第三章 傳熱過程(第一講)

1、1第三章第三章 傳熱（傳熱（Heat Transfer）2傳熱是自然界和工程領域中較為普遍的一種傳遞傳熱是自然界和工程領域中較為普遍的一種傳遞過程，通常來說有過程，通常來說有溫度差溫度差的存在就有的存在就有熱的傳遞熱的傳遞，也就，也就是說溫差的存在是實現(xiàn)傳熱的前提條件或者說是推動是說溫差的存在是實現(xiàn)傳熱的前提條件或者說是推動力，在化工中很多過程都直接或間接的與傳熱有關。力，在化工中很多過程都直接或間接的與傳熱有關。但是進行傳熱的目的不外乎是以下三種：但是進行傳熱的目的不外乎是以下三種：1.加熱或冷卻加熱或冷卻2.換熱換熱3.保溫保溫可見，傳熱過程在化工過程中是普遍存在的?？梢姡瑐鳠徇^程在化工過

2、程中是普遍存在的。 第一節(jié)第一節(jié) 概概 述述一、傳熱過程一、傳熱過程3二、二、 傳熱的三種基本方式傳熱的三種基本方式一個物系或一個設備只要存在溫度差就會發(fā)一個物系或一個設備只要存在溫度差就會發(fā)生熱量傳遞，當沒有外功加入時，熱量就總是會生熱量傳遞，當沒有外功加入時，熱量就總是會自動地從高溫物體傳遞到低溫物體。根據(jù)傳熱的自動地從高溫物體傳遞到低溫物體。根據(jù)傳熱的機理不同，熱傳遞有三種基本方式：機理不同，熱傳遞有三種基本方式：熱傳導熱傳導，熱熱對流對流和和熱輻射熱輻射。化工生產(chǎn)中碰到的各種傳熱現(xiàn)象。化工生產(chǎn)中碰到的各種傳熱現(xiàn)象都屬于這三種基本方式。都屬于這三種基本方式。4（一）（一） 熱傳導（導熱）

3、熱傳導（導熱） 一個物體的兩部分連續(xù)存在溫差，熱就要從高溫一個物體的兩部分連續(xù)存在溫差，熱就要從高溫部分向低溫部分傳遞，直到各部分的溫度相等為止部分向低溫部分傳遞，直到各部分的溫度相等為止，這種傳熱方式就稱為熱傳導。這種傳熱方式就稱為熱傳導。 物質的三態(tài)均可以充當物質的三態(tài)均可以充當熱傳導介質熱傳導介質，但導熱的機，但導熱的機理因物質種類不同而異，具體為：理因物質種類不同而異，具體為： 固體金屬：自由電子運動在晶格之間；固體金屬：自由電子運動在晶格之間； 液體和非金屬固體：個別分子的動量傳遞；液體和非金屬固體：個別分子的動量傳遞； 氣體：分子的不規(guī)則運動。氣體：分子的不規(guī)則運動。5（二）（二）

4、 熱對流熱對流 熱對流是指熱對流是指物體中質點發(fā)生相對的位移而引起物體中質點發(fā)生相對的位移而引起的熱量交換的熱量交換，熱對流是，熱對流是流體流體所特有的一種傳熱的方所特有的一種傳熱的方式，即存在氣體或液體中，在固體中不存在這種傳式，即存在氣體或液體中，在固體中不存在這種傳熱方式。其中只有流體的質點能發(fā)生的相對位移。熱方式。其中只有流體的質點能發(fā)生的相對位移。據(jù)引起對流的原因不同可分為：自然對流和強制對據(jù)引起對流的原因不同可分為：自然對流和強制對流。流。熱對流與流體運動狀況有關，熱對流還伴隨有流體熱對流與流體運動狀況有關，熱對流還伴隨有流體質點間的熱傳導，工程上通常將流體與固體之間的質點間的熱傳

