热量传递2012-2-1

1、Transport Processes and Unit Operations,主讲：李 鹏,过程装备与控制工程系,传递过程与单元操作,第2章 热量传递 （Heat Transfer）,1 2 3 4 5 6 7,概述 热传导 对流传热 传热过程计算 对流传热系数关联式 辐射传热 换热器,1 INTRODUCTION,一、传热的重要性,传热即热量的传递过程，凡是有温差的 地方就有热量的传递。应用十分广泛。,1. 传热在化工中的应用,化学反应控温：热量的导入与导出； 单元操作：蒸馏、蒸发、干燥等； 保温与隔热：低温与高温过程； 废热回收：,2. 传热问题的分类, 强化传热：在传热设备中对物料进,

2、行加热或冷却，希望传递速率高。 削弱传热：对设备或管道进行保,温，减少热损失。,传热计算：设计与校核；,改进设备：进行强化或弱化。,3. 主要内容,影响因素、基本规律、实际应用。,二、传热的三种基本方式,传热以温差（压）为推动力，凡是有温 差的地方就有热量的传递。没有外功输入 时，高温低温。物体内部和物体之间。,1. 热传导（导热）：Conduction,物体内部或物体之间的直接接触传热。 方式：分子、原子、自由电子的运动、,碰撞。,特点：无物质的宏观转移。需要介质。,2. 对流传热（热对流）：Convection 流体中由于流体质点的移动和混合引起,的传热。,特点：有物质的宏观转移。需要介质

3、。 对流传热中常伴随导热，难以截然分开 合并处理，叫对流传热或给热。如流 体与固体壁面之间的传热。,产生对流的原因：强制对流（外力作,用）与自然对流（温度不均）。,伴随能量转换：热能辐射能热能； 无需介质，可在真空中传递； 只有高温较高时，才加以考虑。,实际中的热量传递过程常常是多种传热,方式的组合复杂传热。,3. 热辐射：Radiation,以电磁波方式进行的热量传递过程。,三、热源与冷源,用于加热或冷却的物料或手段。,用于取走或供给热量的物料叫载热体。,冷却剂（介质）： 加热剂（介质）：, 电热：加热温度范围广，便于控制， 使用方便，比较清洁。但费用较高 。 饱和蒸汽：温度和压强对应，使用

4、方 便，冷凝传热速率快。但温度受限。如温度 300（8.59MPa），180 （1MPa）。,1. 热源： p.331 表8, 烟道气：温度可达700以上，可 将物料加热到较高温度 。但传热速度慢， 温度不易控制。, 高温载热体：如矿物油、熔盐等。,沸点高，化学性质稳定。,一般用水、空气和冷冻盐水等。水最 普遍，传热效果好，但温度受地域和季节 影响。,2. 冷源： p.330 表5、表6,3. 载热体的选择：, ,温度易调节控制； 饱和蒸气压低，不易分解； 毒性、腐蚀性小，不易燃、易爆； 价格便宜，来源充足。,四、两流体间的热交换方式 1. 直接接触式传热 冷、热两流体在传热器中以直接混合 的

5、方式进行热量交换，也称混合式换热。,2. 蓄热式换热,由热容量较大的蓄热室构成。室中充 填耐火砖作为填料，当冷、热流体交替通 过同一室时，就可以通过蓄热室的填料将 热流体的热量传递给冷流体。,3. 间壁式换热,冷、热流体被固体壁隔开，分别在壁的 两侧流动，不相混合，通过固体壁进行热量 传递。,YANTAI UNIVERSITY,化工原理课件,热流体固体壁热侧冷侧冷流体。 壁的面积称为传热面，是间壁式换热器,的基本尺寸。,五、典型的间壁式换热器及其传热过程,1. 套管式换热器,由直径不同的直管组成的同心管。,2. 列管式换热器,由壳体、管束、管板和封头等组成。,列管式换热器的换热面积为管束管壁的

6、,全部表面积：,S = dLn,d 管径。可分别用内径di，外径d0或平,均直径dm来表示。则对应的传热面 积分别为管内侧面积Si，外侧面积 S0或平均面积Sm。,L 管长； n 管数。,六、传热速率与热通量 1. 传热速率（热流量）：Q 单位时间内通过传热面的热量，W。,2. 热通量（热流密度或传热速度）：q 单位传热面积上的传热速率。 W/m2。,;,dQ dS,q =,Q =,传热温差（ 推动力） 热阻（阻力）,t R,=,t R,q =,七、稳定传热与不稳定传热,在传热系统中温度分布不随时间而改 变的传热过程为稳定传热。如连续生产。,在传热系统中温度分布随时间变化的 传热过程为不稳定传

