1、第5章 传热,Chapter 5 Heat Transfer,第一节 概述 第二节 热传导 第三节 对流传热 第四节 沸腾与冷凝给热 第五节 两流体间的传热计算,第5章 传热,第一节 概述,一、传热在石油化工中的应用,1.原料、产品的加热和冷却,第一节 概述,2.对设备及管线进行保温（保冷），减少热量损失。,第一节 概述,3.回收余热、废热，充分利用能量。,传热:温度差引起的能量转移,又称热传递.解决问题:确定介质消耗量；换热器的设计；设备的强化。 第一个问题的解决靠热衡算，后两个问题决定于换热速率。然而传热过程是由一些基本的传热方式所组合的，故首先需掌握各基本传热方式的机理及其传热速率，然后
2、再研究它们在不同工业换热过程中的综合应用规律。,掌握内容: 1.单层、多层平壁和圆筒壁导热速率方程及其应用； 2.换热器的热量衡算； 3.总传热速率方程和总传热系数的计算，用平均温度差法进行传热计算； 4.对流传热系数的影响因素； 5.换热器的结构形式和强化途径。,第一节 概述,二、热量传递的基本方式,热传导（传导、导热） 对流传热（对流） 辐射传热（辐射）,第一节 概述,1.热传导（导热）因为分子的微观振动，热量从高温物体流向与之接触的低温物体，或同物体内高温部分向低温部分进行的热量传递过程称为导热，也称为热传导。,发生在物体内部或相互接触的物体之间；物体不发生宏观的相对位移。,特点：,固体
3、 典型导热（金属：自由电子运动。不良导体：晶格的振动。）； 液体 介于气体和非导体（固体）； 气体 分子不规则热运动。,第一节 概述,2.对流传热（对流）流体中质点发生相对位移而引起的热交换。对流传仅仅发生在流体中。,特点：,分类：,自然对流：流体内部各处冷、热流体的密度差异所致 强制对流：借助外加机械能,仅发生在流体中，有相对的宏观位移,第一节 概述,3.辐射传热（辐射）因热的原因产生的电磁波在空间的传递。,特点：,任何物体，只要T 0K，均存在辐射传热； 可在真空中传递，不需要任何中介；传热过程中伴随能量形式的转换。 只有在高温下才能成为主要传热方式。,过程：放热辐射能吸收热能。,传热过程
4、中冷热流体（接触）热交换方式,第一节 概述,（一）直接接触式和混合换热器,优点:传热效果好，设备结构简单，传热效率高。,对于工艺上允许两流体互相混合的情况,（二）蓄热式换热和蓄热器,第一节 概述,优点: 换热器结构简单; 可耐高温; 用于高温气体热量的回收或冷却。,缺点:设备体积庞大，不能完全避免两种流体的混合,（三）间壁式换热和间壁式换热器,第一节 概述,适用于冷、热流体不允许混合的场合,热流体通过间壁将热量传递给 冷流体，化工中应用极为广泛。,典型的间壁式换热器,第一节 概述,单程管壳式换热器,第一节 概述,管程（管方）流体，壳程（壳方）流体，单程，多程,传热平衡方程 以某换热器为衡算对象
5、，列出稳定传热时的热量衡算方程。如图所示。,式（1）即贯穿传热过程始终的热平衡方程。,(1),载热体及其选择,表4-1 常用加热剂及其适用温度范围,（1）载热体的温度易调节控制； （2）载热体的饱和蒸气压较低，加热时不易分解； （3）载热体的毒性小，不易燃、易爆，不易腐蚀设备； （4）价格便宜，来源容易。,第一节 概述,表4-2 常用冷却剂及其适用温度范围,第一节 概述,第一节 概述,1.传热速率Q与热通量q传热速率Q：传热面在单位时间内传的热量。单位：w热通量q：单位时间单位传热面积传递的热量。单位：w/m2,三、与传热有关的一些基本概念,第一节 概述,稳定传热：传热过程中，如果传热系统中各
