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第四章 传热 Heat transportation 第一节 概述(Introduction) 化工生产中温度是控制反应过程的重要条件,除了温度控制手段和方法外,研究温度变化规律与传热过程非常关键。 本章主要讨论热传导、辐射、对流传热过程的原理、传热速率及其影响因素,传热过程计算以及换热器的选用和强化传热过程的途径。 一、传热的基本方式 1. 热传导 热量从高温物体传向低温物体或从物体内部高温部分向低温部分传递。 特点:物体各部分不发生相对位移。 2. 对流 有温差的流体(或内部)作宏观移动和混合,将热量从高温物体传向低温物体的现象,称对流传热。 特点:流体各部分间有相对位移。 自然对流:温度、密度不同引起。 强制对流:外力引起。 3. 热辐射 热?电磁波?热,以这种方式进行的热量传递叫辐射传热。 原则上,任何物体都可向外发射辐射能,但仅在较高温度时,这种方式才显著。 二、间壁传热与速率方程 1. 间壁式换热器 化工生产中冷热流体 间的传热多为间壁对 流传热。 套管式换热器 列管式换热器 2. 传热速率热流密度 传热速率Q:单位时间内通过传热面的热量 W。 热流密度q: 单位时间单位面积传递的热量,W/m2。 3. 稳态传热与非稳态传热 物体物流各点不随时间变化的传热过程称稳态传热,反之则非稳态传热。稳态传热的传热速率为常数。工业生产上一般接近稳态传热。 4. 两流体通过间壁的传热过程 对流?热传导?对流 以对流方式为主,通常又称对流传热或给热。 5. 传热速率方程 经验表明,在稳态传热过程中,传热速率与传热面积A和两流体的温度差成正比。 总传热系数、传热面积、推动力是传热过程三大要素。 将热阻记为R,则Q=?tm/R 下面将分别讨论传热基本原理及传热系数的计算。 第二节 热传导 Heat conduction 一、傅立叶定律 当两物体间有温度差并相互接触时,热量就要从高温物体传向低温物体,这是由热力学第二定律决定的。 1. 温度场和温度梯度 各点的温度分布 称温度场。 等温面上某点法线 方向上的温度变化 叫温度梯度。 2. 傅立叶定律 传热过程所传递的热量与温度差、传热面积和热流经过的距离等因素有关。 (在x方向上的温度梯度) 上式即为热传导的基本公式-傅立叶定律。式中负号表示传热方向与温度梯度方向相反。 ?为导热系数,它是物质的基本性质,由实验测定。其值与物质种类、结构、密度、温度、压强等因素有关, W/(m.K) 。 二、导热系数 导热系数的物理意义:单位距离单位传热面积和单位传热温差时的传热速率。 固体导热系数: 固体?>液体? >气体? 金属的导热系数最大,是热的良导体。 温度↗ ? ↘ 纯度↗ ? ↗ 非金属导热系数较小。 密度↗ ? ↗ 纯度↗ ? ↗ 对大多数固体: ? = ?0(1+at)= ?0 +a?t 0?C时的导热系数 温度系数 液体的导热系数: 液态金属(与固态金属性质差不多) 非金属液体:水的导热系数最大 T ↗ ? 一般液体: T ↗ ? ↘ 纯液体?>溶液? 气体的导热系数: T ↗ ? ↗ P ↗ ? 变化小 极高P ↗ ? ↗ 气体导热系数小,保温材料之所以保温一般是材料中空隙充有气体。 三、平壁的热传导 设材质均匀,?不随温度变化。温度也只沿传热方向变化,讨论稳定传热的情况。 1. 单层平壁的热传导 应用傅立叶公式 Q= -?Adt/dx 积分 x=0, t=t1, x=b, t=t2 导热热阻 上式中?t称传热推动力,R称传热阻力即热阻。 也可以用单位面积的传热速率(热通量)表示
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