5.1 傳熱過程概述

1、1第五章 傳 熱 通過本章學(xué)習(xí)，掌握傳熱的基本原理和規(guī)律，并運用這些原理和規(guī)律去分析和計算傳熱過程的有關(guān)問題。學(xué)習(xí)目的與要求25.1 5.1 傳熱過程概述傳熱過程概述第五章第五章 傳傳 熱熱3傳熱傳熱熱量從高溫度區(qū)向低溫度區(qū)移動的過程稱為熱熱量從高溫度區(qū)向低溫度區(qū)移動的過程稱為熱量傳遞，簡稱傳熱。量傳遞，簡稱傳熱。 概述概述4化學(xué)反應(yīng)化學(xué)反應(yīng)(放熱放熱)快點把熱量取快點把熱量取走吧走吧,否否則則化學(xué)反應(yīng)化學(xué)反應(yīng)(吸熱吸熱)快點加點熱量快點加點熱量吧吧,否則否則單元操作單元操作 按一定速率輸按一定速率輸入或輸出熱量入或輸出熱量5一是一是強(qiáng)化傳熱過程強(qiáng)化傳熱過程，如各種換熱設(shè)備中的傳熱。，如各種換

2、熱設(shè)備中的傳熱。二是二是削弱傳熱過程削弱傳熱過程，如對設(shè)備或管道的保溫，以，如對設(shè)備或管道的保溫，以減少熱損失。減少熱損失。化工生產(chǎn)中對傳熱過程的要求化工生產(chǎn)中對傳熱過程的要求概述概述6根據(jù)傳熱機(jī)理的不同根據(jù)傳熱機(jī)理的不同,熱的傳遞有三種基本方式熱的傳遞有三種基本方式:傳導(dǎo)傳導(dǎo)(heat conduction)對流對流(heat convection)輻射輻射(heat radiation)7穩(wěn)態(tài)傳熱穩(wěn)態(tài)傳熱(steady heat transfer)：傳熱系統(tǒng)中各傳熱系統(tǒng)中各點的溫度點的溫度不不隨時間而改變。隨時間而改變。非穩(wěn)態(tài)傳熱非穩(wěn)態(tài)傳熱(non-steady heat transfer

3、)：傳熱系傳熱系統(tǒng)中各點溫度既隨位置又隨時間而變。統(tǒng)中各點溫度既隨位置又隨時間而變。均衡的連續(xù)操作均衡的連續(xù)操作間歇操作間歇操作),(zyxtt ),(zyxtt 8傳熱中的一些基本物理量和單位傳熱中的一些基本物理量和單位熱量熱量(heat quantity）：）：是能量的一種形式。是能量的一種形式。 1 J = 0.2389 cal傳熱速率傳熱速率Q(heat transfer rate, heat flux):也稱熱也稱熱流量，是指單位時間傳遞的熱量，單位為流量，是指單位時間傳遞的熱量，單位為W。熱流密度熱流密度(heat density):也稱為傳熱強(qiáng)度、也稱為傳熱強(qiáng)度、熱通熱通量量，是

4、單位時間單位傳熱面積所傳遞的熱量，是單位時間單位傳熱面積所傳遞的熱量，是是傳熱設(shè)備的性能標(biāo)志之一傳熱設(shè)備的性能標(biāo)志之一，單位為，單位為W.m-2。SQq/95.1 5.1 傳熱過程概述傳熱過程概述5.1.15.1.1熱傳導(dǎo)及導(dǎo)熱系數(shù)熱傳導(dǎo)及導(dǎo)熱系數(shù)第五章第五章 傳傳 熱熱10一、熱傳導(dǎo)一、熱傳導(dǎo)( (導(dǎo)熱導(dǎo)熱) ) 不依靠物體內(nèi)部各部分質(zhì)點的宏觀混合運不依靠物體內(nèi)部各部分質(zhì)點的宏觀混合運動，而是借助于物體分子、原子、離子、自由動，而是借助于物體分子、原子、離子、自由電子等電子等微觀粒子微觀粒子的的熱運動熱運動產(chǎn)生的熱量傳遞稱為產(chǎn)生的熱量傳遞稱為熱傳導(dǎo)，簡稱導(dǎo)熱。熱傳導(dǎo)，簡稱導(dǎo)熱。 想一想想一想