7、热。如间歇生产。,主要讨论稳定传热过程。,传热过程的中心问题：传热速率； 传热过程的关键问题：确定热阻。,t = f ( x, y, z) t = f ( x, ),2 热传导（Conduction) 一、基本概念和傅里叶定律 1. 温度场和等温面： 温度场： 物体或系统内各点的温度分布总和。 t = f ( x, y, z, ) 不稳定温度场,稳定温度场 一维温度场,YANTAI UNIVERSITY,t+t,t-,t,化工原理课件 等温面： 温度场中同一时刻相同温度各点组成的 面。等温面不会相交，等温面上不传热。 2. 温度梯度：, t n,Q,n,温度变化率：,t x,大小与x方向有 关

8、，但在法线方向上,最大。,YANTAI UNIVERSITY,t+t,t-,t,化工原理课件 沿等温面法线方向上的温度变化率称为 温度梯度，用grad t表示 。,=,t n,t grad t = lim n 0 n 向量，指向温度升 高的方向。且与等,温面垂直。 一维稳定温度场： dt grad t = dx, t n,Q,n,YANTAI UNIVERSITY,t+t,t-,t,化工原理课件 3. 傅里叶（Fourier）定律：,t n,dQ = dS, t n,dS,Q,n,t n,或： dq = ,比例系数，称为导热系数，W /(m K ) 负号：热流方向与温度梯度方向相反； dS：垂

9、直于热流方向。,YANTAI UNIVERSITY,化工原理课件 二、导热系数（热导率）：,dq t n,= ,dQ t dS n, = ,数值上等于单位温度降度下的热通量。 标志物质的导热性能，是物性之一； = f (组成，结构，形态，T， p，湿度 ) ； 一般，金属导热系数最大，非金属固体 次之，液体较小，气体最小； 来源：实验测定 ，查有关手册。,大致范围,物质种类 纯金属 金属合金 液态金属 非金属固体 非金属液体 绝热材料 气体,热导率 1001400 50500 30300 0.05 50 0.55 0.051 0.0050.5,YANTAI UNIVERSITY,金属大都随温度

10、升高而降低（高合金 钢例外），随纯度增加而增大； 非金属建筑材料或绝热材料的随温度 升高而增大（冰例外），随密度增加而 增大。,化工原理课件 1. 固体的导热系数 均质固体： = 0 (1 + at ),温度系数,大多数金属：a0，t,YANTAI UNIVERSITY,化工原理课件,2. 液体的导热系数, 液态金属一般液体；液态钠导热,系数最高；大多随温度升高而降低。, 非金属液体中，水的最大；大多随 温度升高而略有减小（水和甘油外）；, 纯液体的比溶液大。,有机化合物水溶液： m = 0.9ai i 有机化合物互溶液： m = ai i,ai 组分质量分率。,几种液体的导热率,YANTAI

11、 UNIVERSITY,混合气体：,化工原理课件,3. 气体的导热系数, 很小，不利于导热，有利于保温； 气体的随温度升高而增大；, 气体的随压强升高而增大，但变化,极小，只有极端情况才予以考虑。,温度不同，不同，在工程计算中常取,算术平均值或平均温度下的 。,几种气体的导热率,三、通过平壁的稳态热传导,1、通过单层平壁的热传导,三、通过平壁的稳态热传导,三、通过平壁的稳态热传导,三、通过平壁的稳态热传导,三、通过平壁的稳态热传导,YANTAI UNIVERSITY,例2-1 平壁厚0.37m，内表面温度1650，外表 面温度300， = 0.815 + 0.00076t（式中t 单位， 单位

12、 W /(m ）。若将导热系数分别按常量和变 量计算时，试求平壁的温度分布式和导热热通量。 解： 按常量计算,1650 + 300 2,平均温度： tm =,= 975 ,m = 0.815 + 0.00076 975 = 1.556W /(m ),1.556 0.37,(1650 300 ),(t1 t2 ) =,q =, b,= 5677 W / m 2,积分：,(t22 t12 ),设壁厚为x处的温度为t，则：,5677 1.556,x = 1650 3649x,= 1650 ,t = t1 ,qx , 按变量计算,dt dx,dt dx,= (0.815 + 0.00076t),q =

13、 ,即： qdx = (0.815 + 0.00076t)dt,0 .00076 2, qb = 0.815(t2 t1 ) + q = 5677 W / m 2, 热通量相同。 但温,(t 2 16502 ),0.00076 2, 5677 x = 0.815(t 1650) +,当b=x时，t2=t，则：,度分布不同：当 随温度性变化时，,温度分布不再是为 直线；,2、通过多层平壁的热传导,三、通过平壁的稳态热传导,三、 通过平壁的稳态热传导,三、通过平壁的稳态热传导,四、通过圆筒壁的稳态热传导,1、通过单层圆筒壁的热传导,四、通过圆筒壁的稳态热传导,四、通过圆筒壁的稳态热传导,四、通过圆筒壁的稳态热传导,四、通过圆筒壁的稳态热传导,绿线-对数平均 黄线-几何平均 红线-算术平均,四、通过圆筒壁的稳态热传导,2、通过多层圆筒壁的热传导,四、通过圆筒壁的稳态热传导,思考1： 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？,b,b,1,2,Q