第四章 传热.ppt
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1、第四章第四章 传热传热2 2 传热的目的传热的目的:1)加热或冷却,使物料达到指定的温度;加热或冷却,使物料达到指定的温度;2)通过换热,回收利用热量;通过换热,回收利用热量;3)保温,以减少热损失。保温,以减少热损失。问题:提高或降低温度的方法问题:提高或降低温度的方法 明火或电加热、通风、水冷、两流体换热等明火或电加热、通风、水冷、两流体换热等典型换热设备:典型换热设备:间壁式换热器(冷、热流体间的换热设备)间壁式换热器(冷、热流体间的换热设备)例:列管式换热器例:列管式换热器3、本章研究的主要问题本章研究的主要问题1 1)三种传热机理)三种传热机理(传热速率计算)(传热速率计算)2 2)
2、换热器计算)换热器计算3 3)换热设备简介)换热设备简介4.1.14.1.1传热的基本方式传热的基本方式 根据传热机理不同,传热的基本方式有三种:根据传热机理不同,传热的基本方式有三种:热传导、热对流和热辐射。热传导、热对流和热辐射。1 1热传导热传导 热传导(导热):物体各部分之间不发生相对位移,依靠原子、热传导(导热):物体各部分之间不发生相对位移,依靠原子、分子、自由电子等微观粒子的热流运动而引分子、自由电子等微观粒子的热流运动而引 起的热量传递。起的热量传递。热热传传导导的的条条件件:当当物物体体内内部部或或两两个个直直接接接接触触的的物物体体之之间间存存在在着着温温度差。度差。热能从
3、物体的温度较高部分传到温度较低部分。热能从物体的温度较高部分传到温度较低部分。热传导存在于静止物质内或垂直于热流方向的层流底层中。热传导存在于静止物质内或垂直于热流方向的层流底层中。金金属属固固体体:依依靠靠自自由由电电子子的的运运动动。不不良良导导体体的的固固体体和和大大部部分分液液体体:依依靠靠原原子子、分分子子碰碰撞撞传传递递热热量量。气气体体:分分子子的的不不规规则则运运动动而而引引起起的。的。2 2热对流热对流 热对流:由于流体质点的位移和混合,将热能由一处传至另一处的热对流:由于流体质点的位移和混合,将热能由一处传至另一处的 传递热量的方式。传递热量的方式。热对流过程中往往伴有热传
4、导。热对流过程中往往伴有热传导。对流类型:对流类型:强制对流强制对流:流体的运动是由于受到外力的作用:流体的运动是由于受到外力的作用 (如风机、水泵或其它外界压力等如风机、水泵或其它外界压力等)所引起;所引起;自然对流:自然对流:流体的运动是由于流体内部冷、热部分的流体的运动是由于流体内部冷、热部分的 密度不同而引起密度不同而引起工程中通常将流体和固体壁面之工程中通常将流体和固体壁面之间间的的传热传热称称为对为对流流传热传热。3 3热辐射热辐射热辐射:因热的原因而产生的电磁波在空间的传递。热辐射:因热的原因而产生的电磁波在空间的传递。辐射传热:物体间相互辐射和吸收能量的总结果。辐射传热:物体间
5、相互辐射和吸收能量的总结果。方向:高温方向:高温 低温低温热辐射的电磁波波长范围热辐射的电磁波波长范围0.380.38100m100m,可见光和红外线范围。,可见光和红外线范围。特点:两物体不相接触,也不需任何介质。特点:两物体不相接触,也不需任何介质。4.1.2 传热过程中热冷流体(接触)热交换的方式传热过程中热冷流体(接触)热交换的方式1 直接接触式换热和混合换热器直接接触式换热和混合换热器 P207 图图4-1直接接触式换热方式优点:传热效果好,设备结构简单。直接接触式换热方式优点:传热效果好,设备结构简单。采用该换热方式的前提是:工艺上允许两种流体相互混合。采用该换热方式的前提是:工艺
6、上允许两种流体相互混合。2 蓄热式换热和蓄热器蓄热式换热和蓄热器 P207 图图4-2蓄热器内装有固体填充物(如耐火砖)蓄热器内装有固体填充物(如耐火砖)换热的方式:热、冷流体交替地流过蓄热器。换热的方式:热、冷流体交替地流过蓄热器。特点:结构简单,可耐高温,但设备体积大,两种流体有一定特点:结构简单,可耐高温,但设备体积大,两种流体有一定的混合。的混合。3 3间壁式换热和间壁式换热器间壁式换热和间壁式换热器特点:冷热两流体不直接接触,由管壁隔开。特点:冷热两流体不直接接触,由管壁隔开。热量传递热量传递:(1)(1)热热流流体体以以对对流流方方式式将将热热量量传传递递到间壁的左侧到间壁的左侧Q
