【正文】 第五章 傳熱與傳熱設(shè)備 概述 其它設(shè)備 60% 傳熱設(shè)備 40% 在設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行合理的優(yōu)化設(shè)計(jì)使其在滿足工藝要求的條件下投資費(fèi)用最小；在操作中進(jìn)行強(qiáng)化傳熱操作過程，進(jìn)行最優(yōu)化操作，對(duì)節(jié)省傳熱設(shè)備投資，節(jié)省能源有著重要的意義。 概述 傳熱過程的分類 根據(jù)冷熱兩種流體的接觸方式 （ 1）直接接觸式傳熱（混合式傳熱） 熱水 空氣 填料 涼水塔示意圖 （ 2）間壁式（間接接觸式）傳熱 t2 冷流體 t1 T1 熱流體 T2 套管換熱器中的換熱 冷流體 t 熱流體 T 間壁 Q 對(duì)流給熱 對(duì)流給熱 導(dǎo)熱 根據(jù)冷熱兩種流體的接觸方式 冷流體 t 熱流體 T 間壁 Q 對(duì)流給熱 對(duì)流給熱 導(dǎo)熱 ① 熱量由熱流體靠對(duì)流傳熱傳給金屬壁的一側(cè)（對(duì)流給熱）； ②熱量自管壁一側(cè)以熱傳導(dǎo)的形式傳至另一側(cè)（導(dǎo)熱）； ③ 熱量以對(duì)流傳熱的方式從壁面的另一側(cè)傳給冷流體（對(duì)流給熱）。 （ 3）蓄熱式傳熱 冷流體 熱流體 熱流體 冷流體 固體填充物 蓄熱器示意圖 根據(jù)傳熱的基本原理 （ 1）熱傳導(dǎo) 熱量從物體內(nèi)溫度較高的部分傳遞到溫度較低的部分或傳遞到與之接觸的溫度較低的另一物體的過程稱為 熱傳導(dǎo) ，簡稱 導(dǎo)熱 。 （ 2）對(duì)流傳熱 流體各部分質(zhì)點(diǎn)發(fā)生相對(duì)位移而引起的熱量傳遞過程，只能發(fā)生在流體中。 流體被冷卻時(shí) ）（ wtTAQ ?? ?流體被加熱時(shí) ）（ tt ?w （ 3）熱輻射 因熱的原因而發(fā)出輻射能的過程稱為熱輻射。 以上三種傳熱方式往往是相互伴隨著同時(shí)出現(xiàn)。 . 2 傳熱基本概念 （ 1）傳熱速率 單位時(shí)間內(nèi)通過傳熱面?zhèn)鬟f的熱量 Q（ W）； （ 2）熱通量 單位時(shí)間、單位傳熱面積上傳遞的熱量 q（ W/m2）； （ 3）非定態(tài)、定態(tài)傳熱過程 t =f（ x， y， z， θ）溫度不僅與空間位置還與時(shí)間有關(guān)，為非定態(tài)傳熱； t =f（ x， y， z）溫度只與空間位置有關(guān)與時(shí)間無關(guān)，為定態(tài)傳熱。 5. 2 熱傳導(dǎo)（導(dǎo)熱 Conduction） 傅立葉定律（ Flourier’ s law） （ 1）溫度場（ Temperature field） 物體（或空間）各點(diǎn)溫度在時(shí)空中的分布稱為 溫度場 。 t = f（ x， y， z， θ） （ 52） 溫度相同的點(diǎn)所組成的面稱為 等溫面 。溫度不同的等溫面不可能相交，為什么？ n q tt ?? tt ??t圖 51 溫度梯度與熱流 方向的關(guān)系 ntntn ??????? 0li m（ 2）溫度梯度 兩等溫面的溫度差Δt與其間的垂直距離 Δn之比在 Δn趨于零時(shí)的極限，即 傅立葉定律（ Flourier’ s law） （ 3）傅立葉定律 傅立葉定律是用以確定在物體各點(diǎn)間存在溫度差時(shí)，因熱傳導(dǎo)而產(chǎn)生的熱流大小的定律。單位時(shí)間內(nèi)，單位傳熱面積上傳遞的熱量即熱通量與溫度梯度成正比， 熱導(dǎo)率， W/m?℃ ntAQ???? ?傳熱速率不僅與溫度梯度成正比，還與傳熱面積成正比，即 ntq???? ?（ 53） 熱導(dǎo)率 ntq???? ?ntq?????物理意義 ：溫度梯度為 1時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)通過單位面積的傳熱量，在數(shù)值上等于單位溫度梯度下的熱通量， λ 越大，導(dǎo)熱性能越好。 （ 1）固體的熱導(dǎo)率 純金屬： t↑, λ↓ 。 非金屬： ρ ↑或 t↑, λ↑。 