第二节热传导教学文稿.ppt

温度场：某一瞬间空间中各点的温度分布，称为温度场式中：t 温度；x, y, z空间坐标；时间物体的温度分布是空间坐标和时间的函数，即 t = f (x，y，z，)(4-1) 第二节 热传导一、 傅立叶定律1 温度场和温度梯度 傅立叶定律是热传导的基本定律，它指出：单位时间内传导的热量与温度梯度及垂直于热流方向的截面积成正比，即 导热系数表征物质导热能力的大小，是物质的物理性质之一，其值与物质的组成、结构、密度、温度及压强有关式中Q单位时间传导的热量，简称传热速率，wA导热面积，即垂直于热流方向的表面积，m2 导热系数，w/m.k式中的负号指热流方向和温度梯度方向相反 2 傅立叶定律如图所示：bt1t2Qtt1t2obx平壁壁厚为b，壁面积为A；壁的材质均匀，导热系数不随温度变化，视为常数；平壁的温度只沿着垂直于壁面的x轴方向变化，故等温面皆为垂直于x轴的平行平面平壁侧面的温度t1及t2恒定二、平壁的稳定热传导1 单层平壁的热传导如图所示：以三层平壁为例Qb1b2b3xtt1t2t3t4假定各层壁的厚度分别为b1，b2，b3，各层材质均匀，导热系数分别为1，2，3，皆视为常数；层与层之间接触良好，相互接触的表面上温度相等，各等温面亦皆为垂直于x轴的平行平面。

壁的面积为A，在稳定导热过程中，穿过各层的热量必相等2 多层平壁的稳定热传导 第一层第三层第二层对于稳定导热过程：Q1=Q2=Q3=Q同理，对具有n层的平壁，穿过各层热量的一般公式为式中i为n层平壁的壁层序号例：某冷库外壁内、外层砖壁厚均为12cm，中间夹层厚10cm，填以绝缘材料砖墙的热导率为0.70w/mk，绝缘材料的热导率为0.04w/mk，墙外表面温度为10 ，内表面为-5 ，试计算进入冷库的热流密度及绝缘材料与砖墙的两接触面上的温度按温度差分配计算t2、t3解： 根据题意，已知t1=10 ，t4=-5 ，b1=b3=0.12m，b2=0.10m，1= 3= 0.70w/mk， 2= 0.04w/mk按热流密度公式计算q：例在一603.5mm的钢管外层包有两层绝热材料，里层为40mm的氧化镁粉，平均导热系数=0.07W/m，外层为20mm的石棉层，其平均导热系数=0.15W/m现用热电偶测得管内壁温度为500，最外层表面温度为80，管壁的导热系数=45W/m试求每米管长的热损失及两层保温层界面的温度解：每米管长的热损失此处，r1=0.053/2=0.0265mr2=0.0265+0.0035=0.03mr3=0.03+0.04=0.07mr4=0.07+0.02=0.09m(K)：热力学温度单位开尔文；表示开尔文 (热力学温标) 与摄氏度的转化公式为T=t+273.15。

保温层界面温度t3解得t3=131.2对流传热：是在流体流动进程中发生的热量传递现象，它是依靠流体质点的移动进行热量传递的，与流体的流动情况密切相关当流体作层流流动时，在垂直于流体流动方向上的热量传递，主要以热传导（亦有较弱的自然对流）的方式进行 第三节 对流传热一、对流传热的基本概念传热过程 高温流体 湍流主体 壁面两侧 层流底层 湍流主体 低温流体q湍流主体 对流传热 温度分布均匀p层流底层 导热 温度梯度大p壁面 导热(导热系数较流体大) 有温度梯度不同区域的传热特性：传热边界层：温度边界层有温度梯度较大的区域传热的热阻即主要几种在此层中温度距离TTwtwt热流体冷流体传热壁面湍流主体湍流主体传热壁面层流底层层流底层传热方向对流传热示意图式中Q对流传热速率，W；A传热面积，m2t对流传热温度差，t=T-TW或t=t-tW，；T热流体平均温度，；TW与热流体接触的壁面温度，；t冷流体的平均温度，；tW与冷流体接触的壁面温度，；a对流传热系数，W/m2K（或W/m2）上式称为牛顿冷却定律简化处理：认为流体的全部温度差集中在厚度为t的有效膜内，但有效膜的厚度t又难以测定，所以以代替/t 而用下式描述对流传热的基本关系 Q= A（T-Tw）二、对流传热速率准数符号及意义准数名称符号意义义努塞尔特准数（Nusselt）Nu=l/ 表示对对流传热传热 系数的准数雷诺诺准数（Reynolds）Re=lu/ 确定流动动状态态的准数普兰兰特准数（Prandtl）Pr=cp/ 表示物性影响的准数格拉斯霍夫准数（Grashof）Gr=gtl32/2表示自然对对流影响的准数Nu=0.023Re0.8Prn 式中n值视热流方向而定，当流体被加热时，n=0.4，被冷却时，n=0.3。

