1、第五章第五章 传热过程基础传热过程基础the basis of heat transfer processthe basis of heat transfer process5.1 传热过程导论传热过程导论5.3 热热 传传 导导5.4 对流传热对流传热5.5 辐射传热辐射传热2022-12-31第五章 传热过程基础5.1 传热过程导论传热过程导论物体或者系统内部由于温度不同而使热量发生转物体或者系统内部由于温度不同而使热量发生转移的过程，称为热量的传递，简称传热移的过程，称为热量的传递，简称传热。根据热力根据热力学第二定律，只要有温度差就将有热量自发地从高学第二定律，只要有温度差就将有热量自
2、发地从高温处传到低温处温处传到低温处The heat flow is always in the direction of the temperature decrease，因此传热，因此传热是自然界和工程技术领域中普遍存在的一种物理现是自然界和工程技术领域中普遍存在的一种物理现象。象。2022-12-32第五章 传热过程基础5.1.1 传热在化工生产中的应用传热在化工生产中的应用传热是重要的化工单元操作之一，其应用主要包传热是重要的化工单元操作之一，其应用主要包括以下几方面：括以下几方面：1.加热或冷却流体加热或冷却流体，符合化学反应或单元操作的符合化学反应或单元操作的需要需要2.对设备或管
3、道进行保温、隔热对设备或管道进行保温、隔热，以减少热量，以减少热量(或或冷量冷量)损失。损失。3.合理使用热源合理使用热源，进行热量的综合回收利用。，进行热量的综合回收利用。2022-12-33第五章 传热过程基础5.1.2 传热的基本方式传热的基本方式根据传热的机理不同，传热分为三种基本方式：根据传热的机理不同，传热分为三种基本方式：5.1.2.1.热传导热传导(导热导热)Conduction 定义：定义：热量从物质中温度较高的部分传递到温度热量从物质中温度较高的部分传递到温度较低的部分，或者从高温物质传递到与之相邻的低较低的部分，或者从高温物质传递到与之相邻的低温物质的热量传递现象。温物质
4、的热量传递现象。特点：特点：由于物质微观粒子的热运动而引起的热量传递，由于物质微观粒子的热运动而引起的热量传递，在传热方向上无物质的宏观位移。在传热方向上无物质的宏观位移。存在于固体、静止流体及滞流流体中。存在于固体、静止流体及滞流流体中。发生热传导的条件是有温度差存在，其结果是热发生热传导的条件是有温度差存在，其结果是热量从高温部分传向低温部分。量从高温部分传向低温部分。2022-12-34第五章 传热过程基础从微观角度看，气体、液体、导电固体和非导电从微观角度看，气体、液体、导电固体和非导电固体的机理各不相同。固体的机理各不相同。气体：是气体：是气体分子做不规则热运动时相互碰撞的气体分子做
5、不规则热运动时相互碰撞的结果。结果。气体分子的动能与其温度有关，高温区的分气体分子的动能与其温度有关，高温区的分子运动速度比低温区的大。热量水平较高的分子与子运动速度比低温区的大。热量水平较高的分子与热量水平较低的分子相互碰撞的结果，热量就由高热量水平较低的分子相互碰撞的结果，热量就由高温区传递到低温区。温区传递到低温区。导电固体：有导电固体：有许多的自由分子在晶格之间运动，许多的自由分子在晶格之间运动，正如这些自由电子能传导电能一样，它们也能将热正如这些自由电子能传导电能一样，它们也能将热量从高温处传递到低温区。量从高温处传递到低温区。2022-12-35第五章 传热过程基础非导电固体：导热
6、是通过非导电固体：导热是通过晶格结构的振动晶格结构的振动(即原即原子、分子在其平衡位置附近的振动子、分子在其平衡位置附近的振动)来实现的。物来实现的。物体中温度较高部分的分子，因振动而与相邻的分子体中温度较高部分的分子，因振动而与相邻的分子相碰撞，并将热能的一部分传递给后者。相碰撞，并将热能的一部分传递给后者。一般，通过晶格振动传递的热量比依靠自由电子一般，通过晶格振动传递的热量比依靠自由电子迁移传递的热量少，这就是良好的导电体也是良好迁移传递的热量少，这就是良好的导电体也是良好导热体的原因。导热体的原因。2022-12-36第五章 传热过程基础液体：液体：v一种观点认为它定性地和气体类似，即
