化工原理第五章传热ppt课件

一、傅立叶定律 1. 温度场和等温面 • 温度场：物体或空间各点温度的分布；
非稳态温度场： tf(x ,y ,z, )
稳态温度场： tf(x ,y ,z)
•等温面：温度相同的点组成的面，等温面彼此不相交。
2. 温度梯度
lim t t •温度梯度的方向垂直于等温 n0 n n 面，以温度增加方向为正。
420
19.3W 1m1
0.000 41.3993 0.265
(b)界面温度
t1 t2 R 1 0 .0004 2 3 .0 9 1 4 0 t1 t4 R0 .00 0 1 .9 4 3 0 .3 29 65
tt1 1 tt4 25 50 0 8 t20 0 0 2 .0 1 4 0 t2 4.9 9 C 9
r1q1r2q2r3q3 22
例4：f50×5的不锈钢管，导热系数l1为16W/m.K，外包厚 30mm的石棉，导热系数l2为0.2W/m.K。如管内壁温为350℃， 保温层外壁温度为100℃，计算每米管长的热损失。
解：不锈钢管内半径：r1=40/2=20mm，外半径：r2=50/2=25mm， A m 1 2 r m 1 1 2 ( 0 . 0 2 0 . 0 ) / 5 2 2 0 . 1 m 2 41
l
Q2lllnt1r2tr21lnt1r2tr21t1 Rt2
t1 t2
dr
2ll
l l l Q 2 l( ( r 2 r 2 r 1 r 1 ) ) ln ( t r 1 2 r t1 2 )A m t1 b t2 b t/ 1 t A 2 m t1 R t2
br2r1 壁厚度
石棉层内半径：r2=25mm，外半径：r3=25＋30＝55mm，r3/r2>2：
rm 2ln 0 0 .0 .(05 5 /5 0 0 5..0 22 5) 50.03m 8A m 22rm 2 10 .23 m 2 9
每米管长热损失：
Q
t
350100
L
b1 b2
0.005 0.03
l l 1Am1
.
17
2. 多层平壁的稳定热传导
各层温度降： t1t1t2 t2t2t3 t3t3t4
稳定导热时，通过各层热量相等：
Q
l1A
t1 t 2 b1
t1 b1
t1 R1
l1A
l2A
t2 t3 b2
t2 b2
t2 R2
l2A
l3A
t3 t4 b3
t3 b3
t3 R3
l3A
.
dx
.
24
解:
(a)每米管长的热损失
r1=0.053/2=0.0265m r2=0.0265+0.0035=0.03m r3=0.03+0.04=0.07 m r4 =0.07+0.02=0.09 m
b1=0.0035m b2=0.04m b3=0.02 m
t1=500°C t2=? t3=? t4=80°C
t1
t4
b1 b2 b3
o t2 t3
A Q
x
18
Q t1 t2 t3 b1 b2 b3 l1A l2 A l3 A
t1 t2 t3 R1 R2 R3
t1 t 4
3
Ri
i1
Q
t1
tn1
n
Ri
i 1
• 推动力→总温度差 • 总热阻→各层热阻之和
例3:有一炉壁，由下列三种材料组成：
应
粗醋酸 馏
乙烯液
器
乙烯液体 塔
体产品
200℃
150℃
热油
.
9
2. 传热的三种基本方式
一、热传导（conduction)
• 依靠物体中微观粒子的热运动而传热；
• 特点：物体内部无宏观运动，靠物体各部分的直接接触产生 热量传递；
• 介质：物质三态均可。
二、对流（convection) ： • 流体质点（微团）发生宏观相对位移而引起的传热现象； • 特点：只能发生在流体中 ； • 对流给热：通常把传热表面与接触流 体的传热称为对流给
rr3 40 0..0 07 9 1.2 82;rm3r3 2r40.0 9 20.07 0.0m 8;Am32rm310.50m 22 4
.
