第四章传热第1、2节课件.ppt

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1、2023/3/28,第 四 章,传 热,2023/3/28,第一节 概述（1）,一、传热在化工生产中的应用,1、传热过程(传热操作单元)：热量自动的从高温向低温传递的过程。由温差而引起的能量传递。,2、传热研究的内容：热量传递的基本规律，利用其基本规律解决实际问题。,3、传热学与热力学的关系：热力学不研究传热的机理以及传热的快慢问题；而传热学研究传热过程的速率问题。,2023/3/28,第一节 概述（2）,传热的共性问题归纳如下,1)加热(使物料升温)t；冷却(使物料降温)t，(无相变化，显热量)物料变温过程。,2)蒸发、汽化、冷凝、沸腾(t不变)，相变化，潜热量物料相变过程。,化工过程中解决

2、的传热问题如下：,加强传热：加热快、冷却快，即加快传热速度。,削弱传热：保温防止热（冷）量损失，减少热量损失，热量的合理利用；节能。,2023/3/28,第一节 概述（3）,二、传热的三种方式,1、热传导(导热)：物体内部不发生质点的宏观运动，只靠 物体各部位接触的能量传递。需要有温差t及导热介质存在；固体、液体、气体都可以作为导热介质，只是导热机理不同。纯粹的导热只发生在静止的固体内部。,2023/3/28,第一节 概述（4）,2、热对流：流体内发生相对位移过程中，由于不同温度 流体质点的位移及混合引起的热量传递。热对流只发生在 流体内(传热介质)。,其中引起热对流的原因不同，可将热对流分为

3、两种：,自然对流：流体内部有温度差t而引起密度差，而引起热对流(无外力作用)。,强制对流：在外力作用下的热对流(搅拌等)。,2023/3/28,第一节 概述（5）,3、热辐射:,不需要温差t及传热介质，只要物体具有一定温度，向外辐射能量的现象。可在空间传播，辐射传热过程伴随热能与辐射能的转换。,4、化工过程中的传热方式,应该是三种传热方式的组合，而不是单一的一种传热方式。在化工生产中将流体与固体间的传热(导热+对流)称为对流传热。对流传热的特点：最终的热流方向总是由高温向低温进行传递。,2023/3/28,第一节 概述（6）,5、载热体及其选择：,在传热过程中，物料在换热器内被加热或被冷却，都

4、需要用另一种流体提供或取走热量，均称为载热体。,起加热作用的高温流体(T):热流体/加热剂起冷却作用的低温流体(t):冷流体/冷却剂,载热体,载热体的用量多与少，直接影响工程的经济效益。选择载热体还需以下原则：1)载热体的温度易调节控制；饱和蒸汽压较低，不易分解；2)毒性小，不易然、易爆，不易腐蚀设备；3)价格便宜，来源容易，等。,2023/3/28,第一节 概述（7）,热源和冷源,1、热源 1）电热：特点是加热能达到的温度范围广，而且便于控制，使用方便，比较清洁。但费用比较高。2）饱和水蒸气：优点：饱和水蒸气的冷凝温度和压强是一一对应的关系，调节饱和水蒸汽的压强就可以控制加热温度，使用方便，

5、而且饱和蒸汽冷凝过程的传热速率快。缺点：饱和水蒸气冷凝传热能达到的温度受压强的限制。,3）烟道气 烟道气的温度可达700以上，可以将物料加热到比较高的温度。缺点：传热速度慢，温度不易控制。2、冷源：一般采用水、空气和冷冻盐水等作为冷源。,2023/3/28,第一节 概述（8）,6、稳定传热与不稳定传热,1)稳定传热：流体温度只随位置改变，不随时间改变(传热速率 Q为常数)：t,T=f(x,y,z)换热器中不积累热量，即输入热量=输出热量2)不稳定传热：流体温度既随位置又随时间改变。不稳定传热 过程的传热速率不为常数：t,T=f(x,y,z,),2023/3/28,第一节 概述（9）,三、传热速

