1、第5章 传热Chapter 5 Heat Transfer第一节第一节 概述概述第二节第二节 导热导热第三节第三节 对流传热对流传热第四节第四节 沸腾与冷凝给热沸腾与冷凝给热第五节第五节 两流体间的传热计算两流体间的传热计算第5章 传热其它设备其它设备60%传热设备传热设备40% 在设计时进行合理的优在设计时进行合理的优化设计使其在满足工艺要求化设计使其在满足工艺要求的条件下投资费用最小；在的条件下投资费用最小；在操作中进行强化传热操作过操作中进行强化传热操作过程，进行最优化操作，对节程，进行最优化操作，对节省传热设备投资，节省能源省传热设备投资，节省能源有着重要的意义。有着重要的意义。热源和
2、冷源 1、热源 1）电热：特点是加热能达到的温度范围广，而且便于控制，使用方便，比较清洁。但费用比较高 。2）饱和水蒸气： 优点：饱和水蒸气的冷凝温度和压强有一一对应的关系，调节饱和水蒸汽的压强就可以控制加热温度，使用方便，而且饱和蒸汽冷凝过程的传热速率快。 缺点：饱和水蒸气冷凝传热能达到的温度受压强的限制。 3）烟道气 烟道气的温度可达700以上，可以将物料加热到比较高的温度 。 缺点：传热速度慢，温度不易控制。4）高温载热体： 优点：沸点高（饱和蒸汽压低），化学性质稳定。2、冷源 一般采用水、空气和冷冻盐水等作为冷源。 第一节 概述一、传热在石油化工中的应用一、传热在石油化工中的应用1.1
3、.原料、产品的加热和冷却原料、产品的加热和冷却第一节 概述2.2.对设备及管线进行保温（保冷），减少热量损失。对设备及管线进行保温（保冷），减少热量损失。第一节 概述3.3.回收余热、废热，充分利用能量。回收余热、废热，充分利用能量。第一节 概述二、热量传递的基本方式二、热量传递的基本方式热传导（传导、导热）热传导（传导、导热）对流传热（对流）对流传热（对流）辐射传热（辐射）辐射传热（辐射）第一节 概述1.1.热传导（导热）热传导（导热） 因为分子的微观振动，热量从高温物体流向与之接因为分子的微观振动，热量从高温物体流向与之接触的低温物体，或同物体内高温部分向低温部分进行的触的低温物体，或同物
4、体内高温部分向低温部分进行的热量传递过程称为导热，也称为热传导。热量传递过程称为导热，也称为热传导。 发生在物体内部或相互接触的物体之间；发生在物体内部或相互接触的物体之间； 物体不发生宏观的相对位移。物体不发生宏观的相对位移。特点：特点：第一节 概述2.2.对流传热对流传热（对流）（对流） 流体中质点发生相对位移而引起的热交换。对流传流体中质点发生相对位移而引起的热交换。对流传仅仅发生在流体中。仅仅发生在流体中。特点：特点：分类：分类：自然对流：流体内部各处冷、热流体的密度差异所致自然对流：流体内部各处冷、热流体的密度差异所致强制对流：借助外加机械能强制对流：借助外加机械能仅发生在流体中，有
5、相对的宏观位移仅发生在流体中，有相对的宏观位移第一节 概述3.3.辐射传热（辐射）辐射传热（辐射） 高温物体产生的电磁波在空间传递而被低温物体所高温物体产生的电磁波在空间传递而被低温物体所吸收并转化为热能的过程称为辐射传热。吸收并转化为热能的过程称为辐射传热。特点：特点： 任何物体，只要任何物体，只要T T 0K0K，均存在辐射传热；，均存在辐射传热； 不需要任何中介；不需要任何中介； 传热过程中伴随能量形式的转换。传热过程中伴随能量形式的转换。关于辐射传热，下述几种说法中错误的是（关于辐射传热，下述几种说法中错误的是（ ）. A.除真空和大多数固体外，热辐射线可完全通过除真空和大多数固体外，
