1、2020年8月17日,1/94,第五章 傳熱過程基礎,5.1 傳熱過程導論 物體或者系統(tǒng)內部由于溫度不同而使熱量發(fā)生轉移的過程，稱為熱量的傳遞，簡稱傳熱。根據(jù)熱力學第二定律，只要有溫度差就將有熱量自發(fā)地從高溫處傳到低溫處，因此傳熱是自然界和工程技術領域中普遍存在的一種物理現(xiàn)象。 5.1.1 傳熱在化工生產中的應用 化學工業(yè)與傳熱問題更為密切，無論是化學反應過程，還是物理性操作過程，幾乎都伴有熱量的引入或導出。因此，傳熱是重要的化工單元操作之一，其應用主要包括以下幾方面： 1.加熱或冷卻流體，符合化學反應或單元操作的需要 2.對設備或管道進行保溫、隔熱，以減少熱量(或冷量)損失。 3.合理使用熱

2、源，進行熱量的綜合回收利用。,2020年8月17日,2/94,5.1.2 傳熱的基本方式,根據(jù)傳熱的機理不同，傳熱分為三種基本方式： 5.1.2.1.熱傳導(導熱) 定義：熱量從物質中溫度較高的部分傳遞到溫度較低的部分，或者從高溫物質傳遞到與之相鄰的低溫物質的熱量傳遞現(xiàn)象。 特點： 由于物質微觀粒子的熱運動而引起的熱量傳遞，在傳熱方向上無物質的宏觀位移。 存在于固體、靜止流體及滯流流體中。 發(fā)生熱傳導的條件是有溫度差存在，其結果是熱量從高溫部分傳向低溫部分。,2020年8月17日,3/94,從微觀角度看，氣體、液體、導電固體和非導電固體的機理各不相同。 氣體：是氣體分子做不規(guī)則熱運動時相互碰撞

3、的結果。氣體分子的動能與其溫度有關，高溫區(qū)的分子運動速度比低溫區(qū)的大。熱量水平較高的分子與熱量水平較低的分子相互碰撞的結果，熱量就由高溫區(qū)傳遞到低溫區(qū)。 導電固體：有許多的自由分子在晶格之間運動，正如這些自由電子能傳導電能一樣，它們也能將熱量從高溫處傳遞到低溫區(qū)。 非導電固體：導熱是通過晶格結構的振動(即原子、分子在其平衡位置附近的振動)來實現(xiàn)的。物體中溫度較高部分的分子，因振動而與相鄰的分子相碰撞，并將熱能的一部分傳遞給后者。 一般，通過晶格振動傳遞的熱量比依靠自由電子遷移傳遞的熱量少，這就是良好的導電體也是良好導熱體的原因。,2020年8月17日,4/94,液體： 一種觀點認為它定性地和氣

4、體類似，只是液體分子間的距離比較近，分子間的作用力對碰撞過程的影響比氣體大得多，因而更復雜。 另一種觀點認為其導熱機理類似于非導電固體，即主要依靠原子、分子在其平衡位置附近的振動，只是振動的平衡位置間歇地發(fā)生移動。 總的來說，關于導熱過程的微觀機理，目前仍不很清楚。本章只討論導熱現(xiàn)象的宏觀規(guī)律。,2020年8月17日,5/94,5.1.2.2.熱對流(對流),定義：由于流體質點發(fā)生相對位移而引起的熱量傳遞過程 特點： 熱對流只發(fā)生在流體中。 流體各部分間產生相對位移 產生對流的原因 由于流體內部溫度不同形成密度的差異，在浮力的作用下產生流體質點的相對位移，使輕者上浮，重者下沉，稱為自然對流；

