化工原理 第四章 传热

(t1 t2 ) (t1 t 2 ) t1 t 2 Q r2 r r2 r ln r2 / r 1 1 1 Sm 2 rm L 2 L
r2 / r1 2
r2 r1 rm 2
S 2 S1 Sm 2
r2 / r1 2
r2 r1 rm r2 ln r1
4.1.1 传热基本方式
1.热传导(导热)
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
气体：分子不规则运动 液体：原子、分子等在平衡位置的振动 金属固体：自由电子的运动
特点：没有物质的宏观位移
在气体、液体、固体中都能发生
《化工原理》课件——第4章 传热
2.热对流 自然对流
流体各部分之间发生相对位移而产 生的热量传递
dQ q dS
Si So Sm
传热推动力 温度差 传热速率 传热阻力 热阻
t Q R
t q R'
4.1.5 稳态传热和非稳态传热
稳态传热： 传热系统中不积累能量的传热过程 特点：温度分布不随时间而变，传热速率常量 非稳态传热： 传热系统中，温度分布随时间而变，传热过程
为非稳态传热，传热速率不为常量
Sm 2
2 L(r3 r2 ) r3 ln r2
(t1 t4 ) Q r3 r2 r4 1 1 1 ln ln ln 2 L1 r1 2 L2 r2 2 L3 r3
对于n层圆筒壁
t1 tn 1 Q n ri 1 1 ln ri i 1 2 Li
②通过管壁的热传导
③管壁把热量传给冷流体
4.1.3 典型的间壁式换热器
套管式换热器
内管
外管
①热流体将热量传到壁面一侧②热量通过固体壁面的 热传导③壁面另一侧将热量传给冷流体
对流传热---热传导---对流传热
《化工原理》课件——第4章 传热
套管换热器
t1
T1
D0
di
T2
t2
外传热面积： So do L 内传热面积： S d L
物体内任一点温度为该 点位置与时间的函数
t f ( x、y、z、 )
非稳态温度场：温度场内各点的温度随时间而变 稳态温度场：温度场内各点的温度不随时间而变
t t f ( x、y、z ), 0
稳态一维温度场：稳态温度场中，物体内的温 度仅沿一个坐标方向发生变化
t t t t f ( x), 0, 0, 0 y z
m t q Q/S 5677 b
设壁厚x处的温度为t
q
m
x
(t1 t ) t t1
qx
m
t 1650 3649 x 温度和距离呈直线关系
（２）导热系数按变量计算
dt dt Q S q dx dx
设壁厚x处的温度为t
q 5677
第四章 传热
第一节
概 述
传热过程：系统内温度的差异使热量从高温 向低温转移的过程，是自然界和工程技术领 域中极普遍的一种传递过程。
有温度差的存在就有热的传递，温差是实现 传热的推动力。 传热方向是从高温指向低温。
化工生产对传热的要求 ①强化传热过程 ②削弱传热过程 热量传递形式： ①显热：无相变传热 ②潜热：有相变传热
dt dt Q S (2rL) dr dr
2 L (t1 t2 ) t1 t2 t Q r2 ln r2 / r1 R ln r1 2 L
圆筒壁热传导速率方程式写成与平壁热传导 速率方程相类似的形式
t1 t2 Q ln r2 / r 1 2 L t1 t2 t1 t2 r2 r b 1 S2 S1 2 L(r2 r 1) S2 ln 2 Lr2 / 2 Lr 1 ln S1
Q t1 t 4 解: q S b1 b2 b3
t 2 956.5o C
t 2 805.1o C
1016 34 416.5 W /m2 0.1429 1.933 0.2815
1
2
3
t3 151.4o C t3 117.4o C
t1 0.1429 416.5 59.5 C
对数平均面 积
Sm (t1 t2 ) Sm (t1 t2 ) Q b r2 r1
对数平均面积
2L(r2 r1 ) S 2 S1 Sm 2Lr2 S2 ln ln 2Lr1 S1
Sm 2 rm L
对数平均半径
r2 r1 rm ln(r2 /r1 )
导热系数λ： λ表示物质导热能力的大小 (1) 物质种类 (2) 温度

金属
非金属 液体 气体
t , t ,
(1 at)
0o C
金属材料和液体： a 0 非金属材料和气体： a 0
4.2.3 通过平壁的稳态热传导
一、单层平壁的稳态热传导
假设条件 ①S »b; ②λ=const; ③t1>t2, 不 随 时 间 变 化 ， 仅沿x方向变化。 Q、S = const.
电磁波
辐射能
热能(低温物体)
③只有温度很高时才以热辐射形式传热
T 4 E( ) 100
4.1.2 冷热流体热交换的方式 1.直接接触式换热
2.蓄热式换热
3.间壁式换热
1.直接接触式换热
2.蓄热式换热
《化工原理》课件——第4章 传热
4.1.3 典型的间壁式换热器
（一）间壁式换热器中的换热过程 冷热流体通过固体壁面的传热包括三个过程： ①热流体把热量传给管壁
i i
平均传热面积： S d L
m m
单程列管式换热器
流体流经管束称为管程， 该流体称为管程流体
流体流经管间环隙称为壳程， 该流体称为壳程流体
S ndL
双程列管式换热器
管程流体在管束内来回流过几次，就称为与次数相同 程数的换热器
4.1.4 传热速率和热通量
传热速率(热流量)Q :单位时间内通过传热面的热量,W 传热速度(热通量)ｑ:单位传热面积的传热速率,W/m2
结论：①串联热阻叠加原则：串联传热过程 中的推动力为各分过程的推动力之 和，总热阻为各分过程的热阻之和。 ②热传导中温度差与热阻成正比
例1:工业炉的平炉壁，由下列三层组成：
耐火砖λ1=1.4W/(m· K), b1=225mm
保温砖λ2=0.15W/(m· K), b2=115mm
保温砖λ3=0.8W/(m· K), b3=225mm
dt Q S dx
x 0, t t1 x b, t t2
(t1 t2 ) t Q S (t1 t2 ) b b / ( S ) R

b R S
t t q Q/S b R'