5、什么情況下熱量的傳遞主要是傳導(dǎo)傳熱什么情況下熱量的傳遞主要是傳導(dǎo)傳熱？固體固體靜止靜止流體流體傳熱方向與傳熱方向與流體質(zhì)點運流體質(zhì)點運動方向相垂動方向相垂直直11dQtdSn 傅立葉定律（傅立葉定律（Fouriers Law）溫度梯溫度梯度度導(dǎo)熱系導(dǎo)熱系數(shù)數(shù)微分導(dǎo)微分導(dǎo)熱通量熱通量熱通量與熱通量與溫度梯度溫度梯度方向相反方向相反一、熱傳導(dǎo)一、熱傳導(dǎo)( (導(dǎo)熱導(dǎo)熱) )12二、導(dǎo)熱系數(shù)二、導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù)dQ dStn 導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù)表征了物質(zhì)熱傳導(dǎo)能力的大小，是表征了物質(zhì)熱傳導(dǎo)能力的大小，是物質(zhì)的基本物質(zhì)的基本物理性質(zhì)物理性質(zhì)之一，其值與物質(zhì)的形態(tài)、之一，其值與物質(zhì)的形態(tài)、組成、密度、溫度等

6、有關(guān)。組成、密度、溫度等有關(guān)。 13導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù)W/(m.W/(m.o oC)C)0.0060.0060.060.060.10.10.70.70.20.23.03.015154204200.0030.0030.060.06氣體氣體液體液體非導(dǎo)電固體非導(dǎo)電固體金屬金屬絕熱材料絕熱材料二、導(dǎo)熱系數(shù)二、導(dǎo)熱系數(shù)141.1.固體固體的導(dǎo)熱系數(shù)的導(dǎo)熱系數(shù)純金屬的純金屬的導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù)與與電導(dǎo)率電導(dǎo)率的關(guān)系可用魏德曼的關(guān)系可用魏德曼（WiedemanWiedeman）- -弗蘭茲（弗蘭茲（FranzFranz）方程描述）方程描述 eLT良好的電導(dǎo)體必然是良好的導(dǎo)熱體，反之亦然。良好的電導(dǎo)體必然是良好

7、的導(dǎo)熱體，反之亦然。 二、導(dǎo)熱系數(shù)二、導(dǎo)熱系數(shù)合金的導(dǎo)熱系數(shù)比純金屬要低。合金的導(dǎo)熱系數(shù)比純金屬要低。15對大多數(shù)對大多數(shù)均質(zhì)固體均質(zhì)固體，導(dǎo)熱系數(shù)與溫度近似呈線，導(dǎo)熱系數(shù)與溫度近似呈線性關(guān)系性關(guān)系 01t對大多數(shù)金屬材料，對大多數(shù)金屬材料， 為負(fù)值；為負(fù)值；而對大多數(shù)非金屬材料，而對大多數(shù)非金屬材料， 為正值；為正值；對理想氣體，對理想氣體， =1/=1/T T ，1/K1/K。 二、導(dǎo)熱系數(shù)二、導(dǎo)熱系數(shù)162.2.液體液體的導(dǎo)熱系數(shù)的導(dǎo)熱系數(shù)除水和甘油外除水和甘油外，大多數(shù)，大多數(shù)非金屬液體非金屬液體的導(dǎo)熱系數(shù)亦的導(dǎo)熱系數(shù)亦隨溫度的升高而降低。隨溫度的升高而降低。 金屬液體金屬液體的導(dǎo)熱系

8、數(shù)比的導(dǎo)熱系數(shù)比一般的液體一般的液體要高。要高。 純液體純液體的導(dǎo)熱系數(shù)比其的導(dǎo)熱系數(shù)比其溶液溶液的要大。的要大。 二、導(dǎo)熱系數(shù)二、導(dǎo)熱系數(shù)173.3.氣體氣體的導(dǎo)熱系數(shù)的導(dǎo)熱系數(shù)氣體導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度升高而增大氣體導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度升高而增大。在相當(dāng)大的壓力范圍內(nèi)，氣體的導(dǎo)熱系數(shù)隨壓力在相當(dāng)大的壓力范圍內(nèi)，氣體的導(dǎo)熱系數(shù)隨壓力的變化很小，可以忽略不計。的變化很小，可以忽略不計。 二、導(dǎo)熱系數(shù)二、導(dǎo)熱系數(shù)氣體的氣體的 值很小，對導(dǎo)熱不利，但對卻對保溫有利。值很小，對導(dǎo)熱不利，但對卻對保溫有利。185.1 5.1 傳熱過程概述傳熱過程概述5.1.1 5.1.1 熱傳導(dǎo)及導(dǎo)熱系數(shù)熱傳導(dǎo)及導(dǎo)熱系數(shù)第五章第五

