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第四章传热DepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingke2本章的重点和难点了解换热器的分类、各类换热器的特点及强化传热的途径。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；DepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingke3第一节概述§4-1传热过程在化工生产中的应用传热——热量传递传递现象。凡是有温度差存在的地方，就必然有热量的传递，并且热量总是自发地从高温处向低温处传递。热量传递物体内或系统内两部分之间存在温度差化学工业与传热的关系非常密切。蒸发、蒸馏和干燥等单元操作DepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingke4化工生产中对传热过程的要求经常有以下两种情况：①强化传热要求热量传递情况好，亦即要求传热效率高，这样可使完成某一换热任务时所需的设备紧凑，从而降低设备费用。②削弱传热高温设备及管道的保温、低温设备及管道的隔热等，要求传热速率越低越好。（1）传热过程的计算，包括设计型计算和操作型计算；化工生产过程中需要解决的传热问题大致分为两类：（2）传热过程的改进与强化。DepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingke5§4-2传热过程的基本概念一、传热推动力与热量传递方向热量的传递的推动力温度差热力学第二定律热流方向由高温处向低温处流动二、传热速率两种方式：1、热流量Q：2、热流密度（或热通量）q：单位时间内热流体通过整个换热器的传递面传递给冷流体的热量（J/s）或（W）单位时间，通过单位传热面积所传递的热量（J/m2s或W/m2）dAdQq热流密度q与传热面积大小无关，完全取决于冷、热流体之间的热量传递过程，是反映具体传热过程速率大小的特征量DepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingke6三、稳态传热过程与非稳态传热过程本章讨论的都是稳定传热稳定传热若系统中各点的温度仅随位置变而不随时间变特点：通过传热表面的传热速率为常量不稳定传热传热系统中各点的温度既随位置又随时间变连续生产过程中的传热多为稳定传热DepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingke7§4-3热量传递的方式传热机理不同热传导对流传热辐射传热高温部分自动地流向低温部分的热量流动。静止物质内的一种传热方式，不依物质的宏观位移。金属——自由电子的扩散运动；非金属和大部分液体（除水银等）——晶格振动和分子碰撞；气体——分子不规则热运动。依靠流体的宏观位移，将热量由一处带到另一处的传递现象。传导和对流难以分开。①自然对流传热：温度不同而引起的密度差别，轻者上浮，重者下沉。②强制对流传热：外力所致流体质点的运动。牛顿冷却公式：电磁波在空间的传递热辐射不仅产生能量的转移，而且还伴随着能量形式的转换只有在物体的温度差别较大时，辐射传热才能成为主要的传热方式tAQ传热过程往往是两种或三种传热方式的组合DepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingke8§4-4传热过程中冷热流体（接触）热交换方式三种基本方式（一）直接接触式和混合换热器优点：传热效果好，设备结构简单，传热效率高（二）蓄热式换热和蓄热器缺点：设备体积庞大，且不能完全避免两种流体的混合DepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingke9间壁t1T1T2t2（三）间壁式换热和间壁式换热器t1T1T2t2冷、热流体通过间壁两侧的传热过程包括以下三个步骤：冷流体热流体对流对流导热热流方向（1）热流体以对流方式将热量传递给管壁；（2）热量以热传导方式由管壁的一侧传递至另一侧；（3）传递至另一侧的热量又以对流方式传递给冷流体。DepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingke10DepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingke11DepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingke12DepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingke13第二节热传导§4-5傅立叶定律一、温度场与温度梯度热传导的必要条件：物体或系统内各点间的温度差1、温度场：任一瞬间物体或系统内各点的温度分布总和。