导热距离越大，传热面积和导热系数越小，热阻越大
例题：某平壁厚度为０.３７m，平壁内表面
热量在流体与固体之 间传递的过程
强制对流
对流传热（给热） 热对流： 流体主体
热传导： 滞留内层、固体器壁
特点：仅发生在流体中；质点发生相对位移
《化工原理》课件——第4章 传热
3.热辐射
因热而产生的电磁波在空间的传递
特点： ①不需要介质，在真空中也可以传递 ②传热的同时发生能量转换
(高温物体)热能
今测得其内壁温度为930℃，外壁温度为55℃，求单位 面积的热损失。
解：
Q t 930 55 724 bi 0.225 0.115 0.225 S 1.4 0.15 0.8 i
W/m2
《化工原理》课件——第4章 传热
例1：燃烧炉最内层耐火砖b1=150mm,中间层绝热砖b2 =290mm,最外层普通砖b2=228mm。已知t1=1016oC,t4 =34oC，求t2和t3。设各层接触良好。 1=1.05W/(moC),2=0.15W/(moC),3=0.81W/(moC)
S 2 S1 Sm S2 ln S1
二、多层圆筒壁的热传导
t1 t2 t3 Q R1 R2 R3
2 L(r2 r1 ) Sm1 r2 ln r1
b1 1S m1
t1 t4 b3 b2 2 S m 2 3 S m 3
Sm3 2 L(r4 r3 ) r4 ln r3
4.1.6 载热体及其选择
载热体：物料在换热器内被加热或冷却时， 通常需要用另一种流体供给或取走热量，此 种流体称为载热体 加热剂（加热介质）：起加热作用的载热体 冷却剂（冷却介质）：起冷却作用的载热体 工业中常用的加热剂和冷却剂
第二节
热传导
4.2.1 热传导基本概念和定律
一、温度场和温度梯度 温度场:任一瞬间物体内各点温度分布的总和
n层平壁
t1 tn 1 t 总推动力 Q n bi R 总阻力 i 1 i S
b3 bi b1 b2 t1 : t2 : t3 : t : : : 1S1 2 S2 3 S3 i Si
t1 : t2 : t3 : t R1 : R2 : R3 : Ri
t 1072 7.4110 1.4910 x
6 7
温度分布为曲线 ☺ 将导热系数按常量或变量计算时，所得的导热通量 是相同的，而温度分布不同．工程中计算热通量时， 可取平均温度下导热系数，即将导热系数按常量处理
二、多层平壁的稳态热传导
假设层与层间接触良好，相接触的两表面温度相同 1S1 (t1 t2 ) 第一层 Q1 b1 b1 t1 Q1 Q1R1 1S1 b1 b2 b3 S 第二层 Q2 2 2 (t2 t3 ) b2 t1 t2 b2 t3 t2 Q2 Q2 R2 2 S2 t4 第三层 Q3 3 S3 (t3 t 4 ) b3 b3 t3 Q3 Q3 R3 Q1 Q2 Q3 Q 3 S3
温度为 1 ６５ 0℃，外表面温度为 300℃，平
壁材料导热系数与温度的关系为
0.源自文库15 0.00076 t
若将导热系数分别按常量和变量计算，试求 导热热通量和平壁内的温度分布
（１）导热系数按常量计算 t1 t 2 tm 975 2 m 0.815 0.00076 975 1.556
t1 tn 1 Q n bi i 1 i S m ,i
多层平壁和多层圆筒壁热传导的比较
平面壁
S 1 = S 2 ，
Q 相同，q 相同
圆筒壁 S1≠S2，Q 相同，q 不相同
例：某一60mm×3mm的铝复合管，其导热系数为 45W/(m· K)，外包一层厚30mm石棉后，又包一层30mm 软木。石棉和软木的导热系数分别为0.16W/(m· K)和 0.04W/(m· K)。试求：
S1 S2 S3 S；Q1 Q2 Q3 Q
t 2 t3 t3 t 4 t1 t 2 Q b1 b2 b3 1S 2 S 3 S
t1 t4 t1 t2 t3 Q( R1 R2 R3 ) Q R1 R2 R3
dt grad t dx
二、傅立叶定律 导热速率与温度梯度及传热面积成正比
t dQ dS n
t t
t
n
t t
t dQ dS n
“-” 表示导热方向总是和温度 梯度方向相反
t n
dS
Q
4.2.2 导 热 系 数
dQ t λ：单位温度梯度下的热通量 dS n
等温面：同一时刻下相同温度各点所组成的面
温度不同的等温面彼此不相交； 沿等温面无热量传递， 沿与等温面相交的任何方向有热量传递
温度梯度：两相邻等温面的温度差与该两面的 垂直距离比值的极限
t t
t
n
dS
t t
t t grad t lim n 0 n n
t n
Q
稳态一维温度场
o
《化工原理》课件——第4章 传热
材料 耐火砖
，W/moC R，m2 oC/W 1.05 0.1429
t ， oC 59.5
绝热砖
0.15 0.81
1.933 0.2815
805.1 117.4
普通砖
4.2.4 通过圆筒壁的稳态热传导
一、单层圆筒壁的热传导
S 2 rL grad t = dt /dr