6、率Q：,2、热通量q(热流密度)：单位时间、单 位传热面积上所传递的热量。w/m,1、定义：单位时间传递热量的多少。单位：w=J/s；kw=kJ/s 或传热推动力与传热阻力之比。稳定传热Q是常数，即：Q1=Q2=Q3 不稳定传热Q是变量。,四、工程上换热设备中的传热方式：,热量由高温自动的传向低温物体。(1)热流体与固体壁间的热对流Q1(2)固体壁内的导热Q2(3)固体壁与冷流体的热对流Q3(4)Q1，Q3为热对流速率，Q2为导热速率,2023/3/28,第一节 概述（10）,3、传热速率的另一种表达：稳定传热：Q1=Q2=Q3 即各种传热方式的传热速率相等，传热方向与流体流动方向垂直。,总传

7、热推动力：,总热阻：,传热速率：,2023/3/28,第二节 热传导导热（1）,研究导热主要解决以下重要问题：导热速率,一、基本概念与傅立叶导热定律,传热的推动力：温差，这种温度差异，说明存在,温度分布：系统中温度的差别状态称系统的 温度分布。每一种温度分布表示对应的温差大小，决定了导热速率大小。,1、温度场：物体各点的温度、时间与空间(x，y，z)分布状态总和的函数关系为温度场。,2023/3/28,第二 节 热传导导热（2）,2、温度场的数学表达：,物系内任一点的空间坐标与时间的对应关系温度场,t=f(x，y，z,)不稳定的温度场,(t随x、y、z、同时改变),不稳定传热：Q不是常数。,t

8、=f(x,y,z)稳定传热温度场稳定传热,特殊处理:系统内温度变化仅沿一个方向进行变化。,t=f(x)一维稳定温度场：,2023/3/28,第二节 热传导导热（3）,等温线：,在具有一定温度分布的温度场中，将温度相同的点联结称为等温线。,等温面：将等温线联结即为等温面。,因等温面上温度处处相等，所以不同温度的等温面不能相交，温度t是位置的单值函数。,温度场内，等温面上t=0,没有热量传递。,2023/3/28,第二节 热传导导热（4）,2、温度梯度,问题：t最大的方向是什么方向？,由数学知t最大的方向应该是垂直于等温面的法向方向。即相邻两等温面的温差t与该两面的垂直距离n之比，称温度梯度(t/

9、n),定义温度梯度:,q(与n方向相反),一维稳定温度场的温度梯度：,2023/3/28,第二节 热传导导热（5）,通过等温面的导热速率dQ与温度梯度t/n及传热面积dS成正比。,式中：“”表示传热方向(Q)与温度梯度相反；,：表示导热系数；S：表示导热面积(等温面)，垂直于热流方向上的截面积。,3、傅里叶导热定律,dQ dS t/n,稳定传热Q是常数,一维,2023/3/28,第二节 热传导导热（6）,定义式：,1)的物义：单位温度梯度(t/n=1)，单位导热面积S=1时的导热速度Q=J/s;表示物体的导热能力，即比较 值的大小即可确定导热速率。,2)的单位：w/m；kw/m,3)的特性：为

10、物质的物理属性，值的大小表示其物质的导 热能力。值与物质的组成、结构、密度及所在温度有关；值由实验测量并列表。,4、导热系数,影响因素：,与物质纯度有关：物质越纯，；纯铜=377W/m;青铜=187W/m；熟铁=61W/m;钢=45W/m;,与物质内部结构有关：同一材料密度越大则；硬朔料=20W/m；泡沫朔料=0.02W/m；,与物质物理性状有关：冰=2.25W/m；0水=0.57W/m；0汽=0.016W/m。,2023/3/28,第二节 热传导导热（7）,一般规律：,(1)均匀固体的：=0(1+t)0:固体在0 时的导热系数；:温度系数1/；其与温度近似呈线性关系。,1）金属的0 对于固体

