第四章傳熱第1、2節(jié)課件

2023/9/17

第四

章傳熱2023/8/6第四章傳熱2023/9/17第一節(jié)概述（1）一、傳熱在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用

1、傳熱過程(傳熱操作單元)：

熱量自動的從高溫向低溫傳遞的過程。由溫差而引起的能量傳遞。

2、傳熱研究的內(nèi)容：

熱量傳遞的基本規(guī)律，利用其基本規(guī)律解決實際問題。3、傳熱學(xué)與熱力學(xué)的關(guān)系：

熱力學(xué)不研究傳熱的機理以及傳熱的快慢問題；而傳熱學(xué)研究傳熱過程的速率問題。2023/8/6第一節(jié)概述（1）一、傳熱在化工2023/9/17第一節(jié)概述（2）傳熱的共性問題歸納如下1)加熱(使物料升溫)t↑；冷卻(使物料降溫)t↓，(無相變化，顯熱量)——物料變溫過程。2)蒸發(fā)、汽化、冷凝、沸騰(t不變)，相變化，潛熱量－－物料相變過程。

化工過程中解決的傳熱問題如下：①加強傳熱：加熱快、冷卻快，即加快傳熱速度。

②削弱傳熱：保溫——防止熱（冷）量損失，減少熱量損失，熱量的合理利用；節(jié)能。2023/8/6第一節(jié)概述（2）傳熱的共性問題2023/9/17第一節(jié)概述（3）二、傳熱的三種方式1、熱傳導(dǎo)(導(dǎo)熱)：物體內(nèi)部不發(fā)生質(zhì)點的宏觀運動，只靠物體各部位接觸的能量傳遞。

需要有溫差Δt及導(dǎo)熱介質(zhì)存在；固體、液體、氣體都可以作為導(dǎo)熱介質(zhì)，只是導(dǎo)熱機理不同。純粹的導(dǎo)熱只發(fā)生在靜止的固體內(nèi)部。2023/8/6第一節(jié)概述（3）二、傳熱的三種2023/9/17第一節(jié)概述（4）2、熱對流：流體內(nèi)發(fā)生相對位移過程中，由于不同溫度流體質(zhì)點的位移及混合引起的熱量傳遞。熱對流只發(fā)生在流體內(nèi)(傳熱介質(zhì))。其中引起熱對流的原因不同，可將熱對流分為兩種：自然對流：流體內(nèi)部有溫度差Δt而引起密度差Δρ，而引起熱對流(無外力作用)。強制對流：在外力作用下的熱對流(攪拌等)。2023/8/6第一節(jié)概述（4）2、熱對流：流2023/9/17第一節(jié)概述（5）3、熱輻射:

不需要溫差Δt及傳熱介質(zhì)，只要物體具有一定溫度，向外輻射能量的現(xiàn)象。可在空間傳播，輻射傳熱過程伴隨熱能與輻射能的轉(zhuǎn)換。4、化工過程中的傳熱方式應(yīng)該是——三種傳熱方式的組合，而不是單一的一種傳熱方式。在化工生產(chǎn)中將流體與固體間的傳熱(導(dǎo)熱+對流)稱為對流傳熱。

對流傳熱的特點：最終的熱流方向總是由高溫向低溫進(jìn)行傳遞。2023/8/6第一節(jié)概述（5）3、熱輻射:2023/9/17第一節(jié)概述（6）5、載熱體及其選擇：

在傳熱過程中，物料在換熱器內(nèi)被加熱或被冷卻，都需要用另一種流體提供或取走熱量，均稱為載熱體。起加熱作用的高溫流體(T):熱流體/加熱劑起冷卻作用的低溫流體(t):冷流體/冷卻劑載熱體

載熱體的用量多與少，直接影響工程的經(jīng)濟(jì)效益。選擇載熱體還需以下原則：1)載熱體的溫度易調(diào)節(jié)控制；飽和蒸汽壓較低，不易分解；2)毒性小，不易然、易爆，不易腐蝕設(shè)備；3)價格便宜，來源容易，等。2023/8/6第一節(jié)概述（6）5、載熱體及其2023/9/17第一節(jié)概述（7）熱源和冷源

1、熱源

1）電熱：特點是加熱能達(dá)到的溫度范圍廣，而且便于控制，使用方便，比較清潔。但費用比較高。2）飽和水蒸氣：

優(yōu)點：飽和水蒸氣的冷凝溫度和壓強是一一對應(yīng)的關(guān)系，調(diào)節(jié)飽和水蒸汽的壓強就可以控制加熱溫度，使用方便，而且飽和蒸汽冷凝過程的傳熱速率快。

