传热2015-2.

1本章的重点和难点掌握通过平壁及圆筒壁的热传导计算；了解牛顿冷却定律及影响对流传热系数的因素；掌握传热速率方程，并运用平均温差法进行传热过程的计算；掌握辐射传热的基本概念及基本定律；掌握列管式换热器的选型、设计、计算；了解换热器的分类、各类换热器的特点及强化传热的途径；第四章传热23.1概述温度对化学反应有重要的影响，许多的单元操作过程都与传热有关，传热过程普遍存在。在生产中对传热的要求主要有两个：一是强化传热，另一个是热绝缘，二者目的不同但传热的机理和设备相同。传热的几个基本概念传热推动力和热量传递方向温差是热量传递的推动力，只要有温度差的存在就有热量的传递现象，且热量是从高温向低温传递。传热速率热流量Q和热流密度q3稳态传热过程系统中各点的温度和传热速率不随时间而变。不加说明一般都指稳态传热过程。传热方式热传导：也叫导热，依靠物体内部自由电子的热运动或分子的原位振动进行热量的传递，特点是物体内部的质点没有宏观位移。一般发生在固体或层流流体中。热对流：对流传热，流体内部各部分之间发生相对位移进行的热量传递。仅发生在流体中。根据流体对流的原因又分为自然对流和强制对流（热量传递的效果更好）。（热）辐射：辐射传热，依靠电磁波的形式传递热量，绝对温度不为零的任何物体均能向外界辐射传热，且无需任何介质。4传热过程中流体的接触方式直接接触式间壁式畜热式53.2热传导几个基本概念温度场任一时间，物体（或空间）各点处温度的分布状况。等温面和等温线空间任一点在某一瞬间不能同时有两个不同的温度存在，即等温线不能相交（类似于磁场中的磁力线）。温度梯度一个向量，与热流方向恰好相反。沿等温面将无热量传递；沿和等温面相交的任何方向，有热量的传递与等温面垂直方向的温度梯度最大。6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。xxtxxt),(),(xtxxtxxtgradtx),(),(lim0对于一维温度场，等温面x及(x+Δx)的温度分别为t(x,τ)及t(x+Δx,τ)，则两等温面之间的平均温度变化率为：ndSQt+△ttt-△txt7傅立叶定律ntAQq上式即为导热基本方程式，也称为傅立叶定律，它表示传导的热流密度与传热面的法向温度梯度成正比，而热流方向却与温度梯度相反。其中λ是比例系数，称导热系数。8导热系数λ导热系数在数值上等于单位温度梯度时的热流密度，即q＝λ。λ是表征物体导热能力的物理量，数值越大导热能力越强。λ的数值与物质的组成、结构、密度、温度和湿度等因素都有关，一般有λ金属λ非金属λ液体λ气体，具体的数值查有关手册。温度升高λ金属减小（纯金属的比合金的导热系数大得多）、λ非金属增大、λ液体略有减小（除水和甘油外，且非金属液体中水的最大）、λ气体增大（绝对值很小，常用来保温）91011金属10～102(W·m-1·K-1)；建筑材料10-1～100(W·m-1·K-1)；绝热材料l0-2～10-1(W·m-1·K-1)。12平壁的一维稳态导热单层平壁根据傅立叶定律：dxdtSQ若平壁的导热系数不随温度而变化，则：常数SQdxdt上式经积分可得：)(21ttSbQSbRRtSbttQ,)(热阻推动力△21bttdxSQdt02113单位面积热阻推动力△△RttSQq多层平壁1211111tttQbRS△2322222tttQbRS△3433333tttQbRS△14对于这样的一维稳态导热，在平壁内部没有热量积聚，所以通过各层平壁的热流量应相等，即Q1＝Q2＝Q3＝Q由数学中的加合性可知：总阻力总推动力△△△△△△△iiRtRRRtttRtRtRtQ321321332211多层平壁的稳态导热是一个串联导热过程，其总推动力等于各层推动力之和，总热阻等于各层热阻之和。niiiniiinSbtSbttQ1111△niiiniiinbtbttSQq1111△I1t1U2U3U4UI1R2R3R15单层圆筒壁Qt2t1r1rr2drL16dxdtSQrldrdtQ2rrttdtrdrlQ11211ln2rrlQtt1221ln)(2rrttlQ21212lnmmmrrrSrlrr令，122112121221)(2ln)(2rrttlrrrrrrrttlQmRtSttttSmm△2121)(1212lnSSSSSm17在工程计算中，当1/2≤S2/S1≤2时，Sm可用算术平均值代替，其误差＜5%。在一般工程计算中是允许的。在稳定导热时，通过圆筒壁的热流量Q沿途不变，而热流密度q则随着r的增大减少。1212212212112()2()lnmrttttrrQrlrrrrr18r1r2r3r4t1t2t3t4多层圆筒壁nimiiinimiiinStSttQ1111总△niiiiddtlQ1112ln总△niiiiinrrttLQ1111ln1)(2对于圆筒壁的稳定热传导，通过各层的热传导速率都是相同的，但是热通量却不相等。19例4－1反应釜的釜壁为钢板，厚5mm，λ=50W/(m·℃)，粘附在内壁的污垢厚0.5mm，λ=0.5W/(m·℃)。反应釜附有夹套，用饱和蒸汽加热。釜体钢板外表面（与蒸汽接触）为150℃，内表面为130℃。试求热流密度。并与没有污垢层和釜壁为不锈钢板（有污垢）、铜（有污垢）的情况相比较（设壁面温度不变）。