7、依靠一种观点认为它定性地和气体类似，即依靠分子不规则热运动传递热量，分子不规则热运动传递热量，只是液体分子间只是液体分子间的距离比较近，分子间的作用力对碰撞过程的的距离比较近，分子间的作用力对碰撞过程的影响比气体大得多，因而更复杂。影响比气体大得多，因而更复杂。v另一种观点认为其导热机理类似于非导电固另一种观点认为其导热机理类似于非导电固体，即主要依靠原子、分子在其平衡位置附近体，即主要依靠原子、分子在其平衡位置附近的振动，只是振动的平衡位置间歇地发生移动。的振动，只是振动的平衡位置间歇地发生移动。总的来说，关于导热过程的微观机理，目前仍不总的来说，关于导热过程的微观机理，目前仍不很清楚。本章
8、只讨论导热现象的宏观规律。很清楚。本章只讨论导热现象的宏观规律。2022-12-37第五章 传热过程基础5.1.2.2.热对流热对流(对流对流)Convection定义：定义：由于流体质点发生相对位移而引起的热量由于流体质点发生相对位移而引起的热量传递过程传递过程特点：特点：热对流只发生在流体中。热对流只发生在流体中。流体各部分间产生相对位移流体各部分间产生相对位移 2022-12-38第五章 传热过程基础产生对流的原因产生对流的原因:由于流体内部温度不同形成密度的差异，在浮力由于流体内部温度不同形成密度的差异，在浮力的作用下产生流体质点的相对位移，使轻者上浮，的作用下产生流体质点的相对位移，
9、使轻者上浮，重者下沉，称为自然对流重者下沉，称为自然对流natural convection；由于泵、风机或搅拌等外力作用而引起的质点强由于泵、风机或搅拌等外力作用而引起的质点强制运动，称为强制对流制运动，称为强制对流force convection。流动的原因不同，热对流的规律也不同。在强制流动的原因不同，热对流的规律也不同。在强制对流的同时常常伴随有自然对流。对流的同时常常伴随有自然对流。2022-12-39第五章 传热过程基础化工生产中，常遇到的并非是单纯的热对流化工生产中，常遇到的并非是单纯的热对流方式，而是流体流过固体表面时发生的热对流方式，而是流体流过固体表面时发生的热对流和热传导
10、联合作用的传热过程，即和热传导联合作用的传热过程，即热由流体传热由流体传递到固体表面递到固体表面(或反之或反之)的过程，通常将它称为的过程，通常将它称为对流传热对流传热(也称给热也称给热)。其特点是靠近固体壁面。其特点是靠近固体壁面附近的流体中依靠热传导方式传热，而在流体附近的流体中依靠热传导方式传热，而在流体主体中则主要依靠对流方式传热。主体中则主要依靠对流方式传热。可见，可见，对流传热与流体流动状况密切相关对流传热与流体流动状况密切相关。2022-12-310第五章 传热过程基础5.1.2.3.热辐射热辐射Radiation定义：定义：因热的原因而产生的电磁波在空间的传递。因热的原因而产生
11、的电磁波在空间的传递。自然界中一切物体都在不停地发射辐射能，同时自然界中一切物体都在不停地发射辐射能，同时又不断地吸收来自其它物体的辐射能，并将其转化又不断地吸收来自其它物体的辐射能，并将其转化为热能。为热能。物体之间相互辐射和吸收能量的总结果，物体之间相互辐射和吸收能量的总结果，称为辐射传热称为辐射传热。由于高温物体发射的能量比吸收的。由于高温物体发射的能量比吸收的多，而低温物体则相反，从而使净热量从高温物体多，而低温物体则相反，从而使净热量从高温物体传递向低温物体。传递向低温物体。特点：特点：可在真空中传播可在真空中传播能量传递同时伴随有能量的转换能量传递同时伴随有能量的转换2022-12
12、-311第五章 传热过程基础任何物体只要在绝对零度以上，都能发射辐射能，任何物体只要在绝对零度以上，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。的传热方式。实际进行的传热过程，往往不是上述三种基本方实际进行的传热过程，往往不是上述三种基本方式单独出现，而是两种或三种传热的组合，而又以式单独出现，而是两种或三种传热的组合，而又以其中一种或两种方式为主。其中一种或两种方式为主。2022-12-312第五章 传热过程基础5.1.3 典型的传热设备典型的传热设备实现两流体换热过程的设备称为换热器实现两流体换热过程的设备称为换热器
13、化工生产中遇到的多是两流体间的热交换。热交化工生产中遇到的多是两流体间的热交换。热交换是指热流体经固体壁面换是指热流体经固体壁面(间壁间壁)将热量传给冷流体将热量传给冷流体的过程。的过程。热流方向间间壁壁热流体冷流体对流对流导热冷、热流体被间壁隔开，它们分冷、热流体被间壁隔开，它们分别在壁面两侧流动。此壁面即构别在壁面两侧流动。此壁面即构成间壁式换热器。热由热流体以成间壁式换热器。热由热流体以对流方式传递到壁面一侧，通过对流方式传递到壁面一侧，通过间壁的导热，在由壁面另一侧以间壁的导热，在由壁面另一侧以对流形式传递到冷流体。对流形式传递到冷流体。2022-12-313第五章 传热过程基础现讨论
