热量传递幻灯片.ppt

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1、热量传递第1页，共59页，编辑于2022年，星期一第第2 2章章 热量传递热量传递（Heat Transfer）1234567概述概述热传导热传导对流传热对流传热传热过程计算传热过程计算对流传热系数关联式对流传热系数关联式辐射传热辐射传热换热器换热器第2页，共59页，编辑于2022年，星期一1 INTRODUCTION一、传热的重要性传热即热量的传递过程，凡是有温差的地方就有热量的传递。应用十分广泛。1.传热在化工中的应用化学反应控温：热量的导入与导出；单元操作：蒸馏、蒸发、干燥等；保温与隔热：低温与高温过程；废热回收：第3页，共59页，编辑于2022年，星期一2.传热问题的分类 强化传热：在

2、传热设备中对物料进行加热或冷却，希望传递速率高。削弱传热：对设备或管道进行保温，减少热损失。传热计算：设计与校核；改进设备：进行强化或弱化。3.主要内容影响因素、基本规律、实际应用。第4页，共59页，编辑于2022年，星期一二、传热的三种基本方式传热以温差（压）为推动力，凡是有温差的地方就有热量的传递。没有外功输入时，高温低温。物体内部和物体之间。1.热传导（导热）：Conduction物体内部或物体之间的直接接触传热。方式：分子、原子、自由电子的运动、碰撞。特点：无物质的宏观转移。需要介质。第5页，共59页，编辑于2022年，星期一2.对流传热（热对流）：Convection流体中由于流体质

3、点的移动和混合引起的传热。特点：有物质的宏观转移。需要介质。对流传热中常伴随导热，难以截然分开合并处理，叫对流传热或给热。如流体与固体壁面之间的传热。产生对流的原因：强制对流（外力作用）与自然对流（温度不均）。第6页，共59页，编辑于2022年，星期一伴随能量转换：热能辐射能热能；无需介质，可在真空中传递；只有高温较高时，才加以考虑。实际中的热量传递过程常常是多种传热方式的组合复杂传热。3.热辐射：Radiation以电磁波方式进行的热量传递过程。三、热源与冷源用于加热或冷却的物料或手段。第7页，共59页，编辑于2022年，星期一用于取走或供给热量的物料叫载热体。冷却剂（介质）：加热剂（介质）

4、：电热：加热温度范围广，便于控制，使用方便，比较清洁。但费用较高。饱和蒸汽：温度和压强对应，使用方便，冷凝传热速率快。但温度受限。如温度300（8.59MPa），180（1MPa）。1.热源：p.331 表8第8页，共59页，编辑于2022年，星期一 烟道气：温度可达700以上，可将物料加热到较高温度。但传热速度慢，温度不易控制。高温载热体：如矿物油、熔盐等。沸点高，化学性质稳定。一般用水、空气和冷冻盐水等。水最普遍，传热效果好，但温度受地域和季节影响。2.冷源：p.330 表5、表6第9页，共59页，编辑于2022年，星期一 3.载热体的选择：温度易调节控制；饱和蒸气压低，不易分解；毒性、腐

5、蚀性小，不易燃、易爆；价格便宜，来源充足。四、两流体间的热交换方式1.直接接触式传热冷、热两流体在传热器中以直接混合的方式进行热量交换，也称混合式换热。第10页，共59页，编辑于2022年，星期一第11页，共59页，编辑于2022年，星期一第12页，共59页，编辑于2022年，星期一2.蓄热式换热由热容量较大的蓄热室构成。室中充填耐火砖作为填料，当冷、热流体交替通过同一室时，就可以通过蓄热室的填料将热流体的热量传递给冷流体。3.间壁式换热冷、热流体被固体壁隔开，分别在壁的两侧流动，不相混合，通过固体壁进行热量传递。第13页，共59页，编辑于2022年，星期一YANTAI UNIVERSITY化

6、工原理课件Melted SaltsHot StorageSolar FieldMelted SaltsCold StorageSteam GeneratorSteam TurbineSuperheated Steam(100 bar,380C)Reheated Steam(17 bar,371C)CondenserPre-heaterRe-heaterOil Expansion TankDeaeratorOil 395COil 295C第14页，共59页，编辑于2022年，星期一第15页，共59页，编辑于2022年，星期一热流体固体壁热侧冷侧冷流体。壁的面积称为传热面，是间壁式换热器的基本尺寸

