化工原理傳熱1

1、化工原理化工原理2 0 1 52 0 1 515.1 概述概述 質(zhì)質(zhì)量量傳傳遞遞熱熱量量傳傳遞遞動動量量傳傳遞遞 加熱或冷卻加熱或冷卻換熱換熱 保溫保溫 強化傳熱過程強化傳熱過程 削弱傳熱過程削弱傳熱過程 一、傳熱目的一、傳熱目的化工原理化工原理2 0 1 52 0 1 52傳熱過程的應(yīng)用傳熱過程的應(yīng)用傳熱：就是熱的傳遞，是自然界和工程技術(shù)領(lǐng)域中極普遍的 一種傳遞過程 。1、化工與傳熱、化工與傳熱1）絕大多數(shù)化學(xué)反應(yīng)過程都要求在一定的溫度下進行，為了使物料達到并保持指定的溫度，就要預(yù)先對物料進行加熱或冷卻，并在過程中及時取出放出的熱量或補充需要吸收的熱量?；ぴ砘ぴ? 0 1 52 0

2、1 532）一些單元操作過程，例如蒸發(fā)、蒸餾、干燥等，需要按一定的速率向設(shè)備輸入或輸出熱量。3）在高溫或低溫下操作的設(shè)備，要求保溫，以減少它們和外界傳熱。4）對于廢熱也需合理的利用與回收。 2、化工生產(chǎn)中傳熱過程的兩種情況、化工生產(chǎn)中傳熱過程的兩種情況 1）強化傳熱：）強化傳熱：各種換熱設(shè)備中的傳熱。 2）削弱傳熱：）削弱傳熱：如對設(shè)備和管道的保溫，以減少熱損失 化工原理化工原理2 0 1 52 0 1 54二、傳熱的三種基本方式二、傳熱的三種基本方式 （一）（一）熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)（導(dǎo)熱）（導(dǎo)熱）特點：特點：沒有物質(zhì)的宏觀位移沒有物質(zhì)的宏觀位移微觀機理因物態(tài)而異微觀機理因物態(tài)而異 ，重點討論宏觀規(guī)

3、律重點討論宏觀規(guī)律（二）（二）對流對流 對流只能發(fā)生在流體中。對流只能發(fā)生在流體中。流體內(nèi)部質(zhì)點流體內(nèi)部質(zhì)點發(fā)生相對位移發(fā)生相對位移的熱量傳遞過程。的熱量傳遞過程。 自然對流自然對流 強制對流強制對流5.1 概述概述主要發(fā)生在主要發(fā)生在固體、靜止流體、固體、靜止流體、 層流內(nèi)層層流內(nèi)層中。中?；ぴ砘ぴ? 0 1 52 0 1 55（三）、輻射（三）、輻射 輻射是一種通過電磁波傳遞能量的過程。物體由于熱的原因而發(fā)出輻射能的過程，稱為熱輻射。 輻射傳熱，不僅是能量的傳遞，還伴隨著能量形式的轉(zhuǎn)化 輻射傳熱不需要任何介質(zhì)作媒介，可以在真空中傳播。 物體發(fā)射電磁波，在紅外、可見光范圍內(nèi)具有熱效應(yīng)

4、。物體溫度，熱輻射能力。實際傳熱過程：三種方式同時存在通常只有在通常只有在高溫高溫下才成為主要的傳熱方式下才成為主要的傳熱方式化工原理化工原理2 0 1 52 0 1 56間壁式換熱間壁式換熱 器器 間壁式換熱的特點是冷、熱流體被一固體隔開，分間壁式換熱的特點是冷、熱流體被一固體隔開，分別在壁的兩側(cè)流動，不相混合，通過固體壁進行熱別在壁的兩側(cè)流動，不相混合，通過固體壁進行熱量傳遞。量傳遞。傳熱過程可分為三步：傳熱過程可分為三步： 熱流體將熱量傳給固體壁面（熱流體將熱量傳給固體壁面（對流傳熱對流傳熱）熱量從壁的熱側(cè)傳到冷側(cè)（熱量從壁的熱側(cè)傳到冷側(cè)（熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)） 熱量從壁的冷側(cè)面?zhèn)鹘o冷流體（熱量

5、從壁的冷側(cè)面?zhèn)鹘o冷流體（對流傳熱對流傳熱）壁的面積稱為傳熱面，壁的面積稱為傳熱面，是間壁式換熱器的基本尺寸是間壁式換熱器的基本尺寸。 三、傳熱速率與熱阻三、傳熱速率與熱阻t2t1T1T2對流對流對流對流導(dǎo)熱導(dǎo)熱冷冷流流體體Q熱熱流流體體化工原理化工原理2 0 1 52 0 1 57t2t1T1T2對流對流對流對流導(dǎo)熱導(dǎo)熱冷冷流流體體Q熱熱流流體體熱負荷熱負荷Q：工藝要求，同：工藝要求，同種流體需要溫升或溫降時，種流體需要溫升或溫降時，吸收或放出的熱量，單位吸收或放出的熱量，單位 J/s或或W。5.1 概述概述傳熱速率傳熱速率Q： 熱流量熱流量 J/s或或W單位時間內(nèi)通過換熱器的單位時間內(nèi)通過換

