《化工原理》傳熱

1、化工原理第四章 傳 熱 本章討論的重點是傳熱的基本原理及其在化工中的應(yīng)用。通過本章學(xué)習，掌握傳熱的基本原理和規(guī)律，并運用這些原理和規(guī)律去分析和計算傳熱過程的有關(guān)問題。學(xué)習目的與要求第4章 傳 熱1 概述一、傳熱操作的目的 1、加熱或冷卻 2、熱量回收 3、保溫，減少熱量或冷量的損失二、傳熱的基本方式 1、熱傳導(dǎo) 若物體各部分之間不發(fā)生相對位移，僅借分子、原子和自由電子等微觀粒子的熱運動而引起的熱量傳遞稱為熱傳導(dǎo)(又稱導(dǎo)熱)。 熱傳導(dǎo)的條件是系統(tǒng)兩部分之間存在溫度差。特點：有溫差、有媒介、無宏觀移動 在金屬固體中，熱傳導(dǎo)起因于自由電子的運動；在不良導(dǎo)體的固體中和大部分液體中，熱傳導(dǎo)是通過晶格結(jié)構(gòu)

2、的振動，即原子、分子在平衡位置附近的振動來實現(xiàn)的；在氣體中，熱傳導(dǎo)則是由于分子不規(guī)則運動而引起的。 2、對流傳熱 流體各部分之間發(fā)生相對位移所引起的熱傳遞過程稱為熱對流(簡稱對流)。 熱對流僅發(fā)生在流體中。 依據(jù)流體中產(chǎn)生對流的原因，又可將對流分為：自然對流、強制對流特點：有溫差、有媒介、有宏觀移動3、輻射傳熱 因熱的原因而產(chǎn)生的電磁波在空間的傳遞，稱為熱輻射。熱輻射的特點是： 不需要任何介質(zhì)，可以在真空中傳播； 不僅有能量的傳遞，而且還有能量形式的轉(zhuǎn)移； 任何物體只要在熱力學(xué)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。二、傳熱過程中冷熱流體的接觸方式

3、1、直接接觸式傳熱 2、蓄熱式傳熱3、間壁式傳熱間壁式傳熱過程包括以下三個步驟: 熱流體將熱量傳至固體壁面左側(cè)(對流傳熱)； 熱量自壁面左側(cè)傳至壁面右側(cè)(熱傳導(dǎo))； 熱量自壁面右側(cè)傳至冷流體(對流傳熱)。串聯(lián)傳熱過程：對流傳導(dǎo)對流對流對流傳導(dǎo)壁面本章的學(xué)習任務(wù)：熱量由熱流體通過壁面?zhèn)鹘o冷流體的一系列計算。2 熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)的必要條件：溫度差；傳熱媒介。溫度差是傳熱過程的推動力。 溫度場就是任一瞬間物體或系統(tǒng)內(nèi)各點的溫度分布總和。 一般情況下，物體內(nèi)任一點的溫度為該點的位置以及時間的函數(shù)，即若為穩(wěn)態(tài)溫度場穩(wěn)態(tài)的一維溫度場一、溫度場和溫度梯度1、溫度場等溫面的特點： （1）等溫面不能相交；（2）沿等

4、溫面無熱量傳遞。2、等溫面 溫度場內(nèi)，溫度相同的點組成的面為等溫面。3、 溫度梯度 兩等溫面間的溫度差于其間垂直距離之比的極限 溫度梯度是向量，其方向垂直于等溫面，并以溫度增加的方向為正。 對穩(wěn)態(tài)的一維溫度場，溫度梯度可表示為： 傅立葉定律是熱傳導(dǎo)的基本定律，它指出：單位時間內(nèi)傳導(dǎo)的熱量與垂直于熱流方向的截面積成正比；與溫度梯度成正比。二、傅立葉定律式中的負號指熱流方向和溫度梯度方向相反。 式中 ：Q 單位時間傳導(dǎo)的熱量，簡稱傳熱速率，W ;S 導(dǎo)熱面積，即垂直于熱流方向的表面積， m2； 導(dǎo)熱系數(shù)，W/（moC）。三、導(dǎo)熱系數(shù)1、導(dǎo)熱系數(shù)的物理意義 溫度梯度為1 oC/m，導(dǎo)熱面積為1m2