14、典型的间壁式换热器结构及其操作原理现讨论典型的间壁式换热器结构及其操作原理1.套管式换热器套管式换热器由直径不同的两根圆管组成的同由直径不同的两根圆管组成的同心套管。一种流体在内管中流动，心套管。一种流体在内管中流动，另一种流体在套管的环隙中流动，另一种流体在套管的环隙中流动，两流体是通过内管壁面进行换热。两流体是通过内管壁面进行换热。每一段套管称一程。每一段套管称一程。程与程之间一般是上下排列，固定在程与程之间一般是上下排列，固定在管架上。若所需传热面积较大，则可用数排并列，各排均管架上。若所需传热面积较大，则可用数排并列，各排均与总管连接而并联使用。与总管连接而并联使用。优点：优点：采用标
15、准管子与管件。构造简单，加工方便，排数和采用标准管子与管件。构造简单，加工方便，排数和程数伸缩性大，可距需要增减。适当地选择内、外管的直径，程数伸缩性大，可距需要增减。适当地选择内、外管的直径，可使两种流体都达到较高流速，从而提高传热系数；两流体可使两种流体都达到较高流速，从而提高传热系数；两流体可始终以逆流方向流动，平均温度差最大。可始终以逆流方向流动，平均温度差最大。缺点：缺点：接头多易泄漏，占地面积大，单位面积消耗金属量大。接头多易泄漏，占地面积大，单位面积消耗金属量大。传热面积：传热面积：S=dL套管式换热器.swf2022-12-314第五章 传热过程基础2.列管式换热器列管式换热器
16、 列管1.swf组成：壳体、管束、管板和封组成：壳体、管束、管板和封头等部分。头等部分。流体流经管束的过程，称为流流体流经管束的过程，称为流经管程，将该流体称为管程经管程，将该流体称为管程(管管方方)流体；流体；流体流经壳体环隙的过程，称流体流经壳体环隙的过程，称为流经壳程，将该流体称为壳为流经壳程，将该流体称为壳程程(壳方壳方)流体流体。2022-12-315第五章 传热过程基础若流体只在管程内流过一次的，称为单管程；只在壳程若流体只在管程内流过一次的，称为单管程；只在壳程内流过一次的，称为单壳程内流过一次的，称为单壳程。若列管换热器的传热面积较大，而需要的管数很多时，若列管换热器的传热面积
17、较大，而需要的管数很多时，有时流体在管内的流速便较低，结果使流体的对流传热系有时流体在管内的流速便较低，结果使流体的对流传热系数减小。为了提高管程流速，可在换热器封头内设置隔板，数减小。为了提高管程流速，可在换热器封头内设置隔板，将全部管子平均分成若干组，流体在管束内来回流过多次将全部管子平均分成若干组，流体在管束内来回流过多次后排出，称为多后排出，称为多(管管)程列管式换热器，如图示。程列管式换热器，如图示。程数增多，虽然提高了管内流体的流速，增大了管内的程数增多，虽然提高了管内流体的流速，增大了管内的对流传热系数，但同时也使流动阻力增大，平均温度差降对流传热系数，但同时也使流动阻力增大，平
18、均温度差降低。此外，设置隔板后占去部分布管面积而减少了传热面低。此外，设置隔板后占去部分布管面积而减少了传热面积。因此，程数不宜过多，一般为双程、四程、六程。积。因此，程数不宜过多，一般为双程、四程、六程。传热面积：传热面积：S=ndL固定管板式换热器.swf2022-12-316第五章 传热过程基础5.1.4 传热速率与热通量传热速率与热通量衡量传热的快慢用传热速率及热通量表示。衡量传热的快慢用传热速率及热通量表示。传热速率传热速率Rate of heat transfer Q：单位时间内通过传热面的热单位时间内通过传热面的热量，量，W热通量热通量Heat flux Q/S：每单位面积的传热
19、速率，每单位面积的传热速率，W/m2说明说明传热速率和热通量是评价换热器性能的重要指标。传热速率和热通量是评价换热器性能的重要指标。vq，换热器性能愈好换热器性能愈好由于传热面积具有不同的表示形式，因此同一传热速率所对由于传热面积具有不同的表示形式，因此同一传热速率所对应的热通量的数值各不相同。计算时应标明选择的基准面积。应的热通量的数值各不相同。计算时应标明选择的基准面积。对不同的传热方式，传热速率、热通量的名称略有差异。对不同的传热方式，传热速率、热通量的名称略有差异。传热方式传热速率Q热通量Q/S导热导热导热速率导热速率导热热通量导热热通量对流传热对流传热对流传热速率对流传热速率对流传热
