1、化工原理4.1 传热概述及热传导第4章 传热热传递3种方式新课导入热传导热对流热辐射2热量传递可以依靠其中的一种方式或几种方式同时进行，净的热流方向总是从高温处向低温处流动。34.1.1 传热的三种基本方式 热传导 若物体各部分之间借分子、原子和自由电子等微观粒子的热运动传递热量的过程为热传导(又称导热)。特点：静止物体的传热方式，没有物质的宏观位移。条件：系统两部分之间存在温度差。 物质的三态（固液气）均可以充当热传导的介质，但热传导的机理因物质种类不同而异。4气体：热传导则是由于分子不规则热运动而引起的。金属固体：热传导起因于自由电子的扩散运动；T1T2金属棒T1T2不良导体的固体和大部分
2、液体热传导是通过晶格结构的振动，即原子、分子在平衡位置附近的振动来实现的；热传导不能在真空中进行。导热：固体中 热传递的主要方式 液体中 并不显著4.1.1 传热的三种基本方式54.1.1 传热的三种基本方式 热对流分类：根据对流产生的原因分为强制对流、自然对流。流体质点在传热方向上的相对运动来实现热量传递的过程，简称对流。强制对流：若相对运动是由外力作用引起的。自然对流：相对运动是由于流体内部各部分温度的不同而产生密度的差异，使流体质点发生相对运动的。 往往伴有热传导实质：流体的质点携带着热能在不断的流动中，把热能给出或吸入的过程。64.1.1 传热的三种基本方式化工过程中，流体流过固体表面
3、时的传热是包含了热传导和热对流的联合过程，称对流传热； 说明： 同一种流体中可能同时发生自然对流和强制对流；对流传热与流体流动状况密切相关。 热对流仅发生在流体中，即气体和液体；而且必然伴有热传导现象。74.1.1 传热的三种基本方式 热辐射 因热的原因而产生的电磁波在空间的传递，称为热辐射。 不需要任何介质，可以在真空中传播； 热辐射的特点： 高温物体辐射能低温物体任何物体只要在热力学温度零度以上，都能发射辐射能，但是只有在物体温度较高时，热辐射才能成为主要的传热方式。辐射传热是物体间相互辐射和吸收能量的结果。 不仅有能量的传递，而且还有能量形式的转移；84.1.1 传热的三种基本方式热传导
4、热对流热辐射传热原因微观粒子的热运动、碰撞、振动流体质点的位移和混合电磁波传递能量，物体本身有一定温度传热对象固液气流体之间固液气宏观表现无物质的宏观位移有物质的宏观位移物体温度很高时，有能量转移实例金属传导不能在真空中进行空气对流红外辐射能在真空中进行三种传热的比较9 联合传热 实际上，三种传热方式，很少单独存在，而是两种或两种以上的传热联合作用。例如：化工生产中冷、热流体通过间壁式换热器的热交换 冷热流体的对流传热 通过固体壁面的热传导 壁面热冷对流传导对流本章重点：对流传热的基本原理，应向对流传热的因素及有关计算2. 对流传热+辐射例如：温度很高的他、反应釜的外壁1. 热传导+热对流 对
5、流传热4.1.1 传热的三种基本方式104.1.2 传热过程中冷、热流体的接触方式接触方式直接接触式换热蓄热式换热间壁式换热114.1.2 传热过程中冷、热流体的接触方式 直接接触式特点：是依靠热流体和冷流体直接接触和混合过程实现的。优点：传热面积大，传热效率高，设备简单适用范围：无价值的蒸气冷凝，或其冷凝液不要求是纯粹的物料等，允许冷热两流体直接接触混合的场合。典型设备：如凉水塔、喷洒式冷却塔、混合式冷凝器 混合式冷凝器124.1.2 传热过程中冷、热流体的接触方式 蓄热式换热特点：冷热两流体间的热量是通过壁面周期性的加热和冷却来实现的。适用范围：一般气体介质之间，使用不多。传热方式：首先热
6、流体流过蓄热器中固体壁面，用热流体将固体填充物加热，然后停止热流体，使冷流体流过固体表面，用固体填充物所积蓄的热量加热冷流体。高温流体高温流体低温流体低温流体蓄热体蓄热体134.1.2 传热过程中冷、热流体的接触方式 间壁式换热适用范围：不许直接混合的两种流体间的热交换。特点：冷热两种流体被一固体间壁所隔开，在换热过程中，两种流体互不接触，热量由热流体通过间壁传给冷流体。设备：套管式换热器、列管式换热器缺点：造价高，流动阻力大，动力消耗大。优点：传热速度较快，适用范围广，热量的综合利用和回收便利。冷流体热流体间壁对流 传导 对流144.1.2 传热过程中冷、热流体的接触方式传热面A：内管壁的表
