第三章传热

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3、讨论
A t1 t2 t Q (t 2 t1 ) R
A
传热推动力（温差） 传热阻力（热阻）
1、若传导厚度越大、传热面积 和导热系数越小，则热阻越大。 2、相同的热流量，若热阻增大，
t /℃
t1 Q t2
x/ m 单层平壁的稳态热传导
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第二节 热传导（导热）
一、平面壁的导热
1、传导基本定律——付立叶定律
以单层平壁为例 t1、t2：分别表示内外壁表面温度 A：传热面积m2；
t /℃
t1
A A
Q t2

：表示平面壁厚度m
λ：导热系数（w/m.k)

n/ m 单层平壁的稳态热传导
Q A
t1t 2

Q A
t1 t 2
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传导
传 热 基 本 方 式
对流
热辐射
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注意： •实际传热过程：几种传热方式可同时存在
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五、工业上的换热方法（三种）
直接混合式 换 热 方 法
间壁式
生产上应用最广
列管式
间壁式换热三个步骤：
蓄热式
热对流——热传导——热对流
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导热基本规律：导热速率与两壁面温差成正比，与传热面积成正比， 与传热壁厚度成反比。称傅立叶定律
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2、 导热系数 （1）定义式:
Q t A
W（ / m K）

（2）物理意义：A=1m2,
1m, t 1k时， Q
说明：

是反应物质导热能力的物理量，
各分过程热阻之和，也就是串联电阻叠加原则。 在多层平壁定常导热过程中，各层壁的温差与其热阻成正比， 哪层热阻大，哪层温差一定大。
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例 经过两层平壁的稳定热传导，
t1 t2 t3
温度分布如左图所示
问：平壁a和b热阻的大小关系？ Ra> Rb 若a和b的厚度相等，则a和b的
则传热温差也增大。
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4、 多层平壁的稳态热传导
条件：多层平壁一维稳态导热
t /℃
Q1 Q2 Q3 Q
以工业炉为例： 由三层材料组成：由内至外分 别为耐火砖、保温砖、建筑砖
t1
t2
Q
t2 t 3
导热系数分别用 1、 2、 3表示
t3 b3 每层材料的厚度分别用 1、 2、 3表示 A 3 3
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紫铜：384w/m.k, 青铜（锡）：64w/m.k 黄铜（锌）：93w/m.k 4、非金属固体，密度越大，导热系数越大
思考
1、保温材料为什么要注意防潮？
2、密度分别为 500kg/m3,和 500kg/m3材料，哪种保温效 果好？
3、在同样气温下，为什么南方要比北方冷？
A2 A1 其中，Am1 A2 ln A1
Am 2
A3 A2 A ln 3 A2
Am 3
A4 A3 A4 ln A3
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第三节 对流传热 一、对流传热基本方程和对流传热系数
1、对流传热定义
指流体和固体壁面间的传热过程
流体与固体壁面之间传热
T
热 流 体
a b
导热系数的大小关系？
λa< λb
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二、圆筒壁的稳态热传导 与平壁稳态热传导相比，
相同点：一维稳态导热，Q=常数 不同点：
r2
r1 λ t1
①
②
热流方向（径向）
传热面积沿径向不同 Ar 2rL
t2
③ 热通量(q Q / A)径向不同
2r1q1 2r2 q2
液态金属 非金属固体 非金属液体 绝热材料 气体
50~500
30~300 0.05 ~50 0.5~5 0.05~1 0.005~0.5
气体 :
液体 :
t ,
t , (水、无水甘油例外 )
) 固体： 金属：t , (高合金钢例外
非金属： t , (冰例外 )
3、金属纯度越高，导热系数越大。 普通碳钢:45.6w/m.k,不锈钢:17.4w/m.k
(1) 虚拟膜：集中全部温差，以热传导方式传热 对流传热问题 → 导热问题
T
由傅立叶定律： Q
Tw
tW
T Tw t /(A)
(2) 基本方程
t
δt
δL1
δL2
称牛顿冷却 定律
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令α =λ /δt — 对流给热系数 t Q At Q 1 A
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cp ，
： ，Re ，
定性温度：计算对流传热系数的特征温度 一般：
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（4）传热面的形状、位置和大小
壁面的形状，尺寸，位置、管排列方式等，
造成边界层分离，增加湍动，使α 增大
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（5）相变化的影响
有相变传热：蒸汽冷凝、液体沸腾
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四、传热的基本方式：（三种）
•定义：依靠物体内分子或自由电子的想到碰撞进行 热量传递的过程。 •特点：直接接触、无宏观相对位移 •场合：固体内部、紧密接触的固体间、静止流体、 层流内层中
•定义：由于流体质点之间产生宏观相对位移而引起 的热量传递。 •特点：直接接触、有宏观相对位移 •场合：流体中、流体与固体壁面间 定义：热量以电磁波形式传递的方式， 特点：不借助任何媒介、不需要接触 场合：温度较高的场合。
Q
Q 冷 流 体 t
包括:
流体中质点发生相对位移 而引起热交换
Tw
tw
生产上
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流体通过间壁的热交换
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2、对流传热过程分析
1）流型分区 2）传热方式 3）温度分布 4）热阻分布
湍流主体
对流 无温差 无热阻
过渡区
对流+传导 温差小 热阻小
层流内层
传导 温差大 热阻大
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代价：动力消耗↑ （2）流体流动原因 强制对流：外部机械作功，一般流速较大，α也较大 自然对流：由流体密度差造成的循环过程，一般流速较小，α 也较小
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（3）流体的物理性质
： , , ： , Re ,
cp：cp 单位体积流体的热容量 ，kJ （ / m3 C）
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二、 传热的几个基本概念
1、传热：温度较高物体将热量传递给温度较低物体 的过程
传热的必要条件： 必须具有温度差
传热方向：
传热极限：
高温→低温 温度相等 温度差
传热推动力：
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2、载热体：凡是参与传热的物体，统称载热体 热载热体（又称热流体）：温度较高、在传热过 程中放出热量的物体。 冷载热体（又称冷流体）：温度较低、在传热过 程中得到热量的物体。 3、加热剂：用于加热用的热载热体。 常用的加热剂：热油、饱和蒸汽、热水、烟道气及 其他高温物体。 冷却剂：用于冷却用的冷载热体 常用的冷却剂：空气、水、冰和冷冻盐水。
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q1 q2 q3
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单层圆筒壁的导热
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1、单层圆筒壁热传导
由傅立叶定律： Q A均 (t t ) 2 1
A均 2r均 L r2 r1 r均 r2 ln r1