20、热通量对流传热热通量辐射传热辐射传热辐射传热速率辐射传热速率辐射传热热通量辐射传热热通量2022-12-317第五章 传热过程基础5.1.5 稳态传热与非稳态传热稳态传热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稳态传热：温度仅随位置变化而不随时间变化的传热方式的传热方式。显著显著特点是传热速率特点是传热速率Q为常量为常量。连续传热过程属于稳态传热。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非稳态传热：温度既随位置变化又随时间变化的传热方式。的传热方式。显著显著特点是传热速率特点是传热速率Q为变量为变量。间歇传热过程属于非稳态传热。间歇传热过程属于非稳态传热。
21、2022-12-318第五章 传热过程基础5.3 热热 传传 导导 5.3.1 热传导的基本概念热传导的基本概念 5.3.1.1 温度场温度场 一物体或系统内部，只要各点存在温度差，热就一物体或系统内部，只要各点存在温度差，热就可以从高温点向低温点传导，即产生热流。因此物可以从高温点向低温点传导，即产生热流。因此物体或系统内的温度分布情况决定着由热传导方式引体或系统内的温度分布情况决定着由热传导方式引起的传热速率起的传热速率(导热速率导热速率)温度场：在任一瞬间，物体或系统内各点的温度温度场：在任一瞬间，物体或系统内各点的温度分布总和。分布总和。因此：因此：t=f(x,y,z,)2022-12
22、-319第五章 传热过程基础t=f(x,y,z,)说明说明若温度场内各点的温度随时间变化，此温度场为若温度场内各点的温度随时间变化，此温度场为非稳态温度场，对应于非稳态的导热状态。非稳态温度场，对应于非稳态的导热状态。t=f(x,y,z,)若温度场内各点的温度不随时间变化，此温度场若温度场内各点的温度不随时间变化，此温度场为稳态温度场，对应于稳态的导热状态。为稳态温度场，对应于稳态的导热状态。t=f(x,y,z)若物体内的温度仅沿一个坐标方向发生变化，且若物体内的温度仅沿一个坐标方向发生变化，且不随时间变化，此温度场为一维稳态温度场不随时间变化，此温度场为一维稳态温度场t=f(x)2022-1
23、2-320第五章 传热过程基础5.3.1.2 等温面等温面在同一时刻，具有相同温度的各点组成的面称为在同一时刻，具有相同温度的各点组成的面称为等温面。等温面。因为在空间同一点不可能同时有两个不同因为在空间同一点不可能同时有两个不同的温度，所以的温度，所以温度不同的等温面不会相交温度不同的等温面不会相交。2022-12-321第五章 传热过程基础5.3.1.3 温度梯度温度梯度从任一点起沿等温面移动，温度无变化，故无热量从任一点起沿等温面移动，温度无变化，故无热量传递；而沿和等温面相交的任一方向移动，温度发生传递；而沿和等温面相交的任一方向移动，温度发生变化，即有热量传递。温度随距离的变化程度沿
24、法向变化，即有热量传递。温度随距离的变化程度沿法向最大。最大。温度梯度：温度梯度：相邻两等温面间温差相邻两等温面间温差t与其距离与其距离n之比之比的极限的极限：tgradntntn 0limt+ttt-tgrad tQn2022-12-322第五章 传热过程基础说明说明温度梯度为向量，其正方向为温度增加的方向，温度梯度为向量，其正方向为温度增加的方向，与传热方向相反。与传热方向相反。稳定的一维温度场，温度梯度可表示为：稳定的一维温度场，温度梯度可表示为：dxdttgrad 2022-12-323第五章 传热过程基础5.3.2 热传导基本定律热传导基本定律-傅立叶定律傅立叶定律Fourier l
25、aw 物体或系统内导热速率的产生，是由于存在温度梯度的物体或系统内导热速率的产生，是由于存在温度梯度的结果，且热流方向和温度降低的方向一致，即与负的温度结果，且热流方向和温度降低的方向一致，即与负的温度梯度方向一致，后者称为温度降度。梯度方向一致，后者称为温度降度。傅立叶定律是用以确定在物体各点存在温度差时，傅立叶定律是用以确定在物体各点存在温度差时，因热传导而产生的导热速率大小的定律。因热传导而产生的导热速率大小的定律。定义：通过等温面导热速率，与其等温面的面积定义：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：及温度梯度成正比：ntkdSdQntdSdQ 2022-12-324第五
