《化工原理》课程教学资源（PPT讲稿）第四章 传热

第四章.传热 第一节.概述 第二节.热传导 第三节.对流传热 第四节.传热计算 第五节.对流传热系数 第六节.辐射传热 第七节.换热器 第八节.传热习题课

第四章. 传热 第一节. 概述 第二节. 热传导 第三节. 对流传热 第四节. 传热计算 第五节. 对流传热系数 第六节. 辐射传热 第七节. 换热器 第八节. 传热习题课

第一节.概述 化工生产中的传热过程 d化工生产中物料反应需加热、冷却 造纸生产中原料的蒸煮、纸张干燥、纸回收 υ皮革生产中鞣剂的加热,皮革的干燥 材料工业中窑炉的传热、设计 不凝性气体 传热的目的: 1.为了进行化学、物理变化、须使 冷水 物料升温或降温。 2.为了减小热损失、节约能源、改 善生产环境及条件,需减缓传热。蒸汽 3.为回收利用热量、进行热交换。 生产中热交换的方式 1.直接混合式

一 . 化工生产中的传热过程 化工生产中物料反应需加热、冷却 造纸生产中原料的蒸煮、纸张干燥、纸回收 皮革生产中鞣剂的加热，皮革的干燥 材料工业中窑炉的传热、设计 传热的目的： 1. 为了进行化学、物理变化、须使 物料升温或降温。 2. 为了减小热损失、节约能源、改 善生产环境及条件，需减缓传热。 3. 为回收利用热量、进行热交换。 二. 生产中热交换的方式 1. 直接混合式 第一节. 概述

此方法传热效率高、时间短 废气 冷 但冷、热介质必须能直接混合 2.蓄热式 由中间填充多孔耐火材料的空室构成 3.间壁式 烟气 热 冷热介质中间由一层固体壁面 所隔开 冷 套管换热器 热 列管换热器 f2 由壳体、管板、管束 热 顶盖、接管组成。 动画

此方法传热效率高、时间短 但冷、热介质必须能直接混合 2. 蓄热式 由中间填充多孔耐火材料的空室构成 3. 间壁式 冷热介质中间由一层固体壁面 所隔开 套管换热器 列管换热器 由壳体、管板、管束 顶盖、接管组成。 动画

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三.热量衡算 1.无相变时的传热 无热损失Q放=Q吸(9一热负荷,生产任务要求单位 时间提供或移走的热量(kw) Q放=WACm(71-72) W,W—热、冷流体质量流量kg♂ Q吸=WCm(t2-1) 热、冷流体比热λ/kg ph 2.有相变时 热、冷流体的温度℃ 过热蒸汽—吻>饱和蒸汽—「>饱和水—吻>冷凝水 Q=WhCph, (T-T2)+Whr+WhC ph,( W,(H-H 对于饱和蒸汽冷凝成同温度下的饱和冷凝水 Q=W

三. 热量衡算 1. 无相变时的传热 ( ) ( ) 2 1 1 2 Q W C t t Q W C T T Q Q c pc h ph = − = − = 吸 放 无热损失 放 吸 T t C C W W Q ph pc h c , , , ⎩ ⎨ ⎧ — 热负荷，生产任务要求单位 时间提供或移走的热量（ kw ） — 热、冷流体质量流量 kg/s — 热、冷流体比热kJ/kg. 2. 有相变时 — 热、冷流体的温度 ℃ ( ) Q W C ( T T ) ( T - T ) T T T T 1 2 1 2 1 2 2 / 2 / h 1 2 2 / 2 / 1 2 C r C h h h ph h h ph W H H W r W C ph ph = − = − + + 过热蒸汽 ⎯⎯ →⎯ 饱和蒸汽 ⎯⎯→ 饱和水 ⎯⎯ →⎯ 冷凝水 W r h Q = ⋅ 对于饱和蒸汽冷凝成同温度下的饱和冷凝水

四.热量传递的三种基本形式 热传导 定义:物体中由于分子的振动, 与相邻分子发生碰撞而将热量从高温传向低温的传递方式。 特点:分子不发生宏观运动,只发生在固体中或静止的流体 中。在金属中,则是由自由电子的运动 2.对流传热 定义:由于流体质点发生运动而传递热量的形式。 分类:「自然对流:由于温差而引起密度差产生的对流。 强制对流:依靠机械施加外力使流体运动。 \(/( 特点:有分子和质点的宏观运动,发生在流体中 3.热辐射 定义:由电磁波传递热量的形式 特点:中间不需介质,真空中可传递

四. 热量传递的三种基本形式 ⎩⎨⎧ 1. 热传导 定义：物体中由于分子的振动， 与相邻分子发生 碰撞而将热量从高温传向低温的传递方式。 特点：分子不发生宏观运动，只发生在固体中或静止的流体 中。在金属中，则是由自由电子的运动。 2. 对流传热 定义：由于流体质点发生运动而传递热量的形式。 分类：自然对流：由于温差而引起密度差产生的对流。 强制对流：依靠机械施加外力使流体运动。 特点：有分子和质点的宏观运动，发生在流体中。 3. 热辐射 定义：由电磁波传递热量的形式。 特点：中间不需介质，真空中可传递