9、章 傳傳 熱熱5.1.2 5.1.2 對流對流19 對流是由流體內(nèi)部各部分質(zhì)點發(fā)生對流是由流體內(nèi)部各部分質(zhì)點發(fā)生宏觀宏觀運運動和混合而引起的熱量傳遞過程。動和混合而引起的熱量傳遞過程。 對流對流對流傳熱對流傳熱 在化工生產(chǎn)中特指流體與固體壁面之間的在化工生產(chǎn)中特指流體與固體壁面之間的熱量傳遞過程。熱量傳遞過程。 對流對流20因流體質(zhì)點位置變動而形成的因流體質(zhì)點位置變動而形成的對流有兩種形式對流有兩種形式：自然對流自然對流( (natural convection)natural convection)：因流體內(nèi)部存在溫因流體內(nèi)部存在溫度差，引起密度差異而形成的度差，引起密度差異而形成的流體微團(tuán)

10、發(fā)生運動流體微團(tuán)發(fā)生運動。強(qiáng)制對流強(qiáng)制對流( (forced convection)forced convection)：借助于機(jī)械攪拌借助于機(jī)械攪拌或機(jī)械作用而引起流體微團(tuán)發(fā)生運動?；驒C(jī)械作用而引起流體微團(tuán)發(fā)生運動。強(qiáng)制對流比自然對流有較好的傳熱效果。強(qiáng)制對流比自然對流有較好的傳熱效果。21對流傳熱速率可由對流傳熱速率可由牛頓冷卻定律牛頓冷卻定律描述描述 dQtdS溫度差溫度差對流傳對流傳熱系數(shù)熱系數(shù)微分對流微分對流傳熱通量傳熱通量對流對流225.1 5.1 傳熱過程概述傳熱過程概述5.1.1 5.1.1 熱傳導(dǎo)及導(dǎo)熱系數(shù)熱傳導(dǎo)及導(dǎo)熱系數(shù)5.1.2 5.1.2 對流對流第五章第五章 傳傳 熱

11、熱5.1.3 5.1.3 熱輻射熱輻射23 因熱的原因而產(chǎn)生的電磁波在空間的傳遞因熱的原因而產(chǎn)生的電磁波在空間的傳遞稱為稱為熱輻射熱輻射。 熱輻射1.1.可以在完全真空的地方傳遞而無需任何介質(zhì)?？梢栽谕耆婵盏牡胤絺鬟f而無需任何介質(zhì)。 2.2.不僅產(chǎn)生能量的轉(zhuǎn)移，而且還伴隨著能量形不僅產(chǎn)生能量的轉(zhuǎn)移，而且還伴隨著能量形式的轉(zhuǎn)換。式的轉(zhuǎn)換。 3.3.任何物體只要在絕對零度以上，都能發(fā)射輻任何物體只要在絕對零度以上，都能發(fā)射輻射能，但僅當(dāng)物體的溫度較高、物體間的溫度射能，但僅當(dāng)物體的溫度較高、物體間的溫度差較大時，輻射傳熱才能成為主要的傳熱方式。差較大時，輻射傳熱才能成為主要的傳熱方式。 24斯蒂

12、芬斯蒂芬波茲曼（波茲曼（StefanBoltzmann）定律定律理想輻射體（黑體）的輻射能力（單位表面積向外發(fā)射能理想輻射體（黑體）的輻射能力（單位表面積向外發(fā)射能量的速率）量的速率）Eb與其熱力學(xué)溫度的四次方成正比：與其熱力學(xué)溫度的四次方成正比：40TEb 0斯蒂芬斯蒂芬波茲曼常數(shù)，其值為波茲曼常數(shù)，其值為5.669 10-8 W.m-2.K-4。255.1 5.1 傳熱過程概述傳熱過程概述5.1.1 5.1.1 熱傳導(dǎo)及導(dǎo)熱系數(shù)熱傳導(dǎo)及導(dǎo)熱系數(shù)5.1.2 5.1.2 對流對流5.1.3 5.1.3 熱輻射熱輻射第五章第五章 傳傳 熱熱5.1.45.1.4 冷熱流體（接觸）熱交換方式及冷熱流

