傳熱概述及熱傳導(dǎo)實用教案

1、熱傳遞(chund)3種方式新課導(dǎo)入熱傳導(dǎo)熱對流熱輻射(fsh)1熱量傳遞可以依靠其中的一種方式或幾種方式同時進行，凈的熱流方向(fngxing)總是從高溫處向低溫處流動。第一頁，共60頁。24.1.1 傳熱(chun r)的三種基本方式 熱傳導(dǎo) 若物體各部分之間借分子、原子和自由電子等微觀粒子的熱運動傳遞熱量的過程(guchng)為熱傳導(dǎo)(又稱導(dǎo)熱)。特點：靜止物體的傳熱方式(fngsh)，沒有物質(zhì)的宏觀位移。條件：系統(tǒng)兩部分之間存在溫度差。 物質(zhì)的三態(tài)（固液氣）均可以充當熱傳導(dǎo)的介質(zhì)，但熱傳導(dǎo)的機理因物質(zhì)種類不同而異。第二頁，共60頁。3氣體：熱傳導(dǎo)則是由于分子(fnz)不規(guī)則熱運動而引起

2、的。金屬固體(gt)：熱傳導(dǎo)起因于自由電子的擴散運動；T1T2金屬棒T1T2不良導(dǎo)體的固體(gt)和大部分液體熱傳導(dǎo)是通過晶格結(jié)構(gòu)的振動，即原子、分子在平衡位置附近的振動來實現(xiàn)的；熱傳導(dǎo)不能在真空中進行。導(dǎo)熱：固體中 熱傳遞的主要方式 液體中 并不顯著4.1.1 傳熱的三種基本方式第三頁，共60頁。44.1.1 傳熱的三種(sn zhn)基本方式 熱對流分類(fn li)：根據(jù)對流產(chǎn)生的原因分為強制對流、自然對流。流體質(zhì)點在傳熱(chun r)方向上的相對運動來實現(xiàn)熱量傳遞的過程，簡稱對流。強制對流：若相對運動是由外力作用引起的。自然對流：相對運動是由于流體內(nèi)部各部分溫度的不同而產(chǎn)生密度的差異

3、，使流體質(zhì)點發(fā)生相對運動的。 往往伴有熱傳導(dǎo)實質(zhì)：流體的質(zhì)點攜帶著熱能在不斷的流動中，把熱能給出或吸入的過程。第四頁，共60頁。54.1.1 傳熱的三種基本(jbn)方式化工過程中，流體流過固體表面(biomin)時的傳熱是包含了熱傳導(dǎo)和熱對流的聯(lián)合過程，稱對流傳熱； 說明(shumng)：同一種流體中可能同時發(fā)生自然對流和強制對流；對流傳熱與流體流動狀況密切相關(guān)。熱對流僅發(fā)生在流體中，即氣體和液體；而且必然伴有熱傳導(dǎo)現(xiàn)象。第五頁，共60頁。64.1.1 傳熱(chun r)的三種基本方式 熱輻射 因熱的原因(yunyn)而產(chǎn)生的電磁波在空間的傳遞，稱為熱輻射。 不需要任何介質(zhì)，可以在真空(z

4、hnkng)中傳播； 熱輻射的特點： 高溫物體輻射能低溫物體任何物體只要在熱力學溫度零度以上，都能發(fā)射輻射能，但是只有在物體溫度較高時，熱輻射才能成為主要的傳熱方式。輻射傳熱是物體間相互輻射和吸收能量的結(jié)果。 不僅有能量的傳遞，而且還有能量形式的轉(zhuǎn)移；第六頁，共60頁。74.1.1 傳熱的三種基本(jbn)方式熱傳導(dǎo)熱對流熱輻射傳熱原因微觀粒子的熱運動、碰撞、振動流體質(zhì)點的位移和混合電磁波傳遞能量，物體本身有一定溫度傳熱對象固液氣流體之間固液氣宏觀表現(xiàn)無物質(zhì)的宏觀位移有物質(zhì)的宏觀位移物體溫度很高時，有能量轉(zhuǎn)移實例金屬傳導(dǎo)不能在真空中進行空氣對流紅外輻射能在真空中進行三種(sn zhn)傳熱的比

