第三章传热

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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： 高温→低温
传热极限： 传热推动力：
温度相等 温度差
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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
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r1
λ t1
r2
t2
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
(t2

t1 )
A均 2r均L
r均

r2 r1 ln r2
r1
Q 2L t1 t2 t1 t2 t
ln r2 ln r2 （/ 2L) R
r1
r1
其中，R ln(r2 / r1)
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
t1 t2
a
b
经过两层平壁的稳定热传导， 温度分布如左图所示
问：平壁a和b热阻的大小关系？
t3
Ra> Rb
若a和b的厚度相等，则a和b的 导热系数的大小关系？
λa< λb
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（5）相变化的影响
有相变传热：蒸汽冷凝、液体沸腾 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 （/ m2 K）
蒸汽冷凝，：5000 ~ 15000 W （/ m2 K）
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三、无相变时对流传热过程的量纲分析
3 A 3
x/m
各层材料内外表面温度分别为t1、t
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
、t
2
、多t 层表平壁示稳态导热温度分布
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Q
t1
1
1 A
Q
t3
3
3 A
Q
t2
2
2 A
t1

Q.
1 A
t2

Q. 2 A
……1 ……2
t3

Q.
3 A
……3
Q
t1 t2 t3
导热系数 100~1400 50~500 30~300 0.05 ~50
0.5~5 0.05~1 0.005~0.5
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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？
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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。
传导
•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
传
热
•定义：由于流体质点之间产生宏观相对位移而引起
基 本 方
对流
的热量传递。 •特点：直接接触、有宏观相对位移
式
Q At
Q t 1
称牛顿冷却 定律
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A
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（3） 对流给热系数α的物理意义
①
Q W /(m2 K）,
At
A 1m2, t 1k时， Q
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
Tw
Q
冷 流 tw 体
t
流体通过间壁的热交换
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3 、牛顿冷却定律
(1) 虚拟膜：集中全部温差，以热传导方式传热
T Tw
δL1
δt
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对流传热问题 → 导热问题
由傅立叶定律： Q T Tw
t /(A)
tW
(2) 基本方程
t δL2
令α =λ /δt — 对流给热系数
气体 : t ,
液体 : t , (水、无水甘油例外 ) 固体： 金属：t , (高合金钢例外 )
非金属液体 绝热材料
气体
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
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4、 多层平壁的稳态热传导
t /℃
条件：多层平壁一维稳态导热
Q1 Q2 Q3 Q
t1 t2
以工业炉为例：
Q
由三层材料组成：由内至外分 别为耐火砖、保温砖、建筑砖
t3
t2 t3 t4
b3
每层材料的厚度分别用1、
2、
表示
3
导热系数分别用1、 2、 3表示
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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 3、核算现有换热器的传热性能 4、强化或削弱传热的方法
解决这些问题需要 两个基本关系式
热量衡算式 Q吸=Q放，忽略过程热损失
传热速率关系
Q KAtm
或
q

Q A

Kt m
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1 2 3
1 A 2 A 3 A
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Q
1
t1 t4
2
3

1A 2 A 3 A
t i Ri
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 各分过程热阻之和，也就是串联电阻叠加原则。
（1）流体流动状态
湍动程度 ，层流内层厚度减薄，t , ,
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 ,

t1 t4
ln(r2 / r1) ln(r3 / r2 ) ln(r4 / r3)
2L1 2L2 2L3
t
i
R i
其中， Am1

A2 A1 ln A2
A1
Am 2

A3 A2 ln A3
A2
Am3

A4 A3 ln A4
A3
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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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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
•场合：流体中、流体与固体壁面间
热辐射
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。
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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
间壁式 生产上应用最广
cp：cp 单位体积流体的热容量，kJ（/ m3C）
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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（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

A( lu
)a (cP
)
f
(
l
3

2 gt 2
)h
Gr
Nu Re Pr
无相变对流传热： Nu f (Re，Pr，Gr)
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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
T
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
热Q 流 体
包括: 流体中质点发生相对位移
Tw
而引起热交换
Q
冷 流 tw 体
t
生产上
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
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
▲ 反映流体物性对传热的影响*计算所用单位，SI制
④
格拉斯霍夫数（浮升力特征数）
法
列管式
蓄热式
间壁式换热三个步骤： 热对流——热传导——热对流
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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；
：表示平面壁厚度
m
λ：导热系数（w/m.k)
Q A t1t2
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
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2、特征数的物理意义
① 努赛尔特数 Nu l
l：特征尺寸，平板—— 流动方向的板长 管 —— 管径或当量直径
▲ 反映对流传热的强弱，包含对流传热系数
② 雷诺数 Re lu
▲ 反映流动状态对α的影响
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③ 普兰特数 Pr cp
注意： *查取定性温度下的物性
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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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。
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 。
T
热Q 流 体
2L
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r1
λ t1
r2
t2
单层圆筒壁的导热
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对数平均半径：
r均
r 2 r1 ln r2
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
Q
1
t1 t4
2
3
1Am1 2 Am2 3 Am3
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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： ① 热流方向（径向） ② 传热面积沿径向不同 Ar 2rL ③ 热通量(q Q / A)径向不同
2r1q1 2r2q2 q1 q2 q3
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Q A t1t2


t /℃
t1
AA
Q
t2

n/ m 单层平壁的稳态热传导
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 A t
W （/ m K）

（2）物理意义：A=1m2, 1m, t 1k时， Q
1、量纲分析过程
① 优点：减少实验次数
② 依据：物理方程各项量纲一致
③ 步骤：
（a）通过理论分析和实验观察，确定相关因素
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无相变： f (u,l, , , , c p，gt, )
（b）构造函数形式
Aualbcd ecp f (gt)h
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3、讨论
Q

A
(t2
t1)
t1 t2


t R
t /℃
A
t1
传热推动力（温差） 传热阻力（热阻）
Q t2
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， 则传热温差也增大。
x/ m 单层平壁的稳态热传导
说明： 是反应物质导热能力的物理量， 越大，导热能
力越强。
在实际生产中，需提高传热速率时，应选择导热系数 大 的 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
1、金属 非金属 液体 气体
2、温度对导热系数的影响
物质种类 纯金属 金属合金 液态金属 非金属固体