5、由于泵、風機或攪拌等外力作用而引起的質點強制運動，稱為強制對流。 流動的原因不同，熱對流的規(guī)律也不同。在強制對流的同時常常伴隨有自然對流。,2020年8月17日,6/94,化工生產中，常遇到的并非是單純的熱對流方式，而是流體流過固體表面時發(fā)生的熱對流和熱傳導聯(lián)合作用的傳熱過程，即熱由流體傳遞到固體表面(或反之)的過程，通常將它稱為對流傳熱(也稱給熱)。其特點是靠近固體壁面附近的流體中依靠熱傳導方式傳熱，而在流體主體中則主要依靠對流方式傳熱。 可見，對流傳熱與流體流動狀況密切相關。 雖然熱對流是一種基本的傳熱方式，但由于熱對流總伴隨熱傳導，要將二者分開處理是困難的。因此一般不討論單純熱對流，而著

6、重討論具有實際意義的對流傳熱。,2020年8月17日,7/94,5.1.2.3.熱輻射,定義：因熱的原因而產生的電磁波在空間的傳遞。 自然界中一切物體都在不停地發(fā)射輻射能，同時又不斷地吸收來自其它物體的輻射能，并將其轉化為熱能。物體之間相互輻射和吸收能量的總結果，稱為輻射傳熱。由于高溫物體發(fā)射的能量比吸收的多，而低溫物體則相反，從而使凈熱量從高溫物體傳遞向低溫物體。 特點： 可在真空中傳播 能量傳遞同時伴隨有能量的轉換 任何物體只要在絕對零度以上，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。 實際進行的傳熱過程，往往不是上述三種基本方式單獨出現(xiàn)，而是兩種或三種傳熱的

7、組合，而又以其中一種或兩種方式為主。,2020年8月17日,8/94,5.1.3 典型的傳熱設備,實現(xiàn)兩流體換熱過程的設備稱為換熱器 化工生產中遇到的多是兩流體間的熱交換。熱交換是指熱流體經固體壁面(間壁)將熱量傳給冷流體的過程。,冷、熱流體被間壁隔開，它們分別在壁面兩側流動。此壁面即構成間壁式換熱器。熱由熱流體以對流方式傳遞到壁面一側，通過間壁的導熱，在由壁面另一側以對流形式傳遞到冷流體。,2020年8月17日,9/94,現(xiàn)討論典型的間壁式換熱器結構及其操作原理,1.套管式換熱器 由直徑不同的兩根圓管組成的同心套管。一種流體在內管中流動，另一種流體在套管的環(huán)隙中流動，兩流體是通過內管壁面進行

8、換熱。,每一段套管稱一程。程與程之間一般是上下排列，固定在管架上。若所需傳熱面積較大，則可用數(shù)排并列，各排均與總管連接而并聯(lián)使用。,優(yōu)點：采用標準管子與管件。構造簡單，加工方便，排數(shù)和程數(shù)伸縮性大，可距需要增減。適當?shù)剡x擇內、外管的直徑，可使兩種流體都達到較高流速，從而提高傳熱系數(shù)；兩流體可始終以逆流方向流動，平均溫度差最大。 缺點：接頭多易泄漏，占地面積大，單位面積消耗金屬量大。 傳熱面積：S=dL,2020年8月17日,10/94,2.列管式換熱器,為了改變套管式換熱器傳熱面積小，設備不緊湊的狀況，常將若干細管組成的管束放在一大的外管中，這種換熱器稱為列管式換熱器 。,組成：殼體、管束、管

9、板和封頭等部分。 一種流體由封頭的進口管進入，流經封頭與管板的空間分配至各管內，從另一端封頭的出口管流出。另一種流體則由殼體的接管流入，在殼體與管束間的空隙流動中通過管束表面與管束內流體換熱，然后從殼體的另一端接管排出。為增加流體湍動程度，通常殼體內安裝若干與管束垂直的折流檔板。 流體流經管束的過程，稱為流經管程，將該流體稱為管程(管方)流體； 流體流經殼體環(huán)隙的過程，稱為流經殼程，將該流體稱為殼程(殼方)流體。,2020年8月17日,11/94,若流體只在管程內流過一次的，稱為單管程；只在殼程內流過一次的，稱為單殼程。 若列管換熱器的傳熱面積較大，而需要的管數(shù)很多時，有時流體在管內的流速便較

