化工原理传热PPT

某燃烧炉的平壁是由一层耐火砖（其λ1=1.047 W/(m· k)） 与一层普通砖（其λ2=0.814 W/(m· k)）砌成，两层厚度 均为100mm，操作达到稳定后，测得炉壁的内表面温度是 700℃，外表面温度为130℃。为了减少热量损失，在普 通砖外表面上增加一层厚度为40mm的保温材料（含85％ 的氧化镁，λ3=1.047 W/(m· k)）。待操作达到稳定后， 又测得壁的内表面温度为740℃，外表面（即保温层表面） 温度为90℃。试计算加保温层前后，每小时每平方米的 壁面各损失热量多少？
S/b很大，忽略端损失。
t dt Q S S n dx b t2 积分： Qdx Sdt
0 t1

t1
Q
Q
S
b
(t1 t2 )
t2
dx
t1 - t 2 Δt 推动力 Q= = = b λS R 热阻
x
2 多层平壁热传导
假设：各层接触良好，接触面两侧温度相同。
球罐壁的传导传热 可证明 Q = Δt b λS m 对多层球罐壁导热
2 式中 S m = S1S 2 = 4πrm
2 rm r1r2
t Q b S

i
m
i
例：有一过热蒸汽输送管，管外径d0=320mm，壁温
tw0=510℃，外包两层保温层，内层为粉煤灰及熟料泡沫 混凝土，其λ1=0.097 W/(m· k)，δ1=22mm；外层为石棉硅 藻土，其λ2=（0.1622＋0.000169tm）W/(m· k)。若每米长 的管子热损失为1395.6 W/m，最外层壁温为50℃。试求两 层保温层交界处的壁温和外层厚度。
讨论：
Q
t1 t2 t t 1 2 r R ln 2 2l r1
—对数平均半径
热阻
r2 ln b r1 r2 - r1 = R= × λS 2πλl r2 - r1 m
S 2 S1 S2 ln S1
—对数平均面积
令
r2 - r1 rm = r2 ln r1
b = r2 - r1
选择载热体的原则
①载热体的温度易调节控制； ②载热体的饱和蒸气压较低，加热时不易分解； ③载热体的毒性小，不易燃、易爆，不易腐蚀设备； ④价格便宜，来源容易。
工业上常用的加热剂有热水、饱和蒸汽、矿物油、联 苯混合物、熔盐及烟道气等。
4.2 热传导
4.2.1 基本概念和傅立叶定律
1.温度场和等温面 温度场：某时刻，物体或空间各点的温度分布。 非稳态温度场 稳态温度场
4.2.4 圆筒壁的稳态热传导
1 单层圆筒壁的热传导
假定： （1）圆筒很长 （2）稳定 （3）各向同性，密度均匀，同平壁
在半径r处取dr同心薄层圆筒
dt dt Q S 2 rl dr dr
积分

r2
r1
Qdr 2 rldt
t1
t2
2 l ( t1 t 2 ) Q r2 ln r1
在数值上等于单位温度梯度下的热通量
表征材料导热性能的物性参数
= f(结构, 组成, 密度, 温度, 压力） 金属固体 > 非金属固体 > 液体 > 气体
1.固体导热系数 金属材料 10～102 W/(m•K) 建筑材料 10-1～10 W/(m•K)
绝热材料 10-2～10-1 W/(m•K)
稳态传热
Q , q, t f x , y , z
t 0
4.1.6 载热体
在化工生产中，物料在换热器内被加热或冷却时， 通常需要用另一种流体供给或取走热量，此种流体称为 载热体，其中起加热作用的载热体称为加热剂(或加热介 质);起冷却(或冷凝)作用的载热体称为冷却剂(或冷却介 质)。
Qn Q1 Q2 Q q1 = = q2 = = qn = =q= S S S S
（2）在多层圆筒壁中： Q1 Q2 Qn Q 故
r1q1 r2 q2 rn qn
Q Q ,q = 由于 q1 = S1 2 S 2
Q qn = Sn
yi — 气体组分摩尔（体积）分率 Mi — i 组分气体分子量
