第十七讲传热概论及热传导.ppt

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1、第一节第一节 概述概述 一、传热在化工生产中的应用一、传热在化工生产中的应用传热：传热：就是温度不同而引起的热量的传递。是自然界和工程技术就是温度不同而引起的热量的传递。是自然界和工程技术领域中极普遍的一种传递过程领域中极普遍的一种传递过程 。1.化工中进行传热的目的：化工中进行传热的目的：（1)1)加热或冷却加热或冷却使物料达到指定的温度使物料达到指定的温度，例如蒸发、蒸馏、干燥例如蒸发、蒸馏、干燥等单元操作过程等单元操作过程；(2)(2)换热换热回收利用热量；回收利用热量；(3)(3)保温保温减少热损失。减少热损失。2、化工生产中传热过程的两种情况、化工生产中传热过程的两种情况（1）强化传

2、热：强化传热：各种换热设备中的传热。（2）削弱传热：削弱传热：如对设备和管道的保温，以减少热损失二、热源和冷源二、热源和冷源 1、热源、热源（1）电热）电热：特点是加热能达到的温度范围广，而且便于控制，使用方便，比较清洁。但费用比较高。（2）饱和水蒸气：）饱和水蒸气：优点：优点：饱和水蒸气的冷凝温度和压强有一一对应的关系，调节饱和水蒸汽的压强就可以控制加热温度，使用方便，而且饱和蒸汽冷凝过程的传热速率快。缺点：缺点：饱和水蒸气冷凝传热能达到的温度受压强的限制。（3）烟道气）烟道气 烟道气的温度可达700以上，可以将物料加热到比较高的温度。缺点：缺点：传热速度慢，温度不易控制。（4）高温载热体：

3、）高温载热体：优点：优点：沸点高（饱和蒸汽压低），化学性质稳定。2、冷源、冷源 一般采用水、空气和冷冻盐水等作为冷源。二、热源和冷源二、热源和冷源 三、传热的三种基本方式三、传热的三种基本方式 1、热传导（导热）、热传导（导热）热量从物体内部温度较高的部分传递到温度较低的部分或者传递到与之相接触的温度、较低的另一物体的过程称为热传导，简称导热。特点：物质间没有宏观位移，只发生在静止物质内的一种传热方式。微观机理因物态而异 2、热对流、热对流流体中质点发生相对位移而引起的热量传递，称为热对流 对流只能发生在流体中。强制对流 自然对流 用机械能（泵、风机、搅拌等）使流体发生对流而传热。由于流体各部

4、分温度的不均匀分布，形成密度的差异，在浮升力的作用下，流体发生对流而传热 3、辐射、辐射 辐射是一种通过电磁波传递能量的过程。物体由于热的原因而发出辐射能的过程，称为热辐射。辐射传热，不仅是能量的传递，还伴随着能量形式的转化。辐射传热不需要任何介质作媒介，可以在真空中传播。吸收热物体辐射能电磁波热能低温物体热能第一节第一节 概述概述 四、传热过程的速率四、传热过程的速率传热速率传热速率Q（热流量）：（热流量）：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 ，J/s=W 热通量热通量q（热流密度）：（热流密度）：单位时间内通过单位传热面积的热量，即单位面积单位时间内通过单位传热面积的热量

5、，即单位面积的传热速率的传热速率，J/m2s=W/m2 传热的中心问题是确定传热速率的大小传热的中心问题是确定传热速率的大小强化传热强化传热使使Q(q)大大削弱传热削弱传热使使Q(q)小小传热温差以T表示，热阻通常以R或r表示 第一节第一节 概述概述 五、稳态与非稳态传热五、稳态与非稳态传热 非稳态传热非稳态传热 稳态传热稳态传热 第一节第一节 概述概述 六、冷热流体的传热方式六、冷热流体的传热方式1.1.混合式传热（直接接触式传热）混合式传热（直接接触式传热）特点特点冷、热两流体在传热器中以直冷、热两流体在传热器中以直接混合的方式进行热量交换。接混合的方式进行热量交换。优点优点设备简单、传热

6、效率高。设备简单、传热效率高。用于用于气体冷却、水蒸汽冷凝。气体冷却、水蒸汽冷凝。第一节第一节 概述概述 六、冷热流体的传热方式六、冷热流体的传热方式 2.2.蓄热式传热蓄热式传热低温流体低温流体高温流体高温流体特点特点由蓄热体和冷、热流体进行热由蓄热体和冷、热流体进行热量交换。量交换。优点优点设备较简单、耐高温。设备较简单、耐高温。缺点缺点设备体积大、有一定的混合。设备体积大、有一定的混合。3、间壁式换热、间壁式换热 间壁式换热的特点是冷、热流体被一固体隔开，分别在壁的两侧流动，不相混合，通过固体壁进行热量传递。传热过程可分为三步：热流体将热量传给固体壁面（对流传热）热量从壁的热侧传到冷侧（