5、較第七頁，共60頁。8 聯(lián)合(linh)傳熱 實際上，三種傳熱方式(fngsh)，很少單獨存在，而是兩種或兩種以上的傳熱聯(lián)合作用。例如：化工生產(chǎn)中冷、熱流體通過間壁式換熱器的熱交換 冷熱流體的對流傳(lichun)熱 通過固體壁面的熱傳導(dǎo) 壁面熱冷對流傳導(dǎo)對流本章重點：對流傳熱的基本原理，應(yīng)向?qū)α鱾鳠岬囊蛩丶坝嘘P(guān)計算2. 對流傳熱+輻射例如：溫度很高的他、反應(yīng)釜的外壁1. 熱傳導(dǎo)+熱對流 對流傳熱4.1.1 傳熱的三種基本方式第八頁，共60頁。94.1.2 傳熱(chun r)過程中冷、熱流體的接觸方式接觸(jich)方式直接(zhji)接觸式換熱蓄熱式換熱間壁式換熱第九頁，共60頁。104.

6、1.2 傳熱過程(guchng)中冷、熱流體的接觸方式 直接(zhji)接觸式特點：是依靠熱流體和冷流體直接(zhji)接觸和混合過程實現(xiàn)的。優(yōu)點：傳熱面積大，傳熱效率高，設(shè)備簡單適用范圍：無價值的蒸氣冷凝，或其冷凝液不要求是純粹的物料等，允許冷熱兩流體直接接觸混合的場合。典型設(shè)備：如涼水塔、噴灑式冷卻塔、混合式冷凝器 混合式冷凝器第十頁，共60頁。114.1.2 傳熱(chun r)過程中冷、熱流體的接觸方式 蓄熱式換熱特點：冷熱兩流體間的熱量是通過壁面周期性的加熱(ji r)和冷卻來實現(xiàn)的。適用范圍：一般(ybn)氣體介質(zhì)之間，使用不多。傳熱方式：首先熱流體流過蓄熱器中固體壁面，用熱流體將

7、固體填充物加熱，然后停止熱流體，使冷流體流過固體表面，用固體填充物所積蓄的熱量加熱冷流體。高溫流體高溫流體低溫流體低溫流體蓄熱體蓄熱體第十一頁，共60頁。124.1.2 傳熱過程中冷、熱流體(lit)的接觸方式 間壁式換熱適用范圍：不許(bx)直接混合的兩種流體間的熱交換。特點(tdin)：冷熱兩種流體被一固體間壁所隔開，在換熱過程中，兩種流體互不接觸，熱量由熱流體通過間壁傳給冷流體。設(shè)備：套管式換熱器、列管式換熱器缺點：造價高，流動阻力大，動力消耗大。優(yōu)點：傳熱速度較快，適用范圍廣，熱量的綜合利用和回收便利。冷流體熱流體間壁對流 傳導(dǎo) 對流第十二頁，共60頁。134.1.2 傳熱過程中冷、熱

8、流體(lit)的接觸方式傳熱(chun r)面A：內(nèi)管壁的表面積套管換熱器(最簡單(jindn)的一種)冷流體t1t2熱流體T1T2傳熱面A: 為殼內(nèi)所有管束壁的表面積 熱流體T1T2冷流體t1t2列管換熱器第十三頁，共60頁。144.1.3 傳熱(chun r)過程 傳熱(chun r)速率Q（熱流量）單位時間內(nèi)通過傳熱(chun r)面的熱量， 表征換熱器的生產(chǎn)能力，W。根據(jù)工藝要求，同種流體需要溫升或溫降時，吸收或放出的熱量。 熱負荷Q 熱流密度（熱通量）單位時間單位面積傳遞的熱量，W/m2，熱通量是反映傳熱強度的指標，又稱為熱流強度。ddQqSu傳熱速率和熱通量第十四頁，共60頁。15

