傳熱的基本原理和規(guī)律

1、1,第五章 傳 熱,通過本章學(xué)習(xí)，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(xí)目的與要求,2,5.1 傳熱過程概述,第五章 傳 熱,3,傳熱,熱量從高溫度區(qū)向低溫度區(qū)移動的過程稱為熱量傳遞，簡稱傳熱。,一是強化傳熱過程，如各種換熱設(shè)備中的傳熱。二是削弱傳熱過程，如對設(shè)備或管道的保溫，以減少熱損失。,化工生產(chǎn)中對傳熱過程的要求,概述,4,5.1 傳熱過程概述5.1.1熱傳導(dǎo)及導(dǎo)熱系

2、數(shù),第五章 傳 熱,5,一、熱傳導(dǎo)(導(dǎo)熱),熱傳導(dǎo)(導(dǎo)熱),不依靠物體內(nèi)部各部分質(zhì)點的宏觀混合運動而借助于物體分子、原子、離子、自由電子等微觀粒子的熱運動產(chǎn)生的熱量傳遞稱為熱傳導(dǎo)，簡稱導(dǎo)熱。,6,,描述熱傳導(dǎo)現(xiàn)象的物理定律為傅立葉定律（Fourier’s Law），其表達(dá)式為,傅立葉定律（Fourier’s Law）,溫度梯度,導(dǎo)熱系數(shù),微分導(dǎo)熱通量,熱通量與溫度梯度方向相反,一、熱傳導(dǎo)(導(dǎo)熱),7,二、導(dǎo)熱系數(shù),導(dǎo)熱系數(shù),,導(dǎo)熱系

3、數(shù)表征了物質(zhì)熱傳導(dǎo)能力的大小，是物質(zhì)的基本物理性質(zhì)之一，其值與物質(zhì)的形態(tài)、組成、密度、溫度等有關(guān)。,8,導(dǎo)熱系數(shù)[W/(m.oC)]0.006～0.060.1～0.70.2～3.015～4200.003～0.06,氣體液體非導(dǎo)電固體金屬絕熱材料,二、導(dǎo)熱系數(shù),9,1.固體的導(dǎo)熱系數(shù),純金屬的導(dǎo)熱系數(shù)與電導(dǎo)率的關(guān)系可用魏德曼（Wiedeman）-弗蘭茲（Franz）方程描述,,良好的電導(dǎo)體必然是良好的導(dǎo)熱體，反之亦然。,

4、二、導(dǎo)熱系數(shù),10,對大多數(shù)均質(zhì)固體，導(dǎo)熱系數(shù)與溫度近似呈線性關(guān)系,,對大多數(shù)金屬材料，?為負(fù)值；而對大多數(shù)非金屬材料，?為正值；對理想氣體，?=1/T ，1/K。,二、導(dǎo)熱系數(shù),11,2.液體的導(dǎo)熱系數(shù),除水和甘油外，大多數(shù)非金屬液體的導(dǎo)熱系數(shù)亦隨溫度的升高而降低。 金屬液體的導(dǎo)熱系數(shù)比一般的液體要高 純液體的導(dǎo)熱系數(shù)比其溶液的要大,二、導(dǎo)熱系數(shù),12,3.氣體的導(dǎo)熱系數(shù),氣體導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度升高而增大。在相當(dāng)大的壓力范圍內(nèi)，氣體

5、的導(dǎo)熱系數(shù)隨壓力的變化很小，可以忽略不計。,二、導(dǎo)熱系數(shù),13,5.1 傳熱過程概述5.1.1 熱傳導(dǎo)及導(dǎo)熱系數(shù),第五章 傳 熱,5.1.2 對流,14,對流是由流體內(nèi)部各部分質(zhì)點發(fā)生宏觀運動和混合而引起的熱量傳遞過程,對流,對流傳熱,在化工生產(chǎn)中特指流體與固體壁面之間的熱量傳遞過程。,對流,15,對流傳熱速率可由牛頓冷卻定律描述,溫度差,對流傳熱系數(shù),微分對流傳熱通量,對流,16,5.1 傳熱過程概述5.1.1 熱傳導(dǎo)及導(dǎo)熱系