6、热辐射线可完全通过B.热辐射与光辐射本质完全相同热辐射与光辐射本质完全相同C.物体的温度不同，其发射的辐射能也不同物体的温度不同，其发射的辐射能也不同D.热辐射线与可见光一样，都服从折射定律热辐射线与可见光一样，都服从折射定律传热过程中热、冷流体（接触）热传热过程中热、冷流体（接触）热 交换的方式交换的方式1. 1. 直接接触式换热和混合式换热器直接接触式换热和混合式换热器 将热流体与冷流体直接混合的一种传热方式。人们看过电影将热流体与冷流体直接混合的一种传热方式。人们看过电影“洗洗澡澡”吧。老式澡堂中水池的水，是将水蒸汽直接通人冷水中，使冷水吧。老式澡堂中水池的水，是将水蒸汽直接通人冷水中，
7、使冷水加热，即直接混合式。如图所示。北方许多工厂的澡堂，仍然采用这加热，即直接混合式。如图所示。北方许多工厂的澡堂，仍然采用这种办法。种办法。（1 1）直接混合式直接混合式（2 2）蓄热式换热和蓄热器）蓄热式换热和蓄热器 先将热流体的热量储存在热载体上，然后由热载体将热量传递给先将热流体的热量储存在热载体上，然后由热载体将热量传递给冷流体。此即蓄热式换热器。冷流体。此即蓄热式换热器。如图所示。炼焦炉中煤气燃烧系统就是如图所示。炼焦炉中煤气燃烧系统就是采用蓄热式换热。采用蓄热式换热。 蓄热室里面放着热载体。热流体通过热载体时，将热量储存在热载蓄热室里面放着热载体。热流体通过热载体时，将热量储存在
8、热载体中。隔一段时间，切断热流体。让冷流体通过热载体，热载体将储存体中。隔一段时间，切断热流体。让冷流体通过热载体，热载体将储存的热量传递给冷流体。热载体起到一种蓄热的作用。的热量传递给冷流体。热载体起到一种蓄热的作用。 焦化厂蓄热室动画焦化厂蓄热室动画 焦化厂蓄热室焦化厂蓄热室 打开着的盖板正在进冷空气，关着的盖板正在通热烟道气。隔一段打开着的盖板正在进冷空气，关着的盖板正在通热烟道气。隔一段时间，打开着的盖板关住，通热烟道气。关着的盖板打开，进冷空气。时间，打开着的盖板关住，通热烟道气。关着的盖板打开，进冷空气。如此反复。如此反复。（3 3）间壁式换热和间壁式换热器）间壁式换热和间壁式换热
9、器热流体通过间壁将热量传递给冷流体，化工中应用极为广泛。有热流体通过间壁将热量传递给冷流体，化工中应用极为广泛。有夹套式热交换器；蛇形式热交换器；套管式热交换器；列管式热交换夹套式热交换器；蛇形式热交换器；套管式热交换器；列管式热交换器；板式热交换器。如图所示。器；板式热交换器。如图所示。 热流体和冷流体分别流过间壁，从而使热流体的热量传递给冷流体。热流体和冷流体分别流过间壁，从而使热流体的热量传递给冷流体。间壁式换热器体积小，传热面积大，在化工厂有着广泛的用途。间壁式换热器体积小，传热面积大，在化工厂有着广泛的用途。 间壁式换热包括以下三个步骤：间壁式换热包括以下三个步骤： 热流体将热量传至
10、固体壁面左侧热流体将热量传至固体壁面左侧( (对流传热对流传热) )； 热量自壁面左侧传至右侧热量自壁面左侧传至右侧( (热传导热传导) )； 热量自壁面右侧传至冷流体热量自壁面右侧传至冷流体( (对流传热对流传热) )。浮头式换热器动画浮头式换热器动画套管换热器动画套管换热器动画dAdQq 第一节 概述1.1.传热速率传热速率Q Q与热通量与热通量q q 传热速率传热速率Q Q：传热面在单位时间内传的热量。单位：传热面在单位时间内传的热量。单位：w w 热通量热通量q q：单位时间单位：单位时间单位传热传热面积传递的热量。面积传递的热量。 单位：单位：w/mw/m2 2三、与传热有关的一些基