7、面积套管换热器(最简单的一种)冷流体t1t2热流体T1T2传热面A: 为壳内所有管束壁的表面积 热流体T1T2冷流体t1t2列管换热器154.1.3 传热过程 传热速率Q（热流量）单位时间内通过传热面的热量， 表征换热器的生产能力，W。根据工艺要求，同种流体需要温升或温降时，吸收或放出的热量。 热负荷Q 热流密度（热通量）单位时间单位面积传递的热量，W/m2，热通量是反映传热强度的指标，又称为热流强度。ddQqSu 传热速率和热通量164.1.3 传热过程传递过程速率与过程的推动力成正比，与过程的阻力成反比。传热过程速率可表示为tQRtqR整个传热面的热阻单位传热面积的热阻传热热阻传热推动力（
8、温度差传热速率)174.1.3 传热过程u 稳态与非稳态传热 稳态(定常)传热:各点温度不随时间而变化的传热，只随位置而变；传热系统中无能量积累，连续生产。 ,zyxftqQ zyxftqQ, 0 t非稳态(非定常)传热：间歇生产过程，开、停车阶段。两种传热状态:本章只讨论稳定传热0 t18 载热体的温度易调节控制； 载热体的饱和蒸气压较低，加热时不易分解； 载热体的毒性小，不易燃、易爆，不易腐蚀设备； 价格便宜，来源容易。选择原则u 热载体及其选择 4.1.3 传热过程194.1.3 传热过程加热剂：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
9、氨等 冷却温度 30 C 水 加热温度 180 C 饱和水蒸气204.2 热传导温度场：某一时刻物体或系统内各点的温度分布总和。u 温度场和温度梯度通常，物体的温度分布是空间坐标和时间的函数：一维温度场: 温度场中温度只沿着一个坐标方向变化. ,zyxft 稳态温度场：zyxft, xft 0 t0 t0ztyt212) 等温面：温度场中同一时刻下相同温度各点所组成的面，等温面不能相交。 因为空间同一点不能同时具有两个不同的温度，所以不同的等温面彼此不能相交。t1t2t1t2等温面Q4.2 热传导温度梯度：将两等温面之间的温度差t，与两面间的垂直距离n之 比值的极限称为温度梯度。ntntntg
10、radtn或0limt+tt-ttnQdA22方向垂直于该点所在等温面，以温度增的方向为正温度梯度是一个点的概念。 温度梯度是一个向量。4.2 热传导稳态一维温度梯度：dxdtgradt 234.2 热传导如何衡量传热速度的快慢呢？传（导）热速率：是指在单位时间内通过传热面的热量，用Q 表示，单位为W。影响导热速率的因素有哪些呢？怎样才能提高导热速率呢？244.2 热传导4.2.1 傅立叶定律（Fouriers Law） 通过等温面的导热速率与温度梯度及传热面积成正比，而热量传递的方向则与温度升高的方向相反。Jean Baptiste Joseph Fourier(1768 1830)ntdA
11、dQntdAdQ ：导热系数，w/(moC)定义25由于导热方向为温度下降的方向，故需在右端加一负号。是物质的物理性质之一，表征物质的导热能力的参数。 越大，导热性能越好。4.2.1 傅立叶定律（Fouriers Law）导热系数ntdAdQntdAdQntq物理意义：单位距离单位传热面积和单位传热温差时的传热速率，即单位温度梯度下的热通量。物质种类 气体 液体 非导固体 金属 绝热材料 W/(moC) 0.0060.60.070.70.23.00.25264.2.1傅立叶定律（Fouriers Law）从导热系数的角度分析一下，泡沫箱和保温杯的保温原理。泡沫箱中存在大量微孔，填充了大量空气，
12、同时其自身为绝缘的聚苯乙烯材质，二者导热系数小，具有保温作用。保温杯内胆与瓶身中间处于真空，无气体分子，不导热。27281.固体的导热系数t ， 固固 ;导热性能与导电性能密切相关，一般而言，良好的导电体必然是良好的导热体，反之亦然。在所有固体中，金属的导热性能最好。非金属固体的导热系数与其组成、结构的紧密程度及温度有关。4.2.1 傅立叶定律（Fouriers Law） t ， 固固 ，固固 ； 大多数金属的导热系数与金属温度和纯度有关，即 金属纯度 ， 固固 29液态金属的导热系数比一般液体的高，其中熔融的纯钠具有较高的导热系数。液体的导热系数基本上与压强无关。2.液体的导热系数 d. 一