6、熱器的整個傳熱面整個傳熱面?zhèn)鬟f的熱量傳遞的熱量化工原理化工原理2 0 1 52 0 1 58熱流密度熱流密度q：dQqdA熱阻（阻力）傳熱溫差（推動力）傳熱速率 TR5.1 概述概述單位時間內(nèi)通過單位時間內(nèi)通過單位傳熱面積單位傳熱面積傳遞的熱量傳遞的熱量熱通量熱通量 J/(s. m2)或或W/m2化工原理化工原理2 0 1 52 0 1 595.2 熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)一、一、 傅里葉定律傅里葉定律,zyxft 溫度場溫度場：某時刻，物體或空間各點的溫度分布。：某時刻，物體或空間各點的溫度分布。 （1 1）溫度場和溫度梯度）溫度場和溫度梯度不穩(wěn)定溫度場不穩(wěn)定溫度場 ,zyxft 穩(wěn)定溫度場穩(wěn)定溫度場

7、zyxft, 等溫面等溫面：在同一時刻，溫度場中所有在同一時刻，溫度場中所有溫度相同溫度相同 的點組成的面。的點組成的面。 0t化工原理化工原理2 0 1 52 0 1 510不同溫度的等溫面不相交不同溫度的等溫面不相交。t1t2t1t2等溫面Q（2）溫度梯度）溫度梯度 ntn0limt+tt-ttnQdA5.2 熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)nttgrad 溫度梯度是一個溫度梯度是一個向量向量。 方向方向垂直于垂直于該點所在該點所在等溫面等溫面，以，以溫增方向為正溫增方向為正化工原理化工原理2 0 1 52 0 1 511（3）傅立葉定律）傅立葉定律 tqn 式中式中 dQ 熱傳導(dǎo)速率，熱傳導(dǎo)速率，W或或J/

8、s； dA 導(dǎo)熱面積，導(dǎo)熱面積，m2； t/ n 溫度梯度，溫度梯度，/m或或K/m； 導(dǎo)熱系數(shù)，導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m)或或W/(mK)。tdQdAn 5.2 熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo) 負號表示傳熱方向與溫度梯度方向相反負號表示傳熱方向與溫度梯度方向相反（5-3）化工原理化工原理2 0 1 52 0 1 512 表征材料導(dǎo)熱性能的物性參數(shù)表征材料導(dǎo)熱性能的物性參數(shù) 越大，導(dǎo)熱性能越好越大，導(dǎo)熱性能越好5.2 熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)(2) 是是分子微觀運動的宏觀表現(xiàn)。分子微觀運動的宏觀表現(xiàn)。二、導(dǎo)熱系數(shù)二、導(dǎo)熱系數(shù) qtn/(1) 在數(shù)值上等于單位溫度梯度下的熱通量。在數(shù)值上等于單位溫度梯度下的熱通量。 = f (結(jié)構(gòu)

9、結(jié)構(gòu), 組成組成, 密度密度, 溫度溫度, 壓力）壓力）（熱導(dǎo)率）（熱導(dǎo)率）化工原理化工原理2 0 1 52 0 1 513(3) 各種物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)各種物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù) 金屬固體金屬固體 非金屬固體非金屬固體 液體液體 氣體氣體 5.2 熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo))1 (0at在一定溫度范圍內(nèi)：在一定溫度范圍內(nèi)：對大多數(shù)對大多數(shù)金屬金屬材料材料 a 合金合金 非金屬：同樣溫度下，非金屬：同樣溫度下， 越大，越大， 越大。越大。對大多數(shù)對大多數(shù)非金屬非金屬材料材料a 0 ，t t 化工原理化工原理2 0 1 52 0 1 514 t 3) 氣體氣體 一般來說，純液體的大于溶液一般來說，純液體的大于溶液 t 氣

10、體不利用導(dǎo)熱，氣體不利用導(dǎo)熱，三、平壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)三、平壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)（一）（一） 單層平壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)單層平壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)5.2 熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)2) 液體液體 金屬液體金屬液體 較高，非金屬液體較高，非金屬液體 低，低，水的水的 最大。最大。（除水和甘油）（除水和甘油）但可用來保溫或隔熱。但可用來保溫或隔熱?；ぴ砘ぴ? 0 1 52 0 1 515假設(shè)：假設(shè)：無限大平壁無限大平壁 材料均勻；材料均勻；(3)溫度僅沿溫度僅沿x變化，不變化，不隨時間變化。隨時間變化。t1t2btxdxQxQx+dx5.2 熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)化工原理化工原理2 0 1 52 0 1 516傅立葉定律：傅立葉定律：