11、本概念三、与传热有关的一些基本概念第一节 概述 稳定传热：传热过程中，如果传热系统中各处温度稳定传热：传热过程中，如果传热系统中各处温度只随位置而变，而不随时间而变，称此过程为稳定传热只随位置而变，而不随时间而变，称此过程为稳定传热过程。此时，传热速率过程。此时，传热速率Q Q为常数。为常数。 不稳定传热：传热过程中，如果传热系统中各处温不稳定传热：传热过程中，如果传热系统中各处温度及有关物理量（如度及有关物理量（如Q Q、q q等）随时间而变，称此过程为等）随时间而变，称此过程为不稳定传热过程。不稳定传热过程。2.稳定传热与不稳定传热稳定传热与不稳定传热第二节 导热一、基本概念一、基本概念
12、,zyxfT 对稳定导热过程对稳定导热过程，物体各点温度均不随时间改变，则温，物体各点温度均不随时间改变，则温度场表达式变为：度场表达式变为： zyxfT, 1.1.温度场与温度梯度温度场与温度梯度温度场：任一时刻，物体各点的温度分布情况，称为温温度场：任一时刻，物体各点的温度分布情况，称为温度场，以数学式表示如下：度场，以数学式表示如下：2.2.一维稳定导热一维稳定导热：温度只沿一个坐标方向改变，称为一维：温度只沿一个坐标方向改变，称为一维稳定导热，其数学表达式为：稳定导热，其数学表达式为： xfT 3.3.等温面等温面：把物体内具有相同温度的：把物体内具有相同温度的点连成一个曲面，称等温面
13、。点连成一个曲面，称等温面。4.4.温度梯度温度梯度：xtxtx 0lim温度梯度温度梯度第二节 导热对一维稳定导热对一维稳定导热：dxdt 温度梯度温度梯度注意：热量传递的方向与温度降低的方向一致，与温度梯注意：热量传递的方向与温度降低的方向一致，与温度梯度的方向相反。度的方向相反。第二节 导热二、傅立叶二、傅立叶(Fourier)(Fourier)定律定律dAxtdQxtdAdQq第二节 导热 导热速率与物体内的温度梯度及垂直于传热方向上导热速率与物体内的温度梯度及垂直于传热方向上的导热面积成正比。比例系数以的导热面积成正比。比例系数以表示表示1.1.傅立叶傅立叶(Fourier)(Fou
14、rier)定律的内容定律的内容2.2.导热系数导热系数第二节 导热 物理意义：物理意义： 单位温度梯度（单位温度梯度（1K/m1K/m）时的导热通量（）时的导热通量（W/mW/m2 2）；）； 单位，单位， W/(mW/(mK K) ) 表示物质导热能力的强弱；是物质的一种物理性质表示物质导热能力的强弱；是物质的一种物理性质, ,常通过常通过实验方法测定；实验方法测定； = = f f（物质的结构、组成、密度、温度、压强、湿度等）（物质的结构、组成、密度、温度、压强、湿度等）通常：固体液体气体导热系数通常：固体液体气体导热系数 Km/WxtdqxtdAdQ 为什么坐在棉垫子上比较舒服？因为混凝
15、土的导热系数等于为什么坐在棉垫子上比较舒服？因为混凝土的导热系数等于1.28 SI1.28 SI单单位，空气的导热系数等于位，空气的导热系数等于0.024 SI0.024 SI单位。混凝土的导热速率是空气导热速单位。混凝土的导热速率是空气导热速率的率的5353倍。坐在水泥凳上，人体表面热量快速传递到水泥的表面，这样就倍。坐在水泥凳上，人体表面热量快速传递到水泥的表面，这样就感觉很冷了。感觉很冷了。公园的水泥凳子公园的水泥凳子 (1) (1) 固体的导热系数固体的导热系数att10式中式中 t t，0 0分别是固体物料在分别是固体物料在tt及及00时的导热系数，时的导热系数， W/(mW/(mK