11、其值，可取不同的温度下的平均值 m。,(2)液体的:规律水和甘油的规律相同:t、；其它液体：t，。,(3)气体的：一般比较小，有利于保温和绝热；规律 t、。,2023/3/28,第二节 热传导导热（8）,决定导热速率Q,S的表达式由换热器形状决定,温度梯度由导热方式决定,1、单层平壁的稳定热传导,设：平壁厚bm,两侧外表面积Sm2 每个等温面或传热面相等；,导热方式：热量从高温侧传导至低温侧；认为传热方向是垂直于该壁面进行，温度由t1降至t2；导热系数为常数。,二、平壁的稳定热传导,2023/3/28,第二节 热传导导热（9）,2、单层平壁导热速率公式,平壁S为常数，边界条件：,2023/3/

12、28,第二节 热传导导热（10）,3、单层平壁内的温度分布：,平壁S为常数，设在x处其温度为tx：,2023/3/28,第二节 热传导导热（11）,4、多层平壁的稳定热传导,讨论对象：三层平壁为均匀固体，且接触良好，两接触面的温度相同。,对稳定传热:Q1=Q2=Q3,三层固体壁厚:b1、b2、b3导热系数:1、2、3为常数各层温变:t1t2t3t4,R1R2R3,根据单层平壁的导热速率，知：,2023/3/28,第二节 热传导导热（12）,推广到n层平壁的稳定热传导速度：,注意：总推动力即总温差；推动力与阻力相对应，即推动力与阻力在同 一范围内。,2023/3/28,第二节 热传导导热（13）

13、,以上结论是针对两面接触良好情况下得到的；实际情况是不同的两接触面间，由于粗糙不平存在空隙而产生接触热阻，使接触面处出现明显的温度降，这是中间有空隙造成的。接触热阻与材料、表面粗糙程度及接触面上的压强也有关系。,接触热阻值是由实验测得的，列表(表4-4)。,2023/3/28,课堂例题(1),某平壁层由三层材料组成，其厚度分别为30cm,25cm,40cm;导热系数分别为：1.6W/m；0.58W/m；0.93W/m；已知内层温度为1100；最外层温度为100；求：各层温度降？如果由于某种原因，在第二层与第三层之间有一3mm厚的空气层，而要求热损失与原来相同，再求最外层温度为多少？,已知：b1

14、=0.3m,b2=0.25m,b3=0.4m;1=1.6W/m;2=0.58W/m；3=0.93W/m;t1=1100;t4=100；求：1)t1;t2;t3;2)又有b=0.003m而Q不变，t5=?(查空气的0.031W/m),2023/3/28,课堂例题(2),2023/3/28,课堂例题(3),2023/3/28,课堂例题(4),2023/3/28,第二节 热传导导热（14）,三、圆筒壁热的稳定热传导,2023/3/28,第二节 热传导导热（15）,圆筒壁的导热面S：不是常数，随管壁半径（壁厚）r改变：,S=2rL,导热（传热）方向：由圆心向外壁面发散进行。,设内壁温为t1,内半径为r

15、1;外壁温为t2，外半径为r2；壁厚b=r2-r1。,1、单层圆筒壁热传导速率公式,2023/3/28,第二节 热传导导热（16）,(1)单层圆筒壁导热速率公式：,圆筒壁中稳定导热的温度梯度：,傅立叶导热定律：,边界条件：,2023/3/28,第二节 热传导导热（17）,2023/3/28,第二节 热传导导热（18）,(2)圆筒壁内的热通量：,(3)圆筒壁内的温度分布：,2023/3/28,第二节 热传导导热（19）,2、多层圆筒壁热传导速率公式,2023/3/28,第二节 热传导导热（20）,设：各层壁厚b1=r2-r1,b2=r3-r2,b3=r4-r3;1、2、3为常数;t1t2t3t4,均匀固体，且各层接触良好，两接触面的温度相同。,Q1=Q2=Q3=Q,2023/3/28,第二节 热传导导热（21）,多层圆筒壁热传导速率公式,多层圆筒壁的热阻串联，利用单层圆筒壁的结果，则多层的传热速率为：,推广到n层圆筒壁：,2023/3/28,人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进。,