7、。五、典型的间壁式换热器及其传热过程1.套管式换热器由直径不同的直管组成的同心管。2.列管式换热器由壳体、管束、管板和封头等组成。第16页，共59页，编辑于2022年，星期一第17页，共59页，编辑于2022年，星期一第18页，共59页，编辑于2022年，星期一第19页，共59页，编辑于2022年，星期一列管式换热器的换热面积为管束管壁的全部表面积：S=dLnd 管径。可分别用内径di，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Si，外侧面积S0或平均面积Sm。L 管长；n 管数。第20页，共59页，编辑于2022年，星期一六、传热速率与热通量1.传热速率（热流量）：Q单位

8、时间内通过传热面的热量，W。2.热通量（热流密度或传热速度）：q单位传热面积上的传热速率。W/m2。;dQdSq=Q=传热温差（推动力）热阻（阻力）tR=tRq=第21页，共59页，编辑于2022年，星期一七、稳定传热与不稳定传热在传热系统中温度分布不随时间而改变的传热过程为稳定传热。如连续生产。在传热系统中温度分布随时间变化的传热过程为不稳定传热。如间歇生产。主要讨论稳定传热过程。传热过程的中心问题：传热速率；传热过程的关键问题：确定热阻。第22页，共59页，编辑于2022年，星期一t=f(x,y,z)t=f(x,)2 热传导（Conduction)一、基本概念和傅里叶定律1.温度场和等温面

9、：温度场：物体或系统内各点的温度分布总和。t=f(x,y,z,)不稳定温度场稳定温度场一维温度场第23页，共59页，编辑于2022年，星期一YANTAI UNIVERSITYt+tt-t化工原理课件 等温面：温度场中同一时刻相同温度各点组成的面。等温面不会相交，等温面上不传热。2.温度梯度：t nQn温度变化率：tx大小与x方向有关，但在法线方向上最大。第24页，共59页，编辑于2022年，星期一YANTAI UNIVERSITYt+tt-t化工原理课件沿等温面法线方向上的温度变化率称为温度梯度，用grad t表示。=tntgrad t=limn 0 n向量，指向温度升高的方向。且与等温面垂直

10、。一维稳定温度场：dtgrad t=dx t nQn第25页，共59页，编辑于2022年，星期一YANTAI UNIVERSITYt+tt-t化工原理课件3.傅里叶（Fourier）定律：tndQ=dS t ndSQntn或：dq=比例系数，称为导热系数，W/(m K)负号：热流方向与温度梯度方向相反；dS：垂直于热流方向。第26页，共59页，编辑于2022年，星期一YANTAI UNIVERSITY化工原理课件二、导热系数（热导率）：dqtn=dQtdSn=数值上等于单位温度降度下的热通量。标志物质的导热性能，是物性之一；=f(组成，结构，形态，T，p，湿度)；一般，金属导热系数最大，非金属

11、固体次之，液体较小，气体最小；来源：实验测定，查有关手册。第27页，共59页，编辑于2022年，星期一大致范围物质种类纯金属金属合金液态金属非金属固体非金属液体绝热材料气体热导率100140050500303000.05 500.550.0510.0050.5第28页，共59页，编辑于2022年，星期一YANTAI UNIVERSITY金属大都随温度升高而降低（高合金钢例外），随纯度增加而增大；非金属建筑材料或绝热材料的随温度升高而增大（冰例外），随密度增加而增大。化工原理课件1.固体的导热系数均质固体：=0(1+at)温度系数大多数金属：a0，t第29页，共59页，编辑于2022年，星期一Y

12、ANTAI UNIVERSITY化工原理课件2.液体的导热系数 液态金属一般液体；液态钠导热系数最高；大多随温度升高而降低。非金属液体中，水的最大；大多随温度升高而略有减小（水和甘油外）；纯液体的比溶液大。有机化合物水溶液：m=0.9ai i有机化合物互溶液：m=ai iai 组分质量分率。第30页，共59页，编辑于2022年，星期一 几种液体的导热率几种液体的导热率第31页，共59页，编辑于2022年，星期一第32页，共59页，编辑于2022年，星期一YANTAI UNIVERSITY混合气体：化工原理课件3.气体的导热系数 很小，不利于导热，有利于保温；气体的随温度升高而增大；气体的随压强

13、升高而增大，但变化极小，只有极端情况才予以考虑。温度不同，不同，在工程计算中常取算术平均值或平均温度下的。第33页，共59页，编辑于2022年，星期一几种气体的导热率几种气体的导热率第34页，共59页，编辑于2022年，星期一第35页，共59页，编辑于2022年，星期一三、通过平壁的稳态热传导 1、通过单层平壁的热传导 第36页，共59页，编辑于2022年，星期一三、通过平壁的稳态热传导 第37页，共59页，编辑于2022年，星期一三、通过平壁的稳态热传导 第38页，共59页，编辑于2022年，星期一三、通过平壁的稳态热传导 第39页，共59页，编辑于2022年，星期一三、通过平壁的稳态热传导