16、)K) 温度系数，温度系数，1/;1/;对绝热材料为正值对绝热材料为正值, ,对大多数金对大多数金 属为负值属为负值第二节 导热 固体导热系数范围很宽，且受温度的影响，对大固体导热系数范围很宽，且受温度的影响，对大多数质地均匀的固体，其导热系数可用下式表示：多数质地均匀的固体，其导热系数可用下式表示： 纯金属：纯金属：T T纯度纯度，纯金属，纯金属 合金合金 普通碳钢：普通碳钢： = 45 W/(m = 45 W/(mK)K) 不不 锈锈 钢：钢： = 16 W/(m = 16 W/(mK)K) 非金属：非金属：，T T 第二节 导热工程计算：工程计算：221 mmmttt 2+=21取取or
17、 or ： (2)(2)液体的导热系数：液体的导热系数：td00054. 011172. 015式中式中 d d1515油品在油品在1515时的相对密度；时的相对密度； t t温度，温度，。第二节 导热 除水与甘油外除水与甘油外, ,液体的导热系数均随温度升高而减少。液体的导热系数均随温度升高而减少。 液相石油产品的导热系数随温度的变化关系可由下式液相石油产品的导热系数随温度的变化关系可由下式算得算得( (克莱格实验公式克莱格实验公式):): 1010-1 -1 W/(mW/(mK)K)； 金属液体非金属液体，后者中以水的金属液体非金属液体，后者中以水的为最大；为最大； 纯液体溶液；纯液体溶液
18、； T T （水和甘油除外：（水和甘油除外：T T ）；）；第二节 导热第二节 导热(3) (3) 气体的导热系数气体的导热系数iiiiiiimMxMx3131式中，式中，x xi i，M Mi i，i i分别为分别为i i组分的摩尔分率，分子量及导热系数。组分的摩尔分率，分子量及导热系数。第二节 导热低压气体混合物的导热系数可由下式求得：低压气体混合物的导热系数可由下式求得：气体的导热系数很小，不利于导热，但有利于保温。气体的导热系数随温度升高而加大 。在相当大的压强范围内，气体的导热系数随压强变化极小 注意：注意：在传热过程中，物质内不同位置的温度可能不相同，因而导热系数也不同，在工程计算
19、中常取导热系数的算术平均值。1 1水蒸气；水蒸气；2 2氧；氧；3 3二氧化碳；二氧化碳；4 4空气；空气；5 5氮；氮；6 6氩氩第二节 导热导热系数导热系数的物理意义的物理意义_,其单位是其单位是_. 一般来说，金属的一般来说，金属的随温度随温度升高而升高而_,大多数非金属固体的大多数非金属固体的随温度升高而随温度升高而_.热量传递过程的规律与流体流动过程相似，流速越大，热量传递过程的规律与流体流动过程相似，流速越大，则其过程的阻力越大。（则其过程的阻力越大。（ ）物质的导热系数与其（物质的导热系数与其（ ）无关）无关.A.组成组成 B.颜色颜色 C.温度温度 D.密度密度平壁模型平壁模型
20、 平壁材质均匀，平壁材质均匀，可视为常数；可视为常数； 平壁内只有一维温度梯度，导热方向垂直于壁面平壁内只有一维温度梯度，导热方向垂直于壁面 等温面为平行于侧面的平面；等温面为平行于侧面的平面； 导热平壁的长和宽壁厚导热平壁的长和宽壁厚，忽略边缘热损失。，忽略边缘热损失。三、平壁的稳定导热三、平壁的稳定导热理想单层平壁的稳定热传导理想单层平壁的稳定热传导第二节 导热1.1.导热速率导热速率 一厚度为一厚度为的无限大平壁，的无限大平壁，壁面两侧温度分别为壁面两侧温度分别为t t1 1，t t2 2，且，且t t1 1tt2 2，若在与壁面，若在与壁面1 1的距离为的距离为x x处取一厚度为处取一