9、4.1.3 傳熱(chun r)過程傳遞(chund)過程速率與過程的推動力成正比，與過程的阻力成反比。傳熱過程速率可表示為tQRtqR整個(zhngg)傳熱面的熱阻單位傳熱面積的熱阻傳熱熱阻傳熱推動力（溫度差傳熱速率)第十五頁，共60頁。164.1.3 傳熱(chun r)過程u穩(wěn)態(tài)與非穩(wěn)態(tài)傳熱(chun r) 穩(wěn)態(tài)(定常)傳熱(chun r):各點溫度不隨時間而變化的傳熱(chun r)，只隨位置而變；傳熱(chun r)系統(tǒng)中無能量積累，連續(xù)生產(chǎn)。 ,zyxftqQ zyxftqQ, 0 t非穩(wěn)態(tài)(非定常)傳熱：間歇生產(chǎn)過程，開、停車階段。兩種傳熱狀態(tài):本章只討論穩(wěn)定傳熱0 t第十六頁，

10、共60頁。17 載熱體的溫度易調(diào)節(jié)控制； 載熱體的飽和蒸氣壓較低，加熱(ji r)時不易分解； 載熱體的毒性小，不易燃、易爆，不易腐蝕設(shè)備； 價格便宜，來源容易。選擇(xunz)原則u熱載體及其選擇(xunz) 4.1.3 傳熱過程第十七頁，共60頁。184.1.3 傳熱(chun r)過程加熱劑：熱水、飽和(boh)水蒸氣 礦物油或聯(lián)苯等低熔混合物、煙道氣等 用電加熱冷卻劑：水、空氣(kngq)、冷凍鹽水、液氨等 冷卻溫度 30 C 水 加熱溫度 180 C 飽和水蒸氣第十八頁，共60頁。194.2 熱傳導(dǎo)溫度場：某一時刻物體或系統(tǒng)內(nèi)各點的溫度分布(fnb)總和。u溫度場和溫度梯度通常，物體

11、的溫度分布是空間(kngjin)坐標和時間的函數(shù)：一維溫度場: 溫度場中溫度只沿著一個(y )坐標方向變化. ,zyxft 穩(wěn)態(tài)溫度場：zyxft, xft 0 t0 t0ztyt第十九頁，共60頁。202) 等溫面：溫度(wnd)場中同一時刻下相同溫度(wnd)各點所組成的面，等溫面不能相交。 因為空間同一點不能同時具有兩個不同(b tn)的溫度，所以不同(b tn)的等溫面彼此不能相交。t1t2t1t2等溫面Q4.2 熱傳導(dǎo)第二十頁，共60頁。溫度梯度：將兩等溫面之間的溫度差t，與兩面(lingmin)間的垂直距離n之 比值的極限稱為溫度梯度。ntntntgradtn或0limt+tt-t

12、tnQdA21方向垂直于該點所在(suzi)等溫面，以溫度增的方向為正溫度梯度是一個點的概念(ginin)。 溫度梯度是一個向量。4.2 熱傳導(dǎo)穩(wěn)態(tài)一維溫度梯度：dxdtgradt 第二十一頁，共60頁。224.2 熱傳導(dǎo)第二十二頁，共60頁。如何衡量傳熱速度的快慢呢？傳（導(dǎo)）熱速率(sl)：是指在單位時間內(nèi)通過傳熱面的熱量，用Q 表示，單位為W。影響導(dǎo)熱速率的因素(yn s)有哪些呢？怎樣才能提高導(dǎo)熱速率呢？234.2 熱傳導(dǎo)第二十三頁，共60頁。4.2.1 傅立葉定律(dngl)（Fouriers Law） 通過等溫面的導(dǎo)熱速率與溫度梯度及傳熱面積成正比，而熱量傳遞的方向(fngxing)