10、低，結果使流體的對流傳熱系數(shù)減小。為了提高管程流速，可在換熱器封頭內設置隔板，將全部管子平均分成若干組，流體在管束內來回流過多次后排出，稱為多(管)程列管式換熱器，如圖示。 程數(shù)增多，雖然提高了管內流體的流速，增大了管內的對流傳熱系數(shù)，但同時也使流動阻力增大，平均溫度差降低。此外，設置隔板后占去部分布管面積而減少了傳熱面積。因此，程數(shù)不宜過多，一般為雙程、四程、六程。 傳熱面積：S=ndL,2020年8月17日,12/94,5.1.4 傳熱速率與熱通量,衡量傳熱的快慢用傳熱速率及熱通量表示。 傳熱速率q：單位時間內通過傳熱面的熱量，W 熱通量q/S：每單位面積的傳熱速率，W/m2 說明 傳熱速

11、率和熱通量是評價換熱器性能的重要指標。 q，換熱器性能愈好 由于傳熱面積具有不同的表示形式，因此同一傳熱速率所對于的熱通量的數(shù)值各不相同。計算時應標明選擇的基準面積。 對不同的傳熱方式，傳熱速率、熱通量的名稱略有差異。,2020年8月17日,13/94,5.1.5 穩(wěn)態(tài)傳熱與非穩(wěn)態(tài)傳熱,穩(wěn)態(tài)傳熱：溫度僅隨位置變化而不隨時間變化的傳熱方式。 顯著特點是傳熱速率q為常量。 連續(xù)傳熱過程屬于穩(wěn)態(tài)傳熱。 非穩(wěn)態(tài)傳熱：溫度既隨位置變化又隨時間變化的傳熱方式。 顯著特點是傳熱速率q為變量。 間歇傳熱過程屬于非穩(wěn)態(tài)傳熱。,2020年8月17日,14/94,5.3 熱 傳 導,5.3.1 熱傳導的基本概念 5

12、.3.1.1 溫度場 一物體或系統(tǒng)內部，只要各點存在溫度差，熱就可以從高溫點向低溫點傳導，即產生熱流。因此物體或系統(tǒng)內的溫度分布情況決定著由熱傳導方式引起的傳熱速率(導熱速率) 溫度場：在任一瞬間，物體或系統(tǒng)內各點的溫度分布總和。 因此，溫度場內任一點的溫度為該點位置和時間的函數(shù)，即： t=f(x,y,z,) 說明 若溫度場內各點的溫度隨時間變化，此溫度場為非穩(wěn)態(tài)溫度場，對應于非穩(wěn)態(tài)的導熱狀態(tài)。 t=f(x,y,z,) 若溫度場內各點的溫度不隨時間變化，此溫度場為穩(wěn)態(tài)溫度場，對應于穩(wěn)態(tài)的導熱狀態(tài)。 t=f(x,y,z) 若物體內的溫度僅沿一個坐標方向發(fā)生變化，但不隨時間變化，此溫度場為一維穩(wěn)態(tài)

13、溫度場t=f(x),2020年8月17日,15/94,5.3.1.2 等溫面,在同一時刻，具有相同溫度的各點組成的面稱為等溫面。因為在空間同一點不可能同時有兩個不同的溫度，所以溫度不同的等溫面不會相交。 5.3.1.3 溫度梯度 從任一點起沿等溫面移動，溫度無變化，故無熱量傳遞；而沿和等溫面相交的任一方向移動，溫度發(fā)生變化，即有熱量傳遞。溫度隨距離的變化程度沿法向最大。 溫度梯度：相鄰兩等溫面間溫差t與其距離n之比的極限：,說明 溫度梯度為向量，其正方向為溫度增加的方向，與傳熱方向相反。 穩(wěn)定的一維溫度場，溫度梯度可表示為：,2020年8月17日,16/94,5.3.2 熱傳導基本定律 -傅立

