化工基础第三章传热过程

(3) 常压下气体混合物的导热系数估算式为
m
式中 yi ——组分i的摩尔分率。 M i ——组分i的摩尔质量，kg/kmol。 ④.一般规律 (1)
1 i yi M i / 3 1 yi M i / 3
金 非金 (2) s l g (3) 晶 非晶 (4) (气体除外 ) 纯 混
第三章 传热过程 23
t+△t dt/dn n
t
t-△t
Φ dS
图 温度梯度和傅里叶定律
第三章 传热过程
24
3） 导热系数：表征物质导热能力的物性参数。
①．固体
式中：0为固体在0C的导热系数，W/(mK)，W/(mC)； α为温度系数， 1/ C。 金属的导热系数最大，其中以银和铜的导热系数值最 高；若金属材料的纯度不纯，会使λ大大降低。固体非 金属次之。（绝热材料λ<0.23 W/(mK) ） ②．液体 导热系数较小 (1) 金属液体： t , (2) 非金属液体（除水、甘油外）：t, （略减小） (3) 有机化合物水溶液的导热系数估算式为
第三章 传热过程 19
二、传导传热
1、导热基本定律 傅里叶定律
1） 温度场和温度梯度
温度场(temperature field)：某一瞬间空间中各点的温度
分布，称为温度场(temperature field)。
物体的温度分布是空间坐标和时间的函数，即
t = f (x，y，z，τ) 式中：t —— 温度； x, y, z —— 空间坐标； τ—— 时间。
T2
t1 T2
T1
套管式
T1 T2
t2
列管式
夹套式
第三章 传热过程 13
列管式换热器
管程数：单管程、双管程、多管程 壳程数：单壳程、双壳程、多壳程
管内流体的行程称为管程（管内）。 壳体与管间流体的行程称为壳程（管间）。
t1
t1 T2
T2
T1
T1
t2
t2
单管程、单壳程
第三章 传热过程
双管程列管式
14
间壁式换热
混合式（直接接触式）换热
蓄热式换热
间壁式换热
工业上应用最多的一种传热方式
第三章 传热过程
T 间壁式
t
12
特点：是在冷、热两种流体之间用一金属壁（或石墨等导热 性能好的非金属壁）隔开，以使两种流体在不相混合的情况下进 行热量传递。 套 管 式
间壁式换热器 列 管 式
t1 T1 t2

夹 套 式
第三章 传热过程 4
热对流：
流体各部分之间发生相对位移所引起的热传递过程 称为热对流。 热对流仅发生在流体中。
热对流的两种方式： 强制对流：搅拌器3维动态模拟.gif
因泵（或风机）或搅拌等外力所导致的对流称为强制对流。
自然对流：
由于流体各处的温度不同而引起的密度差异，致使流体产 生相对位移，这种对流称为自然对流。
第三章 传热过程 20
一维温度场：若温度场中温度只沿着一个坐标方向变化。
一维温度场的温度分布表达式为：
t = f (x,τ) 非定态温度场：温度场内如果各点温度随时间而改变。 定态温度场：若温度不随时间而改变。
等温面：温度场中同一时刻相同温度各点组成的面。
等温面的特点： （1）等温面不能相交； （2）沿等温面无热量传递。
1
Φ
b
2
b
3
层与层之间接触良好，相互接触 t t
的表面上温度相等，各等温面亦皆 为垂直于x轴的平行平面。 中，穿过各层的传热速率必相等。
1
t
2
t
3
壁的面积为A，在定态导热过程
t
4
x
第三章 传热过程
32
第一层
Φ1
Φ1
1
b1
A(t1 t 2 )
b1 t1 t 2 t1 1 A
的x轴方向变化，故等温面皆为垂 直于x轴的平行平面。
平壁侧面的温度t1及t2恒定。
第三章 传热过程
o
b
x
30
根据傅里叶定律
dt Φ A dx
分离积分变量后积分，积分边界条件：当 x=0时， t= t1； x=b时，t= t2，
t1 t2 t Φ A(t1 t2 ) b b R A
第三章 传热过程
26
第三章 传热过程
27
第三章 传热过程
28
推算壁面的热损失
第三章
1） 单层平壁定态的热传导
如图所示：
平壁壁厚为b，壁面积为A； 壁的材质均匀，导热系数λ 不
随温度变化，视为常数；
t1 t2 t t t b
1 2
Φ
平壁的温度只沿着垂直于壁面

