第四章传热 第一节概述 定义:由温度差引起的能量转移过程称为热量传递过程或传热过程,简 称传热。 传热现象:几乎无时不有,无处不在。因为温差几乎无时不有,无处不 传热原理的应用:十分广泛。尤其在能源动力、化工冶金部门 化学过程 单元操作 设备管道 废热利用 四、问题类型 }遵循相同的传热原理」 提高(强化)传热速率 降低(削弱)传热速率 五、传热状态 稳态(定常)传热:各点温度不随时间而变 非稳态(非定常)传热:否则
第四章 传 热 第一节 概 述 一、定义：由温度差引起的能量转移过程称为热量传递过程或传热过程，简 称传热。 二、传热现象：几乎无时不有，无处不在。因为温差几乎无时不有，无处不 在。 三、传热原理的应用：十分广泛。尤其在能源动力、化工冶金部门。 化学过程 单元操作 设备管道 废热利用 四、问题类型 提高（强化）传热速率 降低（削弱）传热速率 五、传热状态 稳态（定常）传热： 各点温度不随时间而变 非稳态（非定常）传热：否则 遵循相同的传热原理
六、传热基本方式(传热机理) 热传导(导热)( conduction):由微观粒子(分子、原子、离子和电子)的微 观运动传递热量的过程 金属,自由电子的运动。 固体 分子晶体,分子的振动 非金属原子晶体,原子的振动。晶格结构的振动,弹性波 离子晶体,离子的振动 液体,分子的不规则热运动(布朗运动),介于气体与非金属之间。 气体,分子的不规则热运动(布朗运动) 2.热对流(对流)( convection):由流体质点的宏观运动传递热量的过程。由于 同时存在分子不规则热运动,所以对流必然伴随导热 自然对流:宏观运动电流体密度差引起,而密度差由温度差引起。 3.热辐射(辐射)( radiation):由电磁波传递热量的过程。 在实际问题中,传热方式很少单独存在,常常两种或三种共存
六、传热基本方式（传热机理） 1．热传导（导热）(conduction)：由微观粒子（分子、原子、离子和电子）的微 观运动传递热量的过程。 金属，自由电子的运动。 固体 分子晶体，分子的振动。 非金属 原子晶体，原子的振动。 晶格结构的振动，弹性波。 离子晶体，离子的振动。 液体，分子的不规则热运动（布朗运动），介于气体与非金属之间。 气体，分子的不规则热运动（布朗运动）。 2．热对流（对流）(convection)：由流体质点的宏观运动传递热量的过程。由于 同时存在分子不规则热运动，所以对流必然伴随导热。 自然对流：宏观运动由流体密度差引起，而密度差由温度差引起。 强制对流：宏观运动由外力（泵、风机、位差、压差等）引起。 3．热辐射（辐射）(radiation)：由电磁波传递热量的过程。 在实际问题中，传热方式很少单独存在，常常两种或三种共存
七、换热器的类型:间壁式、混合式、蓄热式。 典型间壁式换热器:套管式和列管(壳管)式 九、间壁式换热器中的传热方式:对流→>导热→>对流 十、载热体:提供或取走热量的流体 1.加热剂:提供热量的载热体。热水、饱和蒸汽、矿物油、联苯、熔盐、烟气 或电。工业上常用的加热剂有热水、饱和水蒸汽、矿物油、联苯混合物、熔盐和烟 2.冷却剂:取走热量的载热体。冷水、空气、盐水、液氨。或氟里昂、液氮。常 用的冷却剂是水、空气和各种冷冻剂。水和空气可将物料最低冷却至周围环境的温 度。当温度不很低时,水是最适宜的冷却剂
七、换热器的类型：间壁式、混合式、蓄热式。 八、典型间壁式换热器：套管式和列管（壳管）式。 九、间壁式换热器中的传热方式：对流→导热→对流 十、载热体：提供或取走热量的流体。 1．加热剂：提供热量的载热体。热水、饱和蒸汽、矿物油、联苯、熔盐、烟气 或电。工业上常用的加热剂有热水、饱和水蒸汽、矿物油、联苯混合物、熔盐和烟 道气等。 2．冷却剂：取走热量的载热体。冷水、空气、盐水、液氨。或氟里昂、液氮。常 用的冷却剂是水、空气和各种冷冻剂。水和空气可将物料最低冷却至周围环境的温 度。当温度不很低时，水是最适宜的冷却剂。 T2 T Tw tw t t 1 t 2 t T1 T2