7、 Q1 1 (2)(2)热热量量从从间间壁壁的的左左侧侧以以热热传传导导的的方式方式 传递到右侧传递到右侧Q Q2 2 (3)(3)以以对对流流方方式式将将热热量量从从右右侧侧壁壁面面传递给冷流体传递给冷流体Q Q3 3稳态传热:稳态传热:Q Q1 1=Q=Q2 2=Q=Q3 34.1.3 典型的间壁式换热器典型的间壁式换热器1 套管式换热器套管式换热器2 列管式换热器列管式换热器4.1.4 4.1.4 传热速率与热通量传热速率与热通量传传热热速速率率(热热流流量量)Q Q:单单位位时时间间内内通通过过传传热热面面的的热热量量。表表示示换热器传热的快慢。换热器传热的快慢。热热流流密密度度(热热
8、通通量量)q q:是是指指单单位位时时间间内内通通过过单单位位传传热热面面积积的的热量。热量。单位传热面积的传热速率,单位为单位传热面积的传热速率,单位为W/mW/m2 2。4.1.5 4.1.5 稳态传热与非稳态传热稳态传热与非稳态传热稳态传热:在传热过程中物系各点温度不随时间变化。稳态传热:在传热过程中物系各点温度不随时间变化。连续的化工生产过程大都属于稳态传热。连续的化工生产过程大都属于稳态传热。非稳态传热:在传热过程中物系各点温度随时间变化。非稳态传热:在传热过程中物系各点温度随时间变化。间间歇歇操操作作传传热热过过程程和和开开、停停车车或或改改变变操操作作参参数数时的传热过程属于非稳
9、态传热。时的传热过程属于非稳态传热。4.2 热 传 导4.2.1 4.2.1 基本概念和傅立叶定律基本概念和傅立叶定律 1.1.温度场和温度梯度温度场和温度梯度 温度场:在某一瞬间,物系内所有各点温度分布的总和。温度场:在某一瞬间,物系内所有各点温度分布的总和。t=f(xt=f(x,y y,z z,)t)t温度,温度,;x x,y y,zz空间坐标;空间坐标;时间时间,s,s一维温度场:若温度场中温度只沿着一个坐标方向变化。一维温度场:若温度场中温度只沿着一个坐标方向变化。t=f(x t=f(x,)非稳态温度场:温度场内如果各点温度随时间而改变。非稳态温度场:温度场内如果各点温度随时间而改变。
10、t=f(x t=f(x,y y,z z,)稳态温度场:若温度不随时间而改变。稳态温度场:若温度不随时间而改变。t=f(xt=f(x,y y,z)z)一维稳定温度场:若温度仅沿一个坐标方向发生变化。一维稳定温度场:若温度仅沿一个坐标方向发生变化。t=f(x)t=f(x)等温面等温面 指指:具有相同温度的点组成的面具有相同温度的点组成的面 特点:等温面上各点温度相等,等温面不会相交。特点:等温面上各点温度相等,等温面不会相交。温度梯度温度梯度 指指:沿等温面法线方向的温度变化率沿等温面法线方向的温度变化率 方向:沿温度增高方向为正,且与等温面垂直方向:沿温度增高方向为正,且与等温面垂直一维的温度场
11、,温度梯度可表示为一维的温度场,温度梯度可表示为 2.2.傅立叶定律傅立叶定律傅傅立立叶叶定定律律是是热热传传导导的的基基本本定定律律,它它表表示示热热传传导导的的速速率率与与温温度度梯度和垂直于热流方向的导热面积成正比。梯度和垂直于热流方向的导热面积成正比。Q Q传热速率,传热速率,W W;导热系数,导热系数,W/W/(mKmK)或或W/W/(mm););S S导热面积,垂直于热流方向的截面积,导热面积,垂直于热流方向的截面积,m m2 2;负号表示热流方向与温度梯度方向相反负号表示热流方向与温度梯度方向相反 4.2.2 4.2.2 导热系数导热系数 物理意义:导热系数在数值上等于单位温度梯
12、度下的热通量。物理意义:导热系数在数值上等于单位温度梯度下的热通量。:表征物质的导热能力的大小,是物质的物性参数:表征物质的导热能力的大小,是物质的物性参数,W/W/(mKmK)或)或W/W/(mm)。)。,导热能力,导热能力。=f(=f(种类种类(固、液、气固、液、气)、组成、结构、温度、压力)、组成、结构、温度、压力):实验测定。:实验测定。金属金属非金属非金属 液体液体 溶液溶液 气体气体1.1.固体的固体的 金属是最好的导热体。金属是最好的导热体。纯金属纯金属 合金合金 t t ,非金属:非金属:t t ,2.2.液体的液体的 金属液体:金属液体:t t ,非金属液体:非金属液体:t