5、導，工程上通常將流體與固體之間的熱交換稱為熱交換稱為對流傳熱對流傳熱，即包含了熱傳導和熱對流。，即包含了熱傳導和熱對流。6（三）熱輻射（三）熱輻射熱輻射是一種通過熱輻射是一種通過電磁波傳遞能量的過程電磁波傳遞能量的過程。一。一切物體都能以這種方式傳遞能量，而不借助任何傳切物體都能以這種方式傳遞能量，而不借助任何傳遞介質。通常在遞介質。通常在高溫下高溫下熱輻射才是主要方式。熱輻射才是主要方式。7 工業(yè)上的傳熱過程中，冷流體和熱流體的接觸工業(yè)上的傳熱過程中，冷流體和熱流體的接觸有三種方式。有三種方式。 1. 直接接觸式直接接觸式 在某些傳熱過程中，熱氣體的在某些傳熱過程中，熱氣體的直接直接水冷卻及

6、熱水的水冷卻及熱水的直接直接空氣冷卻等。這種方式傳熱面積空氣冷卻等。這種方式傳熱面積大，設備亦簡單。大，設備亦簡單。 3. 間壁式間壁式 冷、熱流體用間壁冷、熱流體用間壁隔開來隔開來，通過間壁進行，通過間壁進行換熱，其型式很多。換熱，其型式很多。 2. 蓄熱式蓄熱式 使熱流體流過換熱器，將器內固體填充物使熱流體流過換熱器，將器內固體填充物加熱，然后停止熱流體，使冷流體流過蓄熱器內已被加熱，然后停止熱流體，使冷流體流過蓄熱器內已被熱流體加熱的熱流體加熱的固體填充物固體填充物，如此周而復始，達到冷、，如此周而復始，達到冷、熱流體之間的傳熱目的。熱流體之間的傳熱目的。三、三、 工業(yè)中的換熱方法工業(yè)中

7、的換熱方法81. 直接接觸式換熱直接接觸式換熱主要特點：冷熱兩種流體間的熱主要特點：冷熱兩種流體間的熱交換，交換，是依靠熱流體和冷流體直是依靠熱流體和冷流體直接接觸和混合過程實現(xiàn)的。接接觸和混合過程實現(xiàn)的。優(yōu)點：傳熱速度快、效率高，設優(yōu)點：傳熱速度快、效率高，設備簡單，是工業(yè)換熱器的首選類備簡單，是工業(yè)換熱器的首選類型。型。典型設備：如涼水塔、噴灑式冷典型設備：如涼水塔、噴灑式冷卻塔、混合式冷凝器卻塔、混合式冷凝器適用范圍：無價值的蒸氣冷凝，適用范圍：無價值的蒸氣冷凝，或其冷凝液不要求是純粹的物料或其冷凝液不要求是純粹的物料等，允許冷熱兩流體直接接觸混等，允許冷熱兩流體直接接觸混合的場合。合的

8、場合。 廢蒸氣廢蒸氣冷水冷水熱水熱水92. 蓄熱式換熱蓄熱式換熱特點：熱、冷流體交替進入換特點：熱、冷流體交替進入換熱器，熱流體將熱量貯存在蓄熱器，熱流體將熱量貯存在蓄熱體中，然后由冷流體取走從熱體中，然后由冷流體取走從而達到換熱目的而達到換熱目的 優(yōu)點：結構簡單，可耐高溫優(yōu)點：結構簡單，可耐高溫缺點：設備體積龐大，傳熱效缺點：設備體積龐大，傳熱效率低且兩流體有部分混合。率低且兩流體有部分混合。適用范圍：一般用于氣體之間適用范圍：一般用于氣體之間的換熱，且兩流體允許混合。的換熱，且兩流體允許混合。常用于高溫氣體熱量的回收或常用于高溫氣體熱量的回收或冷卻。冷卻。高溫流體高溫流體低溫流體低溫流體蓄