7、热传导）热量从壁的冷侧面传给冷流体（对流传热）壁的面积称为传热面，是间壁式换热器的基本尺寸。七七、典型的间壁式换热器及其传热过程典型的间壁式换热器及其传热过程 1、套管式换热器、套管式换热器 套管式换热器是由两种直径大小不同的直管组成的同心管，一种流体在内管中流动，另一种流体在内、外两壁间的环隙中流动，通过内管管壁进行热量交换。内管壁的表面积即为传热面积。2、列管式换热器、列管式换热器 列管式换热器由壳体、管束、管板和封头等部件组成。第一节第一节 概述概述七七、典型的间壁式换热器及其传热过程典型的间壁式换热器及其传热过程 传热面为内管的表面传热面为内管的表面1.套管式换热器套管式换热器一种流体

8、由封头的进口管进入器内，流经封头与管板的空间分配至各管内（称为管程）。通过管束后，从另一端封头的出口流出换热器。另一种流体则由壳体的接管流入，在壳体与管束间的空隙流过（称为壳程），从壳体的另一端接管流出。壳体内往往安装若干块与管束相垂直的折流挡板。流体在管束内只通过一次，称为单程列管式换热器。若在换热器封头内设置隔板，将管束的全部管子平均分隔成若干组，流体每次只通过一组管子，然后折回进入另一组管子，如此往复多次，最后从封头接管流出换热器。这种换热器称为多管程列管式换热器。2.列管式换热器列管式换热器传热面为壳内所有管束的表面传热面为壳内所有管束的表面热流体热流体T1T2冷流体冷流体t1t22.

9、列管式换热器列管式换热器第一节第一节 概述概述七七、典型的间壁式换热器及其传热过程典型的间壁式换热器及其传热过程 列管式换热器的换热面积为管束管壁的全部表面积。d管径可分别用管内径di,管外径d0或平均直径dm来表示。则对应的传热面积分别为管内侧面积Ai，外侧面积A0或平均面积Am 2.列管式换热器列管式换热器温度场温度场物体或系统内部的各点温物体或系统内部的各点温度分布的总和。度分布的总和。等温面等温面温度场中温度相等的面组温度场中温度相等的面组成的面。成的面。第二节第二节 热传导热传导 一、傅里叶（一、傅里叶（Fourier）定律）定律热传导：热传导：热量不依靠宏观混合运动而从物体中的高温

10、区向低温区移动的热量不依靠宏观混合运动而从物体中的高温区向低温区移动的过程称为热传导，简称导热。过程称为热传导，简称导热。特点：特点：物质内的分子或质点不发生宏观位移物质内的分子或质点不发生宏观位移1.1.温度场和等温面温度场和等温面t1t2t1t2等温面Q不同温度的等温面不相交不同温度的等温面不相交。第二节第二节 热传导热传导 一、傅里叶（一、傅里叶（Fourier）定律）定律 2.2.温度梯度温度梯度等温面法线方向上的温度变化率，用gradt表示。t+tt-ttnQdA 温度梯度是一个温度梯度是一个点点的概念。的概念。温度梯度是一个向量。温度梯度是一个向量。方向垂直于该点所在等温面，以温度

11、增的方向为正方向垂直于该点所在等温面，以温度增的方向为正 一维稳定热传导一维稳定热传导第二节第二节 热传导热传导 一、傅里叶（一、傅里叶（Fourier）定律）定律3.3.Fourier定律定律 比例系数，称为比例系数，称为导热系数导热系数。W/mK 负号表示热流方向与温度梯度方向相反。负号表示热流方向与温度梯度方向相反。对一维稳态热传导对一维稳态热传导 用热通量来表示用热通量来表示第二节第二节 热传导热传导 二、导热系数二、导热系数(1)(1)在数值上等于单位温度梯度下的热通量。在数值上等于单位温度梯度下的热通量。(2)(2)是是分子微观运动的宏观表现，是物性参数。分子微观运动的宏观表现，是

12、物性参数。=f(结构结构,组成组成,密度密度,温度温度,压力）压力）(3)(3)各种物质的导热系数各种物质的导热系数 金属固体金属固体 非金属固体非金属固体 液体液体 气体气体 第二节第二节 热传导热传导 二、导热系数二、导热系数1.1.固体的导热系数固体的导热系数 （表（表5-15-1）纯纯金金属属的的导导热热系系数数一一般般随随温温度度的的升升高高而而降降低低，金金属属的的导导热热系系数数大大都都随随纯纯度度的增加而增大。的增加而增大。非非金金属属的的建建筑筑材材料料或或绝绝热热材材料料的的导导热热系系数数随随密密度度增增加加而而增增大大，也也随随温温度度升高而增大。升高而增大。金属和液体