解：没有污垢时，若壁温不变，解得：q=200K2Wm若材料为不锈钢（λ=14W/(m·℃)并有污垢，解得：q=14.7K2Wm若材料为铜（λ=400W/(m·℃)并有污垢，解得：q=19.8K2Wm计算表明：热阻主要在污垢层。即使金属材料的导热系数有几倍的变化，对热传导的影响也不大。2215013018.20.0050.0005500.5iiiQtqWmKWmS△20例4－2有一炉墙大平壁，内层为硅砖δ1=0.46m，外层为硅藻土砖δ2=0.23m，已知下列条件：t1=1500℃，t3=120℃λ1=1.05(1+0.89×10-3t)W/(m·℃)λ2=0.198(1+1.17×10-3t)W/(m·℃)求热流密度及中间温度t2。解：由于计算热流密度时必须先知道各层的平均导热系数，而各层平均导热系数与各层的温度有关，由于本例中间温度t2未知，故为了求出各层平均温度须先假设t2，算出热流密度后，再核算t2，若两者一致，则可，若不一致须重设t2直至一致为止。假设中间温度t2=1000℃，则各层的平均导热系数为按公式（4－12a），对于两层平壁，n=2)/(22.22100015001089.0105.131℃mW)/(33.0212010001017.11198.032℃mW2221131/152633.023.022.246.01201500mWttq21验算中间温度，由公式（4－12a）后一等式得：与原假设1000℃相差太大，须再次试算。再设t2=1180℃，重复上述计算再验算中间温度与假设值很接近，故认为第二次试算结果有效，即中间湿度t2=1180℃。℃118422.246.0152615001112qtt℃118433.023.015261203332qtt)/(3.22118015001089.0105.131℃mW)/(35.0212011801017.11198.032℃mW2/161035.023.03.246.01201500mWq℃117830.246.0161015002t22例4－3Φ60×3.5mm的钢管外包有两层绝热材料，里层为40mm的氧化镁粉，平均导热系数λ=0.07W/(m·℃)，外层为20mm的石棉层，其平均导热系数λ=0.15W/(m·℃)。现用热电偶测得管内壁温度为500℃，最外层表面温度为80℃，管壁的导热系数λ=45W/(m·℃)。试求每米管长的热损失，两层保温层界面的温度及氧化镁层的温度分布。解：d1＝60－2×3.5＝53ｍｍ＝0.053ｍd2＝0.06ｍd3＝0.06＋2×0.04＝0.14ｍd4＝0.14＋2×0.02＝0.18ｍ设两层保温层交界面温度为t3则即由此解得t3＝131.2℃34323212141ln1ln1ln1)(2ddddddttQlmWQl/4.19114.018.0ln15.0106.014.0ln07.01053.006.0ln451)80500(14.3223212131ln1ln1)(2ddddttQl06.014.0ln07.01053.006.0ln451)500(14.324.1913t23设管外壁与保温层交界面温度为t2则即由此解得t2=499.9℃以上计算结果表明，管壁两侧温度差只有0.1℃，石棉层两侧温度差为51.2℃，而氧化镁粉保温层两侧温度差高达368.7℃，因此氧化镁层热阻是导热过程的主要热阻。氧化镁层的温度分布上式分离变量积分得温度分布为：t－t2＝－435.4（lnr-lnr2）即t＝t2＋435.4lnr2－435.4lnr＝499.9+435.4ln0.03－435.4ln＝－1026.8－435.4lnr可见温度分布不为直线关系。4.191ln1)(212121ddttQl4.191053.006.0ln451)500(14.322tdrdtrlQ)2(rrrlQdrdt4.435207.04.1912rrttrdrdt224.435243.3对流传热对流传热的机理流体与壁面的给热包括流体的对流和导热对流传热的热阻主要集中在流体靠近壁面的层流底层流体的主体因涡流存在质点的混合使温度趋于一致膜内温度分布实际上是曲线，简化为线性分布QQ1R2R3R25温度距离TTwtwt热流体冷流体传热壁面湍流主体湍流主体传热壁面层流底层层流底层传热方向传热过程高温流体湍流主体壁面两侧层流底层湍流主体低温流体不同区域的传热特性：传热边界层：温度边界层。温度梯度较大的区域。传热的热阻主要在传热边界层中此层中。对流传热示意图湍流主体对流传热温度分布均匀层流底层导热温度梯度大壁面导热(导热系数较流体大)有温度梯度26牛顿冷却定律仿照傅立叶定律，对流传热速率也可写成推动力与阻力的比值11111111()1wwTTTQaSTTRaS△23222322()1wwtttQaSttRaS△对热流体而言：对冷流体而言：1，2两式也称为牛顿冷却定律,,TTQSSSTSTyyyyy膜厚对管而言：122122()wwmwwmTTTQSTTRS△2702080aadTTTTTdt，℃，－℃物体冷却速率可以用牛顿冷却定律（Newton’slawofcooling）。T-物体温度℃，Ta－环境介质温度℃。如果将金属球体加热到80℃，然后放入温度Ta恒为20℃的水中，测得球体表面温度变化如下：t/min:0510152025T/℃：8044.530.024.121.720.728051015202520304050607080TimeofCooling/minTemperatureoftheBall/℃Cubicsplineinte