缺點：飽和水蒸氣冷凝傳熱能達(dá)到的溫度受壓強的限制。3）煙道氣

煙道氣的溫度可達(dá)700℃以上，可以將物料加熱到比較高的溫度。缺點：傳熱速度慢，溫度不易控制。2、冷源：一般采用水、空氣和冷凍鹽水等作為冷源。2023/8/6第一節(jié)概述（7）熱源和冷源12023/9/17第一節(jié)概述（8）6、穩(wěn)定傳熱與不穩(wěn)定傳熱1)穩(wěn)定傳熱：流體溫度只隨位置改變，不隨時間改變(傳熱速率Q為常數(shù))：t,T=f(x,y,z)

換熱器中不積累熱量，即輸入熱量=輸出熱量2)不穩(wěn)定傳熱：流體溫度既隨位置又隨時間改變。不穩(wěn)定傳熱過程的傳熱速率不為常數(shù)：

t,T=f(x,y,z,θ)2023/8/6第一節(jié)概述（8）6、穩(wěn)定傳熱與2023/9/17第一節(jié)概述（9）三、傳熱速率Q：2、熱通量q(熱流密度)：單位時間、單位傳熱面積上所傳遞的熱量。[w/m2]1、定義：單位時間傳遞熱量的多少。單位：

[w=J/s；kw=kJ/s]或傳熱推動力與傳熱阻力之比。穩(wěn)定傳熱Q是常數(shù)，即：Q1=Q2=Q3

不穩(wěn)定傳熱Q是變量。四、工程上換熱設(shè)備中的傳熱方式：熱量由高溫自動的傳向低溫物體。(1)熱流體與固體壁間的熱對流Q1(2)固體壁內(nèi)的導(dǎo)熱Q2(3)固體壁與冷流體的熱對流Q3(4)Q1，Q3為熱對流速率，Q2為導(dǎo)熱速率固體壁TQ1tQ3Q2Twtw2023/8/6第一節(jié)概述（9）三、傳熱速率Q2023/9/17第一節(jié)概述（10）3、傳熱速率的另一種表達(dá)：穩(wěn)定傳熱：Q1=Q2=Q3即各種傳熱方式的傳熱速率相等，傳熱方向與流體流動方向垂直?？倐鳠嵬苿恿Γ嚎偀嶙瑁簜鳠崴俾剩?023/8/6第一節(jié)概述（10）3、傳熱速率2023/9/17第二節(jié)熱傳導(dǎo)—導(dǎo)熱（1）研究導(dǎo)熱主要解決以下重要問題：導(dǎo)熱速率

一、基本概念與傅立葉導(dǎo)熱定律傳熱的推動力：溫差，這種溫度差異，說明存在——溫度分布：系統(tǒng)中溫度的差別狀態(tài)稱系統(tǒng)的溫度分布。每一種溫度分布表示對應(yīng)的溫差大小，決定了導(dǎo)熱速率大小。1、溫度場：物體各點的溫度、時間θ與空間(x，y，z)分布狀態(tài)總和的函數(shù)關(guān)系為溫度場。2023/8/6第二節(jié)熱傳導(dǎo)—導(dǎo)熱（1）研究導(dǎo)熱主要2023/9/17第二節(jié)熱傳導(dǎo)—導(dǎo)熱（2）2、溫度場的數(shù)學(xué)表達(dá)：物系內(nèi)任一點的空間坐標(biāo)與時間的對應(yīng)關(guān)系——溫度場t=f(x，y，z,θ)不穩(wěn)定的溫度場→

(t隨x、y、z、θ同時改變)不穩(wěn)定傳熱：Q不是常數(shù)。t=f(x,y,z)穩(wěn)定傳熱溫度場→穩(wěn)定傳熱特殊處理:系統(tǒng)內(nèi)溫度變化僅沿一個方向進(jìn)行變化。t=f(x)一維穩(wěn)定溫度場：2023/8/6第二節(jié)熱傳導(dǎo)—導(dǎo)熱（2）2、溫度場的數(shù)2023/9/17第二節(jié)熱傳導(dǎo)—導(dǎo)熱（3）等溫線：

在具有一定溫度分布的溫度場中，將溫度相同的點聯(lián)結(jié)稱為等溫線。等溫面：將等溫線聯(lián)結(jié)即為等溫面。

因等溫面上溫度處處相等，所以不同溫度的等溫面不能相交，溫度t是位置的單值函數(shù)。溫度場內(nèi)，等溫面上Δt=0,沒有熱量傳遞。2023/8/6第二節(jié)熱傳導(dǎo)—導(dǎo)熱（3）等溫線：2023/9/17第二節(jié)熱傳導(dǎo)—導(dǎo)熱（4）2、溫度梯度問題：Δt最大的方向是什么方向？