应用范围：Re10000，0.7Pr60若L/di10000，0.7Pr60特性尺寸 取管内径定性温度 除w取壁温外，均为流体进、出口温度的算术平均值当液体被加热时（/w）0.14=1.05当液体被冷却时（/w）0.14=0.95对于气体，不论加热或冷却皆取11.1.2 高粘度流体 例： 常压下，空气以15m/s的流速在长为4m，603.5mm的钢管中流动，温度由150升到250试求管壁对空气的对流传热系数解：此题为空气在圆形直管内作强制对流定性温度t=（150+250）/2=200查200时空气的物性数据（附录）如下Cp=1.026103J/kg.=0.03928W/m.=26.010-6N.s/m2=0.746kg/m3Pr=0.68特性尺寸 d=0.060-20.0035=0.053m l/d=4/0.053=75.550Re=du/=(0.053150.746)/(0.610-5)=2.28104104(湍流)Pr=cp/=(1.02610326.010-5)/0.03928=0.68W/m2本题中空气被加热,k=0.4代入Nu=0.023Re0.8Pr0.4 =0.023(22800)0.8(0.68)0.4=60.4例：一套管换热器，套管为893.5mm钢管，内管为252.5mm钢管。

环隙中为p=100kPa的饱和水蒸气冷凝，冷却水在内管中渡过，进口温度为15，出口为35冷却水流速为0.4m/s，试求管壁对水的对流传热系数解：此题为水在圆形直管内流动定性温度t=（15+35）/2=25查25时水的物性数据（见附录）如下：Cp=4.179103J/kg=0.608W/m=90.2710-3Ns/m2=997kg/m3Re=du/=(0.020.4997)/(90.2710-5）=8836Re在230010000之间，为过渡流区Pr=cp/=(4.17910390.2710-5)/60.810-2=6.2a可按式Nu=0.023Re0.8Prn 进行计算,水被加热,k=0.4校正系数f 对间壁式换热器作能量恒算，在忽略热损失的情况下有上式即为换热器的热量恒算式式中Q换热器的热负荷，kJ/h或wW流体的质量流量，kg/hH单位质量流体的焓，kJ/kg下标c、h分别表示冷流体和热流体，下标1和2表示换热器的进口和出口Q=Wh(Hh1-Hh2)=Wc(Hc2-Hc1)一、能量恒算若换热器中两流体无相变时，且认为流体的比热不随温度而变，则有式中cp流体的平均比热，kJ/（kg） t冷流体的温度，T热流体的温度，Q=Whcph(T1-T2)=Wccpc(t2-t1)对于管式换热器，假定管内作为加热侧，管外为冷却侧，则通过任一微元面积dS的传热由三步过程构成。

由热流体传给管壁dQ=i(T-Tw)dSi由管壁传给冷流体dQ=o(tw-t)dSo通过管壁的热传导dQ=(/b)(Tw-tw)dSm由上三式可得2 总传热系数2.1 总传热系数的计算式当管壁热阻和污垢热阻可忽略时，则可简化为若oi，则有总热阻是由热阻大的那一侧的对流传热所控制，即当两个对流传热系数相差不大时，欲提高K值，关键在于提高对流传热系数较小一侧的若两侧的相差不大时，则必须同时提高两侧的，才能提高K值若污垢热阻为控制因素，则必须设法减慢污垢形成速率或及时清除污垢由上可知：例一列管式换热器，由252.5mm的钢管组成管内为CO2，流量为6000kg/h，由55冷却到30管外为冷却水，流量为2700kg/h，进口温度为20CO2与冷却水呈逆流流动已知水侧的对流传热系数为3000W/m2K，CO2侧的对流传热系数为40W/m2K试求总传热系数K，分别用内表面积A1，外表面积A2表示解：查钢的导热系数=45W/mK取CO2侧污垢热阻Ra1=0.5310-3m2K/W取水侧污垢热阻Ra2=0.2110-3m2K/W以内、外表面计时，内、外表面分别用下标1、2表示两种流体进行热交换时，在沿传热壁面的不同位置上，在任何时间两种流体的温度皆不变化，这种传热称为稳定的恒温传热。

