第5章化工原理传热学.

第五章传热学.学习要求（1）.本章学习目的通过本章学习，重点掌握传热学基本原理，并运用这些原理和规律去分析和解决冶金和化工生产中传热过程的有关问题：①热传导基本原理，掌握傅立叶定律及平壁、圆筒壁的热传导计算；②对流传热的基本原理、牛顿冷却定律及影响对流传热的因素；掌握对流传热系数的物理意义和经验关联式的用法、使用条件；③辐射传热的基本概念及基本定律；④熟练掌握传热过程的计算，传热基本方程式、热流量、平均传热温度差、总传热系数的计算；了解强化传热过程的途径；⑤填料床层的传热过程分析与计算此外，工业生产中常用的换热器类型、结构、特点；掌握列管式换热器的设计、选型。（2）本章应掌握的内容①三种传热方式的基本概念与基本方程式的应用；②单壁、多层壁热传导计算；③牛顿定律、常用准数及对流传热系数关联式应用；④热辐射斯蒂芬玻尔兹曼定律、两固体间的相互辐射；⑤填料床层内热流量计算与热平衡分析。熔盐加热系统是管道化溶出的关键工序，管道化溶出工艺中，氧化铝矿浆加热过程全部在多套管中完成。（1）传热在工业中的应用回转窑：有气体流动、燃料燃烧、热量传递和物料运动等过程所组成的。回转窑回转窑使燃料能充分燃烧，燃料燃烧的热量能有效的传给物料，物料接受热量后发生一系列的物理化学变化，最后形成成品熟料。热的传递是由于物体内部或物体之间的温度不同而引起的。根据热力学第二定律，热量总是自动地从温度较高的物体传给温度较的物体；一是强化传热过程，如各种换热设备中的传热。二是削弱传热过程，如对设备或管道的保温，以减少热损失。化工生产中对传热过程的要求传热的推动力温度差传热的方向高温向低温（2）传热的三种基本方式热传导（又称导热）若物体各部分之间不发生相对位移，仅借分子、原子和自由电子等微观粒子的热运动而引起的热量传递称为热传导(又称导热)。相互接触的物质之间静止的物质内部层流流动的物质内部发生在热传导的机理在金属固体中，热传导起因于自由电子的运动；在不良导体的固体中和大部分液体中，热传导是通过晶格结构的振动，即原子、分子在平衡位置附近的振动来实现的；在气体中，热传导则是由于分子不规则运动而引起的。流体各部分质点发生相对位移而引起的热量传递过程，称为热对流(简称对流)。热对流仅发生在流体中。工业生产中经常遇到的是流体流过固体表面时，热能由流体传到固体壁面，或者由固体壁面传入周围流体，这一过程称为对流给热，简称给热依据流体中产生对流的原因，又可将对流分为：热对流（对流）自然对流：当流体内存在温度不均匀分布而形成密度的差异，也会发生对流而传热强制对流：用机械能使流体发生对流而传热，例如搅拌热辐射因热的原因而产生的电磁波在空间的传递，称为热辐射。热辐射的特点是：①不需要任何介质，可以在真空中传播；②不仅有能量的传递，而且还有能量形式的转移；③任何物体只要在热力学温度零度以上，都能发射辐射能，但是只有在物体温度较高时，热辐射才能成为主要的传热方式。实际上，上述三种传热方式，很少单独存在，而往往是三者不同主次的组合，单位时间内通过单位传热面积传递的热量，J/(s,m2)，W/m2。dAdQqQ，单位时间内通过传热面积传递的热量，J/s，W。热流量热通量（或热流密度）传热速率=传热推动力(温度差)/传热热阻（3）传热速率与热阻(1)（4）稳态传热和非稳态传热),,(,,zyxfTqQ),,,(,,zyxfTqQ物理量不随时间而变物理量随时间变化稳态传热非稳态传热温度随时间而改变的温度场称为不稳定温度场；若各点的温度均不随时间而改变，则称为稳定温度场温度的分布状况。沿等温面法线方向的温度的变化率。温度梯度是向量，其方向垂直于等温面，并以温度增加的方向为正，与热量传递的方向相反。ntntgradtn0limQət/ənΔn温度场温度梯度等温面和等温线5.2.1傅里叶定律(2)傅里叶（Fourier）定律ntq傅立叶定律表明导热速率与温度梯度及传热面积成正比，而热流方向却与温度梯度方向相反。Qət/ənΔn导热通量q与温度梯度成正比；λ：比例系数，称为热导率，W•m-1•K-1ntq(3)导热系数②是物质的固有性质，是分子微观运动的宏观表现。①在数值上等于单位温度梯度下的热通量，故物质的越大，导热性能越好。③与物质的种类、热力学状态（T、P）有关。金属固体非金属固体液体气体T，气体，水，其它液体的。平壁的热传导假设：①导热系数不随温度变化，或可取平均值；②一维稳态；③忽略热损失。单层平壁热传导tz,Oxxdxb1t2ttdttdS对平壁一维稳态热传导积分并整理得热阻推动力RΔt（1）单层平壁的热传导dxdtλq=-给定边界条件：x=0时，t=t1;x=b时，t=t2；bttλ)-(21q=无限平壁，通过导热面各局部面积热通量相等dAdQq=AQ=bttλA)-(21Q=R-单层平壁导热热阻R=b/λA(4)(5.2-4)（2）多层平壁的热传导三层平壁热传导假设：①导热系数不随温度变化，或可取平均值；②一维稳态；③忽略热损失；④没有接触热阻。