《化工傳熱與控制技術》課件-項目2熱量傳遞

CaloriesChemicalIndustry第一節

熱量傳遞的方式化工傳熱與控制技術第一節熱量傳遞的方式熱量Q由熱力學第二定律可知，物質之間只要存在溫度差，就會發生熱量傳遞，當沒有外功加入時，熱量總是自發從高溫物質向低溫物質傳遞。第一節熱量傳遞的方式日常生活中，到處都會有溫差的存在，無論是在能源石油化工食品船舶，礦山機械冶金建筑航空等領域，還是在農業環境保護等其他部門都涉及到很多傳熱問題。化工生產過程中涉及的傳熱過程主要有兩種情況第一節熱量傳遞的方式強化傳熱過程，如各種熱交換設備中的傳熱；削弱傳熱過程，如對設備和管道的保溫，以減少熱量損失。傳熱速率問題根據傳熱機理的不同，熱的傳遞主要有三種方式：第一節熱量傳遞的方式物體各部分之間無宏觀運動

通過物質的分子、原子和電子的振動、位移和相互碰撞發生的熱量傳遞過程。熱傳導流體中質點發生相對位移而引起的熱量傳遞過程，僅發生在液體和氣體中。通常認為是流體與固體壁面之間的熱傳遞過程。對流傳熱物體由于熱的原因而發出輻射能的過程。輻射傳熱根據冷熱流體的接觸情況，熱傳過程中冷熱流體的接觸方式主要有三種方式：第一節熱量傳遞的方式例如熱氣體的直接水冷及熱水的直接空氣冷卻，可使得冷、熱流體直接接觸進行傳熱。直接接觸式傳熱間壁式傳熱化工生產中，大多數情況不允許冷、熱流體直接接觸傳熱，更多用到的是間壁式傳熱。這種熱量傳遞過程主要包括三個步驟。1熱流體給熱于管壁內側2熱量自管壁內側傳導至管壁外側3管壁外側給熱于冷流體首先使熱流體流過蓄熱器中固體壁面，用熱流體將固體填充物加熱；然后停止熱流體，使冷流體流過固體表面，用固體填充物所積蓄之熱量加熱冷流體。如此周而復始，冷、熱流體交替流過壁面，達到冷熱流體之間傳熱的目的。蓄熱式傳熱CaloriesChemicalIndustry第二節

熱傳導化工傳熱與控制技術目錄CONTENTS01傅立葉定律02導熱系數03通過平壁的穩定熱傳導04通過圓管壁的穩定熱傳導在氣態、液態和固態物質中都可以發生，但傳遞的方式和機理是不同的。第二節熱傳導物體各部分之間無宏觀運動。條件通過物質的分子、原子和電子的振動、位移和相互碰撞發生的熱量傳遞過程。機理熱量傳遞是氣體分子作不規則熱運動時相互碰撞的結果；氣

體以兩種方式傳遞熱量：晶格振動和自由電子的遷移；固

體液體的結構介于氣體和固體之間，分子可作幅度不大的位移，熱量的傳遞既由于分子的振動，又依靠分子間的相互碰撞。液

體

第二節熱傳導一、溫度場與溫度梯度溫度場就是任一瞬間物體或系統內各點的溫度分布總和一般情況下，物體內任一點的溫度為該點的位置以及時間的函數，即：t=f(x、y、z、θ)第二節熱傳導若為穩態溫度場穩態的一維溫度場第二節熱傳導溫度隨距離的變化程度以沿與等溫面的垂直方向為最大。通常，將溫度為(t+Δt)與t兩相鄰等溫面之間的溫度差Δt，與兩面間的垂直距離Δn之比值的極限稱為溫度梯度。溫度梯度圖片來源：百度百科第二節熱傳導熱傳導的微觀機理較為復雜，但這宏觀規律可用傅里葉定律加以描述，表明單位時間內通過某一截面的熱量與該截面處的溫度梯度成正比，且熱量傳遞的方向與溫度升高的方向相反。一、傅立葉定律熱量傳遞的推動力負號表示熱量通量方向與溫度梯度的方向相反，即熱量是沿著溫度降低的方向傳遞的。λ：熱導率熱量通量與溫度梯度成正比或第二節熱傳導導溫系數是物質的性質，反映溫度變化在物體中的傳播能力說明物體的某部分一旦獲得熱量，該熱量能在整個物體中很快擴散單位體積物質溫度升高1℃時所需要的熱量，代表物質的蓄熱能力導熱系數，表明物質的導熱能力(4.2.5)第二節熱傳導二、導熱系數1導熱物質在單位面積、單位溫度梯度下的導熱速率2表明物質導熱性強弱即導熱能力的大小3是物質的物理性質，與物質的種類、溫度和壓力有關4不同物質的導熱系數差異較大對于同一種物質，λ值可能隨不同的方向變化——各向異性(1)氣體的導熱系數隨溫度升高而增高，近似與絕對溫度的平方根成正比。一般情況下，壓力對其影響不大，但在高壓（高于200MPa）或低壓（低于2.7kPa）下，氣體的導熱系數隨壓力的升高而增大。(一)λ的影響因素：第二節熱傳導二、導熱系數氣體的導熱系數(2)液體的導熱系數隨溫度升高而減小（水、甘油例外）壓力對其影響不大。經驗公式：水甘油T/℃[W?(m?k)-1][W?(m?k)-1]第二節熱傳導二、導熱系數液體的導熱系數1-無水甘油；2-蟻酸；3-甲醇；4-乙醇；5-蓖麻油；6-苯胺；7-乙酸；8-丙酮；9-丁醇；10-硝基苯；11-異丙苯；12-苯；13-甲苯；14-二甲苯；15-凡士林油；16-水(用右邊的坐標)(3)固體的導熱系數影響因素較多純金屬的導熱系數隨溫度升高而減小；合金卻相反，隨溫度上升而增大。晶體的導熱系數隨溫度的升高而減小，非晶體則相反。第二節熱傳導二、導熱系數固體的導熱系數（二）工程中常用材料的導熱系數第二節熱傳導金屬液體隔熱材料氣體金屬50～415W/(m·K)，合金12～120W/(m·K)0.03～0.17W/(m·K）0.17～0.7W/(m·K)0.007～0.17W/(m·K)水氫換熱壁面材料水是工程上最常用的導熱介質保溫材料受潮后隔熱性能將大幅度下降——防潮多孔材料作為保溫材料在液體中，水的導熱系數最大，20℃時為0.6W／(m·K)。因此，水是工程上最常用的導熱介質。水比空氣的導熱系數大得多，隔熱材料受潮后其隔熱性能將大幅度下降。因此，露天保溫管道必須注意防潮。氣體的導熱系數很小，對導熱不利，但利于絕熱、保溫。工業上常用多孔材料作為保溫材料，就是利用了空隙中存在的氣體，使導熱系數變小。第二節熱傳導(1)液體(2)氣體(3)非金屬非金屬中，石墨的導熱系數最高，可達100～200W／（m·K），高于一般金屬；同時，由于其具有耐腐蝕性能，因此石墨是制作耐腐蝕換熱器的理想材料。平壁厚度為