由數(shù)學(xué)知Δt最大的方向應(yīng)該是垂直于等溫面的法向方向。即相鄰兩等溫面的溫差Δt與該兩面的垂直距離Δn之比，稱溫度梯度(?t/?n)定義溫度梯度:nt＋Δttt－Δtq(與n方向相反)一維穩(wěn)定溫度場的溫度梯度：2023/8/6第二節(jié)熱傳導(dǎo)—導(dǎo)熱（4）2、溫度2023/9/17第二節(jié)熱傳導(dǎo)—導(dǎo)熱（5）

通過等溫面的導(dǎo)熱速率dQ與溫度梯度?t/?n及傳熱面積dS成正比。

式中：“－”表示傳熱方向(Q)與溫度梯度相反；

λ：表示導(dǎo)熱系數(shù)；S：表示導(dǎo)熱面積(等溫面)，垂直于熱流方向上的截面積。3、傅里葉導(dǎo)熱定律dQ∝dS∝?t/?n穩(wěn)定傳熱Q是常數(shù)一維2023/8/6第二節(jié)熱傳導(dǎo)—導(dǎo)熱（5）2023/9/17第二節(jié)熱傳導(dǎo)—導(dǎo)熱（6）定義式：1)λ的物義：單位溫度梯度(?t/?n=1)，單位導(dǎo)熱面積S=1時的導(dǎo)熱速度Q=λ

[J/s];表示物體的導(dǎo)熱能力，即比較λ值的大小即可確定導(dǎo)熱速率。2)λ的單位：w/m℃；kw/m℃3)λ的特性：λ為物質(zhì)的物理屬性，λ值的大小表示其物質(zhì)的導(dǎo)熱能力。λ值與物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、密度及所在溫度有關(guān)；λ值由實驗測量并列表。4、導(dǎo)熱系數(shù)λ影響因素：①與物質(zhì)純度有關(guān)：物質(zhì)越純，λ↑；純銅λ=377W/m℃;青銅λ=187W/m℃；熟鐵λ=61W/m℃;鋼λ=45W/m℃;②與物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)：同一材料密度越大則λ↑；硬朔料λ=20W/m℃；泡沫朔料λ=0.02W/m℃；③與物質(zhì)物理性狀有關(guān)：冰λ=2.25W/m℃；0℃水λ=0.57W/m℃；0℃汽λ=0.016W/m℃。2023/8/6第二節(jié)熱傳導(dǎo)—導(dǎo)熱（6）定義式：2023/9/17第二節(jié)熱傳導(dǎo)—導(dǎo)熱（7）一般規(guī)律：(1)均勻固體的λ：λ=λ0(1+αt)λ0:固體在0℃時的導(dǎo)熱系數(shù)；α:溫度系數(shù)1/℃；其λ與溫度近似呈線性關(guān)系。1）金屬的α<0：

2）非金屬的α>0對于固體其λ值，可取不同的溫度下的平均值λ

m。(2)液體的λ:規(guī)律—水和甘油的規(guī)律相同:t↑、λ↑；其它液體：t

↑

，λ↓。(3)氣體的λ：一般比較小，有利于保溫和絕熱；規(guī)律—

t↑、λ↑。2023/8/6第二節(jié)熱傳導(dǎo)—導(dǎo)熱（7）一般規(guī)律2023/9/17第二節(jié)熱傳導(dǎo)—導(dǎo)熱（8）決定導(dǎo)熱速率QSS的表達(dá)式由換熱器形狀決定溫度梯度由導(dǎo)熱方式?jīng)Q定1、單層平壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)

