第四章传热 第一节概述 传热过程 由热力学第二定律可知,凡有温度差存在的地方,就必然有热量的传递。 化学工业与传热密切相关,化工生产过程中许多单元操作都需要加热和冷却 化工生产中进行传热操作的目的 料液的加热和冷却,为达到反应所需的温度 2.为维持反应温度,需不断输入或输出热量 3.许多单元操作需输入或输岀热量; 4.化工设备的保温 5.生产过程中热能的综合利用及废热的回收 化工生产对传热过程的要求 1.强化传热——要求传热速率高,降低设备成本 2.削弱传热—可减少热损失 传热的基本方式(传热机理) 传热原因——传热推动力(温度差) 传热方向——在无外功输入时,由热力学第二定律,热流方向由高温处向低温处流动。 传热的三种基本方式 1.热传导——物体内部或两个直接接触物体之间的传热方式。 金属导体一自由电子运动 不良导体,大部分液体—温度高的分子振动,与相邻分子碰撞,造成的动量传递 气体一分子无规则运动 热传导是静止物体内的一种传递方式,没有物质的宏观位移 2.对流传热—是指流体由质点发生相对位移而引起的热交换 对流传热仅发生在流体中,所以与流体的流动方式密切相关 自然对流——质点位移是由于流体內部密度差引起的,使轻者浮,重者沉 强制对流——质点运动是由外力作用所致。 对流传热同时伴有热传导,事实上无法将其分开——又称给热。 化工中所讨论的给热,都是指流体与固体壁面之间的传热过程——间壁式换热 3.热辐射——是一种通过电磁波传递能量的过程 任何物体,只要在K以上都能发射电磁波,而不依靠任何介质,当被另-物体接收
1 第四章 传热 第一节 概 述 一、传热过程 由热力学第二定律可知，凡有温度差存在的地方，就必然有热量的传递。 化学工业与传热密切相关，化工生产过程中许多单元操作都需要加热和冷却。 化工生产中进行传热操作的目的—— 1． 料液的加热和冷却，为达到反应所需的温度； 2． 为维持反应温度，需不断输入或输出热量； 3． 许多单元操作需输入或输出热量； 4． 化工设备的保温； 5． 生产过程中热能的综合利用及废热的回收。 化工生产对传热过程的要求： 1．强化传热——要求传热速率高，降低设备成本； 2．削弱传热——可减少热损失。 二、传热的基本方式（传热机理） 传热原因——传热推动力（温度差） 传热方向——在无外功输入时，由热力学第二定律，热流方向由高温处向低温处流动。 传热的三种基本方式： 1．热传导——物体内部或两个直接接触物体之间的传热方式。 金属导体—自由电子运动 不良导体，大部分液体—温度高的分子振动，与相邻分子碰撞，造成的动量传递。 气体—分子无规则运动 热传导是静止物体内的一种传递方式，没有物质的宏观位移。 2．对流传热——是指流体由质点发生相对位移而引起的热交换。 对流传热仅发生在流体中，所以与流体的流动方式密切相关。 自然对流——质点位移是由于流体内部密度差引起的，使轻者浮，重者沉； 强制对流——质点运动是由外力作用所致。 对流传热同时伴有热传导，事实上无法将其分开——又称给热。 化工中所讨论的给热，都是指流体与固体壁面之间的传热过程——间壁式换热 3．热辐射——是一种通过电磁波传递能量的过程 任何物体，只要在 0K 以上都能发射电磁波，而不依靠任何介质，当被另一物体接收
后,又重新变为热能。 热辐射不仅是能量转移,也伴随着能量形式的转移。 、间壁式换热 1.间壁式换热过程 t冷流体 一由对流、导热、对流三过程串联而成 体 (1)热流体以对流方式将热量传递到间壁一侧; (2)热量以导热方式通过间壁 (3)热量以对流方式传至冷流体。 对流传热热传导对流传热 2。问壁式换热器——典型的传热设备 (1)夹套式换热器 (2)套管式换热器 热流体 T 冷流体 (3)蛇管式换热器(盘管式) (4)列管式换热器 单管程 双管程