26、章 传热过程基础5.3.3 导热系数导热系数 将傅立叶定律整理，得导热系数定义式：将傅立叶定律整理，得导热系数定义式：物理意义：导热系数在数值上等于单位温度梯度物理意义：导热系数在数值上等于单位温度梯度下的热通量。下的热通量。因此，导热系数表征物体导热能力的因此，导热系数表征物体导热能力的大小，是物质的物性常数之一大小，是物质的物性常数之一。其大小取决于物质其大小取决于物质的组成结构、状态、温度和压强等。的组成结构、状态、温度和压强等。ntdSdqk 2022-12-325第五章 传热过程基础5.3.3 导热系数导热系数 导热系数大小由实验测定，其数值随状态变化很导热系数大小由实验测定，其数值
27、随状态变化很大。大。k vary over a wide range.They are highest formetals and lowest for gases.小小大大气体气体液体液体非金属固体非金属固体金属金属 2022-12-326第五章 传热过程基础5.3.3.1 固体的导热系数固体的导热系数 金属：金属：35420W/(m)，非金属：非金属：0.23.0W/(m)说明说明固体中，金属是最好的导热体。固体中，金属是最好的导热体。k of metals are generally nearly constant or decrease slightly as the temperat
28、ure is increased.The conductivity of alloys is less than that of pure metals.纯金属：纯金属：t，k金属：金属：纯度纯度，k非金属：非金属：，t，k对大多数固体，对大多数固体，k值与温度大致成线性关系：值与温度大致成线性关系：式中：式中：k、k0 固体在温度为固体在温度为 t、0时的导热系数，时的导热系数，W/(m)温度系数。温度系数。v 大多数金属：大多数金属：0 )1(0tkk 2022-12-327第五章 传热过程基础在热传导计算中，用物体的平均导热系数代替各点处的在热传导计算中，用物体的平均导热系数代替各点处的
29、导热系数，以简化计算，引起的误差很小。方法：导热系数，以简化计算，引起的误差很小。方法：5.3.3.2 液体的导热系数液体的导热系数液体导热系数：液体导热系数：0.070.7W/(m)t，k(水、甘油除外水、甘油除外)v金属液体：其金属液体：其k比一般液体高，其中纯比一般液体高，其中纯Na最高最高v非金属液体：纯液体的非金属液体：纯液体的k比其溶液的大比其溶液的大在缺乏实验数据时，溶液的导热系数可按经验公式估算在缺乏实验数据时，溶液的导热系数可按经验公式估算（见书）。（见书）。For most liquid k is lower than that for solids,with typica
30、l values of about 0.17,and k decreases by 3 to 4 percent for a 10 C rise in temperature.ktttkkkkkm 查图表或手册查图表或手册壁面两侧的导热系数壁面两侧的导热系数2,22121212022-12-328第五章 传热过程基础5.3.3.3 气体的导热系数气体的导热系数气体的导热系数：气体的导热系数：0.0060.6 7W/(m)温度的影响：温度的影响：t，k P的影响的影响v一般压强范围内，一般压强范围内，k随压强变化很小，可忽略随压强变化很小，可忽略v过高过高(2105kPa)、过低过低(b,故从壁
31、的边缘处损失的热量可忽略，故从壁的边缘处损失的热量可忽略，S为常量。为常量。SQbt1t22022-12-330第五章 传热过程基础傅立叶定律可简化为：傅立叶定律可简化为：积分限：积分限：x=0b，t=t1t2 积分积分txb0t1t2WmkbRWSkbRRtttbkSQRtttbkSQkSdtQdx2ttb/)()(2121021导热热阻，导热热阻，导热热阻，导热热阻，式中：式中：热通量：热通量：dxdtkSQ 2022-12-331第五章 传热过程基础 )()(2121RtttbkSQRtttbkSQ说明说明推动力为推动力为t，阻力为阻力为R(R)Where R=b/Sk is therm