6、數(shù)5.1.2 對流,第五章 傳 熱,5.1.3 熱輻射,17,熱輻射,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,1.可以在完全真空的地方傳遞而無需任何介質(zhì)。 2.不僅產(chǎn)生能量的轉(zhuǎn)移，而且還伴隨著能量形式的轉(zhuǎn)換。 3.任何物體只要在絕對零度以上，都能發(fā)射輻射能，但僅當(dāng)物體的溫度較高、物體間的溫度差較大時，輻射傳熱才能成為主要的傳熱方式。,18,5.1 傳熱過程概述5.1.1 熱傳導(dǎo)及導(dǎo)熱系數(shù)5.1.2 對流

7、5.1.3 熱輻射,第五章 傳 熱,5.1.4 冷熱流體（接觸）熱交換方式及換熱器,19,一、直接接觸式換熱和混合式換熱器 二、蓄熱式換熱和蓄熱器三、間壁式換熱和間壁式換熱器,√,冷熱流體（接觸）熱交換方式及換熱器,20,圖5-1 套管式換熱器1-內(nèi)管 2-外管,冷熱流體（接觸）熱交換方式及換熱器,動畫22,21,圖5-2 單程管殼式換熱器1-外殼,2-管束,3、4-接管,5-封頭,6-管板,7-擋板,8-泄水池,冷熱流

8、體（接觸）熱交換方式及換熱器,動畫21,22,間壁式換熱器內(nèi)冷、熱流體間的傳熱過程包括以下三個步驟：（1）熱流體以對流方式將熱量傳遞給管壁；（2）熱量以熱傳導(dǎo)方式由管壁的一側(cè)傳遞至另一側(cè)；（3）傳遞至另一側(cè)的熱量又以對流方式傳遞給冷流體。,冷熱流體（接觸）熱交換方式及換熱器,23,5.1 傳熱過程概述5.1.1 熱傳導(dǎo)及導(dǎo)熱系數(shù)5.1.2 對流5.1.3 熱輻射5.1.4 冷熱流體（接觸）熱交換方式及換熱器,第五章 傳

9、 熱,5.1.5 載熱體及其選擇,24,載熱體及其選擇,在化工生產(chǎn)中，物料在換熱器內(nèi)被加熱或冷卻時，通常需要用另一種流體供給或取走熱量，此種流體稱為載熱體，其中起加熱作用的稱為加熱介質(zhì)（或加熱劑）；起冷卻（冷凝）作用的稱為冷卻介質(zhì)（或冷卻劑）。,載熱體,25,選擇載熱體原則（1）載熱體的溫度易調(diào)節(jié)控制；（2）載熱體的飽和蒸氣壓較低，加熱時不易分解；（3）載熱體的毒性小，不易燃、易爆，不易腐蝕設(shè)備；（4）價格便宜，來源容易。,載熱

10、體及其選擇,26,第五章 傳 熱,5.2 熱傳導(dǎo)5.2.1 平壁一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo),27,一、單層平壁一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo),假設(shè)：1.導(dǎo)熱系數(shù)不隨溫度變化，或可取平均值；2.一維穩(wěn)態(tài)3.忽略熱損失。,圖5-3 單層平壁熱傳導(dǎo),28,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、單層平壁一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo),29,導(dǎo)熱熱阻,一、單層平壁一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo),30,二、多層平壁的一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo),圖5-4 三層平壁熱傳導(dǎo),假設(shè)：1.導(dǎo)熱

11、系數(shù)不隨溫度變化，或可取平均值；2.一維穩(wěn)態(tài)3.忽略熱損失4.沒有接觸熱阻,31,通過各層平壁截面的傳熱速率必相等,或,二、多層平壁的一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo),32,三層平壁穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)速率方程,,對n層平壁，其傳熱速率方程可表示為,,二、多層平壁的一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo),33,接觸熱阻,因兩個接觸表面粗糙不平而產(chǎn)生的附加熱阻。 接觸熱阻包括通過實際接觸面的導(dǎo)熱熱阻和通過空穴的導(dǎo)熱熱阻（高溫時還有輻射傳熱）。 接觸熱阻與接觸面材料、表