14、 第40页，共59页，编辑于2022年，星期一YANTAI UNIVERSITY例2-1 平壁厚0.37m，内表面温度1650，外表面温度300，=0.815+0.00076t（式中t 单位，单位 W/(m ）。若将导热系数分别按常量和变量计算时，试求平壁的温度分布式和导热热通量。解：按常量计算1650+3002平均温度：tm=975 m=0.815+0.00076 975=1.556W/(m)1.5560.37(1650 300)(t1 t2)=q=b=5677 W/m 2第41页，共59页，编辑于2022年，星期一积分：(t22 t12)设壁厚为x处的温度为t，则：56771.556x=1

15、650 3649x=1650 t=t1 qx 按变量计算dtdxdtdx=(0.815+0.00076t)q=即：qdx=(0.815+0.00076t)dt0.000762 qb=0.815(t2 t1)+q=5677 W/m 2第42页，共59页，编辑于2022年，星期一 热通量相同。但温(t 2 16502)0.000762 5677 x=0.815(t 1650)+当b=x时，t2=t，则：度分布不同：当随温度性变化时，温度分布不再是为直线；第43页，共59页，编辑于2022年，星期一2、通过多层平壁的热传导 三、通过平壁的稳态热传导 第44页，共59页，编辑于2022年，星期一三、通

16、过平壁的稳态热传导 第45页，共59页，编辑于2022年，星期一三、通过平壁的稳态热传导 第46页，共59页，编辑于2022年，星期一四、通过圆筒壁的稳态热传导四、通过圆筒壁的稳态热传导 1、通过单层圆筒壁的热传导 第47页，共59页，编辑于2022年，星期一四、通过圆筒壁的稳态热传导四、通过圆筒壁的稳态热传导 第48页，共59页，编辑于2022年，星期一四、通过圆筒壁的稳态热传导四、通过圆筒壁的稳态热传导 第49页，共59页，编辑于2022年，星期一四、通过圆筒壁的稳态热传导四、通过圆筒壁的稳态热传导 第50页，共59页，编辑于2022年，星期一四、通过圆筒壁的稳态热传导四、通过圆筒壁的稳态

17、热传导 第51页，共59页，编辑于2022年，星期一绿线绿线-对数平均对数平均黄线黄线-几何平均几何平均红线红线-算术平均算术平均四、通过圆筒壁的稳态热传导四、通过圆筒壁的稳态热传导 第52页，共59页，编辑于2022年，星期一2、通过多层圆筒壁的热传导 四、通过圆筒壁的稳态热传导四、通过圆筒壁的稳态热传导 第53页，共59页，编辑于2022年，星期一第54页，共59页，编辑于2022年，星期一思考思考1 1：气气温温下下降降，应应添添加加衣衣服服，应应把把保保暖暖性性好好的的衣衣服服穿穿在在里里面面好好，还是穿在外面好？还是穿在外面好？bb 1 2Qbb 2 1Q 第55页，共59页，编辑于

18、2022年，星期一例2-2.有一外径为有一外径为150mm的钢管，为减少热损失，今在管外包以两的钢管，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层绝热层。已知两种绝热材料的导热系数之比 ，两层绝热层，两层绝热层厚度相等皆为厚度相等皆为30mm。试问应把哪一种材料包在里层时，管壁热损失。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。小。设两种情况下两绝热层的总温差不变。热阻热阻t1t2t3解：解：r1=75mm，r2=75+30=105mm，r3=135mmb1=b2=30mm若小的若小的 包在里层时：包在里层时：设设 1=1，2=2若大的若大的 包在里层时：包在里层时：小的包在里层时，热损失小。小的包在里层时，热损失小。第56页，共59页，编辑于2022年，星期一保温层的临界厚度保温层的临界厚度思考思考2 2：保温层越厚，保温效果越好吗？保温层越厚，保温效果越好吗？第57页，共59页，编辑于2022年，星期一第58页，共59页，编辑于2022年，星期一三.通过球壳壁的热传导 在球壳壁内的温度分布、热流量和热传导热阻的计算式分别为 对于多层球壳壁热传导问题可仿多层圆筒壁的计算方法写出。五、通过球壁的稳态热传导五、通过球壁的稳态热传导 第59页，共59页，编辑于2022年，星期一