32、al resistance between points 1 and 2.导热速率与温度差、传热面积、导热系数成正比，而与平导热速率与温度差、传热面积、导热系数成正比，而与平壁厚度成反比。壁厚度成反比。k，R；Q常数时，常数时，tRk常数：常数：t=f(x)为直线；为直线；k=k0(1+t)：t=f(x)为曲线为曲线热阻概念的应用：热阻概念的应用：v计算界面温度或物体内温度分布计算界面温度或物体内温度分布v从温度分布判断各部分热阻的大小从温度分布判断各部分热阻的大小2022-12-332第五章 传热过程基础例例 某平壁厚度为某平壁厚度为0.37m，内表面温度内表面温度t1为为1650，外表面温
33、度，外表面温度t2为为300，平壁材料导热系数，平壁材料导热系数k=0.815+0.00076t(t的单位为的单位为，k的单位为的单位为W/(m)。若将导热系数分别按常量和变量处理时，。若将导热系数分别按常量和变量处理时，试求平壁的温度分布关系式和导热热通量。试求平壁的温度分布关系式和导热热通量。解：解：(1)导热系数按常量处理导热系数按常量处理2/5677)3001650(37.0556.1)()/(556.197500076.0815.000076.0815.09752300165022121mwttbksQmwtktttmm 平均导热系数：平均导热系数：平均温度：平均温度：结论：导热系数
34、按常量处理时，温度分布为直线结论：导热系数按常量处理时，温度分布为直线txtt1t2bx0 xxksqxttttxksQ36491650556.156771650)(11 2022-12-333第五章 传热过程基础(2)导热系数按变量处理导热系数按变量处理222222121/5677)3001650(37.0200076.0)3001650(37.0815.0)(200076.0)(815.0)00076.0815.0()00076.0815.0(21mWsQttbttbsQdttdxsQdxdttdxdtksQb0tt 得：得：积分：积分：xttxtxttxttxsQ762222111049
35、.11041.71072)1650(200076.0)1650(815.05677)(200076.0)(815.0 整理得：整理得：结论：导热系数按变量处理时，温度分布为曲线结论：导热系数按变量处理时，温度分布为曲线txtt1t2bx02022-12-334第五章 传热过程基础5.3.4.2 多层平壁的稳态热传导多层平壁的稳态热传导 以三层平壁为例。以三层平壁为例。前提条件：前提条件：层间接触良好，即相互接层间接触良好，即相互接触的两表面温度相同，且触的两表面温度相同，且t1t2t3t4各层平壁面积均为各层平壁面积均为S，厚度厚度分别为分别为b1，b2，b3Qt1t2t3t4b1b2b3各层
36、导热系数为常数，分别为各层导热系数为常数，分别为k1、k2、k3 传热为稳态一维热传导：传热为稳态一维热传导：Q1=Q2=Q3=Q据此，由傅立叶定律，得：据此，由傅立叶定律，得：2022-12-335第五章 传热过程基础3213213322114133221132141333432223211121)(:)3()2()1()3()2()1(RRRtttSkbSkbSkbttQSkbSkbSkbQtttttSbQtttSbQtttSbQttt 整理，得：整理，得：QSkbttSkbttSkbtt 3343223211212022-12-336第五章 传热过程基础 说明说明多层平壁热传导的总推动力
37、为各层温度差之和，多层平壁热传导的总推动力为各层温度差之和，即总温度差；总热阻为各层热阻之和。即总温度差；总热阻为各层热阻之和。Q计计Q测测：(t1-tn+1)一定，一定，Q，R。说明实际情说明实际情况层间接触不良，存在附加的热阻况层间接触不良，存在附加的热阻t1tn+1，Q0，热量损失热量损失 t1tn+1，Qt2，在在圆筒壁半径圆筒壁半径r处沿半径方向取微处沿半径方向取微元厚度元厚度dr的圆筒壁，其传热面积：的圆筒壁，其传热面积：S=2rL圆筒很长，沿轴向散失热量可圆筒很长，沿轴向散失热量可以忽略，温度仅沿半径方向变化，以忽略，温度仅沿半径方向变化，为一维稳态热传导。为一维稳态热传导。圆筒