各种情况及各种物质的导热系数均可查阅手册而得
t ， 一般情况下，随p的变化可忽略； 气体不利于导热，有利于保温或隔热。
4.2.3 平壁的稳态热传导
1 单层平壁热传导 假设： 材料均匀，为常数； 一维温度场，t沿x变化；
b t
n层圆筒壁：
Q＝
2l ( t1 t n1 ) t t t t n1 n1 ＝ 1 n n1 n bi 1 ri 1 ln r A Ri i 1 i 1 i 1 i i i mi
注： （1）在多层平壁传热中：
Q1 Q2 Qn Q
石化产业：传热设备重量占总设备规模的30-40%； 传热设备投 资占总设备投资的10-20%
4.1.1 传热的基本方式
1.热力学第二定律： 当无外加功时，系统中热量总是自发地从温度较高的物 体（部分）传递到温度较低的物体（部分）
可见：热传递产生的原因是由于物体内部或物体之间温度差的存在 注：有外加功时，可以相反，如制冷机工作原理， 本章主要讨论的自发过程。 2.传热的基本方式
才较突出，一般来说，当物体的温度超过500K时，辐
射热能才予以考虑。
4.1.2 传热中冷、热流体热交换的方式
1、直接接触式换热和混合式换热器
2、蓄热式换热器和蓄热器
3、间壁式换热和间壁式换热器
1 (1)热流体 管壁内侧
Q ( 对流)
2 ( 2)管壁内侧 管壁外侧
在一定温度范围内：
0 (1 at )
对大多数金属材料a < 0 ，t 对大多数非金属材料a > 0 ， t
2.液体热导率 0.09～0.6 W/(m· K) 金属液体较高，非金属液体低；
非金属液体水的最大；
水和甘油：t ， 其它液体：t ， 混合流体导热系数可按下式计算：
（2）对流：流体中质点（微团）产生相对位移引起的热传递。 特点
① 对流传热只发生在流体中 ② 对流传热的强弱与流体流动状况密切相关 ① 自然对流：流体中各点温度不同引起流体密度差异， 使轻者上浮， 重者下沉。 对流传热的形式 ② 强制对流：流体因机械搅拌等外加功加入引起的对流 注意点
① 自然对流与强制对流常在流体中同时发生
n 1 n i i i =1 i i =1 i
n +1
接触热阻
由于表面粗糙不平，不同材料构成的界面之间可能出 现明显的温度降低而产生接触热阻。 因两个接触面间有空穴，而空穴内又充满空气，因此， 传热过程包括通过实际接触面的热传导和通过空穴的热 传导(高温时还有辐射传热)。一般来说，因气体的导热 系数很小，接触热阻主要由空穴造成。 接触热阻与接触面材料、表面粗糙度及接触面上压强 等因素有关，主要依靠实验测定。
② 化工生产中，强制对流的应用比自然对流更普遍和重要
关于对流传热的计算：—— 牛顿冷却定律： Q = α · A（T高-t低） α —— 对流传热膜系数（w/oC•m2 ）
(3) 辐射：热能转变为电磁波在空间的传递 ① 热辐射不需任何介质 特点 ② 热辐射是热能与电磁能的互相转化和转移 ③ 理论上，只要物体温度T>0K，均可产生辐射 实际上，只有当物体之间温差较大时，辐射传热现象
各层的温差
b1 b2 b3 R1 : R2 : R3 t1 t2 : t2 t3 : t3 t4 : : 1S 2 S 3 S
结论： 多层平壁热传导，总推动力为各层推动力之和，总热阻为各层热阻 之和； 各层温差与热阻成正比。 推广至n层：
Δ ∑ t t -t Q＝ = b b ∑λ S ∑λ S
（1）传导（导热）：物体内部分子通过碰撞或振动将热量以分子动能形 式传递给相邻分子，但分子本身不产生宏观位移的一种 传热方式。 ① 固体的传热 现象 ② 穿过流体层流内层的传热（热边界层）
① 气体，流体：分子布朗运动时碰撞传热 机理 ② 导电固体：自由电子在晶格中运动传热 ③ 非导电固体（流体）：晶格中原子，分子在其平衡位置的 振动传热