第二节热传导 热传导是物体内部分子微观运动的一种传热方式。热 传导是热传递三种基本方式之一。但热传导的机理很复杂 固体内部的热传导是由于相邻分子在碰撞时传递振动能的 结果。在流体特别是气体中,除分子碰撞外,连续而不规 则的分子运动是导致热传导的重要原因。此外,热传导也 可因物体内部自由电子的转移而发生。金属的导热能力很 强的原因就在于此
第二节 热传导 ◼ 热传导是物体内部分子微观运动的一种传热方式。热 传导是热传递三种基本方式之一。但热传导的机理很复杂。 固体内部的热传导是由于相邻分子在碰撞时传递振动能的 结果。在流体特别是气体中，除分子碰撞外，连续而不规 则的分子运动是导致热传导的重要原因。此外，热传导也 可因物体内部自由电子的转移而发生。金属的导热能力很 强的原因就在于此
傅立叶定律:在物体内任何一点p≤ 式中负号表示热量传递的方向指向温度降低的方向 q——n方向的导热热流密度,W/m2 Q——n方向的导热传热速率或热流量,W,J/s S—与热流方向垂直的导热面积,m 一n方向的温度变化率,K/m,°/m: 、导热系数λ:表征物质导热能力的物性参数。物体的导热系数与 材料的组结构、温度、湿度,压强以及 法验测定,各种材料的导热系数的大小 固体入 式中0固仁 金属a0,t个,个,用20=200W(mE (2)非金属液体(除水、甘油外):t↑,λ(略减小) (3)有机化合物水溶液的导热系数估算式为 个A
一、傅立叶定律：在物体内任何一点，沿任一方向的导热热流密度 （单位时间内垂直通过单位面积的热流量） 与该方向上的温度变化率成正比，即 式中负号表示热量传递的方向指向温度降低的方向。 q——n方向的导热热流密度，W/m2； Q——n方向的导热传热速率或热流量，W，J/s； S——与热流方向垂直的导热面积，m2； ——导热系数，W/(mK)，W/(mC)； ——n方向的温度变化率，K/m，C/m； 二、导热系数：表征物质导热能力的物性参数。物体的导热系数与 材料的组成、结构、温度、湿度、压强以及 聚集状态等许多因素有关。它是物性，一般 通过实验测定。各种材料的导热系数的大小 依次为： 1．固体 式中0固体在0 C的导热系数，W/(mK)，W/(mC)； 温度系数， 1/ C 2．液体 (1) 金属液体： (2) 非金属液体（除水、甘油外）：t, （略减小） (3) 有机化合物水溶液的导热系数估算式为 n t t , '
=∑ 式中 组分i的质量分率 (4)有机化合物互溶混合液的导热系数估 算式为 A=0.9∑a. 3、气体λ很小,对导热不利,但有利于保 温和绝热 (1) 21(3APa2×10°kPa)
式中 ——组分i的质量分率。 (4) 有机化合物互溶混合液的导热系数估 算式为 3、气体很小，对导热不利，但有利于保 温和绝热 (1) (2) m = 9ai i 0. a m = ai i t , → ( 3 , 2 10 ) (3 2 10 ) , 5 5 p kPa or p kPa kPa p kPa p
(3)常压下气体混合物的导热系数估算式为 ∑A.yM 1/3 ∑y,M13 式中 yM 组分的摩尔分率。 组分的摩尔质量,kg/kmol 4、一般规律 (1) a >a (2)4(气体除外) 非金 (3) A>A1>元 (4) (5) 金属>A般固体非金属>体>国体缘材料>气体
(3) 常压下气体混合物的导热系数估算式为 式中 ——组分i的摩尔分率。 ——组分i的摩尔质量，kg/kmol。 4、一般规律 (1) (2) (3) (4) (5) 1/3 1/3 i i i i i m y M y M = Mi i y 金 非金 纯 混 (气体除外) s l g 晶 非晶 金属 一般固体非金属 液体 固体绝缘材料 气体
通过平壁的导热 1.单层平壁 如图所设,且假定λ为常数 将一维稳态条件用于傅立叶定律: 所以 dt y=const t与x成线性关系。O 沿x方向定积分,得=M 而由一维稳态条件,知q与x无关, (=2--=a 所以q=一 A(1-12) 所以 所以 do=/ 单层平壁微分导热公式 沿平面定积分,得 所以 单层平壁导热公式