b

，壁面兩側溫度分別為T1T2一維穩態熱傳導(4.2.6)(4.2.7)第二節熱傳導三、通過平壁的穩定熱傳導(一)單層平壁的穩態熱傳導第二節熱傳導傳導距離越大，傳熱壁面和導熱系數越小，則導熱熱阻越大溫差ΔT

為傳熱的推動力。傳熱速率=傳熱的推動力導熱熱阻采用圓柱坐標時，即為一維穩態熱傳導對于半徑為r的等溫圓柱面，根據傅立葉定律，有穩態導熱時，徑向的Q為常數，將上式分離變量并積分內徑r1外徑r2半徑r(4.2.13)第二節熱傳導四、通過圓管壁的穩定熱傳導傳熱面積隨半徑發生變化CaloriesChemicalIndustry第三節

對流傳熱化工傳熱與控制技術攪拌杯中熱水流體流動使對流傳熱速率加快——

加快熱水冷卻人站在冷風里——

與站在背風的地方相比感覺要冷得多在高溫的夏季里，打開電扇——

人會感到涼快電扇風速越大，感覺愈涼快些（1）流動對傳熱的貢獻第三節對流傳熱流體中質點發生相對位移而引起的熱量傳遞過程對流傳熱僅發生在流體中對流與熱傳導的區別：流體質點的相對位移第三節對流傳熱對流給熱的分類對流給熱強制對流給熱自然對流給熱蒸汽冷凝給熱液體沸騰給熱液體無相變化的給熱過程發生相變化的給熱過程第三節對流傳熱指流體流過與其溫度不同的固體壁面時流體與壁面之間的熱量交換對流換熱（2）對流換熱過程對流換熱過程是熱傳導與對流聯合作用的結果。（1）熱量由熱流體傳給固體壁面（2）熱量由壁面的熱側傳到冷側（3）熱量由壁面的冷側傳到冷流體對流傳熱對流傳熱導熱第三節對流傳熱（3）間壁式換熱器熱量傳遞過程：對流導熱對流（1）物性特征（2）幾何特征固體壁面的形狀、尺度、方位、粗糙度、是否處于管道進口段以及是彎管還是直管等。第三節對流傳熱一、影響對流傳熱的因素流體的密度p

或比熱容Cp越大，流體與壁面間的傳熱速率越大導熱系數λ越大，熱量傳遞越迅速；體的黏度μ越大，越不利于流動，會削弱與壁面的傳熱。（3）流動特征第三節對流傳熱一、影響對流傳熱的因素流動起因（自然對流、強制對流）有無相變化（液體沸騰、蒸汽冷凝）流動狀態（層流、湍流）流體對流方式（并流、逆流、錯流）(一)

流動邊界層的傳熱機理及溫度分布第三節對流傳熱二、對流傳熱的機理流體層與層之間無流體質點的宏觀運動，在垂直于流動方向上，熱量的傳遞通過導熱進行。（1）層流邊界層層流區湍流區(一)

流動邊界層的傳熱機理及溫度分布第三節對流傳熱層流底層緩沖層湍流中心湍流區質點強烈脈動，使主體部分的溫度趨于均一，熱量傳遞主要依靠對流進行，導熱所起的作用很小；在湍流中心質點的脈動較弱，對流與導熱的作用大致處于同等地位，由于對流傳熱的作用，溫度梯度變小。緩沖層中溫度梯度很小，即傳熱熱阻很小，溫度分布曲線趨于平坦。層流底層緩沖層湍流中心湍流區(一)

流動邊界層的傳熱機理及溫度分布第三節對流傳熱由邊界層的流動情況決定。（2）湍流邊界層熱量傳導主要依靠導熱進行，符合傅立葉定律，溫度分布幾乎為直線；層流底層中由于流體的導熱系數較低，使層內導熱熱阻很大，因此該層中溫度差較大，溫度分布曲線的斜率大。(二)

牛頓冷卻定律第三節對流傳熱通過傳熱