13、體（接觸）熱交換方式及換熱器換熱器26一、直接接觸式換熱和混合式換熱器一、直接接觸式換熱和混合式換熱器 二、蓄熱式換熱和蓄熱器二、蓄熱式換熱和蓄熱器三、間壁式換熱和間壁式換熱器三、間壁式換熱和間壁式換熱器冷熱流體（接觸）熱交換方式及換熱器冷熱流體（接觸）熱交換方式及換熱器27圖圖5-1 5-1 套管式換熱器套管式換熱器1-1-內(nèi)管內(nèi)管 2-2-外管外管冷熱流體（接觸）熱交換方式及換熱器冷熱流體（接觸）熱交換方式及換熱器動畫2228圖圖5-2 5-2 單程管殼式換熱器單程管殼式換熱器1-1-外殼外殼,2-,2-管束管束,3,3、4-4-接管接管,5-,5-封頭封頭,6-,6-管管板板,7-,7-

14、擋板擋板,8-,8-泄水池泄水池 冷熱流體（接觸）熱交換方式及換熱器冷熱流體（接觸）熱交換方式及換熱器動畫2129間壁式換熱器間壁式換熱器內(nèi)冷、熱流體間的傳熱過程包括以內(nèi)冷、熱流體間的傳熱過程包括以下三個步驟：下三個步驟：（1 1）熱流體以）熱流體以對流對流方式將熱量傳遞給管壁；方式將熱量傳遞給管壁；（2 2）熱量以）熱量以熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)方式由管壁的一側(cè)傳遞至另方式由管壁的一側(cè)傳遞至另一側(cè)；一側(cè)；（3 3）傳遞至另一側(cè)的熱量又以）傳遞至另一側(cè)的熱量又以對流對流方式傳遞給方式傳遞給冷流體。冷流體。冷熱流體（接觸）熱交換方式及換熱器冷熱流體（接觸）熱交換方式及換熱器305.1 5.1 傳熱過程概述傳

15、熱過程概述5.1.1 5.1.1 熱傳導(dǎo)及導(dǎo)熱系數(shù)熱傳導(dǎo)及導(dǎo)熱系數(shù)5.1.2 5.1.2 對流對流5.1.3 5.1.3 熱輻射熱輻射5.1.4 5.1.4 冷熱流體（接觸）熱交換方式及換熱器冷熱流體（接觸）熱交換方式及換熱器第五章第五章 傳傳 熱熱5.1.5 5.1.5 載熱體及其選擇載熱體及其選擇31載熱體及其選擇載熱體及其選擇 在化工生產(chǎn)中，物料在換熱器內(nèi)被加熱或在化工生產(chǎn)中，物料在換熱器內(nèi)被加熱或冷卻時，通常需要用另一種流體供給或取走熱冷卻時，通常需要用另一種流體供給或取走熱量，此種流體稱為載熱體，其中起加熱作用的量，此種流體稱為載熱體，其中起加熱作用的稱為加熱介質(zhì)（或加熱劑）；起冷卻

16、（冷凝）稱為加熱介質(zhì)（或加熱劑）；起冷卻（冷凝）作用的稱為冷卻介質(zhì)（或冷卻劑）。作用的稱為冷卻介質(zhì)（或冷卻劑）。載熱體載熱體32選擇載熱體原則選擇載熱體原則（1 1）載熱體的溫度易調(diào)節(jié)控制；）載熱體的溫度易調(diào)節(jié)控制；（2 2）載熱體的飽和蒸氣壓較低，加熱時不易分解；）載熱體的飽和蒸氣壓較低，加熱時不易分解；（3 3）載熱體的毒性小，不易燃、易爆，不易腐蝕設(shè)備；）載熱體的毒性小，不易燃、易爆，不易腐蝕設(shè)備；（4 4）價格便宜，來源容易。）價格便宜，來源容易。載熱體及其選擇載熱體及其選擇33第五章第五章 傳傳 熱熱5.2 5.2 熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)5.2.1 5.2.1 平壁一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)平壁一維穩(wěn)態(tài)熱