9、熱體蓄熱體103. 間壁式換熱間壁式換熱特點：冷熱兩種流體被一固體間壁所隔開，互不接觸，特點：冷熱兩種流體被一固體間壁所隔開，互不接觸，優(yōu)點：傳熱速度較快，適用范圍廣，熱量的綜合利用和回優(yōu)點：傳熱速度較快，適用范圍廣，熱量的綜合利用和回收便利。收便利。缺點：造價高，流動阻力大，動力消耗大。缺點：造價高，流動阻力大，動力消耗大。典型設備：列管式換熱器、套管式換熱器。典型設備：列管式換熱器、套管式換熱器。適用范圍；不許直接混合的兩種流體間的熱交換。適用范圍；不許直接混合的兩種流體間的熱交換。11間壁式換熱器間壁式換熱器 間壁式換熱器中，熱量自熱流體傳給冷流體的過間壁式換熱器中，熱量自熱流體傳給冷流

10、體的過程包括三個步驟：程包括三個步驟：熱流體將熱量傳到壁面一側；熱流體將熱量傳到壁面一側；熱量通過固體壁面的熱傳導；熱量通過固體壁面的熱傳導；壁面的另一側將熱量壁面的另一側將熱量傳給冷流體。傳給冷流體。即即給熱一導熱一給熱給熱一導熱一給熱的串聯(lián)過程。的串聯(lián)過程。 依傳熱面的結構可分為依傳熱面的結構可分為管式換熱器管式換熱器和和板式換熱器板式換熱器。管式換熱器管式換熱器的傳熱面是由的傳熱面是由管子管子做成的，包括做成的，包括套管式、套管式、列管式、蛇管式、噴淋式和翅片管式列管式、蛇管式、噴淋式和翅片管式等；等；板式換熱器板式換熱器的傳熱面是由的傳熱面是由板材板材做成的，包括做成的，包括夾套式、螺

11、紋板式、夾套式、螺紋板式、螺旋板式螺旋板式等。等。12 簡單的套管換熱器簡單的套管換熱器 把流體流經(jīng)管束稱為把流體流經(jīng)管束稱為管程管程，該流體稱為，該流體稱為管程流體管程流體；把流體流經(jīng)管間環(huán)隙稱為把流體流經(jīng)管間環(huán)隙稱為殼程殼程，該流體稱為，該流體稱為殼程流體殼程流體。管程流體在管束內來回流過幾次，就稱為與次數(shù)相同管程流體在管束內來回流過幾次，就稱為與次數(shù)相同程數(shù)的換熱器。程數(shù)的換熱器。 13單程列管式換熱器單程列管式換熱器1 外殼外殼 2管束管束 3、4接管接管 5封頭封頭 6管管板板 7擋板擋板 14雙程列管式換熱器雙程列管式換熱器1殼體殼體 2管束管束 3擋板擋板 4隔板隔板 15熱源：

12、熱源： 電熱電熱 應用范圍廣，溫度范圍寬。應用范圍廣，溫度范圍寬。 飽和水蒸汽飽和水蒸汽 最常用，不超過最常用，不超過180（1MPa） 煙道氣煙道氣 700 以上，傳熱慢，不易控制。以上，傳熱慢，不易控制。 高溫載熱體高溫載熱體 礦物油，熔鹽等，礦物油，熔鹽等，180-540 冷源：冷源： 水、空氣、冷凍鹽水等水、空氣、冷凍鹽水等四、化工生產(chǎn)中常用的冷、熱源四、化工生產(chǎn)中常用的冷、熱源中溫：中溫：水蒸氣（加熱）、水（冷卻）水蒸氣（加熱）、水（冷卻）高溫：高溫：高壓蒸氣、熱油、煙道氣、熔鹽、空氣（冷卻）高壓蒸氣、熱油、煙道氣、熔鹽、空氣（冷卻）低溫：低溫：鹽水、液氨鹽水、液氨16五、總傳熱方程