38、壁材质均匀，导热系数圆筒壁材质均匀，导热系数k为常数为常数 2022-12-341第五章 传热过程基础12212121ln)(22t,22121rrttLkQLdtkrdrQttrrrdrdtrLkdrdtkSQttrr 整理，得：整理，得：积分：积分：积分限：积分限：傅立叶定律：傅立叶定律：21212m1212121221m21mmlnS mlnr-r2ln)r-r(2r-r)(Sb)(S12积，积，圆筒壁的对数平均面圆筒壁的对数平均面径，径，圆筒壁的对数平均半圆筒壁的对数平均半其中：其中：速率方程类似的形式：速率方程类似的形式：将此式写成与平壁导热将此式写成与平壁导热SSSSrrrLrLS
39、ttkttkQmmrrm 单层圆筒壁导单层圆筒壁导热速率计算式热速率计算式2022-12-342第五章 传热过程基础说明说明当圆筒壁两侧温度不变时，传热速率当圆筒壁两侧温度不变时，传热速率Q为常量，为常量，但由于但由于S与与r有关，故热通量有关，故热通量Q/S不再是常量，而不再是常量，而Q/L保持常量；保持常量；在任一半径在任一半径r处，温度表示为处，温度表示为:表明温度沿表明温度沿r方向为对数曲线分布；方向为对数曲线分布；11ln2rrkLQtt 1221ln)(2rrttLkQ 2022-12-343第五章 传热过程基础 表明导热速率与推动力表明导热速率与推动力t成正比，而与导热热成正比，
40、而与导热热阻阻R成反比。成反比。误差不超过误差不超过4，工程上允许。，工程上允许。RtkSbRm Q，称导热热阻，则，称导热热阻，则若令若令2S 2S212 2r2121122112SSSrrrrmm 时，时，当当时，时，当当2022-12-344第五章 传热过程基础单层圆筒壁导热计算举例单层圆筒壁导热计算举例例例4-2 在外径为在外径为133mm的蒸汽管道外包扎一层石棉保温材的蒸汽管道外包扎一层石棉保温材料，导热系数为料，导热系数为0.2W/(m)，蒸汽管外壁温度为蒸汽管外壁温度为160，要求保温层外侧温度要求保温层外侧温度40，若每米管长热损失控制在，若每米管长热损失控制在240W/m下，
41、求保温层厚度。下，求保温层厚度。解：单层圆筒壁热传导速率方程解：单层圆筒壁热传导速率方程故保温层厚度故保温层厚度b=r2-r10.125-0.06650.058 m meerrrrttLkQLQttk125.00665.0ln)(2240)40160(2.02/)(212122121 2022-12-345第五章 传热过程基础5.3.5.2 多层圆筒壁稳态热传导多层圆筒壁稳态热传导 以三层为例。以三层为例。前提条件：前提条件：各层间接触良好各层间接触良好各层导热系数各层导热系数k1、k2、k3均均为常数为常数一维稳态热传导一维稳态热传导据多层平壁热传导计算公式：据多层平壁热传导计算公式：321
42、321RRRtttQ 2022-12-346第五章 传热过程基础3432321214132132134333334332322222322121121121111211ln1ln1ln1)(2ln21 ln21 ln21ln)(2 12rrkrrkrrkttLRRRtttQrrLkSkbRtttrrLkSkbRtttrrLkrrLkrrSkbRtttmmrrm 式中：式中：niiiniiiinRtrrkttLQ1n1i1111ln1)(2n 程程式式为为：层层圆圆筒筒壁壁，导导热热速速率率方方推推广广到到2022-12-347第五章 传热过程基础说明说明多层圆筒壁热传导的总推动力为各层温度差之
43、和，多层圆筒壁热传导的总推动力为各层温度差之和，总热阻为各层热阻之和。总热阻为各层热阻之和。总的导热速率与总推动力成正比，而和总阻力成总的导热速率与总推动力成正比，而和总阻力成反比。对各层，同样有温差与热阻成正比。反比。对各层，同样有温差与热阻成正比。不论圆筒壁由多少层组成，通过各层导热速率不论圆筒壁由多少层组成，通过各层导热速率Q和和Q/L为常量，但为常量，但Q/S不为常量；不为常量；其中每一层的温度分布为曲线，但各层分布曲线其中每一层的温度分布为曲线，但各层分布曲线不同；不同；2S 2S212 2r2111i11i iimiiiimiiSSSrrrr时，时，当当时，时，当当2022-12-
44、348第五章 传热过程基础5.4 对流传热对流传热 5.4.1 对流传热机理对流传热机理 对流传热，指流体与固体壁面直接接触时的传热对流传热，指流体与固体壁面直接接触时的传热，是流体的对流与导热两者共同作用的结果。其传热是流体的对流与导热两者共同作用的结果。其传热速率与流动状况有密切关系。速率与流动状况有密切关系。考察湍流流体：考察湍流流体：流体流过固体壁面时，由于流体流体流过固体壁面时，由于流体的粘性作用，使的粘性作用，使靠近固体壁面附近靠近固体壁面附近存在一薄滞流底层存在一薄滞流底层。在此薄层内，。在此薄层内，沿壁面的法线方向没有热对流，该沿壁面的法线方向没有热对流，该方向上热的传递仅为热
