化工原理 传热 整理ppt课件

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不稳定温度场 tfx,y,z,
稳定温度场
tfx,y,z
t 0
等温面：在同一时刻，温度场中所有温度相同的
点组成的面。
等温面
t1 t2
✓等温面互不相交 ✓等温面上没有热量传递
Q
t1>t2
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(2)温度梯度
grat dlimt t n0n n
t-t
t
t+t
Q
dA n
温度梯度是一个点的概念。
温度梯度是一个向量。
传热
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第一节 概述
一、传热过程在化工生产中的应用
加热或冷却 换热/能量回用 保温 强化传热过程 削弱传热过程
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能量回收：节能减排、资源回用！ 同时，是化工厂提高经济效益的一个重要措施！
余热资源被认为是继煤、石油、天然气和水力之后的又一常规能源。
例如：钢铁行业烟气余热回收对比
余热没有回收
热交换器进行余热回收
高温载热体 熔盐混合物
水蒸汽
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最广的热源、加热均匀、 温度高时压力过大、不安全
冷却剂：水、空气、冷冻盐水、液氨等
常 空气、水 冷却温度≥5oC
用
冷 却
盐水溶液 NaCl、CaCl2等；冷却温度0～ - 45oC
剂
有机物 乙醇、乙二醇、丙醇等；冷却温度要求更低
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3、传热速率与热流密度 传热速率Q：热流量，单位时间内通过换热器的整个传热面
在计算时应取最高温度t1下的1与最低温度t2下的2的算术 平均值，或由平均温度t=(t1+t2)/2求出值。
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1、固体热导率 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) 在一定温度范围内：
0(1a)t
对大多数金属材料a < 0 ，t 对大多数非金属材料a > 0 ， t
b t
A
假设：
✓ 材料均匀，为常数；
✓ 一维温度场，t沿x变化； ✓ A/b很大，忽略端损失。
t1
Qx
t Qx+dx
2
dx
边界条件： x=0时，t=t1; x=b时，t=t2
x
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由假设可知：为稳态一维热传导，根据傅里叶定律
Q A dt
dx
分离变量后积分
t2 dt Q
b
dx
t1
A 0
得导热速率方程式
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 A
式中，A──总传热面积，m2。 4、稳态传热与非稳态传热
非稳态传热 Q ,q ,t fx ,y ,z ,
稳态传热 Q ,q ,t fx ,y ,z t 0
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5、两流体通过间壁的传热过程
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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 ，
3、气体热导率 0.006～0.4 W/(m·K) 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。
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4、平壁的稳态热传导
(1)单层平壁的稳态热传导
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3、热导率
QAddxtAQdt
dx
(1) 为单位温度梯度下的热通量大小(物理意义)
物质的越大，导热性能越好
(2) 是分子微观运动的宏观表现
= f(结构,组成,密度,温度,压力）
(3) 各种物质的导热系数
金属固体 > 非金属固体 > 液体 > 气体
在热传导过程中，因物质各处温度不同， 也就不同，所以
(1)热流 体Q 1(对 流 )管壁内侧
T1
t2
(2)管壁内侧 Q2( 热 传 导 )管壁外侧
Q 对流 导热 对流
(3)管壁 外 Q 3( 对 侧 )流 冷流体
热
流 体
T2
冷 稳态传热： Q 1Q2Q3Q
t1
流 体
间壁
流体与壁面之间的热量传递以对流方式为主，并伴有 流体分子热运动引起的热传导，通常把这一传热过程 称为对流传热。
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2、对流 流体内部质点发生相对位移的热量传递过程。 ✓自然对流 ✓强制对流
3、热辐射 物体因热的原因发出辐射能的过程称为热辐射。 能量转移、能量形式的转化 不需要任何物质作媒介 Ea∝T4
三种传热方式一般不单独存在.，往往相互伴随，同时出现。
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三、两流体通过间壁换热与传热速率方程式 1、间壁式换热器
式中 K ── 总传热系数，W/(m2·℃)或W/(m2·K)； Q ── 传热速率，W或J/s； A ── 总传热面积，m2；
tm ── 两流体的平均. 温差，℃或K。
第二节 热传导
1、有关热传导的基本概念
(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。
tfx,y,z,
式中 t─某点的温度，℃； x,y,z─某点的坐标； ─时间。
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二、传热的三种基本方式
1、热传导 热量从物体内温度较高的部分传递到温度较低的部分， 或传递到与之接触的另一物体的过程称为热传导，又 称导热。 特点：没有物质的宏观位移
➢ 气体 ➢ 固体
➢ 液体
分子做不规则热运动时相互碰撞的结果 导电体：自由电子在晶格间的运动 非导电体：通过晶格结构的振动来实现的 机理复杂
方向垂直于该点所在等温面，以温度增的方向为正
一维稳定热传导 dt/ dx
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2、傅立叶定律
Q A dt
dx
式中 Q ─ 热传导速率，W或J/s； A ─ 导热面积，垂直于热流方向的截面积，m2；
dt/dx ─ 为沿x方向的温度梯度，℃/m或K/m；
─热导率或导热系数，W/(m·℃)或W/(m·K)。
t1
T1
D0
d
i
百度文库
T2
t2
外传热面积： S dL
o
o
内传热面积： S dL
i
i
平均传热面积：S d L
m
m
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2、热载体及其选择
加热剂：热水、饱和水蒸气 矿物油或联苯等低熔混合物、烟道气等 用电加热
直接热源
加 热 剂
间接热源
烟道气
温度高、经济、温度不易控制、 加热不均匀、带有明火及灰尘
电加热
温度高、加热均匀、易控制、 清洁卫生、成本高
Q b A(t1 t2)
或
Q
t1
t2 b
t R
传热推动力 热阻
A
q
Q A
b
(t1
t2 )
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例:平壁A=20m2，b=0.37m，t1=1650oC，t2=300oC，材料导热系
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6、传热速率方程式
传热过程的推动力是两流体的温度差，因沿传热 管长度不同位置的温度差不同，通常在传热计算 时使用平均温度差，以 t m 表示。经验指出，在稳 态传热过程中，传热速率Q与传热面积A和两流体 的温度差 t m 成正比。即得传热速率方程式为：
QKAtm1/tKmA总总 传热 热阻 推动力