13、式五、總傳熱方程式在間壁式換熱器中，熱流體通過管壁將熱量傳給冷流在間壁式換熱器中，熱流體通過管壁將熱量傳給冷流體熱傳遞的快慢用體熱傳遞的快慢用傳熱速率傳熱速率來表示。傳熱速率是指來表示。傳熱速率是指單位時間內通過傳熱面?zhèn)鬟f的能量單位是單位時間內通過傳熱面?zhèn)鬟f的能量單位是/。換熱器的傳熱速率換熱器的傳熱速率Q與與傳熱面積傳熱面積A和和冷熱兩種流體的平均溫冷熱兩種流體的平均溫差差tm成正比成正比:：傳熱速率：傳熱速率, tm：兩流體的平均溫度差：兩流體的平均溫度差, K：比例系數(shù)，總傳熱系數(shù)：比例系數(shù)，總傳熱系數(shù) ，因次，因次W/(m2K)。上式為總傳熱方程，是換熱器傳熱計算的重要依據(jù)。包括上式為

14、總傳熱方程，是換熱器傳熱計算的重要依據(jù)。包括傳導傳熱傳導傳熱和和對流傳熱對流傳熱阻力推動力KAttKAQmm117六、六、 一些基本術語及概念一些基本術語及概念熱量（熱量（heat）： 熱量是能量的一種形式。熱量是能量的一種形式。SI制制 J，cgs制制 cal，kcal傳熱速率傳熱速率Q（heat transfer rate ）： 單位時間通過傳熱面的熱量，又稱單位時間通過傳熱面的熱量，又稱熱流量熱流量。SI單位單位W。熱通量熱通量q（heat flux ）： 單位時間，單位面積傳遞的熱量，又稱單位時間，單位面積傳遞的熱量，又稱熱流通量熱流通量，單位，單位W/m2。是換熱設備的一個重要指標。

15、是換熱設備的一個重要指標。穩(wěn)態(tài)傳熱和不穩(wěn)態(tài)傳熱穩(wěn)態(tài)傳熱和不穩(wěn)態(tài)傳熱： 傳熱面各點的溫度不隨時間發(fā)生變化的傳熱過程稱為穩(wěn)定傳熱面各點的溫度不隨時間發(fā)生變化的傳熱過程稱為穩(wěn)定傳熱，否則是不穩(wěn)定傳熱過程。傳熱，否則是不穩(wěn)定傳熱過程。穩(wěn)態(tài)傳熱時，在同一熱流方穩(wěn)態(tài)傳熱時，在同一熱流方向上的傳熱速率為常數(shù)向上的傳熱速率為常數(shù)。生產(chǎn)上常見的是穩(wěn)定傳熱過程。生產(chǎn)上常見的是穩(wěn)定傳熱過程。18一、熱傳導基本方程一、熱傳導基本方程傅里葉定律傅里葉定律如圖所示，當均勻物體兩側有如圖所示，當均勻物體兩側有溫度差溫度差(t1一一t2)時，熱量以時，熱量以傳導傳導的方式的方式, 由高溫向低溫傳遞。由高溫向低溫傳遞。單位時間

16、物體的導熱速率單位時間物體的導熱速率Q與與導熱面積導熱面積A和溫度梯度和溫度梯度dtd呈正比。寫為等式：呈正比。寫為等式： 第二節(jié)第二節(jié) 傳導傳熱傳導傳熱 ddtAQQb19上式稱為上式稱為傅里葉（傅里葉（Fourier）定律）定律。 dtd溫度梯度，溫度梯度，Km-1，表示傳熱方向上因距離而引起溫，表示傳熱方向上因距離而引起溫度變化的程度度變化的程度； A導熱面積，即垂直于熱流方向的截面積，導熱面積，即垂直于熱流方向的截面積，m2； 比例系數(shù)，熱導率，也稱為導熱系數(shù)，比例系數(shù)，熱導率，也稱為導熱系數(shù)，Wm-1K-1。 熱導率表征物質導熱能力的一個參數(shù)，為物質性質之一熱導率表征物質導熱能力的一

