第三章傳熱

Chapter3HeatTransfer

概述(Introduction)化工生產(chǎn)的傳熱問題

化工生產(chǎn)需要大規(guī)模地改變物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)和物理性質(zhì)，而這些性質(zhì)的變化都涉及熱能的傳遞?；瘜W(xué)反應(yīng)：向反應(yīng)器提供熱量或從反應(yīng)器移走熱量；蒸發(fā)、蒸餾、干燥：按一定的速率向這些設(shè)備輸入熱量；高溫或低溫設(shè)備：隔熱保溫，減少熱損失；熱能的合理利用和廢熱回收。概述(Introduction)典型的換熱設(shè)備直接混合式傳熱：冷熱兩種流體直接接觸，在混合過程中進行熱交換。不常用，如涼水塔。間壁式換熱：參與傳熱的兩種流體被隔開在固體間壁的兩側(cè)，冷、熱兩流體在不直接接觸的條件下通過固體間壁進行熱量的交換。套管式換熱器冷溶液進冷溶液出熱溶液進熱溶液出典型的換熱設(shè)備列管式換熱器單程列管式換熱器雙程列管式換熱器12336654457傳熱過程的基本問題⑴載熱體用量的確定；⑵設(shè)計新的換熱器；⑶核算現(xiàn)有換熱器的傳熱性能；⑷強化或削弱傳熱的方法。解決這些問題需要兩個基本關(guān)系式熱量恒算式若忽略過程熱損失傳熱速率關(guān)系傳熱速率(熱流量)Q：單位時間內(nèi)所交換的熱量(W)——傳熱基本方程式

傳熱通量(熱流密度)q：單位時間單位傳熱面積上傳遞的熱量(W/m2)K——

總傳熱系數(shù)，W/(m2·K)物體或系統(tǒng)內(nèi)部的各點溫度分布的總和溫度場的數(shù)學(xué)表達式為穩(wěn)定溫度場不穩(wěn)定溫度場溫度場中各點的溫度隨時間而改變溫度場中各點的溫度不隨時間而改變等溫面：溫度場中溫度相同的點組成的面1、溫度場和等溫面溫度場：基本概念與傅立葉定律

2、溫度梯度：等溫面法線方向上的溫度變化率，用gradt表示。溫度梯度是向量，正方向指向溫度增加的方向。對于一維穩(wěn)定的溫度場，溫度梯度可表示為：基本概念與傅立葉定律

二、傅立葉定律——傅立葉定律dQ——熱傳導(dǎo)速率，W或J/sλ——比例系數(shù)，稱為導(dǎo)熱系數(shù)。W/m·K負號表示熱流方向與溫度梯度方向相反。

dA——

導(dǎo)熱面積，m2——

溫度梯度，K/m或℃/m基本概念與傅立葉定律

對于一維穩(wěn)定傳熱，傅立葉定律可以表示為：熱通量基本概念與傅立葉定律

三、導(dǎo)熱系數(shù)1、導(dǎo)熱系數(shù)的定義在數(shù)值上等于單位溫度梯度下的熱通量，是物質(zhì)的物理性質(zhì)之一。

一般，金屬的導(dǎo)熱系數(shù)最大，非金屬的固體次之，液體的較小，氣體的最小?；靖拍钆c傅立葉定律

2、固體的導(dǎo)熱系數(shù)

純金屬的導(dǎo)熱系數(shù)一般隨溫度的升高而降低，金屬的導(dǎo)熱系數(shù)大都隨純度的增加而增大。非金屬的建筑材料或絕熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)隨密度增加而增大，也隨溫度升高而增大。3、液體的導(dǎo)熱系數(shù)

在非金屬液體中，水的導(dǎo)熱系數(shù)最大。除水和甘油外，絕大多數(shù)液體的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的升高而略有減小基本概念與傅立葉定律

3、氣體的導(dǎo)熱系數(shù)氣體的導(dǎo)熱系數(shù)很小，不利于導(dǎo)熱，但有利于保溫。氣體的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度升高而加大。在相當(dāng)大的壓強范圍內(nèi)，氣體的導(dǎo)熱系數(shù)隨壓強變化極小

注意：在傳熱過程中，物質(zhì)內(nèi)不同位置的溫度可能不相同，因而導(dǎo)熱系數(shù)也不同，在工程計算中常取導(dǎo)熱系數(shù)的算術(shù)平均值?；靖拍钆c傅立葉定律

1、無限大單層平壁一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱（無內(nèi)熱源）-------可見溫度分布為直線若為常數(shù)，則：(為常數(shù))一維穩(wěn)定傳熱R——導(dǎo)熱熱阻，K/W；r——單位面積的導(dǎo)熱熱阻，Km2/W。*傳導(dǎo)距離b越大，傳熱面積和導(dǎo)熱系數(shù)越小，傳導(dǎo)熱阻越大1、無限大單層平壁一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱（無內(nèi)熱源）一維穩(wěn)定傳熱2、多層平壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)

