化工原理课件-热量传递的基本理论

• 1、金属固体导热起主要作用的是自由电子的扩散运动
• 2、不良导体的固体和大部分的液体中，导热是通过振 动能从一个分子传递到另一个分子；
• 3、气体中，导热则是由于分子的不规则运动而引起的。
• 结论：金属导热性好
•
固体中导热是热传递的主要方式
•
液体中 并不显著
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2．对流传热
定义：对流传热是指流体内部质点发生相对位移而引起的 热量传递过程，又称为热对流。
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（2）多层圆筒壁的稳定热传导
• 通过平壁的热传导，各处的Q和q均相等； 而在圆筒壁的热传导中，圆筒的内外表 面积不同，即各层圆筒的传热面积不相同， 所以各层Q相等，但q却不等。
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例2-3 φ50×5mm的不锈钢管， 热导率λ1=16W/m·℃， 外包为30mm的石棉层，热导率λ2=0.2W/m·℃。现用 热电偶测得管内壁温度为350℃，保温层外壁温度为 100℃，试求每米管长的热损失及两材料界面处的温度。
• 它具有阻燃、无毒、耐腐蚀、容重小、导热系数 低、化学稳定性强、吸湿率低、憎水性好等诸多 优点，是目前公认的性能最优越的保温、隔热、 吸音材料，具有十分广泛的用途。
• 用该材料制成的板、毡、管已大量用于建筑、化 工、电子、电力、冶金、能源、交通等领域的保 温隔热、吸声降噪，效果十分显著。
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3．热辐射
定义：因热的原因发出辐射能并在周围空间传播 而引起的传热，称为热辐射。 它是一种以电磁波传播能量的现象。
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• 特点： （1）热辐射可以不需要任何媒介，即可以在真空中传播 （2）热辐射不仅有能量传递，而且还有能量形式的转移
• 任何温度在绝对零度以上的物体都能发射辐射能，但是
、 滞导•流滞流和动流和对，内湍流沿层流 传壁部 流：之 热面分 体流间 同法热 的体， 时向阻温呈热 起没很度滞传 作有小差流，极传小热。速度极快，
用质，点热的阻移较动小和混合温，度即
• 由上分析可知，
。 变没式化有仅缓对是慢流热传传热导，。传 因热 为方 液
• 在对流传热时，
体导热系数小，因此热
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• (一)对流传热分析
在间壁式换热器内，热量 通过固体壁面的传递是以 导热的方式进行的，而热 量从热流体到固体壁面一 侧，以及从固体壁面另一 侧到冷流体的传递则是
通过对流方式进行的。
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•湍流主体：
流体质点的剧烈混合并充满旋
涡，热T 量传递主要依靠对流传
缓冲层：流热体，流热动传介导于所起作用很小，这
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• 例2-2 有一炉壁由内向外依次为耐火砖、保温砖和建筑
砖三种材料组成。耐火砖：
W/(m·℃)，b1 230 mm
• 保温砖：
W/(m·℃)，b2 115 mm ；建筑砖：
•
W/(m·℃)，b3 230 mm 。测得内壁温度为
850℃，外壁温度为80℃。求单位面积的热损失和各层
当物体的内部或两个直接接触的物体之间存在着温度的差异时，物 体中温度较高的部分的分子因振动而与相邻分子碰撞，并将能量的 一部分传给后着，热能就从物体的较高部分传给温度教低的部分或 从一个温度较高的物体传递给直接接触的温度较低的物体。
特点：物体的分子或质点不发生宏观的相对位移。
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• 机理：
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2．液体的热导率 • 在非金属液体中，水的热导率最大， • 除水和甘油外，绝大多数非金属液体的热导率也
随温度的升高而降低。 • 一般wenku.baidu.com说，纯液体(水）热导率比其溶液的要大 • 液体的热导率基本上与压力无关。
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3．气体的热导率
• 气体的热导率很小，不利于导热，但可用来保温 或隔热。气体在保温中用处很大，固体保温材料 （如玻璃棉等）的热导率之所以小(0.035)，是因 为其结构呈纤维状和多孔状孔隙中含有大量空气 的缘故。
接触面上的温度。
解：由式（2-6）可得
W / m2
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t
t1
t2
t3
t4
x
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• 表2-1 各层温度降和热阻