25
Q
t1t4
50080
l l l L b1 b2 b3
1Am1 2Am2 3Am3
0.0035 0.04 0.02 4 50.1770.07 0.2960.1 50.5024
对n层圆筒壁:
l l Q
t1tn1 n bi
n
t1tn1 ln(ri1/ri)
A i1 i mi
i1 2 l i
•多层圆筒壁与多层平壁不同之处，各层传热面积不相同，计算 时应用各自的平均传热面积； •由于各层传热面积不同，虽然单位时间总传热量相同，但单位 面积传热量（热通量）则不同；
Q 2r 1 lq 1 2r 2 . lq 2 2r 3 lq 3
l
lnr3
ln0.639
r2
0.213
设保温层内半径 r 处的温度为 t，代入上式：
Q 2l(t2 t) 489
l
ln r
r2
将已知数据代入，整理得温度t与半径的关系式为：
t = -126.6 ln r –18.64
2Am2
160.141 0.20.239
250
397W/m
0.00220.6274
例5：求例4中温度分布
.
23
例6：在一φ60×3.5mm的钢管外层包有两层绝热 材料，里层为40mm的氧化镁粉，平均导热系数 λ=0.07W/m·℃，外层为20mm的石棉层，其平均导 热系数λ=0.15W/m·℃。现用热电偶测得管内壁温 度为500℃，最外层表面温度为80℃，管壁的导热 系数λ=45W/m·℃。试求每米管长的热损失及两层 保温层界面的温度。
t2t3R 2
1 .93 0 .879
t1t4 R 0 .000 1 .4 9 3 0 .2 965
tt1 2 tt4 34 5.9 9 0 8 t9 3 0 00 .87 . t3 9 1.3 7 C 0 2
26
例7 外径为 426mm的蒸汽管道，其外包扎一层厚度为 426mm的 保温层，保温材料的导热系数为 0.615 W/(m·℃)。若蒸汽管道外 表面温度为 177 ℃，保温层的外表面温度为 38℃，试求每米管长 的热损失以及保温层中的温度分布。
3. 傅立叶定律--热传导的基本定律 •单位实际时间内传导的热量与温度梯度和导热面积成正比。
dQ ldA t
n
Q－单位时间内传导的热量, W； A－导热面积，m2
传热方向与温度梯度方.向相反 l－导热系数，W/m.K，W/m1.40C
二、 导热系数
1. 固体的导热系数
• 多数均一固体的λ在一定范围内与温度成直线关系：
△t:两壁面温差,K;
l:导热系数，W/m.K；
例1：厚度为230mm的砖壁，内壁温度为600°C，外壁温度为150°C。 砖壁的导热系数可取为1.0W·m-1·K-1,试求通过每平米砖壁的导热量。
例2：平壁厚500mm，若t1=900°C，t2=250°C，导热系数λ=1.0× （1+0.001t) W·m-1·K-1,试求平壁内温度分布。 （1）导热系数按平壁的平均温度tm取为常数； （2）考虑导热系数随温度的变化。
耐火砖： λ1=1.4 W·m-1·K-1，b1=230mm 保温砖： λ2=0.15 W·m-1·K-1，b2=115mm 建筑砖： λ3=0.8 W·m-1·K-1，b3=230mm 今测得其内壁温度为900°C，外壁温度为80°C，
求：（1）单位面积的热损失
（2）各层接触面上的温度。
.
四、圆筒壁的稳定热传导 (Steady-state conduction through a cylinder)
• 冬天，在相同的室外温度条件下，为什么有风比无风 时感到更冷些？
• 夏季在维持20℃室内工作，穿单衣感到舒适，而冬季 保持在22℃的室内工作时，为什么必须穿绒衣才觉得 舒服？
• 在寒冷的北方地区，建房用砖采用实心砖还是多孔的 空心砖好？为什么？
• 电影《泰坦尼克号》里，男主人公杰克在海水里被冻 死而女主人公罗丝却因躺在筏上而幸存下来。试从传 热学的观点解释这一现象。
热或给热（即对流传热常伴随热传导）； • 自然对流与强制对流。
三、辐射（Radiation)
• 高温物体以电磁波的形式进行的一种传热现象。热辐射不
要任何介质作媒介。
• 在高温情况下，辐.射传热成为主要传热方式。
10
热传导 对流 辐射
.
11
• 冬天，经过在白天太阳底下晒过的棉被，晚上盖起来 为什么感到很暖和？并且经过拍打以后，为什么效果 更加明显？
r r1 20.0 0 .0236 1.15 32;rm 1r1 2r20.02 26 0.05 30.02m 8;A 2 m 1 52rm 110.17 m 2 r r2 30 0..0 0 7 32.3 32;rm 2lrn 3r3 /(rr22)l0 n .0 0 .0 ( 7 /0 7 0 ..0 0)3 3 0.04m ;7A m 2 22rm 210.29 m 2
.