多层平壁传热： λ1=1.047 W/(m· k)，b1=100mm； λ2=0.814 W/(m· k)，b2=100mm； λ3=0.07 W/(m· k)， b3=40mm 加保温层前： t1=700℃，t3=130℃ 所以 t1 - t3 700 - 130 q= = = 2610W / m 2 b1 b2 0.1 0.1 + + λ1 λ2 1.047 0.814 加保温层后： t1=740℃，t4=90℃ 所以 t1 t 4 740 - 90 q= = = 823W / m 2 0.1 0.1 0.04 b1 b2 b3 + + + + λ1 λ2 λ3 1.047 0.814 0.07
S m 2 rml
t1 - t 2 Q= b λS m
一般
r2 2 r1
时，
r1 + r2 rm = 2
当 r → ∞ 时，计算公式类似于平壁公式。
2 多层圆筒壁的热传导
三层：
2l ( t1 t 2 ) 2l ( t 2 t 3 ) 2l ( t 3 t 4 ) Q＝ 1 r2 r3 1 r 1 ln ln 4 ln 1 r1 3 r3 2 r2 2l ( t1 t 4 ) 3 1 ri 1 ln r i 1 i i
t f x, y, z,
t f x, y, z
等温面：在同一时刻，温度场中所有温度相同的点组成的面。 不同温度的等温面不相交。 2.温度梯度
n x
t t gradt lim n 0 n n
方向：法线方向，以温度增加的方向为正。
t+t t
n
x
t n
t
bwk.baidu.com b2 b3
1 2
t1 - t 2 t 2 - t3 t3 - t 4 Q= = = b1 b2 b3 λ1S λ2 S λ3 S
Δt1 + Δt 2 + Δt3 t1 - t 4 总推动力 = = = b3 b1 b2 R ∑ i 总热阻 + + λ1S λ2 S λ3 S
3
t1 t2 t2t3 t4 x
Q ( 热传导)
3 ( 3)管壁外侧 冷流体
Q ( 对流)
Q1 Q2 Q3 Q
4.1.3 典型间壁式换热器
（一）间壁式换热器 热流体T1
t2
冷流体t1
T2
夹套式换热器
图4-5 单程管壳式换热器 1-外壳 2-管束 3、4-接管 5-封头 6-管板 7-挡板 8-泄水池
图4-6 双程管壳式换热器 1—壳体 2—管束 3—挡板 4—隔板
(0.9 ~ 1.0) iXw
式中： Xwi — i 组分质量分率
i
0.9 — 有机液体的水溶液混合物
1.0 — 纯有机流体混合物
3.气体热导率
温度越高，压强越大，气体导热系数越大 分子动能增大 密度增大，分子碰撞频率增加
混合气体导热系数计算：
iM i1/ 3 yi M i1/ 3 yi
4.1.4 传热速率与热通量
传热速率Q（热流量）：单位时间内通过换热器的整 个传热面传递的热量，单位 J/s或W。 热流密度q （热通量） ：单位时间内通过单位传热面
积传递的热量，单位 J/(s. m2)或W/m2。
Q q= S
4.1.5 稳态与非稳态传热
非稳态传热 Q, q, t f x, y, z,
第四章
传 热
4.1 概述
传热在化工生产中的应用 1.传热的三类应用实例 （1）强化传热过程：流体的升温或冷却，产品的分离(蒸 发， 蒸馏和干燥等)。 （2）削弱传热过程：管道，设备的保温或保冷。
（3）热能回收利用：废热回收
2. 伴随传热的流体作用过程： (1)化学过程：吸放热反应；(2)物理过程：耗能，干燥，蒸发等 3. 传热在化工生产中的重要性：
Q
3 傅立叶定律
t dQ dS n
式中 dQ ── 热传导速率，W或J/s； dS ── 导热面积，m2；
t/n ── 温度梯度，℃/m或K/m；
── 导热系数，W/(m· ℃)或W/(m· K)。
负号表示传热方向与温度梯度方向相反
4.2.2 导热系数
dQ / dS q t / n t / n