• 可见，在多层平壁稳定热传导过程中,各层平壁的温度 差与其热阻成正比，哪层热阻大，哪层的温度差一定 大。
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2．圆筒壁的稳定热传导
• 圆筒壁的导热与平壁导热的不同之处在于圆筒壁的传热 面积和热通量不再是定值，而是随半径而变化。
1 ln 75 1 ln 125
1
1
25 51 75
ln 75 1 ln 125
=1.64
51 25 1 75
• λ较小的材料放内层热损失较小。
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• 三、对流传热
• （一）对流传热分析 • （二）对流传热基本方程和对流传热系数 • （三）对流传热系数的影响因素及其数值范围 • （四）量纲分析法在对流传热中的应用 • （五） 流体无相变时的对流传热系数关联式 • （六）流体有相变时的对流传热系数关联式 • （七）提高对流传热系数的途径
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化工保温材料
玻璃棉 导热率 0.03489 0.06978
W/m.K
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• 保温材料外 层还要有保 护层：
• 镀锌铁皮等
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聚苯乙烯泡沫板 导热率0.04185W/m.K
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离心玻璃棉
• 是将处于熔融状态的玻璃用离心喷吹法工艺进行 纤维化喷涂热固性树脂制成的丝状材料，再经过 热固化深加工处理，可制成具有多种用途的系列 产品。
温度梯度是向量，方向垂直于等温 面，正方向是指向温度升高的方向， 即由低温指向高温。
付立叶定律：在平壁内单位时间热传导的方式传递的热 量与垂直于热流方向的传热面积成正比，与温度梯度成 正比。
负号表示导热方向与温度兰州梯石化度职业方技术向学院相反。
（二）热导率（导热系数）
• 热导率在数值上等于单位温度梯度下的热通量，它是表 征物质导热能力的一个物性参数，
导率可取为1.0W/（m·℃）,试求： • (1)通过每平方米砖壁的导热量； • (2)平壁内距离高温侧100mm处的温度。
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• 解:（1）由式（2-4b）可得
• （2）设平壁内距高温处100mm处的温度为t，则由式 （2-4b）可得
•
℃
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（2）多层平壁的热传导
• 气体的热导率随温度的升高而增大，而在相当大 的压力范围内，压力对热导率的影响一般不考虑， 只有当压力很高（大于200MPa）或很低（小于 2.7kPa）时，才应考虑压力的影响，此时热导率 随压力升高而增大。
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想一想：
热导率（导热系 数）大小在生活
中的应用？
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热量传递的基本理论
一、热量传递的基本方式 二、热传导 三、对流传热 四、热辐射
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一、热量传递的基本方式
1．热传导 2．对流传热 3．热辐射
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1．热传导
定义：由于物质的分子、原子或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，简称导热。 热传导的条件：系统内存在温度差。
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集体 作业：
查化工保温材 料资料：名称、 应用、保温原
理
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（三）傅立叶定律的应用
1．平壁的稳定热传导 （1）单层平壁的稳定热传导
t1
Q
t2 b
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• 例2-1 厚度为300mm的砖壁，一侧温度为
600℃，另一侧温度为150℃。已知砖壁的热
• 热量传递的快慢可用两个指标来表示： • ①传热速率Q（又称热流量） 指单位时间内通过传热
面积的热量，单位为W；（KJ/S） • ②热通量q 指单位时间内通过单位传热面积的热量，
单位为W/m2。
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二、热传导
（一）傅立叶定律 （二）热导率
热传导在固体、液体和 气体中都可发生，但严 格说，只有固体中的传 热才是纯粹的热传导， 而流体即使处于静止状 态，其中也会有因温差 而引起的自然对流。所 以，在流体中对流传热 和热传导是同时发生的。 因此，这里只讨论固体
