辐射能，但是只有物体的温度差别较大时，辐射传热才成为最主要的传

4、热方式。,几点说明： 上述三种传热方式，常常不是单独出现的，传热过程往往是两种或三种基本传热方式的组合。 例如：生产中常遇到热量从热流体通过间壁（多为管壁）向冷流体传递的过程，称为热交换过程，它包括通过间壁的热传导和间壁两侧的对流传热。,传热的基本物理量,1 热量Q,单位J,1J=1Nm 2 传热速率,也称热流量,指单位时间传递的热量. =Q/,单位w,1w=1Js-1 工程中常用传热速率单位是kcalh-1 换算:1cal=4.187J,1kcal=4187J 1w=1J/1s=(1/4187)/(1/3600)=0.860 kcalh-1 3 热流密度,指单位时间单位面积传递的热量, q=

5、 /A=Q/A 4 比定压热容cp是指压力恒定时单位质量物质温度升高1度所需热量,单位Jk-1kg-1,定压摩尔热容cp,m,单位Jk-1mol-1,显热和潜热,mcpt在工程上称为显热,当物质释放出显热时,物质温度显著降低. 单位质量物质在发生相变时伴随的热量变化称为潜热,其值取决于物质的本性,包括物质的气化热,凝结热,升华热,溶(熔)解热,结晶热,稀释热等,其单位均为Jkg-1.摩尔相变热的单位Jmol-1,第二节 传导传热 温度场中同一时刻下相同温度各点所组成的面称为等温面。因为空间任一点不能同时有两个不同的温度，所以温度不同的等温面不会相交。 等温面无热量传递, 而沿与等温面相交的任何

6、方向移动，温度都发生变化，即有热量传递。这种温度随距离的变化率以沿等温面垂直的方向最大。 两等温面间的温度差t与其间的垂直距离n之比在n趋于零时的极限，称为温度梯度，即： 温度梯度是矢量，既有大小，又有方向（正法线方向，即指向温度增加的方向）,三、傅立叶定律 Fouriers Law 物体内热流的产生是由于存在温度梯度的结果，且热流的方向永远与温度降低的方向一致，即与温度梯度方向相反。 1822年，法国数学家Fourier对导热数据和实践经验的提炼，将导热规律总结为傅立叶定律。即通过等温面的导热速率与温度梯度及传热面积成正比 。傅立叶定律对定态传热和非定态传热都适用.,2.4 导热系数 由傅立

7、叶定律可知： 在数值上等于单位温度梯度下，单位导热面积上的导热速率,单位wm-1k-1。它表征物质导热能力的大小，是物质的物理性质之一，通常用实验测定。 金属的值最大,非金属次之,液体的较小，气体的最小，常见的值可从手册中查得。,一、固体的导热系数 固体的导热系数大多与温度有关，对于大多数均质固体，其值与温度大致呈线性关系: 0 (1t), 0为0时固体的导热系数. 同种金属材料在不同温度下的导热系数可在化工手册中查到，当温度变化范围不大时，一般采用该温度范围内的平均值。 二、液体的导热系数 液态金属的导热系数比一般液体要高，而且大多数液态金属的导热系数随温度的升高而减小。在非金属液体中，水的

8、导热系数最大。除水和甘油外，绝大多数液体的导热系数随温度的升高而略有减小。一般说来纯液体的导热系数比其溶液的要大。 三、气体的导热系数 气体的导热系数随温度的升高而增大。在相当大压强范围内，气体的导热系数与压强几乎无关。由于气体的导热系数太小，因而不利于导热，但有利于保温和绝热。工业上的保温材料，例如玻璃棉等，就是因为其空隙中有气体，所以导热系数低，适用于保温隔热。,2.5 平面壁的定态热传导 导热在稳定的温度场中进行,则物体内各点温度t只是位置的函数,不随时间而变.对材料均匀的平壁,经过任意一个微元dA,单位时间传递的热量为d, 则d / dA为定值，记为 / A，于是傅立叶定律为： 在本节

9、里，我们将讨论傅立叶定律在单层平壁和多层平壁中的稳定热传导。,一、单层平壁的稳定热传导,1、数学模型的三个假设 （1）导热系数为定值 （2）无限平壁 平壁面积与厚度之比很大，故从平壁边缘处的热损可以忽略。 （3）一维稳定导热 平壁的温度变化仅沿垂直壁面的x方向变化。于是等温面是垂直于x轴的平面。 即：,2、推导,3、讨论,二、多层平壁的稳定热传导 在许多化工过程中，遇到的是多层平壁的热传导问题，如炉壁由三层组成：耐火砖、保温砖、建筑砖，如下图所示。,1、数学模型的四个假设 （1）、（2）、（3）与单层平壁的假设相同。 （4）相接触的两表面温度相同（层与层接触良好）t1t2t3t4 2、推导 在