13、般来说， 溶液R1R2 ttttttbAbAbARRR122334112233123:顺序：31b2b3,导热系数12t2，则1和2的关系为_。4.2.3 圆通壁热传导单层圆筒壁热传导化工生产中的导热问题大多是圆筒壁中的导热问题。圆筒壁的温度随半径而变。：(1) 稳定温度场 (2) 一维温度场傅立叶定律应改写为：drdtAQA2rl4521212ttrrdtlrdrQ1221ln)(2rrttlQ12122112121221ln)(ln)()(2AAbAAttrrrrrrttlQmAbtt)(21rlA212rrb1212lnAAAAAm 对数平均面积46 假定导热系数为常数，在圆筒壁的内半径
14、r1和外半径r2间进行积分 分离变量得dtlrdrQ24.2.3 圆通壁热传导讨论mAbttQ)(21传热速率可表示为QtR推动力热阻ttt()12mAbR 推动力：热阻：越有利于传热壁厚（传导距离）b 越小传热面积和导热系数 越大热阻越小474.2.3 圆通壁热传导48rr212AAAm122 圆筒壁内的温度分布Ql ttrrttQlrr 221111 lnlnQdrrldtrrtt12122 上限从rrtt22时，改为rrtt时，tr成对数曲线变化(假设 不随t变化) 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。4.2.3 圆通壁热传导12212()ln(/)l t
15、tQrr 12()QA tt圆筒壁平壁494.2.3 圆通壁热传导多层圆筒壁热传导 假设： (1)材料均匀， 1，2，3，皆视为常数； (2)温度仅沿r变化，且不随时间变化； (3)各层接触良好，接触面两侧温度相同。 可视为是各单层圆筒壁串联进行的导热过程。 niinniiiinniiiinRttAbttrrttLQ1111m111111ln1)(2504.2.3 圆通壁热传导推广至n层： 推动力阻力3111ln1)4(2iiiirrttL343323221211ln1)4(2ln1)3(2ln1)2(2rrttLrrttLrrttLQ514.2.3 圆通壁热传导33322211141mmmA
16、bAbAbttQ可写成与多层平壁计算公式相仿的形式Am1、 Am1 、Am1分别为个层圆筒壁的平均面积。 可见，多层壁的总热阻等于串联的各层热阻之和。 传热速率 = 总温差推动力/总热阻524.2.3 圆通壁热传导接触面的粗糙程度，接触面的压紧力，接触面空隙内的流体性质。两固体之间由于未紧密接触而导致的接触热阻一般通过实验测定或凭经验估计影响因素： 接触热阻：53 气温下降，应添加衣服，应把保暖性好的衣服穿在里面好，还是穿在外面好？bb12QQ21 bb214.2.3 圆通壁热传导思考2：54例：某冷库的墙壁由三层材料构成，内层为软木，厚15mm，导热系数0.043W/(m)，中层为石棉板，厚
17、40mm,导热系数0.10W/ (m) ，外层为混凝土，厚200mm,导热系数1.3W/ (m) ，测得内墙表面为-18，外墙表面温度为24，计算每平方米墙面的冷损失量；若将内、中层材料互换而厚度不变，冷损失量将如何变化。2143121231824465/0.0150.0400.200.0430.11.3ttqW mbbbA 解 t1=18, t4=24, 1=0.043W/(m), 2=0.10W/(m), 3=1.3W/ (m) 4.2.3 圆通壁热传导55t1-18,t4=24,1= 0.10W/(m),2= 0.043W/(m),3=1.3W/ (m) 214312123182434/
18、0.0150.0400.200.10.0431.3ttqW mbbbA 互换材料后，由于导热热阻的增大，使得冷量损失减少。在使用多层材料保温时要注意热阻的分配。 保温时，导热系数小的放在里层好4.2.3 圆通壁热传导3. 傅立叶定律的应用（Applications）应用实例提高传热速率减少壁厚提高导热系数提高传热面积563. 傅立叶定律的应用（Applications）工业上所用列管式换热器573. 傅立叶定律的应用（Applications）应用实例降低传热速率包裹或选用导热系数低的材料进行保温584、内容小结（Summary）导热速率傅立叶定律导热系数 传导导热速率mAbttQ)(21ntdAdQntdAdQ1212lnAAAAAm59掌握： 傅立叶定律表达式 导热系数的物理意义 各种导热速率表达式理解： 傅立叶定律的应用12()ttQbA
