第三章传热新.

第三章传热化学工程学院第一节概述传热：由于温度差而引起的能量转移。在一种介质内部或两种介质之间，只要存在温度差，就必然会出现传热过程。1.1传热过程在化工生产中的应用传热是自然界和工程领域中较为普遍的一种传递过程，通常来说有温度差的存在就有热的传递，也就是说温差的存在是实现传热的前提条件或者说是推动力，在化工中很多过程都直接或间接的与传热有关。但是进行传热的目的不外乎是以下三种：削弱传热过程强化传热过程1、为了使物料满足生产规定的操作温度需要加热或冷却；2、物料在输送或处理过程中有热量损失时需要保温；3、由于节能的需要,对冷（热）量要回收利用。1.2传热的三种基本方式（1）热传导（导热）热量从物体内温度较高的部分传递到温度较低的部分，或传递到与之接触的另一物体的过程称为热传导。特点：没有物质的宏观位移。气体:分子做不规则热运动时相互碰撞的结果固体:导电体：自由电子在晶格间的运动非导电体：通过晶格结构的振动来实现的液体:机理复杂，主要靠原子、分子在平衡位置上的热运动。（2）对流*(热对流或对流传热)流体与固体表面之间有相对运动时的热量传递过程。（3）热辐射物体因热的原因发出辐射能的过程称为热辐射。能量转移、能量形式的转化不需要任何物质作媒介特点分子随机运动流体整体运动（电磁波传递）本章主要介绍导热和对流传热，在此基础上研究冷热流体透过固体壁面进行换热的过程。自然对流——温差导致密度不同强制对流——外力搅动引起的对流第二节热传导2.1热传导方程（1）傅立叶（Fourier）定律dTQAdxdTqdx或Q：热流量或导热速率（J·s-1或W）；q：热流密度（J·m-2·s-1或W·m-2）；A：导热面积（m2）；λ：导热系数（W·m-1·K-1）dTdx：热流方向上的温度梯度（K·m-1）；负号：热能沿温度降低的方向传递。上式为导热的基本定律，即傅立叶定律。返回（2）热导率（导热系数）λ在数值上等于单位温度梯度下的热通量。λ是分子微观运动的宏观表现，它表示物质导热能力的强弱。QdTAdxλ=f(结构,组成,密度,温度,压力)物理含义：代表单位温度梯度下的热通量大小，故物质的越大，导热性能越好。在一定温度范围内：λ=λ0(1+at)式中λ0，λ：0℃,t℃时的导热系数，W/(m·K)；a：温度系数，1/℃；对大多数金属材料：a0，t↑，λ↓。对大多数非金属材料a0，t↑，λ↑。规律：（a）一般地，导电固体非导电固体，液体气体t，气体，水，其它液体的。（b）液体：金属液体λ较高，非金属液体λ低，水的λ最大。一般来说，纯液体的大于溶液，t↑，λ↓（除水和甘油）。（c）气体：t↑，λ↑、气体不利于导热，可以应用在哪里呢？需要提高导热速率的场合选用导热系数大的材料，反之，需要减小导热速率的场合选用导热系数小的材料。可用来保温或隔热。工程上通常根据导热系数的数值来选择合适的导热材料。北方的双层窗户，多孔的材料，不能使用实心砖。部分材料的导热系数可从工具书中查阅。物质导热系数的数量级物质种类气体液体非导固体金属绝热材料λ/W/(m·℃)0.006～0.60.07～0.70.2～3.015～4200.25高温物体的自身升温比例很小,因此导热系数也变小.物体内部的分子或者原子一直处于无规则运动状态.当物体温度低时,内部的分子或者原子的无规则运动较为缓慢,当物体温度升高时,物体内部的分子或者原子的无规则运动加剧,分子或原子之间的热量交换就越快）即导热越快.但是由于物体此时本身的温度已经很高,在把它放到更高温度的环境中时,高温物体的自身升温比例很小,因此导热系数也变小.例如,10度的金属块,加热使之升温10度,温度升高100%；40度的金属块,加热使之升温10度,温度升高25%.