式中Δ t=t1-t2 为导热的推动力( driving force)，而 R=b/（λ A）则为导热的热阻(thermal resistance)。
第三章 传热过程 31
2） 多层平壁的定态热传导
如图所示：以三层平壁为例
假定各层壁的厚度分别为b1，b2，
b3，各层材质均匀，导热系数分别 为λ 1，λ 2，λ 3，皆视为常数； b
第三章 传热过程
7
热量传递方式之三： 高温物体以电磁波的形式进行的一种传热 现象热辐射不需要任何介质作媒介。在高 热辐射 温情况下，辐射传热成为主要传热方式。
第三章 传热过程 8
机理：三种传热的基本方式

传导：分子运动

（层流、固体）

对流：流体宏观运动

（流体与固体界面）
温差大

辐射：电磁波

dt dΦ dA dx
式中 Φ——单位时间传导的热量，简称传热速率，w A——导热面积，即垂直于热流方向的表面积，m2
λ ——导热系数(thermal conductivity)，w/m· k。 （注意：与上一章中摩擦阻力系数λ 的区别。）
式中的负号指热流方向和温度梯度方向相反。 导热系数表征物质导热能力的大小，是物质的物理性质之一，其值 与物质的组成、结构、密度、温度及压强有关。
混合式（直接接触式）换热
在此类换热器中，冷、热两流体通过直接混合进行 热量交换。在工艺上允许两种流体相互混合的情况下， 这是比较方便和有效的，且其结构也比较简单。它常用 于气体的冷却或水蒸汽的冷凝。
去气柜
造气炉
废热锅炉
E-2
传热同时伴随传质过程，常用于气体或水蒸汽的冷却。
E-1
第三章 传热过程
15
流动的原因不同，对流传热的规律也不同。在同一流体中 有可能同时发生自然对流和强制对流。一般来说，强制对流比 自然对流有较好的传热效果。
第三章 传热过程 5
流体质点（微团）发生宏观相对位移 热量传递方式之二：热对流 而引起的传热现象，对流传热只能发 生在流体中，通常把传热表面与接触 流体内部传热； 流体的传热也称为对流传热； 固体与流体之间的传热
第三章 传热过程
[教学目的] 掌握传导传热和对流传热速率方程，掌 握热阻和对流传热的虚拟膜概念，掌握对流—传导— 对流总传热方程和主要热阻控制传热速率的概念；通 过准数关联式了解影响传热膜系数的因素，了解优化 传热应采用的措施；能够进行定态传热计算：了解传 热方法概况，在此基础上了解夹套换热器、列管换热 器、平板换热器的基本构造、特性和使用范围。
第三章 传热过程 2
热传导：
热传导又称导热。是指热量从物体的高温部分向同一 物体的低温部分、或者从一个高温物体向一个与它直接接 触的低温物体传热的过程。导热是静止物体的一种传热方 式，不依靠物质的宏观位移。
物体各部分之间不发生相对位移，仅借分子、原子和自 由电子等微观粒子的热运动而引起的热量传递称为热传导。
教学内容：
一、概述 二、传导传热 三、对流传热 四、热交换的计算 五、强化传热的途径 六、热交换器 七、传热媒质 第三章 传热过程
1
一 、概述
1、生产中对传热过程的基本要求： ①.要求高的传热速率，以减小设备尺寸；
②.隔绝热的传递，以减小热损失。 两者目的不同，但传热机理和设备基本结构在很多方面是相同的。
热传导在气、液、固中均可以进行，但传导的机理不 同。金属——自由电子的扩散运动；非金属和大部分液体 （除水银等）——分子的动量传递；气体———分子不规 则热运动。
如：一根铁棒一端放在火炉上烧，热量会通过铁棒传递 到另一侧，但无物质的宏观位移。
第三章 传热过程 3
热量传递方式之一
热传导：依靠物体中微观粒子的热运动
第三章 传热过程 25
式中ωi ——组分i的质量分率。 (4) 有机化合物互溶混合液的导热系数估算式为 ③.气体 导热系数最小，对导热不利，但有利于保温和绝热 (1) t , (显著）
m 0.9i i
m i i