14、葉定律,物體或系統(tǒng)內導熱速率的產生，是由于存在溫度梯度的結果，且熱流方向和溫度降低的方向一致，即與負的溫度梯度方向一致，后者稱為溫度降度。 傅立葉定律是用以確定在物體各點存在溫度差時，因熱傳導而產生的導熱速率大小的定律。 定義：通過等溫面導熱速率，與其等溫面的面積及溫度梯度成正比：,式中：dq導熱速率，W dS等溫表面的面積，m2 k比例系數(shù)，稱為導熱系數(shù)，W/(m) “”表示熱流方向與溫度梯度方向相反,2020年8月17日,17/94,5.3.3 導熱系數(shù),將傅立葉定律整理，得導熱系數(shù)定義式： 物理意義：導熱系數(shù)在數(shù)值上等于單位溫度梯度下的熱通量。因此，導熱系數(shù)表征物體導熱能力的大小，是物質

15、的物性常數(shù)之一。其大小取決于物質的組成結構、狀態(tài)、溫度和壓強等。 導熱系數(shù)大小由實驗測定，其數(shù)值隨狀態(tài)變化很大。,2020年8月17日,18/94,5.3.3.1 固體的導熱系數(shù),金屬：35420W/(m)，非金屬：0.23.0W/ (m) 固體中，金屬是最好的導熱體。 純金屬：t，k 金屬： 純度，k 非金屬：，t ，k 說明 對大多數(shù)固體， k值與溫度大致成線性關系： 式中： k固體在溫度為 t時的導熱系數(shù)，W/(m) k0固體在溫度為 0時的導熱系數(shù)，W/(m) 溫度系數(shù)。 大多數(shù)金屬：0,2020年8月17日,19/94,在熱傳導計算中，用物體的平均導熱系數(shù)代替各點處的導熱系數(shù)，以簡化

16、計算，引起的誤差很小。方法： 5.3.3.2 液體的導熱系數(shù) 液體導熱系數(shù)：0.070.7W/(m) t，k(水、甘油除外) 金屬液體：其k比一般液體高，其中純Na最高 非金屬液體：純液體的k比其溶液的大 在缺乏實驗數(shù)據(jù)時，溶液的導熱系數(shù)可按經驗公式估算，導熱系數(shù)估算式為： 有機化合物水溶液：km=0.9aiki 有機化合物的互溶混合液：km=aiki,ai組分i的質量分率,2020年8月17日,20/94,5.3.3.3 氣體的導熱系數(shù),氣體的導熱系數(shù)：0.0060.6 7W/(m) 溫度的影響：t，k P的影響 一般壓強范圍內，k隨壓強變化很小，可忽略 過高(2105kPa)、過低(3kP

17、a)時，P ，k 氣體的導熱系數(shù)小，對導熱不利，但有利于保溫、絕熱 常壓下氣體混合物的導熱系數(shù)的估算式： 式中：yi組分i的摩爾分率 Mi組分i的分子量，kg/kmol,2020年8月17日,21/94,5.3.4 平壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導,5.3.4.1 單層平壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導 前提條件： 平壁內材料均勻，導熱系數(shù)k取平均值為常數(shù)； 平壁內溫度只沿垂直于壁面的x方向變化，等溫面均為垂直于x軸的平面 平壁兩側溫度分別為t1、t2，且不隨時間而變化，過程為穩(wěn)態(tài)一維熱傳導，導熱速率q為常量。 Sb, 故從壁的邊緣處損失的熱量可忽略，S為常量。 傅立葉定律可簡化為：,2020年8月17日,22/94,積分限：

18、x=0b，t=t1t2 積分,說明 推動力為t，阻力為R(R) 導熱速率與溫度差、傳熱面積、導熱系數(shù)成正比，而與平壁厚度成反比。 k，R；q常數(shù)時，tR k常數(shù)：t=f(x)為直線；k=k0(1+t)：t=f(x)為曲線 熱阻概念的應用： 計算界面溫度或物體內溫度分布 從溫度分布判斷各部分熱阻的大小,2020年8月17日,23/94,單層平壁熱傳導計算舉例,例 某平壁厚度為0.37m，內表面溫度t1為1650，外表面溫度t2為300，平壁材料導熱系數(shù)k=0.815+0.00076t(t的單位為，k的單位為W/(m)。若將導熱系數(shù)分別按常量和變量處理時，試求平壁的溫度分布關系式和導熱熱通量。 解：(1