如蒸发器中，饱和蒸汽和沸腾液体间的传热t=T-t式中T热流体的温度；t冷流体的温度三、传热平均温度差的计算 按照参与热交换的两种流体在沿着换热器壁面流动时各点温度变化的情况，可将传热分为恒温传热与变温传热两类 1 恒温传热 在传热过程中，间壁一侧或两侧的流体沿着传热壁面，在不同位置时温度不同，但各点的温度皆不随时间而变化，即为稳定的变温传热过程该过程又可分为下列两种情况：(1) 间壁一侧流体恒温另一侧流体变温，如用蒸汽加热另一流体以及用热流体来加热另一种在较低温度下进行沸腾的液体2)间壁两侧流体皆发生温度变化，这时参与换热的两种流体沿着传热两侧流动，其流动方式不同，平均温度差亦不同即平均温度差与两种流体的流向有关生产上换热器内流体流动方向大致可分为下列四种情况2 变温传热 并流 参与换热的两种流体在传热面的两侧分别以相同的方向流动生产上换热器内流体流动方向大致可分为下列四种情况：逆流参与换热的两种流体在传热面的两侧分别以相对的方向流动错流 参与换热的两种流体在传热面的两侧彼此呈垂直方向流动折流简单折流：一侧流体只沿一个方向流动，而另一侧的流体作折流，使两侧流体间有并流与逆流的交替存在复杂折流：参与热交换的双方流体均作折流。

T2T1t1t2T1T2t1t2图两侧流体变温时的温度变化并流逆流错流折流12121212图换热器中流体流向示意图假设：传热为稳定操作过程两流体的比热为常量总传热系数为常量（K不随换热器的管长而变化）换热器的热损失可忽略以逆流为例：热量衡算微分方程为dQ=-WhcphdT=Wccpcdt根据假定，则有3 逆流和并流时的平均温度差QT和Qt为直线关系，即T=mQ+kt=mQ+kt=T-t=(m-m)Q+(k-k)温度T1传热量QT2t1t1t2t20从上式可以看出：tQ关系呈直线，其斜率为将总传热速率微分方程代入上式，则有由于K为常量，积分上式有式中tm称为对数平均温度差当t2/t12时，可用（t2+t1）/2代替对数平均温度差注：（1）应用上式求tm时，取换热器两端的t中数值大的为t2，小的为t12）上式对并流也适用例 现用一列管式换热器加热原油，原油在管外流动，进口温度为100,出口温度为160；某反应物在管内流动，进口温度为250，出口温度为180试分别计算并流与逆流时的平均温度差解：并流逆流逆流操作时，因t2/t1xFxwyF加热原料液时产生的第一个气泡的组成xw原料全部气化后剩的最后一滴液体的组成。

xw x1 xF y1 yFABCDP=定值TX（Y）E 第三节 精馏原理和流程一、一次部分气化和部分冷凝xwABDP=定值TX（Y）Cx1xFy2x2y1yF从气相得到较纯的易挥发组分；Multi-partial gasification and condensingAP=定值Tx(y)xmynxFB从液相中则得到较纯的难挥发组分二、多次部分气化和多次部分冷凝l回流：升到塔顶的汽流组成在冷凝器中冷凝后，只放出一部份作为塔顶产品，另一部分返回塔顶作为液流，这部份液流称为回流l再沸器：提供一定量上升的蒸气流三、精馏原理1 精馏的定义 精馏是将由挥发度不同的组分所组成的混合液，在精馏塔中同时多次地进行部分气化和部分冷凝，使其分离成几乎纯态组分的过程。