21、厚度为dxdx的薄层，由傅的薄层，由傅立叶定律：立叶定律：dxqdtdxdtq，即第二节 导热 对上式积分，积分限为：对上式积分，积分限为：取一平均值，视为常取一平均值，视为常数。积分得：数。积分得：tttq21第二节 导热021dxqdtttAttqAQ21说明说明可见，导热推动力为两壁温度差可见，导热推动力为两壁温度差tt，而（，而（/A/A）代）代表传热阻力，以表传热阻力，以R R表示。即：表示。即：RtQ 将上式写成速率方程的一般形式为：将上式写成速率方程的一般形式为：AtQ 导热阻力推动力导热速率，即：阻力推动力速率第二节 导热第二节 导热可取平均值：可取平均值：壁内温度分布：壁内温
22、度分布：xtttxx1:,0:若将积分限改为：若将积分限改为：xttttx 211式中：式中：（t t1 1t t2 2)/)/为常量，如为常量，如导热系数导热系数为常数，则为常数，则t tx xt t的关系为直线的关系为直线，即单层平壁内的温度随厚度呈直线变化。，即单层平壁内的温度随厚度呈直线变化。强化措施：强化措施：tt或者或者RQRQR R/A A：，ARQARQ，对导热有利。，对导热有利。222121 morttf第二节 导热多层平壁的稳定热传导多层平壁的稳定热传导模型模型 每层平壁为单层理想平壁；每层平壁为单层理想平壁； 层与层之间接触良好，无热阻接触表面温度相同。层与层之间接触良好
23、，无热阻接触表面温度相同。计算计算以三层平壁为例。以三层平壁为例。设三层平壁的导热系数分别为设三层平壁的导热系数分别为1 1、2 2 和和3 3，且均为常数，且均为常数，各层厚度为各层厚度为1 1、2 2 和和 3 3，各各壁面温度为壁面温度为t t1 1、t t2 2、t t3 3 和和t t4 4。第二节 导热 niiiniiiniiAAtQ11n111tt 总热阻总热阻总推动力总推动力第二节 导热说明说明串联传热：推动力串联传热：推动力t=t=t t1 1+ +t t2 2+ +t t3 3 热阻热阻R=RR=R1 1+R+R2 2+R+R3 3 ，R Ri i=i i/ / i iA
24、A ；稳定传热：稳定传热：t ti iR Ri i任一层内某点的温度（各层内的温度分布）：任一层内某点的温度（各层内的温度分布）：iiiiiixiiixixttttAxttQ1通过多层壁的定态热传导，传热推动力和热阻是可以加和通过多层壁的定态热传导，传热推动力和热阻是可以加和的；的；总推动力等于各层推动力之和，总热阻等于各层热阻总推动力等于各层推动力之和，总热阻等于各层热阻之和之和。在多层壁导热过程中，在多层壁导热过程中，哪层热阻大，哪层温差就大；反之，哪层热阻大，哪层温差就大；反之，哪层温差大，哪层热阻一定大哪层温差大，哪层热阻一定大。 多层平壁导热过程中，传热总推动力为各壁面温度差之和。多
25、层平壁导热过程中，传热总推动力为各壁面温度差之和。( ) 第二节 导热理想单层圆筒壁理想单层圆筒壁四、四、 圆筒壁的稳定热传导圆筒壁的稳定热传导圆筒壁模型：圆筒壁模型： 圆筒壁长圆筒壁长l l厚厚，忽略轴向散热；，忽略轴向散热； 温度仅沿半径温度仅沿半径r r 方向变化，一维稳定温度场方向变化，一维稳定温度场 等温面为与圆筒同心的圆筒面；等温面为与圆筒同心的圆筒面； 筒壁材质均匀，筒壁材质均匀，视为常数。视为常数。第二节 导热已知：一圆筒壁，长为已知：一圆筒壁，长为l l，内、外，内、外半径各为半径各为r r1 1、r r2 2，内外壁温度分别，内外壁温度分别为为t t1 1、t t2 2（t
