化工原理传热传热_2015_1

1、 传热过程热量从高温度区向低温度区移动的过程称为热量传递，简称为传热。有温度差存在的地方，就必然有热量传递。 生物工程与传热 绝大多数生化反应过程都要求在一定的温度下进行，为了使物料达到并保持指定的温度，就要预先对物料进行加热或冷却，并在过程中及时取出放出的热量或补充需要吸收的热量。 生物工程与传热一些单元操作过程，例如蒸发、蒸馏、干燥等， 需要按一定的速率向设备输入或输出热量。在高温或低温下操作的设备，要求保温，以减少它们和外界传热。对于废热也需合理的利用与回收。生产中传热过程的两种情况强化传热：各种换热设备中的传热。削弱传热：如对设备和管道的保温，以减少热损失。 热源和冷源 1.热源电热：

2、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 。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。 热源和冷源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。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。 传热的三种基本方式 1.热传导 不依靠物体内部各部分质点的宏观混合运动，而是借助物体分子、原子、离子、自由电子等

3、微观粒子的热运动产生的热量传递称为热传导，简称导热。特点：物质间没有宏观位移，只发生在静止物质内的一种传热方式。 传热的三种基本方式 2 对流传热 流体内部各部分质点发生宏观混合而引起的热量传递，称为对流传热，对流传热只能发生在流体中。流体分子同时在进行着不规则的热运动，因而对流传热必然伴随着热传导。强制对流用机械能（泵、风机、搅拌等）使流体发生对流而传热。由于流体各部分温度的不均匀分布，形成自然对流密度的差异，在浮升力的作用生对流而传热体发 传热的三种基本方式 3辐射辐射是一种通过电磁波传递能量的过程。物体由于热的原因而发出辐射能的过程，称为热辐射。辐射传热，不仅是能量的传递，还伴随着能量形

4、式的转化。辐射传热不需要任何介质作媒介，可以在真空中传播。直接接触式传热直接接触式传热的特点是冷、热两流体在传热器中以直接混合的方式进行热量交换，也称混合式换热。蓄热式换热蓄热式换热器是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、热流体交替的通过同一室时，就可以通过蓄热室的填料将热流体的热量传递给冷流体，达到两流体换热的目的。冷热流体热交换的基本方式 蓄热式换热 间壁式换热间壁式换热间壁式换热的特点是冷、热流体被一固体隔开，分别在壁的两侧流动，不相混合，通过固体壁进行热量传递。传热过程可分为三步：热流体将热量传给固体壁面（对流传热） 热量从壁的热侧传到冷侧（热传导）热量从壁的冷侧面

5、传给冷流体（对流传热）壁的面积称为传热面，是间壁式换热器的基本尺寸。套管式换热器套管式换热器是由两种直径大小不同的直管组成的同心管，一种流体在内管中流动，另一种流体在内、外两壁间的环隙中流动，通过内管管壁进行热量交换。内管壁的表面积即为传热面积。典型的间壁式换热器 套管式换热器列管式换热器列管式换热器由壳体、管束、管板和封头等部件组成。一种流体由封头的进口管进入器内，流经封头与管板的空间分配至各管内（称为管程）。通过管 束后，从另一端封头的出口流出换热器。另一种 流体则由壳体的接管流入，在壳体与管束间的空 隙流过（称为壳程），从壳体的另一端接管流出。典型的间壁式换热器 列管式换热器若流体在管束

6、内只通过一次，称为单程列管式换热器。若在换热器封头内设置隔板，将管束的全部管子平均分隔成若干组，流体每次只通过一组管子， 然后折回进入另一组管子，如此往复多次，最后从封头接管流出换热器。这种换热器称为多管程列管式换热器。列管式换热器的换热面积为管束管壁的全部表面积。 单管程单壳程列管式换热器 双管程单壳程列管式换热器 传热速率和热通量（1） 热流量Q单位时间内热流体通过整个换热器的传热面传递给冷流体的热量，单位为W。（2） 热流密度（热通量）q单位时间通过单位传热面积所传递的热量，单位W/m2。q = dQdA 热传导温度场任一瞬间存在一定温度分布的空间，称为温度场。t=f (x,y,z,t)

7、如果各点温度不随时间而变化，称为稳定温度场。t=f (x,y,z)等温面同一瞬间具有相同温度的点组成的面 傅立叶定律温度差和两等温面之间的垂直距离之比的极限称为温度梯度。 傅立叶定律 在导热现象中，单位时间内通过单位面积的热量，正比于垂直于该界面方向上的温度变化率，而热量传递的方向则与温度升高的方向相反。l - 导热系数,W(m o C), t - 法向温度梯度,oC / mnq = -l t ,q - 热流密度,Wm2dn温度梯度= toC m-1) （n 导热系数（热导率）导热系数的值等于温度梯度为1oC/m时，单位时间内通过单位面积所传递的热量。导热系数是物质导热能力的标志，物质的导热系