17、個參數(shù)，為物質性質之一。熱導熱導率越大，物質的導熱能力越強率越大，物質的導熱能力越強。熱導率的大小與物質的組成、。熱導率的大小與物質的組成、結構、狀態(tài)（溫度、濕度、壓強）等因素有關。結構、狀態(tài)（溫度、濕度、壓強）等因素有關。金屬的熱導率金屬的熱導率大，非金屬固體材料的熱導率小，液體的熱導率更小，氣體的大，非金屬固體材料的熱導率小，液體的熱導率更小，氣體的熱導率最小熱導率最小。0.2的物質可以作為絕熱材料。的物質可以作為絕熱材料。20二、傳導傳熱計算二、傳導傳熱計算 1. 單層平面壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導單層平面壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導2. 多層平面壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導多層平面壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導3. 單層圓筒壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導單

18、層圓筒壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導4. 多層圓筒壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導多層圓筒壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導 21平面壁指間壁幾何結構為平面的傳熱面，特點是平面壁指間壁幾何結構為平面的傳熱面，特點是沿傳熱方向沿傳熱方向導熱面積導熱面積A不發(fā)生變化不發(fā)生變化。 如圖所示的單層平面壁，在如圖所示的單層平面壁，在穩(wěn)態(tài)傳熱條件下，其穩(wěn)態(tài)傳熱條件下，其熱導率不熱導率不隨時間發(fā)生變化，傳熱面的溫隨時間發(fā)生變化，傳熱面的溫度沿垂直于壁面的熱量傳遞方度沿垂直于壁面的熱量傳遞方向變化、但不隨時間變化。向變化、但不隨時間變化。 1. 單層平面壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導單層平面壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導Qb22式中式中R=b/A稱為熱阻，記作稱為熱阻，記作R, KW-1ddt

19、AQ210ttbdtAdQRtbttAQ21ttxdtAdQ10AQxtt1bttq21熱流密度：熱流密度：23例例3-1 厚度為厚度為215mm的耐火磚制成的爐壁，內壁溫的耐火磚制成的爐壁，內壁溫度為度為630 oC，外壁溫度為，外壁溫度為150 oC，耐火磚的導熱系數(shù)，耐火磚的導熱系數(shù)為為0.9W/(m.K)，試求通過每平方米壁面的散熱速率。，試求通過每平方米壁面的散熱速率。解：散熱速率為bttAQ21單位面積的散熱速率為bttAQq2123/1001. 2215. 01506309 . 0mW24如圖所示為三層不同材料組成如圖所示為三層不同材料組成的復合平面壁。穩(wěn)態(tài)導熱時各的復合平面壁。

20、穩(wěn)態(tài)導熱時各分層的傳熱速率分別為：分層的傳熱速率分別為：第一層第一層2. 多層平面壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導多層平面壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導211111ttQbA1111111RQQtAbQb1b2b3b25第二層第二層第三層第三層322222ttQbA433333ttQbA3333333RQQtAb2222222RQQtAb因因A1=A2=A3=A, 穩(wěn)態(tài)熱傳導時穩(wěn)態(tài)熱傳導時, 上三式加和上三式加和后得后得321QQQ32141321333222111RRRtttttQAbAbAb總阻力總推動力iiiAbitQ332211321bbbtttq熱流密度：熱流密度：26p 可以看出，過程的總推動力為各層推動力之可以看

21、出，過程的總推動力為各層推動力之和，總阻力為各層熱阻之和，即對多層壁面的定和，總阻力為各層熱阻之和，即對多層壁面的定態(tài)熱傳導，傳熱推動力和傳熱阻力具有態(tài)熱傳導，傳熱推動力和傳熱阻力具有加和性加和性。p 由過程分析還可得到：由過程分析還可得到： 多層壁面的穩(wěn)態(tài)熱傳導，各分層溫度降與該層的多層壁面的穩(wěn)態(tài)熱傳導，各分層溫度降與該層的熱阻呈正比。熱阻呈正比。iiiAbAbAbAbtttt:333222111321iiRRRRtttt:32132127例例3-2 硫酸生產(chǎn)中硫酸生產(chǎn)中SO2氣體是在沸騰爐中焙燒硫鐵礦而得到的，氣體是在沸騰爐中焙燒硫鐵礦而得到的，若沸騰爐的爐壁是由若沸騰爐的爐壁是由23cm