λ=λ0（ 1+αt） 式中 λ、 λ0——固體分別在溫度 t、 273K時(shí)的熱導(dǎo)率， W/(m? K)。 α——溫度系數(shù)，對(duì)大多金屬材料為負(fù)值，大多非金屬 材料為正值， 1/K。 熱導(dǎo)率 （ 2）液體的熱導(dǎo)率 t↑, λ↓ ； 一般純液體 （水和甘油除外） 的熱導(dǎo)率比其溶液的熱導(dǎo)率大。 （ 3） 氣體的 熱導(dǎo)率 氣體的 λ很小，對(duì)導(dǎo)熱不利，但對(duì)保溫有利。 在相當(dāng)大的壓強(qiáng)范圍內(nèi)，壓強(qiáng)對(duì)氣體的 熱導(dǎo)率 無明顯影響。一般情況下氣體 λ = f ( t )， t↑, λ↑。 熱導(dǎo)率 固體、液體、 氣體的 熱導(dǎo)率的大致范圍： λ金屬固體 λ非金屬固體 λ液體 λ氣體 金屬固體： 101~ 102 W/(m? K)； 建筑材料： 101~ 10 W/(m? K)； 絕緣材料： 102~ 101 W/(m? K)； 液體： 101 W/(m? K)； 氣體： 102~ 101 W/(m? K)； 平壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo) （ 1）單層平壁穩(wěn)定熱傳導(dǎo) 一高度和寬度均很大的平壁，厚度為 b ，兩側(cè)表面溫度保持均勻恒定，分別為 t1 及 t2 ，且 t1 t2，若 t t2不隨時(shí)間而變，壁內(nèi)的傳熱屬于沿厚度 x 方向的一維定態(tài)熱傳導(dǎo)過程（見圖 55）。此時(shí)傅立葉定律可寫成 t x x dx t1 t2 圖 55 單層平壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo) b Q xtqdd???積分上式 ?? ?? 21 dd0 ttb txq ? ?? bttbttq 2121 ???? 平壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo) 傳熱速率（單位時(shí)間通過面積 A上的傳熱量）為： AbttQ?21 ??（ 54） 阻力推動(dòng)力?????RtAbttQ?21b↑或 A ↓或 λ↓， R ↑。 上式 λ為常數(shù) ， 所以平壁內(nèi)的溫度分布為一直線；若導(dǎo)熱系數(shù)與溫度有關(guān) ， 則溫度分布又是怎樣的？ t x x dx t1 t2 t1 t2 α 0 α0 平壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo) （ 2）多層平壁穩(wěn)定熱傳導(dǎo) t2 t x t1 1?2 3?t3 t4 1b23b圖 57 多層平壁的熱傳導(dǎo) AttAttAttQ334322321121?????????????????????31313141iiiii ii RtAbtt總阻力總推動(dòng)力?應(yīng)用合比定律，得 推廣到 n層平壁 ??????????? niiniini iinRtAbtt11111總阻力總推動(dòng)力?（ 56） 平壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo) 從上式可以看出，通過多層壁的定態(tài)熱傳導(dǎo)，傳熱推動(dòng)力和熱阻是可以加和的； 總推動(dòng)力等于各層推動(dòng)力之和，總熱阻等于各層熱阻之和 。 ? ? ? ? ? ?321332211433221::::::RRRAbAbAbtttttt???????? 此式說明，在多層壁導(dǎo)熱過程中， 哪層熱阻大，哪層溫差就大；反之，哪層溫差大，哪層熱阻一定大 。 ??????????? niiniini iinRtAbttQ11111總阻力總推動(dòng)力?（ 56） 平壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo) 將上式寫成熱通量的形式為 ?????ni iinbttq111???????????? niiniini iinRtAbttQ11111總阻力總推動(dòng)力?