13、則與溫度升高的方向(fngxing)相反。Jean Baptiste Joseph Fourier(1768 1830)ntdAdQntdAdQ ：導(dǎo)熱(dor)系數(shù)，w/(moC)定義24由于導(dǎo)熱方向為溫度下降的方向，故需在右端加一負號。第二十四頁，共60頁。是物質(zhì)的物理性質(zhì)之一，表征物質(zhì)的導(dǎo)熱能力(nngl)的參數(shù)。 越大，導(dǎo)熱性能越好。4.2.1 傅立葉定律(dngl)（Fouriers Law）導(dǎo)熱(dor)系數(shù)ntdAdQntdAdQntq物理意義：單位距離單位傳熱面積和單位傳熱溫差時的傳熱速率，即單位溫度梯度下的熱通量。物質(zhì)種類 氣體 液體 非導(dǎo)固體 金屬 絕熱材料 W/(moC)

14、 0.0060.60.070.70.23.00.2525第二十五頁，共60頁。4.2.1傅立葉定律(dngl)（Fouriers Law）從導(dǎo)熱(dor)系數(shù)的角度分析一下，泡沫箱和保溫杯的保溫原理。泡沫箱中存在大量微孔，填充了大量空氣，同時(tngsh)其自身為絕緣的聚苯乙烯材質(zhì)，二者導(dǎo)熱系數(shù)小，具有保溫作用。保溫杯內(nèi)膽與瓶身中間處于真空，無氣體分子，不導(dǎo)熱。26第二十六頁，共60頁。271.固體的導(dǎo)熱(dor)系數(shù)t ， 固固 ;導(dǎo)熱性能與導(dǎo)電性能密切相關(guān)，一般而言，良好的導(dǎo)電體必然(brn)是良好的導(dǎo)熱體，反之亦然。在所有固體中，金屬的導(dǎo)熱性能最好。非金屬固體的導(dǎo)熱系數(shù)與其(yq)組成、

15、結(jié)構(gòu)的緊密程度及溫度有關(guān)。4.2.1 傅立葉定律（Fouriers Law） t ， 固固 ，固固 ；大多數(shù)金屬的導(dǎo)熱系數(shù)與金屬溫度和純度有關(guān)，即 金屬純度 ， 固固 第二十七頁，共60頁。28液態(tài)金屬的導(dǎo)熱系數(shù)比一般液體的高，其中(qzhng)熔融的純鈉具有較高的導(dǎo)熱系數(shù)。液體的導(dǎo)熱系數(shù)基本上與壓強無關(guān)。2.液體(yt)的導(dǎo)熱系數(shù) d. 一般來說， 溶液(rngy)R1R2 ttttttbAbAbARRR122334112233123:順序：31b2b3,導(dǎo)熱系數(shù)(xsh)12t2，則1和2的關(guān)系為_。第四十三頁，共60頁。4.2.3 圓通(yuntng)壁熱傳導(dǎo)單層圓筒壁熱傳導(dǎo)化工生產(chǎn)中的

16、導(dǎo)熱問題大多是圓筒壁中的導(dǎo)熱問題。圓筒壁的溫度(wnd)隨半徑而變。傅立葉定律應(yīng)改寫為：drdtAQA2rl44第四十四頁，共60頁。21212ttrrdtlrdrQ1221ln)(2rrttlQ12122112121221ln)(ln)()(2AAbAAttrrrrrrttlQmAbtt)(21rlA212rrb1212lnAAAAAm 對數(shù)平均(pngjn)面積45 假定導(dǎo)熱(dor)系數(shù)為常數(shù)，在圓筒壁的內(nèi)半徑r1和外半徑r2間進行積分 分離(fnl)變量得dtlrdrQ24.2.3 圓通壁熱傳導(dǎo)第四十五頁，共60頁。討論(toln)mAbttQ)(21傳熱(chun r)速率可表示為Q