26、 t1 1tt2 2），导热系数，导热系数drdtrLqAQr2计算计算取半径为取半径为r r处厚度为处厚度为drdr的传热面进的传热面进行研究，其传热面积为行研究，其传热面积为A=2rA=2rl l ，温度梯度为温度梯度为dt/dxdt/dx，所以，所以第二节 导热rdrLQdt221212rrttrdrLQdt分离变量，得：分离变量，得：积分，得：积分，得：为常数时：为常数时：1221ln2-rrLQtt1221rrlnt -tL2Q第二节 导热112211lnlnrrrrttttxxxtttrrr121:,:若将积分限改为若将积分限改为由于由于t t1 1、t t2 2、r r1 1、r
27、 r2 2为定值，因此可以写成：为定值，因此可以写成：xxrbatln圆筒壁内温度分布圆筒壁内温度分布第二节 导热圆筒壁导热方程的简化圆筒壁导热方程的简化-另一形式另一形式121212211221rrln)(L2t-trrlnt-tL2Qrrrr令令1212rrln)(rrrmr r2 2-r-r1 1-圆筒壁厚度（圆筒壁厚度（m m）-对数平均半径（对数平均半径（m m）第二节 导热L2t-trrln)(L2t-tQ2112121221mrrrrr令令 AmAm2r2rm mL -L -对数平均传热面积。对数平均传热面积。mmAr2121t-tL2t-tQ注：当注：当r r2 2/r/r1
28、1 22时，以时，以r rm m=(r=(r1 1+r+r2 2)/2)/2来代替，误差小于来代替，误差小于4 4。第二节 导热 多层圆筒壁的稳定导热多层圆筒壁的稳定导热模型模型 每层圆筒壁为理想单层圆筒壁；每层圆筒壁为理想单层圆筒壁； 各层接触良好，无接触性热阻。各层接触良好，无接触性热阻。计算计算已知：已知：r r1 1、r r2 2、r r3 3、r r4 4， 1 1、2 2、3 3， t t1 1t t2 2 t t3 3 t t4 4， 长长l l第二节 导热对一维稳定导热：对一维稳定导热：m33343m22232m11121AAAttttttQ应用加比定律：应用加比定律：3332
29、2211141mmmAAAttQ推广到推广到n n 层圆筒壁：层圆筒壁：nimiiinimiiiniiAAtQ11n111tt总热阻总推动力iiiimimimirrrrrLrA11ln2第二节 导热多层圆筒壁导热方程也可以由单多层圆筒壁导热方程也可以由单层圆筒壁的方程得到，即：层圆筒壁的方程得到，即：niiiinrrttLQ1111)ln1(2niiiinddttLQ1111)ln1(2或：或：第二节 导热drdtrQ24212124rrttdrrQdt 单层球壁，球壳内、外半径分别为单层球壁，球壳内、外半径分别为r r1 1 及及r r2 2 ，内外壁，内外壁温度分别为温度分别为t t1 1 与与t t2 2（t t1 1tt2 2），由傅立叶定律可得：），由傅立叶定律可得：分离变量并积分：分离变量并积分：五、空心球壁的稳定导热五、空心球壁的稳定导热第二节 导热211221214114rrrrQrrQttmAttQ21整理可得：整理可得：21rrrm 令令2112214rrrrttQ=r=r2 2-r-r1 1A Am m=4r=4rm m2 2