22、厚的耐火磚（實際各區(qū)段的磚規(guī)格略厚的耐火磚（實際各區(qū)段的磚規(guī)格略有差異）、有差異）、23cm厚的保溫磚（粘土輕磚）、厚的保溫磚（粘土輕磚）、5cm厚的石棉板及厚的石棉板及10cm厚的鋼殼組成。操作穩(wěn)定后，測得爐內壁面溫度厚的鋼殼組成。操作穩(wěn)定后，測得爐內壁面溫度t1為為900，外壁面溫度外壁面溫度t5為為80。試求每平方米爐壁面由熱傳導所散失的熱。試求每平方米爐壁面由熱傳導所散失的熱量，并求爐壁各層材料間交界面的溫度為多少？已知：耐火磚量，并求爐壁各層材料間交界面的溫度為多少？已知：耐火磚 11105. 1KmW，保溫磚，保溫磚 1122 . 0KmW石棉磚石棉磚 11309. 0KmW,鋼殼

23、鋼殼 11440KmW23cm23cm5cm10cmt1t2t3t4t528解解：由題意根據(jù)多層平壁熱流量公式，得：由題意根據(jù)多層平壁熱流量公式，得： 耐火磚與保溫磚的交界面溫度耐火磚與保溫磚的交界面溫度t t2 2=806.82515 .42544332211mWtttAQqbbbbbii保溫磚與石棉板的交界面溫度保溫磚與石棉板的交界面溫度t t3 3 =317.5 石棉板與鋼殼的交界面溫度石棉板與鋼殼的交界面溫度t t4 4 1112/bqtt2223/bqtt29=81.1 計算結果表明，各分層熱阻越大則溫度降越大，沸騰計算結果表明，各分層熱阻越大則溫度降越大，沸騰爐的爐壁主要溫度降在保

24、溫磚和石棉板層。爐的爐壁主要溫度降在保溫磚和石棉板層。 3334/bqtt30 圓筒壁面熱傳導的特點是傳熱面積圓筒壁面熱傳導的特點是傳熱面積A沿熱量傳遞方向而沿熱量傳遞方向而變化，即變化，即傳熱面積傳熱面積A隨圓筒的半徑而變化隨圓筒的半徑而變化。 3. 單層圓筒壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導單層圓筒壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導如圖所示，熱量由管內壁面向管外壁如圖所示，熱量由管內壁面向管外壁面定態(tài)傳導，考察厚度為面定態(tài)傳導，考察厚度為dr的薄層，的薄層，由博里葉定律得：由博里葉定律得： 分離變量并積分：分離變量并積分： drdtrlddtAQ2ldtrdrQ221212ttrrdtlrdrQ3121122lnttlrrQRt

25、rrlttrrttlQ12211221ln21ln21221ln2rrrttlrQAQq熱流密度：熱流密度：1221ln2rrttlQql單位圓筒壁長度的導熱速率：單位圓筒壁長度的導熱速率：工程上使用較多工程上使用較多32 2112122112121221121221ln22ln2ln2ttAbAArrttAAlrlrrrttrrlrrttlQm將導熱速率公式改寫成單層平壁類似的形式將導熱速率公式改寫成單層平壁類似的形式1212lnAAAAAm對數(shù)平均面積對數(shù)平均面積 圓筒壁面的半徑較大且其厚度較薄時，可以用算圓筒壁面的半徑較大且其厚度較薄時，可以用算術平均值取代對數(shù)平均值計算圓筒壁的術平均值取代對數(shù)平均值計算圓筒壁的Am。 33rrttrdrlQdt112溫度分布方程的推導溫度分布方程的推導lrQdrdt211ln2rrlQtt34例例3-3 有一外徑為有