2 后，又重新变为热能。 热辐射不仅是能量转移，也伴随着能量形式的转移。 三、间壁式换热 1． 间壁式换热过程 —由对流、导热、对流三过程串联而成 （1）热流体以对流方式将热量传递到间壁一侧； （2）热量以导热方式通过间壁； （3）热量以对流方式传至冷流体。 2。间壁式换热器——典型的传热设备 (1)夹套式换热器 （2）套管式换热器 （3）蛇管式换热器（盘管式） （4）列管式换热器 单管程 双管程 对流传热 热传导 对流传热 Q 热 流 体 冷 流 体 T1 T2 t2 t1 热流体 T1 T2 t2 t1 冷流体
多管程 3传热速率方程式 O= KAAt Q—传热速率,W或Js K—总传热系数W/m2K A—传热面积, △tn—平均温度差(推动力),K或 1/(KA)——热阻 4.定态传热—指传热系统中,各点温度仅随位置而变,而不随时间而变。 特点:热量在过程中无积累,Q[J/s为常量 非定态传热指传热系统中,各点温度随时间而变 第二节热传导 热传导基本概念 温度场和温度梯度 (1)温度场——某一瞬间,空间(或物体)所有各点温度分布 t=fx,y, a,) 定常态温度场:t=f(x,y,) 一维定常态温度场:t=f(x) (2)等温面——同一时刻,温度场中相同温度各点所组成的曲面。 温度不同的等温面彼此不能相交。 (3)温度梯度— 同一等温面上各点的温度相同,故沿着等温面移动,温度无变化,即无热量传递; 若沿着与等温面相交的任何方向移动,温度发生变化,并伴有热量传递。而最大的 温度改变是在与等温面垂直方向上(法线方向 与等温面法线方向上温度的变化率
3 多管程 3 传热速率方程式 m Q = KAt Q——传热速率，W 或 J/s K——总传热系数,W/m2·K A——传热面积，m2 Δtm——平均温度差（推动力），K 或 0C 1/(KA)——热阻 4．定态传热——指传热系统中，各点温度仅随位置而变，而不随时间而变。 特点：热量在过程中无积累，Q[J/s]为常量 非定态传热——指传热系统中，各点温度随时间而变。 第二节 热传导 一、热传导基本概念 1． 温度场和温度梯度 （1）温度场——某一瞬间，空间（或物体）所有各点温度分布 t = f (x, y,z, ) 定常态温度场： t = f (x, y,z) 一维定常态温度场： t = f (x) （2）等温面——同一时刻，温度场中相同温度各点所组成的曲面。 温度不同的等温面彼此不能相交。 （3）温度梯度—— 同一等温面上各点的温度相同，故沿着等温面移动，温度无变化，即无热量传递； 若沿着与等温面相交的任何方向移动，温度发生变化，并伴有热量传递。而最大的 温度改变是在与等温面垂直方向上（法线方向）。 与等温面法线方向上温度的变化率
at at gred t=lim △na [+t -At 温度梯度方向是朝着温度增加的方向,与热流方向相反。 一维温度梯度:gett 2傅立叶定律——热传导基本定律 do=-idA 一维导热Q=M4 Q—导热速率,ⅣW]或[] A—导热面积,与热流方向垂直的表面积,[m2] dt d温度梯度,Km,负号表示热流方向总是于温度梯度方向相反; λ—导热系数,[wmk] 二、导热系数λ 1.物理意义——λ表征物质的导热能力,物质的热物性参数 2.影响因数——主要有物质种类、组成和温度,并与结构疏松程度有关。 3.金属>非金属>液 计算公式 多数物质A=1(1+ar) 平壁的定态热传导 1.单层平壁的定态热传导 设(1)材质均匀——4为常数 2 (2)一维定态导热—温度沿x方向变化 (3)Q与A均为常量 (4)t>t 由傅立叶定律:Q=-4A4 dx 分离变量后积分山一元 -t1 表示温度线斜率为-,截距分别为l,t