第二节.热传导 热传导的基本概念和付立叶定律 1.几个概念 (1)温度场:物体或系统中各点温度的分布 数学描述: t=f(x,y,2,6) O 温度场为位置和时间的函数 从时间上 稳定温度场:t=f(x,y,z)各点温度不随时间而变 不稳定温度场:t=f(x,y,z,O)各点温度随时间而变 从位置上: 「三维温度场:t=f(x,y,2,b) 维温度场:t=f(x,6)

一 . 热传导的基本概念和付立叶定律 1. 几个概念 ⑴温度场：物体或系统中各点温度的分布 数学描述： t = f ( x , y ,z,θ ) 温度场为位置和时间的函数 不稳定温度场： 各点温度随时间而变 稳定温度场： 各点温度不随时间而变 从时间上： ( , , , ) ( , , ) t f x y z θ t f x y z = = ( , ) ( , , ) θ θ t f x t f x y z = = 一维温度场： 三维温度场： ， 从位置上： 第二节. 热传导 ⎩⎨⎧ ⎩⎨⎧

我们研究的是稳定的、一维温度场t=fx) (2)等温面:温度场中,同一时刻、温度相同的点所组成的面 平壁: 圆柱: 圆球 (3)温度梯度: 两相邻的等温面的温差4t与该两面之间垂直距离4n比值的极限 At at grad lim An→>0An an o t 0 n ds 向量:大小: 方向:沿等温面垂直方向,正方向指向温度增加的 方向,故与传热反向

我们研究的是稳定的、一维温度场 t ＝f(x) ⑵等温面：温度场中，同一时刻、温度相同的点所组成的面 平壁： 圆柱： 圆球： ⑶温度梯度： 两相邻的等温面的温差 与该两面之间垂直距离 比值的极限 n t n t grad lim n 0 ∂ ∂ = = → ∆ ∆ ∆ ∆t ∆n 向量：大小： 方向：沿等温面垂直方向，正方向指向温度增加的 方向，故与传热反向

2.付立叶定律: 单位时间传导的热量(导热速率)与温度梯度和传热 面积成正比 at dO∝dS Q一导热速率J/S=W at Q=-nds S一导热面积m an at an 温度梯度 负号—表示传热和温度梯度反向 λ一比例系数,又称导热系数W/mK 3.导热系数元 do W W (1)单位: at ds =2K K an

2. 付立叶定律： 单位时间传导的热量（导热速率）与温度梯度和传热 面积成正比。 t dQ dS n t dQ dS n λ ∂ ∝ ∂ ∂ = − ∂ Q S t n λ ∂ ∂ — 导热速率 J / s = W — 导热面积 2 m — 温度梯度 负号 — 表示传热和温度梯度反向 — 比例系数，又称导热系数 W/m·K 3.导热系数 λ ⑴单位： 2 [ ][ ] dQ W W t K m K dS m n m λ = == ∂ ⋅ − ∂ ⎩ ⎨ ⎧

(2)意义:数值上;表示温度梯度为1单位面积所传递的热量 物理意义;表示物质导热能力的一个物性参数 (3)影响因素: 纯铜=377W/m.K ①与物质纯度有关 青铜=187W/m·K 物质越纯,个熟铁x=61W/m,K 钢乙=45W/mK ②与物质内部结构有关「硬塑料A=20形/mK 泡沫塑料λ=0.02W/m·K 同一材料密度p越大,则λ个 ③与物质物理性状有关冰4=22形/mK 0°C水=0.57W/mK 0°C汽2=0.016W/m.K

⑵意义：数值上；表示温度梯度为1,单位面积所传递的热量 物理意义；表示物质导热能力的一个物性参数 ⑶影响因素： ①与物质纯度有关 ⎩ ⎨ ⎧ = ⋅ = ⋅ 187 / m K 377 / m K W W λ λ 青铜 纯铜 ⎩ ⎨ ⎧ = ⋅ = ⋅ ↑ 45 / m K 61 / m K W W λ λ λ 钢 熟铁 物质越纯， ②与物质内部结构有关 ⎩ ⎨ ⎧ = ⋅ = ⋅ 0.02 / m K 20 / m K W W λ λ 泡沫塑料 硬塑料 同一材料密度 ρ越大，则 λ ↑ ③与物质物理性状有关 ⎪ ⎩ ⎪ ⎨ ⎧ = ⋅ = ⋅ = ⋅ 0 C 0.016 / m K 0 C 0.57 / m K 2.25 / m K 0 0 W W W λ λ λ 汽 水 冰