第三章傳熱過程第一講2023/9/81第1頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月傳熱是自然界和工程領(lǐng)域中較為普遍的一種傳遞過程，通常來說有溫度差的存在就有熱的傳遞，也就是說溫差的存在是實現(xiàn)傳熱的前提條件或者說是推動力，在化工中很多過程都直接或間接的與傳熱有關(guān)。但是進(jìn)行傳熱的目的不外乎是以下三種：1.加熱或冷卻2.換熱3.保溫可見，傳熱過程在化工過程中是普遍存在的。

§3-1概述一、傳熱過程2023/9/82第2頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月二、傳熱的三種基本方式一個物系或一個設(shè)備只要存在溫度差就會發(fā)生熱量傳遞，當(dāng)沒有外功加入時，熱量就總是會自動地從高溫物體傳遞到低溫物體。根據(jù)傳熱的機理不同，熱傳遞有三種基本方式：熱傳導(dǎo)，熱對流和熱輻射。化工生產(chǎn)中碰到的各種傳熱現(xiàn)象都屬于這三種基本方式。2023/9/83第3頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月（一）熱傳導(dǎo)（導(dǎo)熱）

一個物體的兩部分連續(xù)存在溫差，熱就要從高溫部分向低溫部分傳遞，直到各部分的溫度相等為止，這種傳熱方式就稱為熱傳導(dǎo)。物質(zhì)的三態(tài)均可以充當(dāng)熱傳導(dǎo)介質(zhì)，但導(dǎo)熱的機理因物質(zhì)種類不同而異，具體為：固體金屬：自由電子運動在晶格之間；液體和非金屬固體：個別分子的動量傳遞；氣體：分子的不規(guī)則運動。2023/9/84第4頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）熱對流熱對流是指物體中質(zhì)點發(fā)生相對的位移而引起的熱量交換，熱對流是流體所特有的一種傳熱的方式，即存在氣體或液體中，在固體中不存在這種傳熱方式。其中只有流體的質(zhì)點能發(fā)生的相對位移。據(jù)引起對流的原因不同可分為：自然對流和強制對流。熱對流與流體運動狀況有關(guān)，熱對流還伴隨有流體質(zhì)點間的熱傳導(dǎo)，工程上通常將流體與固體之間的熱交換稱為對流傳熱，即包含了熱傳導(dǎo)和熱對流。2023/9/85第5頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月（三）熱輻射熱輻射是一種通過電磁波傳遞能量的過程。一切物體都能以這種方式傳遞能量，而不借助任何傳遞介質(zhì)。通常在高溫下熱輻射才是主要方式。2023/9/86第6頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月工業(yè)上的傳熱過程中，冷流體和熱流體的接觸有三種方式。

①直接接觸式在某些傳熱過程中，熱氣體的直接水冷卻及熱水的直接空氣冷卻等。這種方式傳熱面積大，設(shè)備亦簡單。③間壁式冷、熱流體用間壁隔開來，通過間壁進(jìn)行換熱，其型式很多。

②蓄熱式使熱流體流過換熱器，將器內(nèi)固體填充物加熱，然后停止熱流體，使冷流體流過蓄熱器內(nèi)已被熱流體加熱的固體填充物，如此周而復(fù)始，達(dá)到冷、熱流體之間的傳熱目的。三、工業(yè)中的換熱方法2023/9/87第7頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月間壁式換熱器間壁式換熱器中，熱量自熱流體傳給冷流體的過程包括三個步驟：①熱流體將熱量傳到壁面一側(cè)；②熱量通過固體壁面的熱傳導(dǎo)；③壁面的另一側(cè)將熱量傳給冷流體。即給熱一導(dǎo)熱一給熱的串聯(lián)過程。依傳熱面的結(jié)構(gòu)可分為管式換熱器和板式換熱器。管式換熱器的傳熱面是由管子做成的，包括套管式、列管式、蛇管式、噴淋式和翅片管式等；板式換熱器的傳熱面是由板材做成的，包括夾套式、螺紋板式、螺旋板式等。2023/9/88第8頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月簡單的套管換熱器

把流體流經(jīng)管束稱為管程，該流體稱為管程流體；把流體流經(jīng)管間環(huán)隙稱為殼程，該流體稱為殼程流體。管程流體在管束內(nèi)來回流過幾次，就稱為與次數(shù)相同程數(shù)的換熱器。