13、t ,。金属液体金属液体 非金属液体非金属液体 纯液体纯液体 溶液溶液 溶液的溶液的:经验公式,查手册。:经验公式,查手册。3.3.气体的导热系数气体的导热系数 =f(T =f(T),),t t ,气体的导热系数很小,故对导热不利,但对保温有利。气体的导热系数很小,故对导热不利,但对保温有利。4.2.3 4.2.3 通过平壁的稳态热传导通过平壁的稳态热传导1.1.单层平壁的稳态热传导单层平壁的稳态热传导 导热系数导热系数=const;=const;温度只沿着垂直于壁面的温度只沿着垂直于壁面的x x轴方向变化,轴方向变化,等温面皆为垂直于等温面皆为垂直于x x轴的平行平面。轴的平行平面。一维稳态
14、的热传导一维稳态的热传导当当x=0 x=0时时,t=tt=t1 1;x=bx=b时时,t=t=t t2 2,且且t t1 1 t t2 2,分离变量积分分离变量积分 R R导热的热阻,导热的热阻,K/WK/W;rr单单 位位 传传 热热 面面 积积 的的 导导 热热 的的 热热 阻阻,(m(m2 2K)/WK)/W(重点)(重点)结论:结论:Q Q正比于正比于tt,反比于热阻,反比于热阻 R R R=b/S b R=b/S b,R;,RR;,R 例例4-1 4-1 现现有有一一平平壁壁厚厚度度为为400mm400mm,内内壁壁温温度度为为500500,外外壁壁温温度度为为100100。试试求求
15、:(1 1)通通过过平平壁壁的的导导热热热热量量,W/mW/m2 2;(2 2)平平壁壁内内距距内内壁壁150mm150mm处处的的温温度度。已已知知该该温温度度范范围围内内砖砖壁壁的的平平均均导导热热系系数数=0.6W/=0.6W/(mm)。)。解解 (1 1)(2 2)2.2.多层平壁的稳态热传导多层平壁的稳态热传导 三层平壁,层与层之间接触良好,相互接触的表面上温度相等三层平壁,层与层之间接触良好,相互接触的表面上温度相等 厚度分别为厚度分别为b b1 1、b b2 2、b b3 3,导热系数为,导热系数为1 1、2 2、3 3,对于稳态热传导过程对于稳态热传导过程P216 例例4-2例
16、例4-2 4-2 有有一一锅锅炉炉的的墙墙壁壁由由三三种种保保温温材材料料组组成成。最最内内层层是是耐耐火火砖砖,厚厚度度b b1 1=150mm=150mm,导导热热系系数数1 1=1.06W/=1.06W/(mm);中中间间为为保保温温砖砖,厚厚度度b b2 2=310mm=310mm,导导热热系系数数2 2=0.15W/=0.15W/(mm);最最 外外 层层 为为 建建 筑筑 砖砖,厚厚 度度 b b3 3=240mm=240mm,导导 热热 系系 数数3 3=0.69W/=0.69W/(mm)。测测得得炉炉的的内内壁壁温温度度为为10001000,耐耐火火砖砖与与保保温温砖砖之之间间
17、界界面面处的温度为处的温度为946946。试求:。试求:(1)(1)单位面积的热损失;单位面积的热损失;(2)(2)保温砖与建筑砖之间界面的温度;保温砖与建筑砖之间界面的温度;(3)(3)建筑砖外侧温度。建筑砖外侧温度。解解 t t3 3为保温砖与建筑砖的界面温度,为保温砖与建筑砖的界面温度,t t4 4为建筑砖的外侧温度。为建筑砖的外侧温度。(1 1)热损失)热损失q q (2)(2)保温砖与建筑砖的界面温度保温砖与建筑砖的界面温度t t3 3 由于是稳态热传导,所以由于是稳态热传导,所以 q q1 1=q=q2 2=q=q3 3=q=q 解得解得 t3=157.3 (3)(3)建筑砖外侧温
18、度建筑砖外侧温度t t4 4 解得解得 t4=24.6 各层温度差与热阻的数值:各层温度差与热阻的数值:温度差温度差 t/t/热阻热阻 R/W R/W耐火砖耐火砖tt1 1=1000-946=54=1000-946=54 0.1420.142保温砖保温砖tt2 2=946-157.3=788.7=946-157.3=788.7 2.072.07建筑砖建筑砖tt3 3=157.3-24.6=132.7 =157.3-24.6=132.7 0.3480.348结论:多层平壁的稳态热传导中,热阻大的保温层,分配于该结论:多层平壁的稳态热传导中,热阻大的保温层,分配于该层的温度差亦大,层的温度差亦大,
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