12
3. 传热速率与热阻
• 热流量Q: 单位时间内通过全部传热面积传递的热量 ， J/s或W；
• 热通量q：单位时间内通过单位传热面积传递的热量， W/m2；
• 传热面上不同局部面积的热通量可以不同； • q=dQ/dA； • 传热速率=传热温差/热阻 • 电流I=电压U/电阻R
.
13
第二节 热传导
假设：（1）材料的导热系数不随温度变化（或取平均温 度）；
（2）温度仅沿半径方向变化（一维），稳定传热；
Q u，t1
.
r2 r1 Q
l
t1
t2
20
通过圆筒壁的稳定热传导
QlAdt2rll dt
dr
dr
分离变量，
积分：
Qr2 dr2ll t2dt
r r1
t1
r2
rr1
Q
Qlnr2 r1
2ll(t1t2)
绝缘材料： 0.025~0.25 W/m.K； 液体： 0.09~0.6 W/m.K；
.
15
气体：0.006~0.4 W/m.K
三、平壁的稳定热传导
稳定温度场中：
QlAt
n
1. 单层平壁的稳定热传导
Q lA dt
dx
边界条件为：x = 0 时，t = t1 x = b 时，t = t2
积分上式：
QlbAt1t2
rm
r2 r1 ln(r2 r1)
对数平. 均半径
Am2lrm
r2/r1<2时，rm=(r1+r2)/2；21
对多层圆筒壁，与多层平壁稳定热传导类似：
Q t1 t2 t3 t1 t4 R 1 R 2 R 3 R 1 R 2 R 3
t1t4
l l l b 1 b 2 b 3 1A m 1 2A m 2 3A m 3
第五章 传 热
.
1
>>换热器 >> 0.引言
.
2
换热器
•按用途： 加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器 •按冷热流体热量交换方式：混合式、蓄热式和间壁式
夹套换热器
.
3
蛇管换热器
.
沉浸式
4
喷淋式
.
5
套管换热器
.
6
列管换热器
.
7
第三章 传热
• 第一节 概述 • 第二节 热传导 • 第三节 两流体间的热量传递 • 第四节 对流与对流传热系数 • 第五节 辐射传热
解：此题为单层圆筒壁的热传导问题。
已知条件：
蒸汽导管外表面的半径 r2＝0.426/2＝0.213m
温度 t2＝177℃
保温层的外表面的半径 r3＝0.213＋0.426＝0.639m
温度 t3＝38℃
由：
Q t2 t3 ln r3 r2
2 ll
.
27
可得每米管道的热损失为：
Q2l(t2t3)20.615(17738)489W /m
ll0(1t)
2. 液体的导热系数
• 水的λ最大；
• 多数液体（除水和甘油）的λ随温度升高略有减小；
• 纯液体的λ比溶液大；
3. 气体的导热系数
• 气体的λ很小，有利于保温；气体的λ随温度升高而增大；
• 一般情况下，气体的λ与压力无关； 导热系数大致范围：
金属：2.3~420 W/m.K； 建筑材料： 0.25~3 W/m.K；
要求及目的： • 了解和掌握传热的基本概念、规律和计算； • 能正确进行工Leabharlann Baidu设计，合理选择和使用换热器。
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8
第一节 概 述
1. 传热在化工 生产中的应用
•任何工艺过程需在指定温度下进行，必须加 热或冷却；
• 利用余热，以降低能耗； •绝热
醋酸乙烯气体 冷凝器
冷油
冷凝器
醋酸气体 加热器
乙炔气体
反
精
精醋酸
• 传热量Q与传热面积A、平壁两侧温度差 和导热系数成正比，与平壁厚度成反比；
t1
导热推动力
Q t1 t2 t
o
b/ lA R .
阻力
dx A Q
t2
x
16
qQ Atb 1 /lt2 Rt推 阻动 力力
Q:热传导速率，W；
A:平壁（等温面）面积，m2;
q:热传导通量，W/m2； b:平壁厚度，m;