17、tR推動力熱阻ttt()12mAbR 推動力：熱阻：越有利于傳熱(chun r)壁厚（傳導(dǎo)距離）b 越小傳熱面積和導(dǎo)熱系數(shù) 越大熱阻越小464.2.3 圓通壁熱傳導(dǎo)第四十六頁，共60頁。47rr212AAAm122圓筒壁內(nèi)的溫度(wnd)分布Ql ttrrttQlrr 221111 lnlnQdrrldtrrtt12122 上限(shngxin)從rrtt22時，改為(i wi)rrtt時，tr成對數(shù)曲線變化(假設(shè) 不隨t變化) 平壁：各處的Q和q均相等； 圓筒壁：不同半徑r處Q相等，但q卻不等。4.2.3 圓通壁熱傳導(dǎo)12212()ln(/)l ttQrr 12()QA tt圓筒壁平壁第四十

18、七頁，共60頁。484.2.3 圓通(yuntng)壁熱傳導(dǎo)多層圓筒壁熱傳導(dǎo) 假設(shè)： (1)材料均勻， 1，2，3，皆視為常數(shù)； (2)溫度僅沿r變化，且不隨時間(shjin)變化； (3)各層接觸良好，接觸面兩側(cè)溫度相同。 可視為是各單層圓筒壁串聯(lián)(chunlin)進行的導(dǎo)熱過程。 第四十八頁，共60頁。niinniiiinniiiinRttAbttrrttLQ1111m111111ln1)(2494.2.3 圓通(yuntng)壁熱傳導(dǎo)推廣(tugung)至n層： 推動力阻力(zl)3111ln1)4(2iiiirrttL343323221211ln1)4(2ln1)3(2ln1)2(2r

19、rttLrrttLrrttLQ第四十九頁，共60頁。504.2.3 圓通(yuntng)壁熱傳導(dǎo)33322211141mmmAbAbAbttQ可寫成與多層平壁計算公式相仿(xingfng)的形式Am1、 Am1 、Am1分別(fnbi)為個層圓筒壁的平均面積。 可見，多層壁的總熱阻等于串聯(lián)的各層熱阻之和。 傳熱速率 = 總溫差推動力/總熱阻第五十頁，共60頁。514.2.3 圓通(yuntng)壁熱傳導(dǎo)接觸面的粗糙程度，接觸面的壓緊力，接觸面空隙(kngx)內(nèi)的流體性質(zhì)。兩固體之間由于(yuy)未緊密接觸而導(dǎo)致的接觸熱阻一般通過實驗測定或憑經(jīng)驗估計影響因素： 接觸熱阻：第五十一頁，共60頁。5

20、2 氣溫下降，應(yīng)添加衣服，應(yīng)把保暖性好的衣服穿在里面好，還是(hi shi)穿在外面好？bb12QQ21 bb214.2.3 圓通(yuntng)壁熱傳導(dǎo)思考(sko)2：第五十二頁，共60頁。53例：某冷庫的墻壁由三層材料構(gòu)成，內(nèi)層為軟木，厚15mm，導(dǎo)熱系數(shù)0.043W/(m)，中層(zhngcng)為石棉板，厚40mm,導(dǎo)熱系數(shù)0.10W/ (m) ，外層為混凝土，厚200mm,導(dǎo)熱系數(shù)1.3W/ (m) ，測得內(nèi)墻表面為-18，外墻表面溫度為24，計算每平方米墻面的冷損失量；若將內(nèi)、中層(zhngcng)材料互換而厚度不變，冷損失量將如何變化。2143121231824465/0.0150.0400.200.0430.11.3ttqW mbbbA 解 t1=18, t4=24, 1=0.043W/(m), 2=0.10W/(m), 3=1.3W/ (m) 4.2.3 圓通(yuntng)壁熱傳導(dǎo)第五十三頁，共60頁。54t1-18,t4=24,1= 0.10W/(m),2= 0.043W/(m),3=1.3W/ (m) 214312123182434/0.0150.0400.200.10.0431.3ttqW mbbbA 互換材料后，由于導(dǎo)熱熱阻的增大，使得冷量損失減少。在使用多層材料保溫時要注意(zh