第四章 传 热,Heat transfer,本章主要内容,4.1 概 述 4.2 热传导 4.3 对流传热 4.4 传热计算 4.5 热辐射 4.6 换热器,4.1 概 述,一、传热过程的应用 二、传热的基本方式 三、冷、热流体热交换形式 四、传热速率方程式,一、传热过程在化工生产中的应用,热力学第二定律指出，凡是有温度差存在的地方，就必然有热量传递，故在几乎所有的工业部门，如化工、能源、冶金、机械、建筑等都涉及传热问题。,强化传热,削弱传热,1、物料的加热与冷却。 2、生产中热能的合理利用，废热回收。 3、化工设备和管道的保温，以减少热损失。,二、传热的基本方式,根据热力学第二定律，当无外功输入时，热总是自动地从温度较高的部分传给温度较低的部分。 根据传热机理的不同，热传递有三种基本方式：,热传导(conduction) 热对流(convection) 热辐射(radiation),1、热传导(conduction),机理：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现象。,特点：物体的分子或质点不发生宏观的相对位移。 （1）金属固体中，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，导热是通过晶格结构的振动,即原子、分子对其平衡位置附近的振动来实现的； （3）在气体中，导热则是由于分子的不规则运动而引起的。,机理：流体质点发生宏观移动和混合，将热能由高温处传递到低温处。 分类 自然对流：因流体内部冷、热部分的密度差异所致。 强制对流：用外力（如搅拌流体使流体强制流动。,2、热对流(convection),3、热辐射(radiation),机理：物体因本身温度的原因，激发产生电磁波，向空间传播，称为热辐射。,特点： 不仅产生能量的转移，而且伴随着能量形式的转换； 传播不需要任何物质做媒介,可以在真空中传播； 是高温物体之间的主要传热形式。,三、冷、热流体热交换形式,1、直接接触式和混合换热器 2、间壁式换热和间壁式换热器 3、蓄热式换热和蓄热器,传热过程中，根据冷热流体接触方式的不同，热交换可分为三种基本形式，每种传热形式所用换热设备的结构也各不相同。,1、直接接触式和混合换热器,蒸米饭,1、直接接触式和混合换热器,主要特点：冷热两种流体间的热交换，是依靠热流体和冷流体直接接触和混合过程实现的。 优点：传热速度快、效率高，设备简单。 设备：凉水塔、喷洒式冷却塔、洗涤塔、混合式冷凝器 适用范围：无价值的蒸汽冷凝，或其冷凝液不要求是纯粹的物料等，允许冷热两流体直接接触混合的场合。,列管式换热器,2、间壁式换热和间壁式换热器,主要特点：冷热两种流体被一固体间壁所隔开，在换热过程中，两种流体互不接触，热量由热流体通过间壁传给冷流体。 设备：列管式换热器、套管式换热器。 适用范围：不许直接混合的两种流体间的热交换。,2、间壁式换热和间壁式换热器,冷、热流体通过间壁两侧的传热过程包括以下三个步骤： （1）热流体以对流方式将热量传递给管壁； （2）热量以热传导方式由管壁的一侧传递至另一侧； （3）传递至另一侧的热量又以对流方式传递给冷流体。,流体与壁面之间的热量传递以对流为主，并伴随热传导，通常把这一传热过程称为对流传热。,3、蓄热式换热和蓄热器,3、蓄热式换热和蓄热器,主要特点：蓄热器内装有固体填充物（如耐火砖等），热、冷流体交替地流过蓄热器，利用固体填充物来积蓄和释放热量而达到换热的目的。 优缺点：结构简单，可耐高温，但设备体积庞大，且不能完全避免两种流体的混合。 适用范围：使用不多，常用于高温气体热量的回收或冷却。,四、 稳态传热和非稳态传热,稳态传热：传热系统中各点的温度仅随位置的变化而变化，不随时间变化而变化。 特点：在同一热流方向上的传热速率为常量。 