【正文】 第 4 章 傳 熱 概 述 傳熱原理 熱力學(xué)第二定律 ： 只要存在溫度差，熱量會(huì)自發(fā)從高溫傳遞向低溫， 直至溫度相等。 傳熱方向 ： 傳熱極限 ： 傳熱推動(dòng)力 高溫 → 低溫 達(dá)到溫度相等 溫度差 2 傳熱的目的 ： 1） 加熱或冷卻，使物料達(dá)到指定的溫度； 2） 通過(guò)換熱，回收利用熱量； 3） 保溫，以減少熱損失。 問(wèn)題：提高或降低溫度的方法 明火或電加熱、通風(fēng)、水冷、兩流體換熱等 典型換熱設(shè)備： 間壁式換熱器（冷、熱流體間的換熱設(shè)備） 例：列管式換熱器 本章研究的主要問(wèn)題 1）三種傳熱機(jī)理 （傳熱速率計(jì)算） 2）換熱器計(jì)算 3）換熱設(shè)備簡(jiǎn)介 根據(jù)傳熱機(jī)理不同 ， 傳熱的基本方式有三種： 熱傳導(dǎo) 、 熱對(duì)流和熱輻射 。 1． 熱傳導(dǎo) 熱傳導(dǎo) （ 導(dǎo)熱 ） ：物體各部分之間不發(fā)生相對(duì)位移 ， 依靠原子 、 分子 、 自由電子等微觀粒子的熱流運(yùn)動(dòng)而引 起的熱量傳遞 。 熱傳導(dǎo)的條件：當(dāng)物體內(nèi)部或兩個(gè)直接接觸的物體之間存在著溫度差 。 熱能從物體的溫度較高部分傳到溫度較低部分 。 熱傳導(dǎo)存在于靜止物質(zhì)內(nèi)或垂直于熱流方向的層流底層中 。 金屬固體：依靠自由電子的運(yùn)動(dòng) 。 不良導(dǎo)體的固體和大部分液體：依靠原子 、 分子碰撞傳遞熱量 。 氣體：分子的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)而引起的 。 2． 熱對(duì)流 熱對(duì)流：由于流體質(zhì)點(diǎn)的位移和混合 ， 將熱能由一處傳至另一處的 傳遞熱量的方式 。 熱對(duì)流過(guò)程中往往伴有熱傳導(dǎo) 。 對(duì)流類(lèi)型： ① 強(qiáng)制對(duì)流 ：流體的運(yùn)動(dòng)是由于受到外力的作用 (如風(fēng)機(jī) 、 水泵或其它外界壓力等 )所引起； ② 自然對(duì)流： 流體的運(yùn)動(dòng)是由于流體內(nèi)部冷 、 熱部分的 密度不同而引起 工程中通常將流體和固體壁面之間的傳熱稱(chēng)為對(duì)流傳熱 。 3． 熱輻射 熱輻射：因熱的原因而產(chǎn)生的電磁波在空間的傳遞 。 輻射傳熱：物體間相互輻射和吸收能量的總結(jié)果 。 方向：高溫 → 低溫 熱輻射的電磁波波長(zhǎng)范圍 ～ 100μ m， 可見(jiàn)光和紅外線范圍 。 特點(diǎn)：兩物體不相接觸 ， 也不需任何介質(zhì) 。 傳熱過(guò)程中熱冷流體（接觸）熱交換的方式 1 直接接觸式換熱和混合換熱器 P207 圖 41 直接接觸式換熱方式優(yōu)點(diǎn)：傳熱效果好，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。 采用該換熱方式的前提是：工藝上允許兩種流體相互混合。 2 蓄熱式換熱和蓄熱器 P207 圖 42 蓄熱器內(nèi)裝有固體填充物（如耐火磚） 換熱的方式：熱、冷流體交替地流過(guò)蓄熱器。 特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可耐高溫，但設(shè)備體積大，兩種流體有一定的混合。 3． 間壁式換熱和間壁式換熱器 特點(diǎn)：冷熱兩流體不直接接觸，由管壁隔開(kāi)。 熱量傳遞 ： 管壁內(nèi)熱流體 對(duì)流傳熱 ??? ?? 管外壁熱傳導(dǎo) ?? ?? 