4 gred n t n t t n = = → lim 0 温度梯度方向是朝着温度增加的方向，与热流方向相反。 一维温度梯度：gret dx dt t = 2.傅立叶定律——热传导基本定律 n t dQ dA = − 一维导热 dx dt Q = −A Q——导热速率，[W]或[J/s] A——导热面积，与热流方向垂直的表面积，[m2 ] dx dt ——温度梯度，[K/m]，负号表示热流方向总是于温度梯度方向相反； ——导热系数，[w/m.k]。 二、导热系数 ， 1．物理意义—— 表征物质的导热能力，物质的热物性参数。 2．影响因数——主要有物质种类、组成和温度，并与结构疏松程度有关。 3． 金属 非金属 液 气 4．计算公式： 多数物质 = (1+ at) 0 三、平壁的定态热传导 1．单层平壁的定态热传导 设（1）材质均匀—— 为常数 （2）一维定态导热——温度沿 x 方向变化 （3）Q 与 A 均为常量 （4）t1>t2 由傅立叶定律： dx dt Q = −A 分离变量后积分 = − t t x dx A Q dt 1 0 x A Q t t − 1 = − 表示温度线斜率为 A b − ，截距分别为 t1，t2 t+Δt t t-Δt n t t t1 t2 Q x 0 x dx b
Q=42=A传热推动力 R热阻 ZA 2.多层平壁的定态热传导 设(1)材质均匀,层层接触良好,λ1,λ2为常数 (2)一维定态导热 (3)Q与A均为常量 (4)1>l2>l3>t4 h1-l2l2-l3t3-t4 11422AA3 图中每根温度线斜率为-Q,9,-Q MA 2A 1,A 应用合比公式 O= 总推动力△ h+b2+b总热阻∑R MA 22A A3A (1-12)(2-1)(2-1)=R:R2:R3 该式说明,在多层平壁的定态热传导过程中,哪层热阻大,哪层温差就大。 四、圆筒壁定态热传导 与平壁相比 相同处——定态热传导,Q为常量 不同处——1)传热面为同心圆柱面,随r而变 2)温度沿r而变 1.单层圆筒壁的定态热传导 rI dt 设内壁半径为r1,温度为t 外壁半径为r2,温度为12 在半径r处取dr薄层,若圆筒长L 则传热面积A=2zHL dt 由傅立叶方程=-4d dr 2L2 dt Q d r 2 L2 dt
5 热阻 传热推动力 = = − = R t A b t t Q 1 2 2．多层平壁的定态热传导 设（1）材质均匀，层层接触良好， 1 2 3 , , 为常数 （2）一维定态导热 （3）Q 与 A 均为常量 （4） 1 2 3 4 t t t t A b t t A b t t A b t t Q 3 3 3 4 2 2 2 3 1 1 1 2 − = − = − = 图中每根温度线斜率为 A Q A Q A Q 1 2 3 − ，− ，− 应用合比公式 = + + − = Ri t A b A b A b t t Q 总热阻 总推动力 3 3 2 2 1 1 1 4 ( ) ( ) ( ) 1 2 2 3 3 4 1 2 3 t − t : t − t : t − t = R : R : R 该式说明，在多层平壁的定态热传导过程中，哪层热阻大，哪层温差就大。 四、圆筒壁定态热传导 与平壁相比： 相同处——定态热传导，Q 为常量 不同处——1) 传热面为同心圆柱面，随 r 而变 2) 温度沿 r 而变 1. 单层圆筒壁的定态热传导 设内壁半径为 r1，温度为 t1 外壁半径为 r2，温度为 t2 在半径 r 处取 dr 薄层，若圆筒长 L 则传热面积 A=2 rL 由傅立叶方程 dr dt rL dr dt Q = −A = −2 = − = − 2 1 2 1 2 2 t t r r dt Q L r dr dt Q L r dr t t1 t2 t3 t4 b1 b2 b3 x Q t r1 r r2 r dr t1 t2 dt