45、传导。由于方向上热的传递仅为热传导。由于流体的导热系数较低，使滞流底层流体的导热系数较低，使滞流底层中的导热热阻很大，因此该层中温中的导热热阻很大，因此该层中温度差较大，即度差较大，即温度梯度较大温度梯度较大。在在湍流主体湍流主体中，由于流体质中，由于流体质点的剧烈混合并充满漩涡，因点的剧烈混合并充满漩涡，因此湍流主体中温度差及温度梯此湍流主体中温度差及温度梯度极小，热量主要以热对流的度极小，热量主要以热对流的方式传递，方式传递，各处的温度基本相各处的温度基本相同同。在湍流主体与滞流底层的在湍流主体与滞流底层的过过渡层中渡层中，热传导和热对流均起，热传导和热对流均起作用，在该层内作用，在该层内
46、温度发生了缓温度发生了缓慢的变化慢的变化。2022-12-349第五章 传热过程基础在热流体的湍流主体中，在热流体的湍流主体中，由于流体质点充分混合，由于流体质点充分混合，温度基本一致，即图中温度基本一致，即图中T；在过渡层中，温度由在过渡层中，温度由T缓慢下降至缓慢下降至Tw；在滞流底层中，由于热在滞流底层中，由于热阻较大，温度由阻较大，温度由Tw急剧急剧下降至下降至Ts，再往右，通过再往右，通过管壁，因其材料为金属，管壁，因其材料为金属，热阻较小，因此，管壁热阻较小，因此，管壁两侧的温度两侧的温度Ts和和ts相差很相差很小。小。TtTwtwTsts此后，在冷流体中，又此后，在冷流体中，又顺
47、序通过滞流底层、过顺序通过滞流底层、过渡层而到达湍流主体，渡层而到达湍流主体，温度由温度由ts经经tw下降至下降至t。湍流流体中的温度湍流流体中的温度分布分布由以上分析可知，由以上分析可知，对流传热对流传热的热阻主要集中在滞流底层的热阻主要集中在滞流底层中，因此，减薄滞流底层的中，因此，减薄滞流底层的厚度是强化对流传热的重要厚度是强化对流传热的重要途径途径。Tbtb在计算传热量时，一般在计算传热量时，一般用易于测量的平均温度用易于测量的平均温度Tb和和tb代替截面上最高、最代替截面上最高、最低温度低温度T和和 t。2022-12-350第五章 传热过程基础5.4.2对流传热系数对流传热系数据前
48、分析，对流传热是一复杂的过程，包括流体中的热传导、热对据前分析，对流传热是一复杂的过程，包括流体中的热传导、热对流及壁面的热传导过程，因而影响对流传热速率的因素很多。由于过流及壁面的热传导过程，因而影响对流传热速率的因素很多。由于过程复杂，进行纯理论计算是相当困难的，故目前工程上采用半经验方程复杂，进行纯理论计算是相当困难的，故目前工程上采用半经验方法处理，将许多复杂影响因素归纳到比例系数法处理，将许多复杂影响因素归纳到比例系数h内。内。5.4.2.1 对流传热速率方程对流传热速率方程将湍流主体区和滞流底层的温度梯度将湍流主体区和滞流底层的温度梯度曲线延长，其交点与壁面距离为曲线延长，其交点与
49、壁面距离为，此此膜层称为虚拟膜或有效膜。膜层称为虚拟膜或有效膜。湍流主体区 过渡区滞流底层虚拟膜 说明这是一集中了全部传热温差以导说明这是一集中了全部传热温差以导热方式传热的膜层，其温度梯度为热方式传热的膜层，其温度梯度为 tdshdQk-htdsk-dydtdsk-dQtdydt 则则：令令代代入入傅傅立立叶叶定定律律，得得,牛顿冷却定律式中：dQ 局部对流传热速率，W；dS微分传热面积；m2；t 换热器任一截面上流体的传热温度差，；h 局部对流传热系数，W/(m2)。2022-12-351第五章 传热过程基础说明说明1.h取平均值取平均值在换热器中，局部对流传热系数在换热器中，局部对流传热
50、系数h随管长而变化，随管长而变化，但在工程计算中，常使用平均对流传热系数，一般但在工程计算中，常使用平均对流传热系数，一般也用也用h表示，此时牛顿冷却定律可表示为：表示，此时牛顿冷却定律可表示为：Q=hSt式中：式中：Q 对流传热速率，对流传热速率，W；S 总总传热面积；传热面积；m2；t 流体与壁面流体与壁面(或反之或反之)间温度差平均值，间温度差平均值，；h 平均对流传热系数，平均对流传热系数，W/(m2)。2022-12-352第五章 传热过程基础2.牛顿冷却定律的具体表达方式与实际换热情况牛顿冷却定律的具体表达方式与实际换热情况有关有关换热器的传热面积有不同的表示方法，流体的流换热器的