一維穩(wěn)定傳熱推廣到n層平壁有：多層平壁導(dǎo)熱是一種串聯(lián)的導(dǎo)熱過程，串聯(lián)導(dǎo)熱過程的推動力為各分過程溫度差之和，即總溫度差，總熱阻為各分過程熱阻之和，也就是串聯(lián)電阻疊加原則。一維穩(wěn)定傳熱2、多層平壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)

3、接觸熱阻

若以r0表示單位傳熱面的接觸熱阻，通過兩層平壁的熱通量變?yōu)椋阂痪S穩(wěn)定傳熱影響因素：接觸材料的種類及硬度，接觸面的粗糙程度，接觸面的壓緊力，空隙內(nèi)的流體性質(zhì)。接觸熱阻一般通過實驗測定或憑經(jīng)驗估計3、接觸熱阻

一維穩(wěn)定傳熱例1：有一個燃燒爐，爐壁由3種材料組成，如圖所視，最內(nèi)層為耐火磚，中間為保溫磚，最外層為建筑磚。已知：

測得爐內(nèi)壁和外壁表面溫度分別為1016℃和34℃試計算：（1）單位面積的熱損失（2）耐火磚和保溫磚之間的溫度（3）保溫磚與建筑磚之間的溫度耐火磚保溫磚建筑磚t1t2t3t4一維穩(wěn)定傳熱例1：有一個燃燒爐，爐壁由3種材料組成，如圖所視，最內(nèi)層為耐火磚，中間為保溫磚，最外層為建筑磚。已知：

測得爐內(nèi)壁和外壁表面溫度分別為1016℃和34℃試計算：（1）單位面積的熱損失（2）耐火磚和保溫磚之間的溫度（3）保溫磚與建筑磚之間的溫度耐火磚保溫磚建筑磚t1t2t3t4解：（1）單位面積的熱損失有公式得：一維穩(wěn)定傳熱例1：有一個燃燒爐，爐壁由3種材料組成，如圖所視，最內(nèi)層為耐火磚，中間為保溫磚，最外層為建筑磚。已知：

測得爐內(nèi)壁和外壁表面溫度分別為1016℃和34℃試計算：（1）單位面積的熱損失（2）耐火磚和保溫磚之間的溫度（3）保溫磚與建筑磚之間的溫度耐火磚保溫磚建筑磚t1t2t3t4解：（2）耐火磚與保溫磚之間的溫度一維穩(wěn)定傳熱例1：有一個燃燒爐，爐壁由3種材料組成，如圖所視，最內(nèi)層為耐火磚，中間為保溫磚，最外層為建筑磚。已知：

測得爐內(nèi)壁和外壁表面溫度分別為1016℃和34℃試計算：（1）單位面積的熱損失（2）耐火磚和保溫磚之間的溫度（3）保溫磚與建筑磚之間的溫度耐火磚保溫磚建筑磚t1t2t3t4解：（3）保溫磚與建筑磚之間的溫度一維穩(wěn)定傳熱1、單層圓筒壁一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱（無內(nèi)熱源）若為常數(shù)，則：bQr1r2無限長圓筒一維穩(wěn)定傳熱bQr1r2無限長圓筒一維穩(wěn)定傳熱

Q=常數(shù)，但q常數(shù)2、多層圓筒壁一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱（無內(nèi)熱源）無限長圓筒一維穩(wěn)定傳熱2、多層圓筒壁的熱傳導(dǎo)

對于n層圓筒壁情況：無限長圓筒一維穩(wěn)定傳熱思考1：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，還是穿在外面好？思考2：圓管保溫層越厚，保溫效果越好嗎？bb12Qbb21Q無限長圓筒一維穩(wěn)定傳熱例1外徑50mm的不銹鋼管，外包6mm厚的玻璃纖維保溫層，其外再包20mm厚的石棉保溫層，管外壁溫度為300℃，保溫層外壁溫度為35℃，已知玻璃纖維和石棉的導(dǎo)熱系數(shù)分別為0.07W/(mK)和0.3W/(mK)，試求 (1)每米管長熱損失； (2)玻璃纖維層和石棉層之間的界面溫度。b1＝6mm玻璃纖維b2＝20mm石棉1＝0.07W/(mK)2＝0.3W/(mK)無限長圓筒一維穩(wěn)定傳熱b1＝6mm玻璃纖維b2＝20mm石棉1＝0.07W/(mK)2＝0.3W/(mK)解：

(1)每米管長熱損失無限長圓筒一維穩(wěn)定傳熱b1＝6mm玻璃纖維b2＝20mm