化工原理第五章传热(王晓敏)

Q 2 rlq 1 1 2 r 2lq2 2 r 3lq3
r1q1 r2q2 r3q3
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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， Am1 2rm1 1 2 (0.025 0.02) / 2 0.141 m2 石棉层内半径：r2=25mm，外半径：r3=25＋30＝55mm，r3/r2>2：
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2. 多层平壁的稳定热传导 各层温度降： t1 t1 t 2 t2 t2 t3 t3 t3 t4 稳定导热时，通过各层热量相等：
t1 t 2 t1 t1 Q l1 A b b1 R1 1 l1 A t 2 t3 t 2 t 2 l2 A b b2 R2 2 l2 A t t4 t3 t3 l3 A 3 b3 b3 R3 l3 A
t1 t2 t Q b / lA R
导热推动力
o
t2
x
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阻力
Q t1 t 2 t 推动力 q A b/l R 阻力
Q:热传导速率，W； q:热传导通量，W/m2； △t:两壁面温差,K; A:平壁（等温面）面积，m2; b:平壁厚度，m; l :导热系数，W/m.K；
r dr t 分离变量， Q 2ll dt r t 积分： r r Q ln 2 2ll (t1 t 2 ) r1
2 2 1 1
r2 l
r
r1 Q t1 t2 dr
t1 t 2 t1 t 2 t1 t 2 Q 2ll ln r 2 r 1 ln r 2 r 1 R 2ll 2 l (r2 r1 ) l (t 1 t 2) t1 t 2 t1 t 2 t1 t 2 Q l Am (r2 r1 ) ln r 2 r1 b b / l Am R
n
i
• 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： 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。
420 191.3W m 1 0.000439 1.93 0.265
(b)界面温度
t1 t2 R1 0.000439 2.0 104 t1 t4 R 0.000439 1.93 0.265 t1 t2 500 t2 2.0 104 t2 499.9 C t1 t4 500 80 t2 t3 R2 1.93 0.879 t1 t4 R 0.000439 1.93 0.265 t2 t3 499.9 t3 0.879 t3 130.72 C t1 t4 500 80
要求及目的： • 了解和掌握传热的基本概念、规律和计算； • 能正确进行工艺设计，合理选择和使用换热器。
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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
冷油
醋酸气体 加热器 乙炔气体 反 应 器 200℃
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
3
夹套换热器
蛇管换热器
4
沉浸式
5
喷淋式
套管换热器
6
列管换热器
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第三章 传热
• • • • • 第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 概述 热传导 两流体间的热量传递 对流与对流传热系数 辐射传热
r r 0.09 0.07 r4 0.09 1.28 2; rm3 3 4 0.08m; Am3 2rm3 1 0.5024m 2 r3 0.07 2 2
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Q L
t1 t 4 500 80 b 0.0035 0.04 0.02 b1 b 2 3 l1 Am1 l2 Am 2 l3 Am3 45 0.177 0.07 0.296 0.15 0.5024
Q L
250 397W /m 0.0022 0.6274
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例5：求例4中温度分布
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
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。
t dQ l dA n
传热方向与温度梯度方向相反
Q－单位时间内传导的热量, W； A－导热面积，m2 14 0C l－导热系数，W/m.K，W/m.
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：
三、平壁的稳定热传导
稳定温度场中：
t Q l A n
边界条件为：x = 0 时，t = t1 x = b 时，t = t2
1. 单层平壁的稳定热传导
dt Q lA dx
积分上式：
Q
l
b
A t1 t2
t1
dx A Q
• 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；
rm 2 0.055 0.25 0.038m Am2 2rm2 1 0.239 m2 ln(0.055/ 0.025)
t b1 b2 l1 Am1 l2 Am 2 350 100 0.005 0.03 16 0.141 0.2 0.239
每米管长热损失：
b r 2 r1 壁厚度
Am 2lrm
r2/r1<2时，rm=(r1+r2)/2； 21
r 2 r1 rm 对数平均半径 ln(r 2 r1)
对多层圆筒壁，与多层平壁稳定热传导类似：
t1 t2 t3 t1 t4 R1 R2 R3 R1 R2 R3 t1 t4 b3 b1 b2 l1 Am1 l2 Am 2 l3 Am 3 Q
l l0 (1 t )
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； 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
t1=500°C t2=? t3=? t4=80°C
r2 0.03 r r 0.0265 0.03 1.13 2; rm1 1 2 0.02825 m; Am1 2rm1 1 0.177m2 r1 0.0265 2 2
r3 0.07 r3 r2 0.07 0.03 2.33 2; rm 2 0.0472m; Am 2 2rm 2 1 0.296m 2 r2 0.03 ln(r3 / r2 ) ln(0.07 / 0.03)
dx
t1
Q b1 b2 b3
Hale Waihona Puke Baidu
A
t4
o
t2 t3
x
18
t1 t 2 t3 Q b b1 b 2 3 l1 A l2 A l3 A t1 t 2 t3 t1 t 4 3 R1 R2 R3 Ri
i 1
Q
t1 tn 1
R
i 1
热传导
对流
辐射
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• 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？ • 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。
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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
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； t f ( x, y, z, ) 非稳态温度场：
稳态温度场： t f ( 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
t t lim n 0 n n
•温度梯度的方向垂直于等 温面，以温度增加方向为正。
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。
冷凝器
冷凝器
粗醋酸 乙烯液体
精 馏 塔
精醋酸 乙烯液 体产品
150℃
热油
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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 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。 10 • 在高温情况下，辐射传热成为主要传热方式。
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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
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第二节 热传导
对n层圆筒壁:
Q
t1 tn 1 n bi i 1 li A mi
t1 tn 1 n ln(ri 1 / ri ) 2 l li i 1
•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；
四、圆筒壁的稳定热传导 (Steady-state conduction through a cylinder)
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
l
r2
r1 Q t1 t2
20
通过圆筒壁的稳定热传导
dt dt Q lA 2rll dr dr