5、的情況下，單位時間的導(dǎo)熱量。 導(dǎo)熱系數(shù)表征物質(zhì)導(dǎo)熱能力的大小，是物質(zhì)的物理性質(zhì)之一，2、導(dǎo)熱系數(shù)的單位 W/（moC）3、導(dǎo)熱系數(shù)的影響因素（1）物質(zhì)的種類一般： 金屬液體氣體討論與思考導(dǎo)熱材料 大多數(shù)金屬隔熱材料（保溫材料） 干物料（3）物質(zhì)的狀態(tài)物質(zhì)溫度oC導(dǎo)熱系數(shù)W/(moC）水蒸氣1000.0237液態(tài)水1000.6827冰02.326（4）物質(zhì)的溫度 金屬 非金屬 液體 氣體溫度t 作業(yè)： 綜述論文行業(yè)中的新型高導(dǎo)熱（保溫）材料四、平面壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)假設(shè)平壁的材質(zhì)均勻；導(dǎo)熱系數(shù)不隨溫度變化；平壁的溫度只沿著垂直于壁面的x軸方向變 化，故等溫面皆為垂直于x軸的平行平面；平壁面積與側(cè)面積

6、相比為無窮大。1、單層平壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)對平壁一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo) 積分并整理得微分式 積分式 一、單層平壁的熱傳導(dǎo)導(dǎo)熱的推動力(driving force)： t=t1-t2導(dǎo)熱的熱阻(thermal resistance)： R=b/S根據(jù)傅立葉定律 bt1t2Qtt1t2obx 假定單層平面壁穩(wěn)定熱傳導(dǎo)的假定；層與層之間接觸良好，相互接觸的表面上溫度相等，各等溫面亦皆為垂直于x軸的平行平面。2、多層平壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo) 通過各層平壁截面的傳熱速率相等或穩(wěn)定導(dǎo)熱過程：Q1 = Q2 = Q3 = Q重要結(jié)論： 串聯(lián)傳熱過程推動力與阻力具有加和性。 多層導(dǎo)熱面?zhèn)鳠嵬苿恿﹄S熱阻的分配規(guī)律。接觸熱阻接觸熱阻

7、 由于表面粗糙不平，不同材料構(gòu)成的界面之間可能出現(xiàn)明顯的溫度降低而產(chǎn)生接觸熱阻。 因兩個接觸面間有空穴，而空穴內(nèi)又充滿空氣，因此，傳熱過程包括通過實際接觸面的熱傳導(dǎo)和通過空穴的熱傳導(dǎo)(高溫時還有輻射傳熱)。一般來說，因氣體的導(dǎo)熱系數(shù)很小，接觸熱阻主要由空穴造成。 接觸熱阻與接觸面材料、表面粗糙度及接觸面上壓強等因素有關(guān)，主要依靠實驗測定。二、多層平壁的熱傳導(dǎo)例：穿過三層等厚的平壁的穩(wěn)定導(dǎo)熱過程，如圖，已知t1 = 200oC，t2 = 150oC，t3 = 120oC，t4 = 100oC，由圖判斷導(dǎo)熱系數(shù)最大的一層為（ ）。例：某冷庫外壁內(nèi)、外層磚壁厚均為12cm，中間夾層厚10cm，填以絕

8、緣材料。磚墻的熱導(dǎo)率為0.70w/mk，絕緣材料的熱導(dǎo)率為0.04w/mk，墻外表面溫度為10 ，內(nèi)表面為-5 ，試計算進入冷庫的熱流密度及絕緣材料與磚墻的兩接觸面上的溫度。按溫度差分配計算t2、t3解： 根據(jù)題意，已知t1=10 ，t4=-5 ，b1=b3=0.12m，b2=0.10m，1= 3= 0.70w/mk， 2= 0.04w/mk。按熱流密度公式計算q：五、圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)特點：1、溫度沿圓筒的徑向而變化，等溫面為一系列同心的圓筒壁面。2、導(dǎo)熱面積因直徑不同而不同。3、總傳熱速率不變，傳熱通量沿徑向變化。1、單層圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)常量常量傳熱速率傳熱面積熱通量平壁圓筒壁常量隨半徑變常量隨半徑變一、單層圓筒壁的熱傳導(dǎo)對數(shù)平均半徑 對數(shù)平均面積 化工計算中，經(jīng)常采用兩量的對數(shù)平均值。當兩個物理量的比值等于2時，算術(shù)平均值與對數(shù)平均值相比，計算誤差僅為4%，這是工程