显然，通过每一层的Q=常数，或q=常数AbQtttAbQtttAbQttt333433222322111211单层平壁公式321QQQQ(5)而由一维稳态条件，得热阻推动力QSbttSbttSbtt334322321121SbSbSbtt33221141总热阻总推动力推广至n层平壁，多层平壁的热传导速率方程式11niitttQbRS温差与热阻的关系：各层的温差与热阻成正比，温差越大，热阻越大。AAAAAA(6)(7)(8)圆筒壁的稳定热传导假设：一维稳态温度场。Q为常数，但传热面积A和热通量q均随半径而变。且假定为常数则将一维稳态条件用于傅立叶定律：ntqdrdtAQ沿r方向定积分，得21212ttrrdtlrdrQ（1）单层圆筒壁的稳定热传导rlA2drdtrlQ2)(2ln2112ttlrrQRttlrrttrrttlQ21122112212ln)(ln)(2温差（t1-t2）-推动力；LrrR2ln12-热阻；单层圆筒壁的热传导(9)可写成与单层平壁热传导速率方程相类似的形式其中:b-圆通壁的厚度，b=r2-r1;λSbttQ21壁：平RtAbttbttArrrrttrrlQmm/)())(/ln())((221211212211221m21lnrrrrr圆筒壁的对数平均半径LrAmm2注：当r2/r12时，可用算术平均值代替对数平均值。mA-平均面积(10)（2）多层圆筒壁的热传导假设层与层之间接触良好，即互相接触的两表面温度相同。多层圆筒壁热传导各层热导率分别为λ1、λ2、λ3，厚度为b1、b2、b3；33322211141321413214321mmmAbAbAbttRRRttRRRttttQ推广至n层圆筒壁，多层圆筒壁的热传导速率方程式niiinnimiiinlrrttSbttQ11111112)/ln(i(11)(12)对流传热是指流体中质点发生相对位移而引起的热交换。对流传热仅发生在流体中，与流体的流动状况密切相关。实质上对流传热是流体的对流与热传导共同作用的结果。当流体被加热或冷去时，一般用另一种流体来供给或取走热量。这另一种流体称为载热体；大多数情况下不允许传热的两种流体相互混合，因而需要用间壁将它们隔开，这种传热设备称为热交换器（简称换热器）套管换热器示意（逆流）1．加热剂：提供热量的载热体。热水、饱和蒸汽、矿物油、联苯、熔盐、烟气等；2．冷却剂：取走热量的载热体。冷水、空气、盐水、液氨。或氟里昂、液氮。5.3.1两流体通过间壁传热的分析流体作湍流流动时，靠近壁面处流体流动分别为层流底层、过渡层（缓冲层）、湍流核心。层流底层：流体质点只沿流动方向上作一维运动，在传热方向上无质点的混合，温度变化大，传热主要以热传导的方式进行。导热为主，热阻大，温差大。湍流核心：在远离壁面的湍流中心，流体质点充分混合，温度趋于一致（热阻小），传热主要以对流方式进行。质点相互混合交换热量，温差小。过渡区域：温度分布不像湍流主体那么均匀，也不像层流底层变化明显，传热以热传导和对流两种方式共同进行。质点混合，分子运动共同作用,温度变化平缓。靠近壁面的存在温度梯度的薄流体层定义为热边界层。在热边界层以外的区域，流体的温度基本上相同，即温度梯度可视为零。热边界层根据在热传导中的分析，温差大热阻就大。所以，流体作湍流流动时，热阻主要集中在层流底层中。如果要加强传热，必须采取措施来减少层流底层的厚度。o若紧靠壁面处薄层流体内的传热只能是热传导，则传热速率可用傅里叶定律表示，即wddd()dtQSy紧靠壁面处薄层流体的温度梯度热边界层根据牛顿冷却定律，流体和壁面间的对流传热速率方程为wwd()d1(d)TTQTTSS换热器任一截面上与热流体相接触一侧的壁温换热器任一截面上热流体的平均温度AAA(13)对流传热一个非常复杂的物理过程，牛顿冷却定律只是给出了计算传热速率简单的数学表达式，并未简化问题本身，只是把诸多影响过程的因素都归结到了当中──复杂问题简单化表示。牛顿定律当流体流过固体壁面时，通过流体且与壁面垂直的对流热流密度与壁面温度和流体温度的差成正比，即)(),(21ttdAdQqTTdAdQqwxwx对冷流体：dSttdQdSTTdQwxwx)(,)(或对热流体热流量与热通量关系：dQ=qdAA（1）对流传热系数物理意义：表示单位温度差下，单位传热面积的对流传热速率，W/(m2·℃)；反映对流传热的快慢，越大，对流传热越快；不是流体本身的物理性质，与流体的流动状态、有无相变、流体物性、壁面情况、流体流动的原因等有关。5.3.2传热速率和传热系数tSQA(14)KmWKmW22/100~20/25~5：：强制对流自然对流KmWKmWKmWKmW2222/25000~2500/15000~5000/15000~1000/1000~200：：：：水沸腾蒸汽冷凝强制对流自然对流空气中水中无相变有相变