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第四章 热量传递基础 本章重点： 1)稳定热传导 2)流体无相变时对流传热系数的计算 学习目的： 1）分析影响传热速率的因素，掌握控制热量传递 率的一般规律，以便根据生产的要求来强化和削弱 热量的传递，正确地选择适宜的传热设备和保温方 法； 2）学会能源的利用（节能）。 第一节 概 述 化工生产中的化学反应通常是在一定的温度下进 行的，为此需向反应物加热到适当的温度；而反应 后的产物常需冷却以移去热量。在其他单元操作 中，如蒸馏、吸收、干燥等，物料都有一定的温度 要求，需要加入或输出热量。此外，高温或低温下 操作的设备和管道都要求保温，以便减少它们和外 界的传热。近十多年来，随能源价格的不断上升和 对环保要求增加，热量的合理利用和废热的回收越 来越得到人们的重视。 化工对传热过程有两方面的要求： （1）强化传热过程：在传热设备中加热或冷却物 料，希望以高传热速率来进行热量传递，使物料达 到指定温度或回收热量，同时使传热设备紧凑，节 省设备费用。 （2）削弱传热过程：如对高低温设备或管道进行保 温，以减少热损失。 一、基 本 概 念 1.传热速率与热通量 传热速率Q：又称热流量，单位时间内通过传热面 传递的热量，J/s或W。 热通量q：又称热流密度，单位时间内通过单位传 热面传递的热量，或W/m2。 式中 A──总传热面积， m2 。 2. 稳态传热与非稳态传热 稳态传热：传热系统中传热速率、热通量及温度等有关物理量分布规律不随时间而变，仅为位置的函数。连续生产过程的传热多为稳态传热。 非稳态传热：传热系统中传热速率、热通量及温度 等有关物理量分布规律不仅要随位置而变，也是时间的函数。 3.温度场与温度梯度 温度场：某一时刻，物体（或空间）各点的温度分布。 式中 t ── 某点的温度，℃； x,y,z ── 某点的坐标； τ ── 时间。 不稳定温度场：各点的温度随时间而改变的温度场。 稳定温度场：任一点的温度均不随时间而改变的温度场。 等温面：在同一时刻，温度场中 所有温度相同的点组成的面。不 同温度的等温面不相交。 温度梯度：两等温面的温度差?t 与其间的垂直距离?n之比，在?n 趋于零时的极限（即表示温度场 内某一点等温面法线方向的温度 变化率）。 二、传热的三种基本方式 一个物系或一个设备只要存在温度差就会发生热量传递，当没有外功加入时，热量就总是会自动地从高温物体传递到低温物体。根据传热的机理不同，热传递有三种基本方式：热传导，热对流和热辐射。化工生产中碰到的各种传热现象都属于这三种基本方式。 （一） 热传导（导热） 物体各部分之间不发生相对位移时， 依靠分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动而产生的热量传递称为热传导，又称导热。 特点：在纯的热传导过程中，物体各部分之间不发生相对位移，即没有物质的宏观位移。 从微观角度来看，气体、液体、导电固体和非导电固体的导热机理各不相同。 气体：气体分子做不规则热运动时相互碰撞的结果。 导电固体：自由电子在晶格间的运动； 固体 非导电固体：晶格结构的振动实现的。 液体：存在两种不同的观点，类似于气体和类 似于非导电固体。 （二） 对流传热 热对流是指物体中质点发生相对的位移而引起的热量交换，热对流是流体所特有的一种传热的方式。其中只有流体的质点能发生相对位移。据引起对流的原因不同可分为：自然对流和强制对流。 自然对流：流体原来是静止的，但内部由于温度不同、密度不同，造成流体内部上升下降运动而发生对流。 强制对流：流体在某种外力的强制作用下运动而发生的对流。 （三）热辐射 热辐射是一种通过电磁波传递能量的过程。一切物体都能以这种方式传递能量，而不借助任何传递介质。通常在高温下热辐射才是主要方式。 第二节 热传导 傅里叶定律：某一微元的热传导速率（单位时 间内传导的热量）与该微元等温面的法向温度梯度 及该微元的导热面积成正比。 一维稳态热传导： ?──比例系数，称为导热系数，W/(m·℃)或W/(m·K)。 ? t/? x ── x方向上的温度梯度