10、稳定导热中，通过各层的导热速率是否相等： =1=2= 3？还是=1+2+3？,3、结论与讨论 （1）多层平壁导热是一种串联的传热过程，串联传热的推动力（总温度差）为各分过程的温差之和，总热阻为各分过程的热阻之和 串联热阻叠加原则，它和物理学中串联电阻的欧姆定律相似。稳定的串联传热过程的温差与热阻成正比，当总温差一定时，传热速率取决于总热阻。 （2）图示法,56 圆筒壁的稳定热传导 圆筒壁与平壁的热传导的不同处在于圆筒壁的传热面积不是常量，随半径而变，同时温度也随半径而变。 如右图所示，设圆筒的内半径为r1，外半径为r2，长度为L，圆筒内，外壁面的温度分别为t1和t2，且t1 t2 。,推导 现

11、讨论在半径为r，厚度为dr的薄壁圆筒，其传热面积可视为常量，薄壁圆筒温差为dt，则沿半径方向的导热速率,3、讨论 （1）在化工中经常用到对数平均值，若 当 ，可用算术平均半径 代替对数平均半径,两者相差小于4%。 （2）与分析多层平壁导热类似，应用串联热阻叠加的概念同样可以分析通过多层圆筒壁的热传导。 对于三层圆筒壁，如右图示，假定层与层之间接触良好，各层的导热系数分别为1 、2 、3均为常数，根据串联的热阻叠加、推动力叠加原理，通过三层圆筒壁热传导的热流量为：,同理，对第二层，可以得到：,利用数学中的合比定律得 推广到n层圆筒的传热速率公式为,（3）稳定传热时， 为定值，q是否为定值？ 显然

12、，通过各层的相同，但,圆筒壁导热计算举例,【例2-1】 在一603.5mm的钢管外包有两层绝热材料,里层为40mm的氧化镁粉,平均导热系数=0.07W. m-1K-1,外层为20mm的石棉层,其平均导热系数=0.15 W. m-1K-1 .现用热电偶测得管内壁的温度为500,最外层表面温度为80,管壁的导热系数=45 W. m-1K-1 .试求每米管长的热损失及保温层界面的温度.(类似P109:例4-3),第三节 对流传热,我们坐在教室里，手脸都不感觉得冷，如果开启电扇，扇起风来，就感觉冷了，这是为什么？因为空气流速加大，空气将人体表面的热量带走的速率加大，人体内部热量补充不上，所以感觉冷。一

13、杯热牛奶，用均匀搅拌比不搅拌要凉得快，边搅拌边吹风，则凉得更快。前者利用牛奶对流，后者再加上空气对流。 对流给热的定义是，通过流体内分子的定向流动和混合而导致热量的传递。,对流给热的机理,如图2-9所示。固体壁面温度为tw（高温端），流体湍流主体的温度为t。,在固体壁面存在层流层，然后是过渡层，再是湍流层。在层流层，热量靠热传导的方式传递，在过渡层和湍流层，热量靠分子的流动和混合来传递。直接按热传导的方式处理，显然不行，因为湍流层不能按导热处理。于是人们尝试，虚拟一个传热边界层，使得层流、过渡流、湍流的全部传热阻力集中在内。于是可以按平壁导热处理得：,由于上式中的传热边界层是难以测定的，所以仍

14、无法进行计算。于是令 则上式为： 即为牛顿冷却定律的数学表达式。就是：固体对流体的给热传热速率,与壁面积成正比，与壁面和流体间的温度差成正比 比例系数，亦称传热膜系数，其单位是:,传热膜系数计算,与许多因素有关，所以不是物质特有性质(与不同).的求取十分复杂，目前主要通过因次分析法，在大量实验的基础上，得到一些经验的应用范围受限制的准数关联式。 例如圆管内湍流给热系数用Dittus公式： 低粘度流体： 当流体被加热时，n=0.4，流体被冷却时，n=0.3,高粘度流体： 式中，若流体为气体，则 若流体被加热，则 若流体被冷却，则,值的大致范围,一般情况下，值的大致范围如下： 空气自然对流，525

15、 ； 空气强制对流，30300 ； 水蒸汽冷凝，10008000 ； 水沸腾，150030000 ；,problem,P142: Exercises no.3,no.4,第四节 总传热方程,确切的讲是导热与给热的联合传热速率方程。我们以简单的并流套管式换热器为例，导出综合传热速率方程。,在此种间壁式换热器中，热量传递要经历下列三个阶段：热流体对管内壁对流给热；管壁面间的导热；管外壁对冷流体的对流给热。单一的导热定律与对流给热定律，无法解决这个问题。另外，冷、热流体的温度差，沿轴向变化着，但对任一管截面，冷热流体的温度差不随时间而变，所以仍然是稳定传热过程，称为稳定的变温传热。此时，热推动力（温