虽然这个金属都只是升高的10度,但是在原始温度不同时,低温的金属块的升温比例高于高温金属块.同理,低温物体的导热系数大于高温物体的当热系数.当然,前提是同一材质的物体2.2传导传热计算（1）单层平壁的定态热传导假设：材料均匀；温度仅沿x变化，且不随时间变化。dTQAdx将积分，得：2112-tttttQAbbRA推动力：Δt=(t1-t2)bRA热阻：（2）多层平壁的稳定热传导假设：(a)材料均匀；(b)温度仅沿x变化，且不随时间变化；(c)各层接触良好，无能量损失，接触面两侧温度相同。31212312314312123123====ttttQRRRRtttttbbbRRRAAA各层平壁得温度降与该层得热阻成正比。niiinATT111AQAQAQAQTTTTii::::::333222111321RRRRTTTTii:::::::::321332211321推广至n层niinniiinRttAbttQ111111＝＝例1、有一平壁燃烧炉,炉壁由三种材料构成.最内层为耐火砖,厚度为150mm,导热系数可取1.05W/(m℃);中间层为保温砖,厚度为290mm,导热系数为0.15W/(m℃);最外层为普通砖,厚度为228mm,导热系数为0.81W/(m℃).测得炉内外壁温度分别为1016℃和34℃,求单位面积上热损失和各层间接触界面的温度.假设各层接触良好.设t2为耐火砖和保温砖间界面温度，t3保温砖和普通砖间界面温度。3214133221141RRRttbbbttAQq2/5.4162815.0933.11429.098281.0228.015.029.005.115.0341016mW℃qRt5.595.4161429.011℃ttt5.9565.591016112℃qRt1.8055.416933.122℃ttt4.1511.8055.965223℃ttt4.117344.151433材料温度差℃热阻（m2℃/W）耐火砖59.50.1429保温砖805.11.933普通砖117.40.2815温度差和热阻成正比（3）单层圆筒壁的稳定热传导根据傅立叶定律：2dTdTQArLdrdr积分，得：121212222111221lnlnln2LttLttttQrrrrrLr通过圆筒壁的导热量取决于内外径之比，与厚度绝对值无关。212122lnmmLrrArLrr式中，rm：圆筒壁的对数平均半径，即：2121lnmrrrrr可改写为：121221mmTTTTQAAbrr其中，Am：圆筒壁内外表面的对数平均面积。（4）多层圆筒壁的稳定热传导工业上经常遇到多层圆筒壁的导热，如：在蒸汽管道外包裹绝热层；在换热管的内、外侧表面上生成垢层，从而构成多层圆筒壁。参照多层平壁的处理方法，可得：143241122332111lnlnlnlTTQdddddd22111ln2dQTTld如果需计算多层圆筒壁交界面上的温度，可用下式：43433ln2dQTTldniiiirrTL11ln12例2管外径d1=273mm的蒸汽管道中输送着540℃的蒸汽。管外包有水泥蛭石保温层，最外层又有15mm厚的保护层。按照规定保护层外侧的温度T3=48℃，热损失为442W·m-1，求保温层厚度b。已知水泥蛭石的热导率λ1为0.105W·m-1K-1，保护层的热导率λ2为0.192W·m-1K-1。解：水泥蛭石保温内表的温度可认为与蒸汽温度相等，为540℃。实际上此处温度应略低于540℃，因此按照540℃计算的结果稍低安全。由于出现了自然对数，一般解代数法难以解决，采用试差法。（1）假定b=200mm，带入右边，计算Q值，得到350W·m-1，小于规定值。说明假定的b值偏大。（2）重复上面计算，最终在假设b=140mm，得到规定值440，固保温层的厚度应为140mm。