6、处温度只随位置而变，而不随时间而变，称此过程为稳定传热过程。此时，传热速率Q为常数。不稳定传热：传热过程中，如果传热系统中各处温度及有关物理量（如Q、q等）随时间而变，称此过程为不稳定传热过程。,2.稳定传热与不稳定传热,先讨论两个问题；1.冬天，铁凳与木凳温度一样，但我们坐在铁凳子上要比坐在木凳子上，感到冷得多，这是为什么？2.一杯热牛奶，放在水里比摆在桌子上要冷得快，为什么？,不同物质传热速率是不同的!,第二节 热传导,第二节 热传导,一、基本概念,对稳定热传导过程，物体各点温度均不随时间改变，则温度场表达式变为：,1.温度场与温度梯度 温度场：任一时刻，物体各点的温度分布情况，称为温度场
7、，以数学式表示如下：,2.一维稳定热传导：温度只沿一个坐标方向改变，称为一维稳定热传导，其数学表达式为：,3.等温面：把物体内具有相同温度的点连成一个曲面，称等温面。,4.温度梯度：,第二节 热传导,对一维稳定热传导：,注意：热量传递的方向与温度降低的方向一致，与温度梯度的方向相反。,第二节 热传导,二、傅立叶(Fourier)定律,第二节 热传导,热传导速率与物体内的温度梯度及垂直于传热方向上的导热面积成正比。比例系数以表示,1.傅立叶(Fourier)定律的内容,2.导热系数,第二节热传导,物理意义：,单位温度梯度（1K/m）时的导热通量（W/m2）；单位， W/(mK)表示物质导热能力的
8、强弱；是物质的一种物理性质； = f（物质的结构、组成、密度、温度、压强、湿度等）,通常：固体液体气体导热系数,(1) 固体的导热系数,式中 t，0分别是固体物料在t及0时的导热系数，W/(mK)温度系数，1/;对绝热材料为正值,对大多数金属为负值,第二节热传导,固体导热系数范围很宽，且受温度的影响，对大多数质地均匀的固体，其导热系数可用下式表示：,纯金属：T 纯度，纯金属合金普通碳钢： = 45 W/(mK)不 锈 钢： = 16 W/(mK)非金属：，T ,第二节热传导,(2)液体的导热系数：,式中 d15油品在15时的相对密度；t温度，。,第二节热传导,除水与甘油外,液体的导热系数均随温
9、度升高而减少。液相石油产品的导热系数随温度的变化关系可由下式算得(克莱格实验公式):,10-1 W/(mK)；金属液体非金属液体，后者中以水的为最大；纯液体溶液；T （水和甘油除外：T ）；,第二节热传导,第二节热传导,(3) 气体的导热系数,式中，xi，Mi，i分别为i组分的摩尔分率，分子量及导热系数。,第二节热传导,低压气体混合物的导热系数可由下式求得：,10-2 W/(mK)；常压下：T ；一般情况下，气体导热系数与压强无关；气体不利于导热，利于保温， 当0.2 W/(mK)时，可用作隔热材料，如保温棉、玻璃棉等；,1水蒸气；2氧；3二氧化碳；4空气； 5氮；6氩,第二节热传导,平壁模型
10、,平壁材质均匀，可视为常数；平壁内只有一维温度梯度，导热方向垂直于壁面等温面为平行于侧面的平面；导热平壁的长和宽壁厚，忽略边缘热损失。,三、平壁的稳定导热,理想单层平壁的稳定热传导,第二节热传导,1.导热速率,一厚度为b的无限大平壁，壁面两侧温度分别为t1，t2，且t1t2，若在与壁面1的距离为x处取一厚度为dx的薄层，由傅立叶定律：,第二节热传导,b,对上式积分，积分限为：,取一平均值，视为常数。积分得：,第二节热传导,b,说明,可见，导热推动力为两壁温度差t，而（b/A）代表传热阻力，以R表示。即：,将上式写成速率方程的一般形式为：,第二节热传导,第二节热传导,可取平均值：,壁内温度分布：