16、度差）和传热系数如何表达呢？,取内管一微元管段B，其传热过程如图2-11所示。管段B传热面积为dAm2；此截面处热、冷流体的温度为T和tK；管壁温度分别为tw1和tw2K；通过该微元段的传热速率为dJs-1；下面列出该微元管段的传热速率方程。管壁内外的对流传热系数分别为1和2Wm-2K-1；管内径、外径分别为d1、dm、d2m；管壁厚度为bm。,热流体对内管壁的对流给热速率为： 管壁面间的导热速率为：,管外壁对冷流体的给热速率为： 稳定传热，即，根据比例定律中的合比定律得，,若为平壁，即 ，则： K称为总传热系数，它是表示导热系数与给热系数的综合传热指标 .当间壁为复合壁时,圆筒壁传热速率方程

17、,若为圆筒壁,传热平均温度差,根据两流体沿传热壁面流动时各点温度的变化，可分为恒温传热与变温传热两种情况 1、恒温传热若两侧流体皆为恒温，此时传热平均温度差就显得十分简单，即为两流体温度之差:tm=T-t 这种情况是很特殊的，它只是在间壁两侧的流体均发生相变的情况才出现。例如传热壁的一侧饱和蒸汽冷凝另一侧则是液体沸腾气化，在化工中在蒸发和蒸馏中就会有这种恒温传热的例子。,2、变温传热 间壁两侧流体的温度随传热面位置而变，这种情况称为变温传热，这是热交换中较为常见的情形。变温传热时，两流体的温度差t也是沿传热壁面不断变化的。因此，传热计算中应使用平均温度差tm， tm是指整个传热壁面的温度差的平

18、均值。 tm计算方法不仅与冷热流体的进出口温度有关，还与热交换器中冷热流体的相对流动方向有关。生产中常见的流体流向有四种类型，如图3-16所示。,（1）并流 参与热交换的两流体流向相同，如图3-16（A)所示。（2）逆流 参与热交换的两流体流向相反，如图3-16（B)所示。（3）错流 参与热交换的两流体流向相互垂直如图3-16（C)所示。（4）折流 分简单折流和复杂折流两种情况。在热交换器中，一种流体沿一个方向流动，另一种流体先以同向或反射流动，然后折回180度流动，也可以反复多次折回流动，这是简单折流，如图3-16（D)所示。若两流体均作折回流动，则称复杂折流。在折流过程中，两流体既并流，又

19、逆流。错流和折流的情况比较复杂，本课程不予讨论，仅讨论并流和逆流传热平均温度差的计算。,套管式热交换器，内管走冷流体，温度由t1升至t2,套管环隙走热流体，与冷流体呈逆流，温度由T1降至T2,图3-17（2）也是套管式热交换器，不同的是冷热流体呈并流流动。假设热交换器没有热损失，则传热总系数K是一个常数。若将热平衡方程写成微分式得： d=-mcdT=mcdt,若以t=T-t代表某一截面上热、冷流体之间的温度差（如图3-18所示）.,t=T-t 由于d=KdAt,代入上式得,代入边界条件，将上式积分得,d=-mcdT=mcdt 与总传热方程（3-20）比较，得： 称为对数平均温差, 和 分别为进

20、口温差和出口温差,在tm的计算中，取热交换器两端t数值较大的作为t1，较小的作为t2，可使计算较为简便。当t1 / t2 2时，用算术平均值 （ t1 + t2 ）/2 来计算 tm,所引起的误差4%，这在工程计算中是允许的。,例,在套管式换热器中，冷热流体进行热交换，热流体温度从120降到70，冷流体温度由20升到60，试比较并流与逆流的传热平均温度差。,解：并流传热时：t1=120-20=100120-70 t2=70-60=1020- 60 tm=(10010)/ln(100/10)=39.1 逆流传热时：120-70 t1=120-60=6060-20 t2=70-20=50 tm=(

21、60-50)/ln(60/50)=54.9 计算结果表明，采用逆流换热比并流换热时的传热平均温度差要大。故工厂在条件允许的情况下尽量采用逆流换热。,第五节 强化传热的途径,所谓强化传热的途径，就是要想法提高传热速率Q。提高K，A，tm中的任何一个，都可以传热强化。,1.增大传热面积A，意味着提高设备费。但是换热器内部结构的改革，增大A，亦不失为强化传热途径之一。 2.增大传热温差tm，一般是改变流体流向，逆流操作比并流操作的tm大。 提高总传热系数K，主要是提高 等，若忽略导热项，且不考虑基于内、外表面则,这说明，为了提高K，就要提高 ，也就是增加传热系数较小一侧的 。 由于搅拌器中污垢的导热系数较小,使 增大，就降低了K值。所以清理污