第四章 传热 传热传热以以温度差温度差为推动力的热量传递。为推动力的热量传递。 传热在工业生产中的应用：传热在工业生产中的应用：4 传 热物料的加热与冷却物料的加热与冷却热量与冷量的回收利用热量与冷量的回收利用设备与管路的保温设备与管路的保温 热量传递的基本方式：热量传递的基本方式：热传导热传导 热对流热对流 热辐热辐射射热传导4 传 热导热机理导热机理特点特点没有物质的宏观位移。没有物质的宏观位移。固体固体自由电子迁移和晶格振动自由电子迁移和晶格振动液体液体 类似于分子类似于分子/晶格振动晶格振动气体气体分子无规则热运动分子无规则热运动 若物体各部分之间不发生相对位移，仅借分子、若物体各部分之间不发生相对位移，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原子和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（又称导热）。传递称为热传导（又称导热）。热对流4 传 热在化工传热过程中，常遇到的是流体流过固体在化工传热过程中，常遇到的是流体流过固体壁面时发生的壁面时发生的对流和热传导联合作用对流和热传导联合作用的传热过程，的传热过程，称为称为对流传热对流传热。强制对流强制对流自然对流自然对流 流体各部分之间发生相对位移所引起的热传递流体各部分之间发生相对位移所引起的热传递过程称为热对流（简称对流）。过程称为热对流（简称对流）。热对流仅发生在流体中。热对流仅发生在流体中。热辐射4 传 热特点：特点：热辐射可在完全真空的地方传递而无需任何介质。热辐射可在完全真空的地方传递而无需任何介质。热辐射不仅产生能量的转移，而且伴随有能量形式热辐射不仅产生能量的转移，而且伴随有能量形式的转换。的转换。 仅当物体间的温度差较大时，辐射传热才能成仅当物体间的温度差较大时，辐射传热才能成为主要的传热方式。为主要的传热方式。 因因热的原因热的原因而产生的电磁波在空间的传递，称为而产生的电磁波在空间的传递，称为热辐射。热辐射。两流体通过间壁换热与传热速率方程式4 传 热 间壁式换热器间壁式换热器列管式换热器列管式换热器4 传 热套管式换热器 冷溶液进 冷溶液出 热溶液进热溶液出套管式换热器套管式换热器两流体通过间壁换热与传热速率方程式 间壁式换热器间壁式换热器4 传 热 两流体通过间壁的传热过程两流体通过间壁的传热过程三个过程串联而成：三个过程串联而成：(1)(1)热流体以对流方式将热量热流体以对流方式将热量 传递到间壁的一侧壁面。传递到间壁的一侧壁面。(2)(2)热量从间壁的一侧壁面以热量从间壁的一侧壁面以 导热方式传递到另一侧壁面。导热方式传递到另一侧壁面。(3)(3)以对流方式将热量从壁面以对流方式将热量从壁面 传给冷流体。传给冷流体。两流体通过间壁换热与传热速率方程式4 传 热 稳态传热与非稳态传热稳态传热与非稳态传热稳态传热物体中各点温度不随时间变化的物体中各点温度不随时间变化的 热量传递过程。热量传递过程。非稳态传热物体中各点温度随时间变化的物体中各点温度随时间变化的 热量传递过程。热量传递过程。 连续生产中的传热过程多为稳态传热。故连续生产中的传热过程多为稳态传热。故本章除非另有说明，讨论的都是本章除非另有说明，讨论的都是稳态传热稳态传热。 两流体通过间壁换热与传热速率方程式4 传 热 传热速率与热流密度传热速率与热流密度传热速率传热速率单位时间内通过传热面的热量。单位时间内通过传热面的热量。Q，单位为，单位为或或J/s。（热流量热流量）热流密度热流密度单位时间内通过单位传热面积传单位时间内通过单位传热面积传 递的热量。递的热量。q，单位为，单位为/m2。（热通量热通量）两者关系：两流体通过间壁换热与传热速率方程式 传热速率方程式传热速率方程式4 传 热传热速率总传热系数单位：W/(m2K)传热面积平均温差两流体通过间壁换热与传热速率方程式4 传 热 教学内容： 热传导热传导 对流传热对流传热 热辐射热辐射 两流体间传热过程的计算两流体间传热过程的计算 换热器换热器主要内容：4.1 热传导 傅立叶定律傅立叶定律 热导率热导率 平壁的稳态热传导平壁的稳态热传导 圆筒壁的稳态热传导圆筒壁的稳态热传导4.1.1 傅立叶定律(1)基本概念 温度场温度场任一瞬间物体或系统内各点的温度任一瞬间物体或系统内各点的温度 分布总和。分布总和。等温面等温面同一时刻温度场中所有温度相同的同一时刻温度场中所有温度相同的 点相连接而构成的面。