冷流體對(duì)流傳熱 ??? ??(1)熱流體以對(duì)流方式將熱量傳遞到間壁的左側(cè) Q1 (2)熱量從間壁的左側(cè)以熱傳導(dǎo)的方式 傳遞到右側(cè) Q2 (3)以對(duì)流方式將熱量從右側(cè)壁面?zhèn)鬟f給冷流體 Q3 穩(wěn)態(tài)傳熱： Q1=Q2=Q3 典型的間壁式換熱器 1 套管式換熱器 2 列管式換熱器 傳熱速率與熱通量 傳熱速率 （ 熱流量 ） Q： 單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)傳熱面的熱量 。 表示換熱器傳熱的快慢 。 熱流密度 （ 熱通量 ） q： 是指單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位傳熱面積的熱量 。 單位傳熱面積的傳熱速率 ， 單位為 W/m2。 傳熱阻力傳熱推動(dòng)力（溫度差）傳熱速率 ?RtQ ??Rtq??? 穩(wěn)態(tài)傳熱與非穩(wěn)態(tài)傳熱 穩(wěn)態(tài)傳熱：在傳熱過(guò)程中物系各點(diǎn)溫度不隨時(shí)間變化 。 連續(xù)的化工生產(chǎn)過(guò)程大都屬于穩(wěn)態(tài)傳熱 。 非穩(wěn)態(tài)傳熱：在傳熱過(guò)程中物系各點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化 。 間歇操作傳熱過(guò)程和開(kāi) 、 停車(chē)或改變操作參數(shù)時(shí)的傳熱過(guò)程屬于非穩(wěn)態(tài)傳熱 。 SQq ? 熱 傳 導(dǎo) 基本概念和傅立葉定律 1. 溫度場(chǎng)和溫度梯度 溫度場(chǎng)：在某一瞬間 ， 物系內(nèi)所有各點(diǎn)溫度分布的總和 。 t=f(x， y， z， ?) t——溫度 ， ℃ ； x， y， z——空間坐標(biāo)； ?——時(shí)間 ,s 一維溫度場(chǎng)：若溫度場(chǎng)中溫度只沿著一個(gè)坐標(biāo)方向變化。 t =f(x， ?) 非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)：溫度場(chǎng)內(nèi)如果各點(diǎn)溫度隨時(shí)間而改變。 t=f(x， y， z， ?) 穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)：若溫度不隨時(shí)間而改變。 t = f (x， y， z) 一維穩(wěn)定溫度場(chǎng)：若溫度僅沿一個(gè)坐標(biāo)方向發(fā)生變化。 t = f (x) 等溫面 指 ： 具有相同溫度的點(diǎn)組成的面 特點(diǎn)：等溫面上各點(diǎn)溫度相等，等溫面不會(huì)相交。 溫度梯度 指 ： 沿等溫面法線方向的溫度變化率 方向：沿溫度增高方向?yàn)檎遗c等溫面垂直 一維的溫度場(chǎng) ， 溫度梯度可表示為 l im0ttg r a d tn nn?????? ??dtgradtdx?2. 傅立葉定律 傅立葉定律是熱傳導(dǎo)的基本定律 ， 它表示熱傳導(dǎo)的速率與溫度梯度和垂直于熱流方向的導(dǎo)熱面積成正比 。 Q——傳熱速率 ， W； λ ——導(dǎo)熱系數(shù) ， W/（ mK） 或 W/（ m℃ ） ； S——導(dǎo)熱面積 ， 垂直于熱流方向的截面積 ， m2； 負(fù)號(hào)表示熱流方向與溫度梯度方向相反 ntSQ???? ?ntq???? ?或：ntQSQ???? ，熱傳導(dǎo)中， 導(dǎo)熱系數(shù) 物理意義：導(dǎo)熱系數(shù)在數(shù)值上等于單位溫度梯度下的熱通量 。 