8、数越大，则表示该物质的导热能力越强。q = -l tdnl = -qtn 固体的导热系数金属：10102 W/moC)建筑材料：10-110 W/moC)绝热材料：10-210-1 W/moC)固体的导热系数随温度而变化。l = l0 (1+ at )大多数金属的导热系数一般随温度的升高而降低； 大多数非金属的导热系数随温度升高而增大。 液体的导热系数在非金属液体中，水的导热系数最大；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；纯液体的导热系数比溶液的导热系数大。 气体的导热系数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

9、，气体的导热系数随压强变化极小。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，在工程计算中常取导热系数的算术平均值 通过平壁的定常态热传导过程设有一高度和宽度均很大的平壁，厚度为d，两侧温度分别为t1及t2， 且 t1t2。若t1及t2不随时间而变，为一维定态热传导。Q = qA = l A (t- t)d12q = l (t- t)d12q = -l dt= 常数dx 通过平壁的定态导热过程（2）若导热系数l随温度而变化，则可用平均温度下的l值。R = d称为热阻AlQ =Dt= Dt = 推动力dR热阻AlQ = l A (t- t)d12 多层平壁的定态热传导过

10、程各层平壁间接触紧密，可以认为相邻两层平壁接触面上的温度相等。热量在平壁间没有积累，即依次通过各层平壁间的热流量相等。Q = t1 - t2= t2 - t3 = t3 - t4d1d2d3l1 Al2 Al3 A 多层平壁热传导Q =Dt= Dt = 总推动力 diR总阻力ni=1 li A=t1 - t4d1+d2+d3l1 Al2 Al3 AQ = t1 - t2= t2 - t3 = t3 - t4d1d2d3l1 Al2 Al3 A 例界面温度的求取某炉壁从里到外分别由下列三种材料组成耐火砖：l1=1.0W/(m C)d1=230mm保温砖： l2=0.15W/(m C)d2=？mm

11、普通砖： l3=0.9W/(m C)d3=230mm已测得内壁温度为700 C，普通砖内壁和外壁温度150C和60 C ，求单位面积的热损失和保温砖的厚度。 例3-1的求解过程q =t1 - t3= t3 - t4d1 + d2d3l1l2l3q = t1 - t2= t2 - t3 = t3 - t4d1d2d3l1l2l3Q = t1 - t2= t2 - t3 = t3 - t4d1d2d3l1 Al2 Al3 A 例31解答d= 0.2m2q =t1 - t4= 351W / m2d1 + d2 + d3l1l2l3q = 700 -150= 150 - 600.23 +d20.231

12、.00.150.9q =t1 - t3= t3 - t4d1 + d2d3l1l2l3 圆筒壁的定常态热传导 2 dt= - Q 2 drtrt12p llr1rdt= -Qdr2p llrQ= -l dt2p rldrq = -l dtdr 圆筒壁的定常态热传导（2）令:d = r2 - r1, A = Am = 2p rml, Dt = t1 - t2Q = l Am Dt= 2p rmllDtdr2 - r1Q =Dtdl AmQ = 2pll(t1 - t2 )ln r2r1 通过圆筒壁的定态导热过程(2)R = d=r2 - r1l 2p rmlr2 - r1=r2 - r1l Am

13、l 2plln(r2 / r1 )R = ln(r2r1 )2pllr= r2 - r1 ,称为对数平均mrln2r12pllDt = 2pllDtrm ln r2r2 - r1r1Q = 2pll(t1 - t2 )ln r2r1= 2p rmllDtr2 - r1 多层圆壁的定态热传导过程= t2 - t3= t3 - t4- t2t1 - t4Q = t1=R1 + R2+ R3R1R2R3对于n层圆筒壁：Q =t1 - tn+1n ln(ri+1ri )i=12p lli=t1 - t4ln(r2r1 ) + ln(r3r2 ) + ln(r4r3 )2p ll12p ll22p ll

14、3 课堂测试(1)用定态平壁导热以测定材料的导热系数。将待测材料制成厚d、直径120mm的圆形平板，置于冷、热两表面之间。热测表面用电热器维持表面温度t1=200oC，冷测表面用水夹套冷却，使表面维持在t2=80oC。电加热器的功率为40W。由于安装不当，待测材料的两边各有一层0.1mm的静止气层l气=0.03W/(mk)。使测得的材料导热系数l与真实值l不同，不计热损失，求测量的相对误差。即（ l- l）/ l 课堂测试（2）通过中空球壁导热的热流量Q可以写成如下的形式：试用球壁的内、外表面积A1、A2来表示Am。Q =Dtd为球壁厚度dlAm 课堂测试(1)解答l - l = -2d g / lg= -2 0.110-3 / 0.03 = -ld / l0.033919.7% d= t1 - t2=200 - 80= 0.0339m2 K /Wlq40 /(0.785 0.122 )l - l = l -1 = d / l-1 = d / l - d / l = -2d g / lglld / ld / l