設(shè)：平壁厚bm,兩側(cè)外表面積Sm2每個等溫面或傳熱面相等；

導(dǎo)熱方式：熱量從高溫側(cè)傳導(dǎo)至低溫側(cè)；認(rèn)為傳熱方向是垂直于該壁面進(jìn)行，溫度由t1降至t2；導(dǎo)熱系數(shù)λ為常數(shù)。二、平壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)2023/8/6第二節(jié)熱傳導(dǎo)—導(dǎo)熱（8）決定導(dǎo)熱速2023/9/17第二節(jié)熱傳導(dǎo)—導(dǎo)熱（9）2、單層平壁導(dǎo)熱速率公式平壁S為常數(shù)，邊界條件：2023/8/6第二節(jié)熱傳導(dǎo)—導(dǎo)熱（9）2、單層平2023/9/17第二節(jié)熱傳導(dǎo)—導(dǎo)熱（10）3、單層平壁內(nèi)的溫度分布：平壁S為常數(shù)，設(shè)在x處其溫度為tx：2023/8/6第二節(jié)熱傳導(dǎo)—導(dǎo)熱（10）3、單層2023/9/17第二節(jié)熱傳導(dǎo)—導(dǎo)熱（11）4、多層平壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)討論對象：三層平壁為均勻固體，且接觸良好，兩接觸面的溫度相同。對穩(wěn)定傳熱:Q1=Q2=Q3三層固體壁厚:b1、b2、b3導(dǎo)熱系數(shù):λ1、λ2、λ3為常數(shù)各層溫變:t1>t2>t3>t4,R1≠R2≠R3根據(jù)單層平壁的導(dǎo)熱速率，知：2023/8/6第二節(jié)熱傳導(dǎo)—導(dǎo)熱（11）4、多層2023/9/17第二節(jié)熱傳導(dǎo)—導(dǎo)熱（12）推廣到n層平壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)速度：注意：總推動力即總溫差；推動力與阻力相對應(yīng)，即推動力與阻力在同一范圍內(nèi)。2023/8/6第二節(jié)熱傳導(dǎo)—導(dǎo)熱（12）推廣到n2023/9/17第二節(jié)熱傳導(dǎo)—導(dǎo)熱（13）

以上結(jié)論是針對兩面接觸良好情況下得到的；實際情況是不同的兩接觸面間，由于粗糙不平存在空隙而產(chǎn)生接觸熱阻，使接觸面處出現(xiàn)明顯的溫度降，這是中間有空隙造成的。

接觸熱阻與材料、表面粗糙程度及接觸面上的壓強也有關(guān)系。接觸熱阻值是由實驗測得的，列表(表4-4)。2023/8/6第二節(jié)熱傳導(dǎo)—導(dǎo)熱（13）2023/9/17課堂例題(1)

某平壁層由三層材料組成，其厚度分別為30cm,25cm,40cm;導(dǎo)熱系數(shù)分別為：1.6W/m℃；0.58W/m℃；0.93W/m℃；已知內(nèi)層溫度為1100℃；最外層溫度為100℃；求：各層溫度降？如果由于某種原因，在第二層與第三層之間有一3mm厚的空氣層，而要求熱損失與原來相同，再求最外層溫度為多少？已知：b1=0.3m,b2=0.25m,b3=0.4m;λ1=1.6W/m℃;λ2=0.58W/m℃；λ3=0.93W/m℃;t1=1100℃;t4=100℃；求：1)Δt1;Δt2;Δt3;2)又有b′=0.003m而Q不變，t5=?(查空氣的λ＝0.031W/m℃)2023/8/6課堂例題(1)某平壁層由三層材料組2023/9/17課堂例題(2)2023/8/6課堂例題(2)2023/9/17課堂例題(3)2023/8/6課堂例題(3)2023/9/17課堂例題(4)2023/8/6課堂例題(4)2023/9/17第二節(jié)熱傳導(dǎo)—導(dǎo)熱（14）三、圓筒壁熱的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)2023/8/6第二節(jié)熱傳導(dǎo)—導(dǎo)熱（14）三、2023/9/17第二節(jié)熱傳導(dǎo)—導(dǎo)熱（15）圓筒壁的導(dǎo)熱面S：不是常數(shù)，隨管壁半徑（壁厚）r改變：S=2πrL

導(dǎo)熱（傳熱）方向：由圓心向外壁面發(fā)散進(jìn)行。設(shè)內(nèi)壁溫為t1,內(nèi)半徑為r1;外壁溫為t2，外半徑為r2；

壁厚b=r2-r1。1、單層圓筒壁熱傳導(dǎo)速率公式2023/8/6第二節(jié)熱傳導(dǎo)—導(dǎo)熱（15）圓筒壁的2023/9/17第二節(jié)熱傳導(dǎo)—導(dǎo)熱（16）(1)單層圓筒壁導(dǎo)熱速率公式：圓筒壁中穩(wěn)定導(dǎo)熱的溫度梯度：傅立葉導(dǎo)熱定律：邊界條件：2023/8/6第二節(jié)熱傳導(dǎo)—導(dǎo)熱（16）(1)單2023/9/17第二節(jié)熱傳導(dǎo)—導(dǎo)熱（17）2023/8/6第二節(jié)熱傳