r1 λ t1
r2
t2
t1 t 2 t1 t 2 t Q 2L r2 r2 ln ln （ / 2L ) R r1 r1
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三、传热过程的基本问题 1、载热体用量的确定 2、设计新的换热器 解决这些问题需要
3、核算现有换热器的传热性能
4、强化或削弱传热的方法 热量衡算式 传热速率关系
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两个基本关系式
Q吸=Q放，忽略过程热损失
Q KAt m
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Q 或 q Kt m A
（3） 对流给热系数α的物理意义
Q W /( m 2 K） , At A 1m 2 , t 1k时， Q
①
② 度量对流给热过程的强度 因此α 是计算关键，其值一般由实验测定
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二、影响对流给热系数的因素
（1）流体流动状态
湍动程度 ，层流内层厚度减薄， t , ,
无相变传热：强制对流、自然对流 一般地，有相变时对流传热系数较大 例：水强制对流， ：250 ~ 10000 W （ / m 2 K）
2 蒸汽冷凝， ：5000~ 15000 W （ / m K）
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பைடு நூலகம்32
三、无相变时对流传热过程的量纲分析
1、量纲分析过程
① 优点：减少实验次数
ln( r2 / r1 ) 其中， R 2L
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单层圆筒壁的导热
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r 2 r1 对数平均半径： r均 r2 ln r1
当r2/r1≤2时可用算术平均值代替对数平均值
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2、 多层圆筒壁热传导
t t1 t 4 t1 t4 i Q ln(r2 / r1 ) ln(r3 / r2 ) ln(r4 / r3 ) R 3 1 2 i 2L1 2L2 2L3 1 Am1 2 Am 2 3 Am3
t 2
……3
3 1 2 1 A 2 A 3 A
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t1 t 2 t3
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t1 t 4 Q 3 1 2 1 A 2 A 3 A
t R
i
i
多层平壁导热是一种串联的导热过程，串联导热过程
的推动力为各分过程温度差之和，即总温度差，总热阻为
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4、稳定传热：传热面上各点的温度因位置不同而不同， 但不随时间而改变 稳定传点的特点：传热面上各点的传热速率相同 说明：连续生产过程中的传热多为稳态传热
不稳定传热：传热面上各点的温度既要随位置而，而 且改变,也要随时间而改变
5、传热速率：单位时间里所传递的热量。用Q表示，单 位为J/s （W） ，kJ/h 6、热通量：单位时间、单位面积所传递的热量。用q 表示。单位w/m2
t4
x/m
多层平壁稳态导热温度分布 各层材料内外表面温度 分别为t1、t 2、t 3、t 4 表示
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1 1 A t 3 Q 3 3 A
Q
Q
t1
1 t1 Q. A 2 t 2 Q. A
3 t3 Q. A
Q
……1
……2
2 2 A
②
③
依据：物理方程各项量纲一致
步骤： （a）通过理论分析和实验观察，确定相关因素
无相变： f (u, l, , , , c p，gt, )
（b）构造函数形式
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Au l c p ( gt )
a b c d e f
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h
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（c）列出量纲指数的线性方程组（M、L、T、 ） （d）规定已知量（指数）， 确定余下指数表达式
（e）整理特征数方程形式
l lu a cP f l 3 2 gt h A( ) ( ) ( ) 2
Gr
Nu
Re
Pr
无相变对流传热： Nu f ( Re，Pr，Gr)
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化 工 原 理
主讲人: 姜美英
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第三章 传热
第一节 概述 第二节 热传导
第三节 对流传热
第四节 传热过程计算
第五节 换热器
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第一节 概述
一、传热在化工生产过程中的应用 1）加热或冷却，使物料达到指定的温度 2）通过换热，回收利用热量 3）保温，以减少热损失
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结论 1、对流传热是以层流内层为主 的 导热 层流内层以外的对流 传热的综合传热过程。
T
热 流 体
Q
Q 冷 流 体 t
2、对流传热的热阻主要集中在 中，因此减小对流传热热阻的关键 在于减小层流内层的厚度 。
Tw
tw
流体通过间壁的热交换
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3 、牛顿冷却定律
越大，导热能
大 的
力越强。 在实际生产中，需提高传热速率时，应选择导热系数
材料，需保温时。应选择导热系数 小 的材料.
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3）导热系数的一般规律
物质种类 纯金属
导热系数 100~1400
1、金属 非金属 液体 气体
2、温度对导热系数的影响
金属合金