2023/9/89第9頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月單程列管式換熱器1—外殼2—管束3、4—接管5—封頭6—管板7—擋板2023/9/810第10頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月雙程列管式換熱器1—殼體2—管束3—擋板4—隔板2023/9/811第11頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月熱源（P65）：

電熱應(yīng)用范圍廣，溫度范圍寬。

飽和水蒸汽最常用，不超過180℃（1MPa）

煙道氣700℃以上，傳熱慢，不易控制。

高溫載熱體礦物油，熔鹽等，180℃-540℃

冷源：水、空氣、冷凍鹽水等四、化工生產(chǎn)中常用的冷、熱源2023/9/812第12頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月五、總傳熱方程式在間壁式換熱器中，熱流體通過管壁將熱量傳給冷流體．熱傳遞的快慢用傳熱速率Ｑ來表示。傳熱速率Ｑ是指單位時間內(nèi)通過傳熱面?zhèn)鬟f的能量．單位是Ｊ/Ｓ。換熱器的傳熱速率Q與傳熱面積A和冷熱兩種流體的平均溫差⊿tm成正比:Ｑ：傳熱速率,Ｗ△tm：兩流體的平均溫度差,KＫ：比例系數(shù)，總傳熱系數(shù)，因次W/(m2·K)。上式為總傳熱方程，是換熱器傳熱計算的重要依據(jù)。包括傳導(dǎo)傳熱和對流傳熱

2023/9/813第13頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月六、一些基本術(shù)語及概念熱量（heat）：熱量是能量的一種形式。SI制J，cgs制cal，kcal傳熱速率Q（heattransferrate）：單位時間通過傳熱面的熱量，又稱熱流量。SI單位W。熱通量q（heatflux）：單位時間，單位面積傳遞的熱量，又稱熱流通量，單位W/m2。是換熱設(shè)備的一個重要指標(biāo)。穩(wěn)態(tài)傳熱和不穩(wěn)態(tài)傳熱：傳熱面各點的溫度不隨時間發(fā)生變化的傳熱過程稱為穩(wěn)定傳熱，否則是不穩(wěn)定傳熱過程。穩(wěn)態(tài)傳熱時，在同一熱流方向上的傳熱速率為常數(shù)。生產(chǎn)上常見的是穩(wěn)定傳熱過程。2023/9/814第14頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月一、熱傳導(dǎo)基本方程——傅里葉定律如圖所示，當(dāng)均勻物體兩側(cè)有溫度差(t1一t2)時，熱量以傳導(dǎo)的方式,由高溫向低溫傳遞。單位時間物體的導(dǎo)熱速率Q與導(dǎo)熱面積A和溫度梯度dt／dδ呈正比。寫為等式：

§3-2傳導(dǎo)傳熱Qb2023/9/815第15頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月上式稱為傅里葉（Fourier）定律。dt／dδ——溫度梯度，K·m-1，表示傳熱方向上因距離而引起溫度變化的程度；A—導(dǎo)熱面積，即垂直于熱流方向的截面積，m2；λ—比例系數(shù)，熱導(dǎo)率，也稱為導(dǎo)熱系數(shù)，W·m-1·K-1。熱導(dǎo)率表征物質(zhì)導(dǎo)熱能力的一個參數(shù)，為物質(zhì)性質(zhì)之一。熱導(dǎo)率越大，物質(zhì)的導(dǎo)熱能力越強。熱導(dǎo)率的大小與物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、狀態(tài)（溫度、濕度、壓強）等因素有關(guān)。金屬的熱導(dǎo)率大，非金屬固體材料的熱導(dǎo)率小，液體的熱導(dǎo)率更小，氣體的熱導(dǎo)率最小。λ≤0.2的物質(zhì)可以作為絕熱材料。2023/9/816第16頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月二、傳導(dǎo)傳熱計算平面壁指間壁幾何結(jié)構(gòu)為平面的傳熱面，特點是沿傳熱方向?qū)崦娣eA不發(fā)生變化。

如圖所示的單層平面壁，在穩(wěn)態(tài)傳熱條件下，其熱導(dǎo)率不隨時間發(fā)生變化，傳熱面的溫度沿垂直于壁面的熱量傳遞方向變化、但不隨時間變化。