稳定温度场不稳定温度场一维稳定温度场,,,zyxttzyxtt,,0txtt0t0ztytDepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingke14t+△tt-△tt△t0等温面QdA2、温度梯度对于一维稳定温度场：,二、傅立叶定律（Fourier’sLaw）ntdAdQntdAdQλ—比例系数，称为导热系数，CmWo/ntntgradtlim0ndndtgradtdydu负号表示q与温度梯度方向相反ntDepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingke15§4-6导热系数定义式：ntdAdQCmWo/物质的物理性质之一实验测定=f(ρ，t，P…)金属的值最大，非金属次之，液体的较小，气体的最小导电固体非导电固体，液体气体物理含义：代表单位温度梯度下的热通量大小物质的越大，导热性能越好。T，气体，水，其它液体的DepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingke16tOxb§4-7平壁的稳定热传导稳定的温度场导热，材料均匀的平壁，AQ为定值一、单层平壁的稳定热传导无限大单层平壁一维稳态导热（无内热源）t1t2dxQQQ.ConstdxdtAqAQbtt.Constdxdt21——可见温度分布为直线若为常数，则：（输入热量速率）=（输出热量速率）=Const.=Const.积分b/)tt(AqAQ21若为变数，温度分布非直线取平均温度下的值=f(t)=f(1/t)DepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingke17bttAqAQ/)(21RtAbtt21Δt=t1-t2，温度差，导热推动力R=b/A，导热热阻导热热阻导热推动力RtQ导热速率=导热推动力（温差）/导热热阻推而广之传递过程的普遍关系式过程传递速率=过程的推动力/过程的阻力(对传热，传质，动量传递“三传”均适用。)DepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingke18xtO二、多层平壁的稳定热传导b1b2b3t1t2t3t4123热阻Ab11Ab22Ab33t1t2t3t4三层平壁设层与层之间接触良好，即接触的两表面温度相同Q1QQ3Q2稳定导热.321ConstQQQQ热阻推动力qAQ总热阻总推动力3214133221141334322321121RRRttAbAbAbttAbttAbttAbttiiiininRtAbttQ11推而广之DepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingke19§4-8圆筒壁的稳定热传导特点：A≠Const.一、单层圆筒壁的热传导rOr1r2tdrQQQt1t2drdtrLdrdtAQ21221ln2rrttLQmmArrttAbttQ122121导热热阻导热推动力式中：b=r2-r1圆筒壁厚度LrrrrrLAmm2ln/)(21212令1212ln/)(rrrrrm圆筒壁的对数平均半径，mDepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingke2012121212ln22ln/)(2AAAALrLrrrrLAm或者圆筒壁的内、外表面的对数平均面积，m2。当时，则对数平均值可用算术平均值代替：212rr)(2121rrrm或)(2121AAAm∵2211AqAqQ∴11/AQq22/AQq21AA由于圆筒壁的热传导Q相同，但q不相同。q1≠q2DepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingke21二、多层圆筒壁的热传导trOr1r2r3r4b2b3b1123t2t1t3t4热阻111mAb222mAb333mAbt1t2t3t4333222111321mmmAbAbAbtttQ总热阻总推动力3322112,2,2mmmmmmrLrArLrArLrAniiiinniiiinlrrttrrttlRtQ111111112)ln(ln1)(2443322112222lqrlqrlqrlqrQ44332211qrqrqrqrq1≠q2≠q3≠q432141RRRtt34323212141ln1ln1ln12rrrrrrttLQQ1Q3Q2QDepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingke22bb21bb12气温下降，应添加衣服，应把保暖性好的衣服穿在里面好，还是穿在外面好？思考2：保温层越厚，保温效果越好吗？QQ21思考1：DepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingke23【补例1】有一外径为150mm的钢管，为减少热损失，今在管外包以两层绝热层。已知两种绝热材料的导热系数之比，两层绝热层厚度相等皆为30mm。试问应把哪一种材料包在里层时，管壁热损失小。设两种情况下两绝热层的总温差不变。221热阻111mAb222mAbt1t2t3解：r1=75mm，r2=75+30=105mm，r3=135mmb1=b2=30mm若小的包在里层时：223112lnln2rrrrtLQ设1=1，2=2462.0/)/(/)/(123212rrLnrrLn若大的包在里层时：420.0/)/(/)/(123212rrLnrrLn∴小的包在里层时，热损失小。DepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingke24【补例2】Φ38×2.5mm的钢管用作蒸汽管。为了减少热损失，在管外保温。第一层是50mm厚的氧化锌粉，其平均导热系数为0.07W/(m·℃)；第二层