λ金属固体> λ非金属固体 > λ液体>λ气体
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1．固体的热导率
• 在所有的固体中，金属是最好的导热体。 • 大多数纯金属的热导率随温度的升高而降低。 • 金属的热导率大多随其纯度的增高而增大，所以
合金的热导率一般比纯金属的要低。 • 非金属固体的热导率与其组成、结构的致密程度
以及温度有关，一般热导率随密度的增大或温度 的升高而增大。 • 对于大多数均质固体材料，在一定的温度范围内， 其热导率与温度呈线形关系。
假定各层之间接触良好，接触面两侧温度相 同，即无接触热阻，各层热导率可视作常数。 因为是平壁，各层壁面面积相同设为A
在稳定传热时，通过上述串联平壁的 导热速率都是相等的。
Q b1 b2 b3
t
t1
t2
t3
t4
x
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根据等比定律
可推广至n层平壁
对于多层壁面的导热，可看成是多个热阻串联导热，温度差 与其热阻成正比。当总温差一定时，传热速率的大小取决于 总热阻的大小。
解：
每米管长的热损失为
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补充:有一蒸汽管外径为25mm，管外包 以两层保温材料，每层厚均为25mm。 外层与内层保温材料的热导率之比为 λ2/ λ1=5,此时热损失为Q.今将内外两 层材料互换位置，且设管外壁与外层保 温层外表面的温度均不变，则热损失为 Q´，求Q´/ Q ，说明何种材料放在里层 为好。
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解: 对第一种情况：
t Q
1 ln d2 1 ln d3
2l1 d1 2l2 d2
对第二种情况：
Q/
t
1 ln d2 1 ln d3
2l2 d1 2l1 d2
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Q/
1 ln
2l1
d2 d1
1
2l2
ln
d3 d2
Q
1 ln d2 1 ln d3
2l2 d1 2l1 d2
内的热传导问题。
•（三）傅立叶定律的应用
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（一）傅立叶(Fourier)定律
Q A dt
dn
式中：Q——导热速率，W ——温度梯度，℃/m
A——导热面积，m2 λ——热导率 W/（m ℃）
在系统内，凡在同一时刻、温度相 同的点所组成的面，称为等温面。 两等温面间的温度差△t与其间的垂 直距离△n之比，在△n趋于零时的 极限称为温度梯度。
原因：强制对流传热和自然对流传热
强制对流：用机械能（如搅拌流体〕使流体发生对流运动。 自然对流：流体质点的相对运动是因流体内部各处温度不同而引起 的局部密度差异所致。 机理：由于流体中质点发生相对位移和混合，而将热能由一处传递 到另一处。 对流传热的同时，伴随着流体质点间的热传导，两者合并处理， 一般也称为对流传热（又称为给热）
• 愈大，导热性能愈好。 • 要强化传热，选用 大的材料； • 要削弱传热，选用 小的材料。 • 热导率的数值与物质的组成、结构、密度、温度和压力
等有关。
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• 各种物质的热导率通常由实验测定。热导率数值 的变化范围很大。
• 一般来说，金属的热导率最大， • 非金属的次之， • 液体的较小， • 而气体的最小。
只有在物体温度较高时，热辐射才能成为主要的传热方
式。
•即在放热处，物体将热能转变成辐射 能，以电磁波的形式在空中传递，当遇 到另一个能吸收辐射能的物体时，即被 其部分或全部吸收并转变为热能。
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• 实际上，这三种传热方式很少单独存在，而经常是两种 或三种传热方式的组合。
• 如生产中普遍使用的间壁式换热器中的传热， 主要是以对流传热 和热传导相结合的方式进行（后面详细介绍）
t1
dr
ln d2
Q
d1
r r1
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•
•
b——圆筒壁的厚度，
•
• Am：对数平均面积，m2。
• rm——对数平均半径，m；
• 当 r2 ≤2时，以算术平均值代替对数平均值导致的误差<4%，在 工程r1计算中，这一误差可以接受。
• 所以当两个变量的比值 r2 ≤2时，经常用算术平均值来代替对数 平均值，使计算简便。 r1
• （1）单层圆筒壁的稳定热传导
• 有一内半径为r1、 • 外半径为r2， • 长度为L的圆筒， • 内壁温度t1， • 外壁温度t2， • 且t1>t2， • 热导率为λ。 • 在半径为r处沿 • 半径方向取厚度为 • dr的薄壁圆筒，
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或 Q 2 l(t1 t2 )
t2
r2