(2) 压力对固体、液体导热系数的影响很小，可忽略不计；对气体P↑→λ↑
第三章 传热过程 21
注意：沿等温面将无热量传递，而沿和等温面相交的任何
方向，因温度发生变化则有热量的传递。温度随距离的变化程 度以沿与等温面的垂直方向为最大。 对于一维温度场，等温面x及(x+Δx)的温度分别为t(x,τ)及 t(x+Δx,τ)，则两等温面之间的平均温度变化率为：
温度梯度:
t ( x x, ) t ( x, ) x
研究传热的目的：正确的选定、使用换热器。 热力学第二定律指出了热传递的方向：在不消耗外界功的 条件下，热仅能从高温往低温方向传递或传播。 2、传热的基本方式
热的传递是由于系统内或物体内温度不同而引起的，根据 传热机理不同，传热的基本方式有三种： 热传导(conduction); 对流(convection); 辐射(radiation)。
第三章 传热过程
交替：一 通一停。
（间歇操作）
冷流体
16

基本概念1

传热速率Φ=Q/τ (W)
传热速率是指单位时间传递的热量。
第三章 传热过程 17

基本概念2

传热强度（热流密度）q=Q/Aτ=Φ/A (W/m2) 传热强度是单位时间、单位传热面所传递的热量。 它是传热设备的性能标志之一。
第三章 传热过程 18

三种方式通常组合形式出现
第三章 传热过程 9




天气冷暖变化原因 管式石油加热炉：由耐火材料建造的燃烧 室．向其中喷入可燃性气体混合物并令其在室 内燃烧。石油流过悬挂在炉壁与炉顶附近的管 网，温度高达2000℃的燃烧气体向管子的外壁 面传递热量 电暖器 与 暖气片 的作用 热水瓶胆的两层玻璃之间抽真空，内 胆外壁和外胆内壁涂了发射率很低的 银，试分析保温机理，碰破抽气口有 什么影响？ 热量的传递过程很少以单一机理进行，而通 常是几种机理的串联或并联 组合方式进行
地球内部热量的释放方式？
第三章 传热过程
传 热 机 理 实 例 分 析
10
再说 热辐射
第三章 传热过程 11
3、定态传热和非定态传热
定态传热：传热面各点的温度不随时间而改变，均 衡的连续操作多属于这种情况。 非定态传热：传热面各点的温度随时间而变化，间 歇操作大多是非定态传热。
4、工业常用的换热方法
基本概念3
冷热两种流体通过列管换热器的管壁进行热量交换，管壁表 面积即为传热面积，若已知管数 n、管外径 d2 和管长 l，则 可求得基于管外表面的传热面积：
A n d 2l
若换热管内径为 d1， 管程数为 m，则管程流体的流通截面 积为：
Af n 2 d1 m 4
显热（无相变、温升或温降）：Q=m·CP·△t、Φ=qm·CP·△t 潜热（相变、无温度变化）： Q=m·γ、 Φ=qm·γ
蓄热式换热
蓄热式换热器又称蓄热器，它主要由热容量较大的蓄热 室构成。室中可充填耐火砖或金属带等作为填料。
当冷、热两种流体交 替地通过同一蓄热室时， 即可通过填料将得自热流 体的热量，传递给冷流体， 达到换热的目的。此类换 热器的结构较为简单，且 可耐高温，常用于气体的 余热及其冷量的利用。其 缺点是设备体积较大，而 且两种流体交替时难免有 一定程度的混合。
第二层 第三层
t ( x x, ) t ( x, ) dt gradt lim x 0 x dx
温度梯度是向量，其方向垂直于等温面，并以温度增加的方 向为正。随传热距离（即物料厚度）而引起的温度变化。
第三章 传热过程 22
2） 傅里叶定律
傅里叶定律是热传导的基本定律，它指出：单位时间内传导 的热量与温度梯度及垂直于热流方向的截面积成正比，即
第三章 传热过程 6
热辐射：
因热的原因而产生的电磁波在空间的传递，称为热辐射。
所有物体都能将热以电磁波的形式发射出去，而不需要任何
介质。
任何物体只要在绝对零度以上都能发射辐射能，但是只有在
物体温度较高的时候，热辐射才能成为主要的传热形式。 实际上，上述三种传热方式很少单独出现，而往往是相互
伴随着出现的。