11、 xtAQdd邊界條件為：邊界條件為： xtt01時，2ttbx 時，12()QA ttb積分得：積分得： 12ttbA討論：討論： QtR推動力熱阻ttt()12RbA1可表示為可表示為推動力：推動力：熱阻：熱阻：5.2 熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)（5-4a）化工原理化工原理2 0 1 52 0 1 5172平壁內(nèi)的溫度分布平壁內(nèi)的溫度分布1()QA ttx1QxttA 不隨不隨t變化，變化， tx成呈線性關(guān)系。成呈線性關(guān)系。)1 (0at若若 隨隨t變化關(guān)系為：變化關(guān)系為：則則tx呈呈拋物線關(guān)系。拋物線關(guān)系。5.2 熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)邊界條件為：邊界條件為： xtt01時，xxtt時，xtAQdd化工原理化工

12、原理2 0 1 52 0 1 518（二）多層平壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)（二）多層平壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo) t t2 t3 t4 t1 0 x b假設(shè)各層接觸良好，假設(shè)各層接觸良好，接觸面兩側(cè)溫度相同。接觸面兩側(cè)溫度相同。AbttAbttAbttQ3343223211215.2 熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)1431iiittbA14ittR總推動力總熱阻化工原理化工原理2 0 1 52 0 1 519推廣至推廣至n層：層： QttbAttRniiinniin1111115.2 熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)12nUIRRR1niiUR串聯(lián)的導(dǎo)熱過程串聯(lián)的導(dǎo)熱過程串聯(lián)電阻疊加原則串聯(lián)電阻疊加原則在多層壁導(dǎo)熱過程中，哪層熱阻大，哪層溫差大；在多層壁

13、導(dǎo)熱過程中，哪層熱阻大，哪層溫差大；反之，哪層溫差大，哪層熱阻一定大。反之，哪層溫差大，哪層熱阻一定大。 ttttttbAbAbARRR122334112233123:類似于：類似于： (5-6)化工原理化工原理2 0 1 52 0 1 520 思考：思考： 厚度相同的三層平壁傳熱，厚度相同的三層平壁傳熱，溫度分布如圖所示，溫度分布如圖所示，（1） 熱阻大小排列？熱阻大小排列？（2）各層）各層 的大小排列？的大小排列？（3）各層導(dǎo)熱速率排列？）各層導(dǎo)熱速率排列？t1t2t3t43125.2 熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)應(yīng)用：應(yīng)用： 雙層玻璃的功效雙層玻璃的功效假設(shè)：假設(shè)：1. 設(shè)室內(nèi)熱量的流失是熱傳導(dǎo)引起的，

14、不存在戶設(shè)室內(nèi)熱量的流失是熱傳導(dǎo)引起的，不存在戶 內(nèi)外的空氣對流。內(nèi)外的空氣對流。2. 室內(nèi)溫室內(nèi)溫 度度T1與戶外溫與戶外溫 度度T2均為常數(shù)。均為常數(shù)?；ぴ砘ぴ? 0 1 52 0 1 521ddl室室外外T2室室內(nèi)內(nèi)T1TaTb12112TTqddl112122TTldddd室室外外T2室室內(nèi)內(nèi)T11212TTqd 1222() / ()qqld5.2 熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)化工原理化工原理2 0 1 52 0 1 522此函數(shù)的圖形為此函數(shù)的圖形為1216 32一般一般11 8 /qql d故故記記h=l/d并令并令f(h)= 181h考慮到考慮到美觀美觀和使用上和使用上 的的方便方便，

15、h不必取得過大，例如，可不必取得過大，例如，可 取取h=3，即，即l=3d，此時房屋熱量的損失不超過單層玻璃窗，此時房屋熱量的損失不超過單層玻璃窗時的時的 4% 。 01234567891000.10.20.30.40.50.60.70.80.91hf(h)5.2 熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)化工原理化工原理2 0 1 52 0 1 523二、圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)二、圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)（一）（一） 單層圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)單層圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)5.2 熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)化工原理化工原理2 0 1 52 0 1 524傅立葉定律傅立葉定律: QAtr ddd2dtrlr 積分得：積分得：21212ttrrldtdrrQ5.2 熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)設(shè)設(shè) 不隨不隨t而變而變 12212()lnl ttQrr 122122112()()()lnl ttrrrrrr 化工原理化工原理2 0 1 52 0 1 525122121()()lnttAAAbA5.2 熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)12mttbAArl2brr212121ln/mAAAAA對數(shù)平均面積對數(shù)平均面積2mr l2121ln/mrrrrr對數(shù)平均半徑對數(shù)平均半徑tR推動力熱阻(5-7b)化工原理化工原理2 0 1 52 0 1 526（二