1.單層平面壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)Qb2023/9/817第17頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月式中R=b/λA──稱為熱阻，記作R,K·W-1熱流密度：2023/9/818第18頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月例題厚度為215mm的耐火磚制成的爐壁，內(nèi)壁溫度為630oC，外壁溫度為150oC，耐火磚的導(dǎo)熱系數(shù)為0.9W/(m.K)，試求通過每平方米壁面的散熱速率。解：散熱速率為單位面積的散熱速率為2023/9/819第19頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月如圖所示為三層不同材料組成的復(fù)合平面壁。穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱時各分層的傳熱速率分別為：第一層2.多層壁面的定態(tài)熱傳導(dǎo)Qb1b2b3b2023/9/820第20頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月第二層第三層因A1=A2=A3=A,穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)時,上三式加和后得熱流密度：2023/9/821第21頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月可以看出，過程的總推動力為各層推動力之和，總阻力為各層熱阻之和，即對多層壁面的定態(tài)熱傳導(dǎo)，傳熱推動力和傳熱阻力具有加和性。由過程分析還可得到：多層壁面的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)，各分層溫度降與該層的熱阻呈正比。2023/9/822第22頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月例題

硫酸生產(chǎn)中SO2氣體是在沸騰爐中焙燒硫鐵礦而得到的，若沸騰爐的爐壁是由23cm厚的耐火磚（實際各區(qū)段的磚規(guī)格略有差異）、23cm厚的保溫磚（粘土輕磚）、5cm厚的石棉板及10cm厚的鋼殼組成。操作穩(wěn)定后，測得爐內(nèi)壁面溫度t1為900℃，外壁面溫度t5為80℃。試求每平方米爐壁面由熱傳導(dǎo)所散失的熱量，并求爐壁各層材料間交界面的溫度為多少？已知：耐火磚，保溫磚石棉磚,鋼殼23cm23cm5cm10cmt1t2t3t4t52023/9/823第23頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月解：由題意根據(jù)多層平壁熱流量公式，得：

耐火磚與保溫磚的交界面溫度t2=806.8℃保溫磚與石棉板的交界面溫度t3

=317.5℃石棉板與鋼殼的交界面溫度t4

2023/9/824第24頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月=81.1℃計算結(jié)果表明，各分層熱阻越大則溫度降越大，沸騰爐的爐壁主要溫度降在保溫磚和石棉板層。2023/9/825第25頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月圓筒壁面熱傳導(dǎo)的特點是傳熱面積A沿?zé)崃總鬟f方向而變化，即傳熱面積A隨圓筒的半徑而變化。

3.單壁圓筒壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)如圖所示，熱量由管內(nèi)壁面向管外壁面定態(tài)傳導(dǎo)，考察厚度為dr的薄層，由博里葉定律得：分離變量并積分：

2023/9/826第26頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月熱流密度：單位圓筒壁長度的導(dǎo)熱速率：工程上使用較多2023/9/827第27頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月將導(dǎo)熱速率公式改寫成單層平壁類似的形式——對數(shù)平均面積圓筒壁面的半徑較大且其厚度較薄時，可以用算術(shù)平均值取代對數(shù)平均值計算圓筒壁的Am。

2023/9/828第28頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月溫度分布方程的推導(dǎo)2023/9/829第29頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月例題有一外徑為426mm的水蒸汽管路，管外覆蓋一層厚為400mm的保溫層，保溫材料的熱導(dǎo)率隨溫度t的變化關(guān)系為λ=0.5+0.0009tW/(m.K)。水蒸汽管路外表面溫度為150oC，保溫層外表面溫度為40oC。試求該管路每米長的散熱量。解：管路每米長的散熱量2023/9/830第30頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月4.多層圓筒壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)對多層壁面的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)，無論多層平壁還是多層圓筒壁，各層熱流量均相等且等于總過程的熱流量。但對多層平壁，各層的單位面積熱流量相等，而多層圓筒壁各層的單位面積熱流量不相同。

以三層圓筒壁為例：類似于多層平壁推導(dǎo)2023/9/831第31頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月各層交界面上的溫度求取：

2023/9/832第32頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月

例題A型分子篩制備中使用的間歇釜式反應(yīng)器，反應(yīng)釜的釜壁為5mm厚的不銹鋼板()，粘附內(nèi)壁的污垢層厚lmm()，釜夾套中