点相连接而构成的面。 温度不同的等温面或等温线不能相交。温度不同的等温面或等温线不能相交。4.1.1 傅立叶定律(1)基本概念 温度梯度温度梯度温度场内某一点等温面法线方向的温度场内某一点等温面法线方向的 温度变化率。为温度变化率。为向量向量，方向与法线，方向与法线 方向一致，方向一致，以温度增加方向为正以温度增加方向为正。对于一维稳态热传导，温度梯度表示为对于一维稳态热传导，温度梯度表示为4.1.1 傅立叶定律(1)基本概念 单位时间内传导的热量与温度梯度及垂直于热单位时间内传导的热量与温度梯度及垂直于热流方向的导热面积成正比。表达式为流方向的导热面积成正比。表达式为 导热速率导热速率，W导热面积导热面积，m2温度梯度温度梯度，/m或K/m热导率或导热系数热导率或导热系数，W/(m)或或W/(mK)式中负号表示热量传递方向与温度梯度方向相反。式中负号表示热量传递方向与温度梯度方向相反。4.1.1 傅立叶定律(2)傅立叶定律 4.1.2 热导率(1) 定义式 数值上等于单位温度梯度下，单位时间内通数值上等于单位温度梯度下，单位时间内通过单位导热面积的热量。表示物质的导热能力，过单位导热面积的热量。表示物质的导热能力，是物质的一个重要热物性参数。是物质的一个重要热物性参数。(2) 物理意义纯金属：银的热导率最大，然后为铜、铝，纯金属纯金属：银的热导率最大，然后为铜、铝，纯金属达到熔融状态时导热率变小。达到熔融状态时导热率变小。 一般来说，纯金属的热导率最大，合金次之，一般来说，纯金属的热导率最大，合金次之，再依次为建筑材料、液体、绝热材料，气体最小。再依次为建筑材料、液体、绝热材料，气体最小。液体：水的热导率最大，有机液体较小。液体：水的热导率最大，有机液体较小。气体：氢的热导率最大，一般气体较小。在通常范气体：氢的热导率最大，一般气体较小。在通常范围内，压力对气体的热导率无明显影响。围内，压力对气体的热导率无明显影响。 主要是物质种类（固、液、气）和温度。主要是物质种类（固、液、气）和温度。(3) 影响因素4.1.2 热导率 其中其中 为温度系数，对大多数金属材料和液体为温度系数，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。为负值，而对大多数非金属材料和气体为正值。 在温度变化范围不大时，大多数物质的热导率在温度变化范围不大时，大多数物质的热导率与温度的关系可表示为与温度的关系可表示为 主要是物质种类（固、液、气）和温度。主要是物质种类（固、液、气）和温度。4.1.2 热导率(3) 影响因素4.1.3 平壁的稳态热传导(1) 单层平壁的稳态热传导对傅立叶定律分离变量，积分或例4-1 有一厚度为240mm的砖壁，内壁温度为600，外壁温度为150，试求通过每平方米砖壁壁面的导热速率（热流密度）。已知该温度范围内砖壁的平均热导率为0.60W/(m)。解：4.1.3 平壁的稳态热传导(1) 单层平壁的稳态热传导总推动力总热阻4.1.3 平壁的稳态热传导(2) 多层平壁的稳态热传导例4-2 有一燃烧炉，炉壁由三种材料组成，最内层为耐火砖，中间为保温砖，最外层为建筑砖。耐火砖保温砖建筑砖 测得炉内壁温度为1000，耐火砖与保温砖之间界面处的温度为946。求：(1)单位面积的热损失；(2)保温砖和建筑砖之间界面的温度；(3)建筑砖外侧温度。解：(1)(2)解得(3)解得热阻大的保温层，分配于该层的温差也大！热阻大的保温层，分配于该层的温差也大！积分或4.1.4 圆筒壁的稳态热传导(1) 单层圆筒壁的稳态热传导其他形式的表达式其他形式的表达式: :其中4.1.4 圆筒壁的稳态热传导(1) 单层圆筒壁的稳态热传导例4-3 外径为426mm的水蒸气管路，管外覆盖一层厚为400mm的保温层。保温材料的热导率随温度的变化关系为 。水蒸气管路外表面温度为150，保温层外表面温度为40 。试计算该管路每米长的散热量。解：式中解得4.1.4 圆筒壁的稳态热传导(2) 多层圆筒壁的稳态热传导其他形式：4.1.4 圆筒壁的稳态热传导(2) 多层圆筒壁的稳态热传导例4-4 在一 的钢管外包有两层绝热材料，里层为40mm的氧化镁粉，平均热导率 外层为20mm的石棉层，平均热导率 现用热电偶测得管内壁温度为500，最外层表面温度为80，管壁的热导率 。求每米管长的热损失及两层保温层界面的温度。解：(1)每米管长的热损失(2)保温层界面温度解得 作业：P181 4-1 P182 4-6 4.1 热传导