小结传热的三种方式传热过程的基本概念及常用术语傅立叶定律平壁及圆筒壁的导热计算第三节对流传热3.1对流传热过程分析对流是三种基本传热方式之一，指由于流体的宏观运动而引起的热量传递，或者说由于流体质点的相对位移，而引起的热量传递。在工程上，对流传热是指流体与固体壁面间的传热过程，即由热流体将热传给壁面，或由壁面将热传给冷流体。这种对流传热多是在流体流动的过程中发生的热量传递过程，所以与流体的流动状况密切相关。当流体作层流时，由于各层流体质点平行流动，在垂直于流体流动方向上的热量传递，主要以热传导（也有较弱的自然对流）的方式进行。当流体在管道内作湍流流动时，热量传递不完全是以导热的方式进行的，但是无论湍流程度多大，紧邻壁面处总有一薄层流底层存在，层流底层内的热量传递也是导热的方式进行的。由于大多数流体的导热系数较小，致使层流底层中的导热热阻就很大，因此温差也较大。在湍流主体中，由于流体质点的剧烈混合，热量传递以对流为主，可认为没有传热阻力，湍流主体中的温度基本上相同。在层流底层和湍流主体之间存在一个过渡区，此区内流体受漩涡运动而造成流体质点产生相对位移，因此热量传递除以传导方式外，还以对流方式存在，因此温度梯度逐渐变小。•层流底层温度梯度大，热传导方式•湍流核心温度梯度为零，对流方式•过渡区域热传导和对流方式1、层流底层，靠近壁面的流体，由于流体粘度作用，形成一薄层作层流流动膜，称为层流底层，热量传递主要是靠分子扩散运动以层流的方式进行，热阻主要集中在层流底层中，造成较大的温度降。2、过渡区，在层流底层与湍流主体之间存在着一个过渡区，该区的流体由于漩涡运动，而造成流体质点产生相对运动，热量传递除了以传导方式外，还有对流方式存在，故温度梯度逐渐变小。3、湍流主体，流体质点的剧烈碰撞与混合，热量传递以对流方式为主，可以认为无热阻，温度梯度为零，各处的温度相等。图示为流体在壁面两侧的流动情况及与流体流动方向垂直的某一截面A-A上的温度分布情况。从图中可见，对流传热的热阻主要集中在层流底层中，因此该层所需要的传热推动力(即温度差)就比较大。如何强化对流传热呢？•层流底层温度梯度大，热传导方式•湍流核心温度梯度为零，对流方式•过渡区域热传导和对流方式，有温差减薄层流底层的厚度，是强化对流传热的重要途径。热边界层：流体流过壁面时，因受壁面影响而形成的一层温度梯度较大的区域，叫热边界层。（对流传热中有明显温度梯度的区域）①热边界层越薄，温度梯度越大，传热速率越大；②流体向管内流动时，热边界层也存在形成和发展的过程；③破坏热边界层，有利于传热；④热边界层与流动边界层的关系。说明3.2对流传热速率方程式由以上分析可知，对流传热是一个复杂的过程，其影响因素很多。因此，对流传热的纯理论计算是相当困难的。为了计算方便起见，目前采用了一种简化处理的方法，即将对流传热时流体的全部热阻集中在厚度为δt的有效膜内。这样，就可以用比较简单的有效膜内导热来近似表示流体与壁面间的复杂对流传热。因此，对流传热速率可表示为（只考虑热流体向壁面传热和壁面向冷流体传热时）由于有效膜的厚度难以测定，所以通常以α代替上式中的λ/δt，则：上式是对流传热速率方程式，又称牛顿冷却定律。同样，此式可表示成：式中，R为对流传热热阻。上式表明了对流传热速率等于对流传热推动力与对流传热热阻之比。α的单位为W·m-2K-1)(1WtTTA)(2TTAWt热流体侧冷流体侧)(Q11WTTA）TTAW22(QAbTTQww21牛顿冷却定律并非理论推导的结果，而是一种推论，即对流传热速率与对流传热面积大小、流体与壁面之间的平均温度差成正比。大量实践证明，这一推论是正确的。但该定律并未揭示对流传热过程的机理和本质，只是把影响对流传热的复杂因素都集中在对流传热系数α中了。因此，如何确定各种具体情况下的对流传热系数α的值，是对流