三、 通过平壁的导热 1．单层平壁 如图所设，且假定为常数， 则将一维稳态条件用于傅立叶定律： 得 所以 ，t与x成线性关系。 或 沿x方向定积分，得 而由一维稳态条件，知q与x无关， （ ） 所以 所以 而 所以 ——单层平壁微分导热公式 沿平面定积分，得 所以 ——单层平壁导热公式 z, t O x dx x b 1 t 2 t t t +dtdS n t q = − dx dt q = − const q dx dt = − = qdx = −dt = − 2 1 0 t t b qdx dt dS dQ q dS dQ dQ dQ q 2 2 1 1 2 1 = , = = = = − 2 1 0 t t b q dx dt b t t q ( ) 1 − 2 = dS dQ q = dS b t t dQ − = 1 2 − = − = Q S S dS b t t dS b t t dQ 0 1 2 0 1 2 0 b t t Q S 1 − 2 = b 1 dQ 2 dQ
传递过程有共同规律:过程速率 过程动力 过程阻力 如欧姆定律179M交增)=A秒 C(库仑) 将单层平壁公式改写为0=4-=4-=A b b 式中M=4-12 温差,K,°C R= 热阻,K/W。 多层平壁 以三层平壁为例,如图所设,且假定λ为常数,及层与层之间接触良好,没有接触热阻,则 单层平壁公式,得 1-12=Q Q=Q1=93=Q 而由一维稳态条件,得 所以相加并整理,得 或
传递过程有共同规律： 如欧姆定律 将单层平壁公式改写为 式中 ——温差，K，C； ——热阻，K/W。 2、多层平壁 以三层平壁为例，如图所设，且假定为常数，及层与层之间接触良好，没有接触热阻，则 由 单层平壁公式，得 而由一维稳态条件，得 所以相加并整理，得 或 ( ) ( ) , , ( ) 秒 库仑 安培 s C A t Q I R U I = = = 过程阻力 过程动力 过程速率 = R t S b t t b t t Q S = − = − = 1 2 1 2 1 2 t = t −t S b R = S b t t t Q S b t t t Q S b t t t Q 3 3 3 3 4 3 2 2 2 2 3 2 1 1 1 1 2 1 = − = = − = = − = Q = Q1 = Q2 = Q3 1 2 3 1 4 3 3 2 2 1 1 1 2 3 R R R t t S b S b S b t t t Q + + − = + + + + = = + = + − = − = n i i n n i i i n R t t S b t t Q 1 1 1 1 1 1 b1 b2 3 b 1 t 2 t 3 t 4 t z, t O x Q 1 2 3
四、通过圆筒壁的导热 1.单层圆筒壁 如图所设,且假定λ为常数 则将一维稳态条件用于傅立叶定律:q= d 或8=2md=-面 O 所以 dt ,t与成非线性关系 dr 2. 2dL addt dL do di 沿方向定积分,得 2n/dt 而由一维稳态条件,知与r无关, (=, 但2m2m 所以一2 所以加一2一 单层圆筒壁微分导热公式
四、 通过圆筒壁的导热 1．单层圆筒壁 如图所设，且假定为常数 则将一维稳态条件用于傅立叶定律： 得 或 所以 ，t与r成非线性关系 或 沿r方向定积分，得 而由一维稳态条件，知 与r无关， （ ，但 ） 所以 所以 ——单层圆筒壁微分导热公式 n t q = − dr dt dS dQ q = = − dr dt rdL dQ dS dQ = = − 2 rdL dQ dr dt 2 = − dt r dr dL dQ = −2 = − 2 1 2 1 2 t t r r dt r dr dL dQ dL dQ r dL dQ q r dL dQ q 2 2 2 1 1 1 2 2 = = dL dQ dL dQ dQ dQ 1 2 1 2 = , = = − 2 1 2 1 2 r r t t dt r dr dL dQ ln 2 ( ) 1 2 1 2 t t r r dL dQ = − dL r r t t dL r r t t dQ 1 2 1 2 1 2 1 2 ln 1 2 ( ) ln 2 ( ) − = − = z, t O r 1 t 2 t t t +dt 1 r 2 r r dr L b d