13、的金属和液体的aa000第二节第二节 热传导热传导 二、导热系数二、导热系数2.2.液体的导热系数液体的导热系数 （表（表5-25-2）金属液体导热系数较高，非金属液体导热系数较低；金属液体导热系数较高，非金属液体导热系数较低；在非金属液体中，水的导热系数最大；在非金属液体中，水的导热系数最大；除水和甘油外，绝大多数液体的导热系数随除水和甘油外，绝大多数液体的导热系数随温度温度的升高而略有减小；的升高而略有减小；纯液体的导热系数比溶液的导热系数大。纯液体的导热系数比溶液的导热系数大。3.3.气体的导热系数气体的导热系数 （表（表5-35-3）气体的导热系数很小，不利于导热，但有利于保温；气体的

14、导热系数很小，不利于导热，但有利于保温；气体的导热系数随气体的导热系数随温度温度升高而加大；。升高而加大；。在相当大的压强范围内，气体的导热系数随压强变化极小在相当大的压强范围内，气体的导热系数随压强变化极小 。在极高或。在极高或极低的压力下，气体的导热系数随压力的增加而增大。极低的压力下，气体的导热系数随压力的增加而增大。注意：注意：在传热过程中，物质内不同位置的温度可能不相同，因而导热系在传热过程中，物质内不同位置的温度可能不相同，因而导热系数也不同，在工程计算中常取导热系数的算术平均值。数也不同，在工程计算中常取导热系数的算术平均值。低压气体混合物的导热系数：分别为组分的摩尔分率，分子量

15、及导热系数 第二节第二节 热传导热传导 二、导热系数二、导热系数第二节第二节 热传导热传导 三、平壁的热传导三、平壁的热传导 1.1.单层平壁的稳定热传导单层平壁的稳定热传导假设：假设：平壁面积与厚度相比是很大的；平壁面积与厚度相比是很大的；导热系数为常数。导热系数为常数。导热系数可取算术平均温度下的值或导热系数的算术平均值。边界条件为：x=0时，t=t1x=b时，t=t2 R导热热阻，K/W；r单位面积的导热热阻。传导距离传导距离b越大，传热面积和导热系数越小，传导热阻越大越大，传热面积和导热系数越小，传导热阻越大壁内温度分布壁内温度分布 将积分限改为 t：t1 tx x:0 x常数2、多层

16、平壁的稳定热传导、多层平壁的稳定热传导 推广到n层平壁有：多层平壁导热是一种串联的导热过程，串联导热过程的推动力为各分过程温度差之和，即总温度差，总热阻为各分过程热阻之和，也就是串联电阻叠加原则。第二节第二节 热传导热传导 三、平壁的热传导三、平壁的热传导 3.3.接触热阻接触热阻接接触触热热阻阻与与接接触触面面的的材材料料、表表面面粗粗糙糙度度及及接接触触面面上上压压强强等等因因素素有有关。关。若以若以r0表示单位传热面的接触热阻，表示单位传热面的接触热阻，通过两层平壁的热通量变为通过两层平壁的热通量变为：第二节第二节 热传导热传导 四、圆筒壁的热传导四、圆筒壁的热传导 1.1.单层圆筒壁的

17、稳定热传导单层圆筒壁的稳定热传导仿照平壁热传导公式，通过该圆筒壁的导热速率可以表示为：分离变量积分：圆筒壁的导热热阻 这个式子也可以写成与平壁传导速率方程类似的形式 圆筒壁的内外表面的对数平均面积，m2 当r2/r12时可用算术平均值代替对数平均值 第二节第二节 热传导热传导 四、圆筒壁的热传导四、圆筒壁的热传导 对数平均值与算术平均值的比较对数平均值与算术平均值的比较x2/x11.02.03.04.05.06.0对数平均对数平均/算术平均算术平均1.000.960.910.870.830.800.00结论：对数平均值对数平均值 算术平均值算术平均值 当当x2/x1=1时，对数平均值时，对数平

18、均值=算术平均值算术平均值 当当x10时，对数平均值时，对数平均值0 当当x2/x12时，用算术平均值代替对数平均值的误差时，用算术平均值代替对数平均值的误差5%，工程计，工程计算中可以接受。算中可以接受。圆筒壁内温度分布圆筒壁内温度分布求与圆心轴距离为rx处的温度tx，t：t1 tx r：r1 rx 两式相除：2、多层圆筒壁的热传导、多层圆筒壁的热传导 与多层平壁的稳定热传导计算类似，可导出：第一节第一节 概述概述第二节第二节 热传导热传导 一、傅里叶定律一、傅里叶定律 二、导热系数二、导热系数 三、平壁的热传导三、平壁的热传导 四四、圆筒壁的热传导、圆筒壁的热传导 自学：自学：【例例5-15-1】【例例5-25-2】作业：作业：P260 1，2，6预习：对流传热预习：对流传热本次课内容及要求本次课内容及要求