17、傳導(dǎo)34一、單層平壁一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)一、單層平壁一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)假設(shè)假設(shè)：1.1.導(dǎo)熱系數(shù)不隨溫導(dǎo)熱系數(shù)不隨溫度變化，或可取平度變化，或可取平均值；均值；2.2.一維穩(wěn)態(tài)一維穩(wěn)態(tài)3.3.忽略熱損失。忽略熱損失。 圖圖5-3 5-3 單層平壁熱傳導(dǎo)單層平壁熱傳導(dǎo)35對對平壁一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)平壁一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo) dtQSdx 積分并整理得積分并整理得12()SQttb微分式 積分式 一、單層平壁一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)一、單層平壁一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)3612tttQbRS12ttQtqbSR熱傳導(dǎo)推動力熱傳導(dǎo)速率熱傳導(dǎo)熱阻導(dǎo)熱熱導(dǎo)熱熱阻阻一、單層平壁一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)一、單層平壁一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)熱通量熱通量37二、多層平壁的一

18、維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)二、多層平壁的一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)圖圖5-4 5-4 三層平壁熱傳導(dǎo)三層平壁熱傳導(dǎo)假設(shè)：假設(shè)：1.1.導(dǎo)熱系數(shù)不隨溫導(dǎo)熱系數(shù)不隨溫度變化，或可取平度變化，或可取平均值；均值；2.2.一維穩(wěn)態(tài)一維穩(wěn)態(tài)3.3.忽略熱損失忽略熱損失4.4.沒有接觸熱阻沒有接觸熱阻 38通過各層平壁截面的傳熱速率必相等通過各層平壁截面的傳熱速率必相等 1234QQQQQ233412123123ttttttQSSSbbb233412123123ttttttQbbbSSS或或二、多層平壁的一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)二、多層平壁的一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)39三層平壁穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)速率方程三層平壁穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)速率方程 14312123ttQbbb

19、SSS對對n層平壁，其傳熱速率方程可表示為層平壁，其傳熱速率方程可表示為11niittQbS二、多層平壁的一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)二、多層平壁的一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)40bbbbtttt:332211321各層的溫度降各層的溫度降與各層的熱阻與各層的熱阻成正比成正比根據(jù)以上關(guān)系也可以求得兩根據(jù)以上關(guān)系也可以求得兩層壁交界處的溫度或任何一層壁交界處的溫度或任何一點的溫度點的溫度.41接觸熱阻 因兩個接觸表面粗糙不平而產(chǎn)生的附加熱阻。因兩個接觸表面粗糙不平而產(chǎn)生的附加熱阻。 接觸熱阻包括通過實際接觸面的導(dǎo)熱熱阻和接觸熱阻包括通過實際接觸面的導(dǎo)熱熱阻和通過空穴的導(dǎo)熱熱阻（高溫時還有輻射傳熱）。通過空穴的導(dǎo)熱熱阻（高溫

20、時還有輻射傳熱）。 接觸熱阻與接觸面材料、表面粗糙度及接觸接觸熱阻與接觸面材料、表面粗糙度及接觸面上壓力等因素有關(guān)，可通過實驗測定。面上壓力等因素有關(guān)，可通過實驗測定。 二、多層平壁的一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)二、多層平壁的一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)42圖圖5-5 5-5 接觸熱阻的影響接觸熱阻的影響接觸熱阻二、多層平壁的一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)二、多層平壁的一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)43第五章第五章 傳傳 熱熱5.2 5.2 熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)5.2.1 5.2.1 平壁一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)平壁一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)5.2.2 5.2.2 圓筒壁的一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)圓筒壁的一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)44一、單層圓筒壁的一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)一、單層圓筒壁的一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)常量常量常量常量傳熱速率傳熱速率傳熱面積傳熱面積熱通量熱通量平壁平壁圓筒壁圓筒壁常量常量隨半徑變隨半徑變常量常量隨半徑變隨半徑變45圖圖5-6 5-6 單層圓筒壁的熱傳導(dǎo)單層圓筒壁的熱傳導(dǎo)一、單層圓筒壁的一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)一、單層圓筒壁的一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)46通過該薄圓筒壁的傳熱速率可以表示為通過該薄圓筒壁的傳熱速率可以表示為 (2)dtdtQSrLdrdr 12212ln()ttQLr r積分并整理得積分并整理得微分式 積分式 一、單層圓筒壁的一維穩(wěn)