化工基础辅导及试题要点.docx

PAGE PAGE 10 第三章 传 热－基本概念和基本理论 传热是由于温度差引起的能量转移，又称热传递。由热力学第二定律可知，凡是有温度差存在时，就必然发生热从高温处传递到低温处。 根据传热机理的不同，热传递有三种基本方式：热传导（导热）、热对流（对流）和热辐射。热传导是物体各部分之间不发生相对位移，仅借分子、原子和自由电子等微观粒子的热运动而引起的热量传递；热对流是流体各部分之间发生相对位移所引起的热传递过程（包括由流体中各处的温度不同引起的自然对流和由外力所致的质点的强制运动引起的强制对流），流体流过固体表面时发生的对流和热传导联合作用的传热过程称为对流传热（给热）；热辐射是因热的原因而产生的电磁波在空间的传递。任何物体只要在绝对零度以上，都能发射辐射能，只是在高温时，热辐射才能成为主要的传热方式。传热可依靠其中的一种方式或几种方式同时进行。 传热速率 Q 是指单位时间通过传热面的热量（W）；热通量 q 是指每单位面积的传热速率 （W/m2）。一、 热传导 导热基本方程––––傅立叶定律 dQ ? ?? dS ?t ?n λ––––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，单位为W/（m·℃）。纯金属的导热系数一般随温度升高而降低，气体的导热系数随温度升高而增大。 式中负号表示热流方向总是和温度剃度的方向相反。 平壁的稳定热传导单层平壁： t ? t Q ? 1 2 ? ? t b R ? S 多层（n 层）平壁： t ? t ? ? t Q ? 1 n ?1 ? i?n b i ? S ?n R i ?1 i i ?1 公式表明导热速率与导热推动力（温度差）成正比，与导热热阻（R）成反比。 由多层等厚平壁构成的导热壁面中所用材料的导热系数愈大，则该壁面的热阻愈小，其两 侧的温差愈小，但导热速率相同。 圆筒壁的稳定热传导单层圆筒壁： t ? t ? t 2?l?(t ? t ) Q ? 1 2 ? 或 Q ???1 2 b R ? S m 2 1当 S /S ?2 2 1 S ? S r ln 2 r 1 S ? m 2 1当 S /S ?2 2 1 2 1 ln S2 S 1 多层（n 层）圆筒壁： Sm=（S1+S2）/2 t ? t Q ? 1 n?1 ?n b ? i i?1 或 ? S i mi 2?l(t ? t ) Q ???1 n?1 ? 1 ln ? r i?1 r i i 一包有石棉泥保温层的蒸汽管道，当石棉泥受潮后，其保温效果应降低，主要原因是因水的导热系数大于保温材料的导热系数，受潮后，使保温层材料导热系数增大，保温效果降低。在包有两层相同厚度保温材料的圆形管道上，应该将导热系数小的材料包在内层，其原因 是为了减少热损失，降低壁面温度。二、对流传热 对流传热基本方程––––牛顿冷却定律 Q ? ? S?t α––––对流传热系数，单位为：W/（m2·℃），在换热器中与传热面积和温度差相对应。 与对流传热有关的无因次数群（或准数） 表 1 准数的符号和意义 准数名称 努塞尔特准数 雷诺准数 符 号 Nu=α L λ Re= Luρ μ 意 义 含有特定的传热膜系数α ，表示对流传热的强度 反映流体的流动状态 普兰特准数 Pr= Cpμ 反映流体物性对传热的影响 λ 格拉斯霍夫准数  Gr=β g Δ t L3ρ 2 反映因密度差而引起自然对流状态 μ 流体在圆形直管中作强制湍流流动时的传热膜系数对气体或低粘度的液体 Nu=0.023Re0.8Prn 或 λ Luρ Cpμ α =0.023 ? ? 0.8 ? ? n L μ λ 流体被加热时，n=0.4；液体被冷却时，n=0.3。定型几何尺寸为管子内径 di。 定性温度取流体进、出口温度的算术平均值。 应用范围为 Re?10000，Pr=0.7~160，(l/d)?60。 对流过程是流体和壁面之间的传热过程，定性温度是指确定准数中各物性参数的温度。 沸腾传热可分为三个区域，它们是自然对流区、泡状沸腾区和膜状沸腾区，生产中的沸腾 传热过程应维持在泡壮沸腾区操作。 无相变的对流传热过程中，热阻主要集中在传热边界层或滞流层内，减少热阻的最有效的措施是提高流体湍动程度。 引起自然对流传热的原因是系统内部的温度差，使各部分流体密度不同而引起上升、下降 的流动。 用无因次准数方程形式表示下列各种传热情况下诸有关参数的关系： 无相变对流传热 Nu=f（Re，Pr，Gr） 自然对流传热 Nu=f（Gr，Pr） 强制对流传热 Nu=f（Re，Pr） 在两流体的间壁换热过程中，计算式Q=KSΔ t，式中Δ t 表示为两流体温度差的平均值；S 表示为泛指传热面，与 K 相对应。 在两流