11、,若将积分限改为：,式中：（t1t2)/b为常量，如导热系数为常数，则txt的关系为直线，即单层平壁内的温度随厚度呈直线变化。,强化措施：,t或者RQ,Rb/A：b，ARQ，对导热有利。,第二节热传导,多层平壁的稳定热传导,模型,每层平壁为单层理想平壁；层与层之间接触良好，无热阻接触表面温度相同。,计算,以三层平壁为例。 设三层平壁的导热系数分别为1、2 和3，且均为常数，各层厚度为b1、b2 和 b3，各壁面温度为t1、t2、t3 和t4。,b1,b2,b3,第二节热传导,对一维稳定导热：,应用加比定律：,推广到n 层平壁：,b1,b2,b3,第二节热传导,说明,串联传热：推动力t=t1+t
12、2+t3 热阻R=R1+R2+R3 ，Ri=bi/ iA ；,稳定传热：tiRi,任一层内某点的温度（各层内的温度分布）：,第二节热传导,思考题：如图，如果b1b2b3 ，从图中判断一下哪一层的导热系数最小？,b3,b2,b1,第二节热传导,接触性热阻,影响因素： 接触面的材料、界面粗糙度、 压紧力、 空隙气压等,第二节热传导,例1:有一燃烧炉，炉壁由三种材料组成。最内层是耐火砖，中间为保温砖，最外层为建筑砖。已知 耐火砖 b1=150mm 1=1.06W/m 保温砖 b2=310mm 2=0.15W/m 建筑砖 b3=240mm 3=0.69W/m 今测得炉的内壁温度为1000，耐火砖与保温
13、砖之间界面处的温度为946。试求： (1)单位面积的热损失； (2)保温砖与建筑砖之间界面的温度； (3)建筑砖外侧温度。,第二节热传导,理想单层圆筒壁,四、 圆筒壁的稳定热传导,圆筒壁模型：,圆筒壁长l厚b，忽略轴向散热；温度仅沿半径r 方向变化，一维稳定温度场等温面为与圆筒同心的圆筒面；筒壁材质均匀，视为常数。,第二节热传导,已知：一圆筒壁，长为l，内、外半径各为r1、r2，内外壁温度分别为t1、t2（t1t2），导热系数,计算,取半径为r处厚度为dr的传热面进行研究，其传热面积为A=2rl ，温度梯度为dt/dx，所以,第二节热传导,分离变量，得：,积分，得：,为常数时：,第二节热传导,
14、若将积分限改为,由于t1、t2、r1、r2为定值，因此可以写成：,圆筒壁内温度分布,第二节热传导,圆筒壁导热方程的简化-另一形式,令,r2-r1,-圆筒壁厚度（m）,-对数平均半径（m）,第二节热传导,令 Am2rmL -对数平均传热面积。,注：当r2/r1 2时，以rm=(r1+r2)/2来代替，误差小于4。,第二节热传导, 多层圆筒壁的稳定导热,模型,每层圆筒壁为理想单层圆筒壁；各层接触良好，无接触性热阻。,计算,已知：r1、r2、r3、r4，1、2、3，t1t2 t3 t4，长l,第二节热传导,对一维稳定导热：,应用加比定律：,推广到n 层圆筒壁：,第二节热传导,多层圆筒壁导热方程也可以
15、由单层圆筒壁的方程得到，即：,或：,第二节热传导,例2: 现有一直径为1705mm的蒸汽管道，管内壁温度为169，钢管管壁的导热系数为45W/(m)。为了减少热损失，在管外壁先包一层40 mm厚的氧化镁粉，其平均导热系数为0.07W/(m)，再包一层20 mm厚的石棉灰，其平均导热系数为0.17W(m)，测得石棉灰层外表面温度为40。试求： (1)每米蒸汽管长的热损失 (2)氧化镁粉层与石棉灰层之间的温度t3； (3)管外壁与氧化镁粉层之间的温度t2。,第二节热传导,单层球壁，球壳内、外半径分别为r1 及r2 ，内外壁温度分别为t1 与t2（t1t2），由傅立叶定律可得：,分离变量并积分：,五、空心球壁的稳定导热,第二节热传导,整理可得：,令,=r2-r1,Am=4rm2,