λ ：表征物質(zhì)的導(dǎo)熱能力的大小 ， 是物質(zhì)的物性參數(shù) ， W/（ mK ） 或 W/（ m ℃ ） 。 λ ↑ ， 導(dǎo)熱能力 ↑ 。 λ =f(種類(lèi) (固 、 液 、 氣 )、 組成 、 結(jié)構(gòu) 、 溫度 、 壓力 ） λ ：實(shí)驗(yàn)測(cè)定 。 λ 金屬 ＞ λ 非 金屬 ＞ λ 液體 ＞ λ 溶液 ＞ λ 氣體 1. 固體的 λ 金屬是最好的導(dǎo)熱體 。 λ 純金屬 ＞ λ 合 金 t ↑, λ ↓ 非金屬： t ↑, λ ↑ 2. 液體的 λ 金屬液體： t ↑, λ ↓ 非金屬液體： t ↑, λ ↑ 。 λ 金屬液體 ＞ λ 非金屬液體 ntq????? λ 純液體 ＞ λ 溶液 溶液的 λ ：經(jīng)驗(yàn)公式 ， 查手冊(cè) 。 3. 氣體的導(dǎo)熱系數(shù) λ =f(T）， t ↑, λ ↑ 氣體的導(dǎo)熱系數(shù)很小 ， 故對(duì)導(dǎo)熱不利 ， 但對(duì)保溫有利 。 通過(guò)平壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo) 1. 單層平壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo) ① 導(dǎo)熱系數(shù) λ =const。 ② 溫度只沿著垂直于壁面的 x軸方向變化 ， 等溫面皆為垂直于 x軸的平行平面 。 一維穩(wěn)態(tài)的熱傳導(dǎo) 當(dāng) x=0時(shí) ， t=t1； x=b時(shí) ， t= t2， 且 t1 ＞ t2，分離變量積分 R——導(dǎo)熱的熱阻 ， K/W； r——單位傳熱面積的導(dǎo)熱的熱阻 ，(m2K)/W （重點(diǎn)） dxdtSQ ????? ?? 210 ttb dtSQ d x ?積分：)( 12 ttbSQ ??? ?得：RtSbtt ?????21結(jié)論： ① Q正比于 Δ t， 反比于熱阻 R ② R=b/λ S b↑ ， R↑ 。 λ ↑ ,R↓ 例 41 現(xiàn)有一平壁厚度為 400mm， 內(nèi)壁溫度為 500℃ ， 外壁溫度為100℃ 。 試求： （ 1） 通過(guò)平壁的導(dǎo)熱熱量 ， W/m2； （ 2） 平壁內(nèi)距內(nèi)壁 150mm處的溫度 。 已知該溫度范圍內(nèi)磚壁的平均導(dǎo)熱系數(shù)λ =（ m℃ ） 。 解 （ 1） （ 2） ℃ 212 5 0 0 1 0 0 6 0 0 /0 .40 .6ttQq W mbA?? ?? ? ? ?16005 0 0 0 . 1 5 3 5 00 . 6qt t b?? ? ? ? ? ? 三層平壁 ， 層與層之間接觸良好 ， 相互接觸的表面上溫度相等 厚度分別為 b b b3， 導(dǎo)熱系數(shù)為 λ λ λ 3， 對(duì)于穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)過(guò)程 1 2 3Q Q Q Q? ? ?SbtQ111???Sbt222???Sbt333???SbSbSbtttQ332211321???????????和比定理：SbSbSbttQ33221141????????? ??iiRt? ?????? 11 ni tttt其中，?? ?? SbRRiii ?P216 例 42 例 42 有一鍋爐的墻壁由三種保溫材料組成 。 最內(nèi)層是耐火磚 ， 厚度 b1=150mm，導(dǎo)熱系數(shù) λ 1=（ m℃ ） ；中間為保溫磚 ， 厚度 b2=310m