非稳态传热：传热系统中各点的温度不仅随位置不同而不同，而且随时间发生变化。 连续生产过程中所进行的传热多为稳态传热。 在间歇操作的换热设备中或连续操作的换热设备处于开、停车阶段以及改变操作条件时所进行的传热，都属于非稳态传热。,五、传热速率和热流密度,传热速率Q（rate of heat transfer）：又称热流量（rate of heat flow），指单位时间内通过传热面的热量，单位W 。 整个换热器的传热速率表征了换热器的生产能力。 热流密度q：又称热通量（heat flux），指单位时间内通过单位传热面积传递的热量，单位W/m2 。 在一定的传热速率下，q越大，所需的传热面积越小。因此，热通量是反映传热强度的指标，又称为热流强度。,六、传热速率方程式,传热过程的推动力：两流体的温度差，通常用平均温度差tm进行计算，单位为K或。 经验指出，在稳态传热过程中，传热速率Q与传热面积A和两流体的温度差tm成正比。即传热速率方程式为：,其中，比例系数K为总传热系数（overall heat transfer coefficient），单位为W/(m2.K),4.2 热传导,一、傅里叶定律 二、导热系数 三、平壁的稳态热传导 四、圆筒壁的稳态热传导,4.2 热传导,冬天，铁凳与木凳温度一样，但我们坐在铁凳子上要比坐在木凳子上，感到冷得多，为什么？ 一杯热牛奶，放在水里比摆在桌子上要冷得快，为什么？,讨论：,1温度场（temperature field） 任一瞬间，物体或系统内所有各点的温度分布称为温度场。 2等温面 指同一时刻，温度场中相同温度各点所组成的面，彼此不相交 。 3等温线 指等温面与同一平面相交的交线。 4温度梯度（temperature gradient） 指温度场内某一点等温面法线方向的温度变化率。方向与给定点等温面的法线方向一致，以温度增加的方向为正。,基本概念,一、傅里叶定律（Fouriers Law）,式中：Q导热速率，W A导热面积，m2 材料的导热系数，W/（m.）或W/（m.K） dt/dx沿x方向的温度梯度，/m或K/m。x方向为热流方向，即温度降低的方向，故为负值。,在质地均匀的物体中，若等温面上各点的温度梯度相同，则单位时间内传导的热量与温度梯度和垂直于热流方向的导热面积成正比。,二、导热系数（thermal conductivity）,在数值上等于单位温度梯度下，单位导热面积上的导热速率。它表征物质导热能力的大小，是物质的物理性质之一，通常用实验测定。,物质的导热系数主要与物质的种类和温度有关。 纯金属合金非金属建筑材料液体绝缘材料气体,1、 固体的导热系数,金属：金属是最好的导热体。 纯金属：熔融状态时变小。 合金：随纯度。 随T 。 非金属建筑材料和绝热材料 与温度、组成和结构的紧密程度有关。 随T ， 随密度 ，存在最佳密度，使最小。,2、 液体的导热系数,水的导热系数最高。 水=0.6。 除水、乙二醇和甘油外，随T。 一般，溶液纯有机液体。,3、 气体的导热系数,气体的导热系数最小，对导热不利，但利于保温隔热。 随T 常压下，随压力的增减变化很小，可忽略不计。 过高或过低压力时 (200 MPa 或2.7KPa ) ，随P。,导热系数与温度的关系,对于大多数的物质，在温度变化范围不大时，导热系数与温度近似成直线关系：,0 (1+t),式中：物质在温度 t 时的导热系数， 0物质在温度 0 时的导热系数， 温度系数，-1，对大多数金属材料和液体为负值，而对大多数非金属材料和气体为正值。,在工程计算中，对于各处温度不同的固体，其导热系数应取最高温度和最低温度下导热系数的算术平均值，或者由平均温度t=(t1+t2)/2求得。,三、平壁的稳态热传导,1、单层平壁热传导,由傅立叶定律：,分离变量后积分，可得导热速率方程为：,2、多层平壁的热传导,在稳定传热时，通过串联平壁的导热速率都是相等的。