（ 56） 圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo) （ 1） 單層圓筒壁穩(wěn)定熱傳導(dǎo) 有內(nèi) 、 外半徑分別為 r r2的圓筒 ，內(nèi) 、 外表面分別維持恒定的溫度 t t2，且管長 l足夠大 ， 圓筒壁內(nèi)的導(dǎo)熱屬于沿徑向的一維定態(tài)熱傳導(dǎo) ， 傅立葉定律可寫成 t r dr t1 r1 ?r2 t1 t2 圖 58 圓筒壁的熱傳導(dǎo) rtqdd???rtrlrtAQdd2dd ??? ????積分 ?? ?? 2121 d2d rrtt r rlQt ?? 圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo) ?? ?? 2121 d2d rrtt r rlQt ??? ?1221ln2rrttlQ????阻力推動(dòng)力?????RttlrrttQ 2112212ln ??? ? ? ? ? ?? ? ? ?m21m2121m1221121222ln2AbttlrbttbttlrrrttrrlrrQ????????????????? 圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo) ? ?m21AbttQ???1212mlnrrrrr ??式中 b = r2 r1，為圓筒壁的厚度。平均面積 Am= 2πl(wèi)rm， 而 稱為對(duì)數(shù)平均半徑 。 當(dāng) r2/ r1 2時(shí) ， 可以改用算術(shù)平均值 ，即取 rm= （ r2+ r1） /2。 熱阻為： m122lnAblrrR????????????? 圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo) （ 2） 多層圓筒壁穩(wěn)定熱傳導(dǎo) t2 t1 1?2 3?t3 t4 1b23b圖 59 多層圓筒壁的熱傳導(dǎo) r1 r2 r3 r4 ? ?1m11211AbttQ???? ?2m22322AbttQ???? ?3m33433AbttQ??? ? ?3m332m221m1141AbAbAbttQ?????????????? ???ni iiinninlrrttAbtt11111 1m11112)ln(???推廣到 n層圓筒壁 5. 2 熱傳導(dǎo)（導(dǎo)熱 Conduction） 例 41如圖所示用定態(tài)平壁導(dǎo)熱以測定材料的導(dǎo)熱系數(shù) 。將待測材料制成厚度 b、 直徑 120mm的圓形平板 ， 置于冷 、熱兩表面之間 。 熱側(cè)表面用電熱器維持表面溫度 t1=200℃ 。冷側(cè)表面用水夾套冷卻 ， 使表面溫度維持在 t2＝ 80℃ 。 電加熱器的功率為 。 由于安裝不當(dāng) ， 待測材料的兩邊各有一層 氣層 ， 氣體導(dǎo)熱系數(shù) λg=(m℃ ), 使測得的材料導(dǎo)熱系數(shù) λ’ 與真實(shí)值 λ不同 。 不計(jì)熱損失 ， 求測量的相對(duì)誤差 ， 即（ λ’ λ） / λ t2=80℃ bt1=200℃ 5. 2 熱傳導(dǎo)（導(dǎo)熱 Conduction） 例 42有一蒸汽管外徑為 25mm， 管外包以兩層保溫材料 ， 每層厚均為 25mm。 外層與內(nèi)層保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)之比為 λ2/λ1=5， 此時(shí)的熱損失為 Q。 今將內(nèi) 、 外兩層材料互換位置 ， 且設(shè)管外壁與外層保溫層外表面的溫度均不變， 其熱損失為 Q’ 。 求 Q’ / Q ， 說明何種材料放在里層為好 。 5. 2 熱傳導(dǎo)（導(dǎo)熱 Conduction） 思考 ： 分析保溫瓶的保溫措施有哪些 ？ 討論 ： ① 對(duì)平壁一維穩(wěn)定熱傳導(dǎo)在傳熱方向上處處傳熱速率 Q與熱通量 q相等； ② 對(duì)圓筒壁一維穩(wěn)定熱傳導(dǎo)在傳熱方向上其傳熱速率 Q處處相等 ， 但由于各處傳熱面積不同 ， 故其熱通量不等；