,根据等比定律,对n层平壁，,思考题,对于多层平壁的稳态导热过程而言，下列论断正确的是： （1）传热推动力和热阻是可以加和的，总热阻等于各层热阻之和，总推动力等于各层推动力之和。 （2）哪层热阻大，哪层温差大；反之，哪层温差大，哪层热阻一定大。 （3）通过每层壁面的热量相等。 （4）温差确定后减少阻力就可强化传热，可通过减少壁厚或增加导热系数和平壁面积来达到。,【例4-1】某平壁燃烧炉由一层100mm厚的耐火砖和一层80mm厚的普通砖砌成，其导热系数分别为1.0W/（m.）及0.8W/（m.）。操作稳定后，测得炉壁内表面温度为720，外表面温度为120。为减小燃烧炉的热损失，在普通砖的外表面增加一层厚为30mm，导热系数为0.03W/（m.）的保温材料。待操作稳定后，又测得炉壁内表面温度为800，外表面温度为80。设原有两层材料的导热系数不变，试求： （1）加保温层后炉壁的热损失比原来减少的百分数； （2）加保温层后各层接触面的温度。,解：（1）加保温层后炉壁的热损失比原来减少的百分数,加保温层前，为双层平壁的热传导，单位面积炉壁的热损失，即热通量q1为：,加保温层后，为三层平壁的热传导，单位面积炉壁的热损失，即热通量q2为,加保温层后热损失比原来减少的百分数为,解：（2）加保温层后各层接触面的温度,已知q2=600w/m2，且通过各层平壁的热通量均为此值。,各层的温度差和热阻的数值,【例4-2】某冷库的墙壁由三层材料构成，内层为软木，厚15mm，导热系数= 0.043W/(m)，中层为石棉板，厚40mm，导热系数= 0.10W/ (m) ，外层为混凝土，厚200mm，导热系数= 1.3W/ (m) ，测得内墙表面为-18，外墙表面温度为24， 计算每平方米墙面的冷损失量；若将内、中层材料互换而厚度不变，冷损失量将如何变化。,互换材料后，由于导热热阻的增大，使得冷量损失减少。在使用多层材料保温时要注意热阻的分配。,将内、中层材料互换而厚度不变时：t1-18，t4=24， 1= 0.10W/(m) ， 2= 0.043W/(m) ， 3=1.3W/ (m),解：t1-18，t4=24， 1=0.043W/(m)， 2=0.10W/(m)， 3=1.3W/ (m),四、圆筒壁的稳态热传导,1、单层圆筒壁热传导,在r处，传热面积A=2rl。,1、单层圆筒壁热传导,1、单层圆筒壁热传导,说 明,在任一半径r处，温度表示为: 表明温度沿r方向为对数曲线分布，温度梯度随r增大而减小。,在稳态下，传热速率Q为常量，与坐标r无关。但热流密度q=Q/(2rl)随坐标r变化。所以，工程上通常取单位圆筒壁长度计算传热速率，记为ql，单位是W/m。,2、多层圆筒壁热传导,2、多层圆筒壁热传导,说 明,总推动力为各层温度差之和，总热阻为各层热阻之和。,各层的导热速率相同，温差与热阻成正比。,不论圆筒壁由多少层组成，通过各层导热速率Q和ql为常量，但q不为常量；,其中每一层的温度分布为对数曲线，但各层分布曲线不同。,【例4-3】在一60mm3.5mm的钢管外包有两层绝热材料，里层为40mm的氧化镁粉，平均导热系数=0.07W/（m.），外层为20mm的石棉层，其平均导热系数=0.15W/（m.）。现用热电偶测得管内壁的温度为500，最外层表面温度为80，管壁的导热系数=45W/（m.）。 试求每米管长的热损失及保温层界面的温度。,解：（1）每米管长的热损失,此处，,（2）保温层界面温度t3,解得，,例4-4：有直径38mm2mm的黄铜冷却管，假如管内生成厚度为1mm的水垢，水垢的热导率为=1.163W/（m.），试计算水垢热阻是黄铜管热阻的多少倍？黄铜管的热导率为=110W/（m.）。,思考题,思考1： 气温下降，应添加衣服，应把保暖性好的衣服穿在里面好，还是穿在外面好？,思考2：保温层越厚，保温效果越好吗？,思考题,思考1：,导热