传热
传热的基本概念及三种基本方式特点、区别和联系。
传热的基本概念及三种基本方式特点、区别和联系。
摘要：一、传热基本概念二、传热三种基本方式特点三、传热三种基本方式区别四、传热三种基本方式联系正文：传热是物体之间由于温度差异而发生的能量传递现象。
在工程、自然界和日常生活中，传热现象无处不在。
根据热力学原理，传热主要有三种基本方式：热传导、热对流和热辐射。
一、传热基本概念1.热传导：热传导是指在温度不同的物体之间，由于分子内能的碰撞和传递，使热量从高温端传递到低温端的过程。
热传导通常发生在固体中，尤其是金属材料。
2.热对流：热对流是指在流体（如气体和液体）中，因温度差异产生的密度差导致流体发生运动，从而实现热量传递的过程。
热对流主要包括自然对流和强制对流两种。
3.热辐射：热辐射是指物体在较高温度下，由于分子、原子或自由电子的热运动产生的电磁波向外传播的过程。
热辐射可以在真空中进行，无需介质。
二、传热三种基本方式特点1.热传导：速度快，能量损失小，适用于固体材料之间的热量传递。
2.热对流：速度较快，能量损失较大，适用于流体之间的热量传递。
3.热辐射：速度最快，能量损失较大，适用于真空中的热量传递。
三、传热三种基本方式区别1.传播介质：热传导和热对流需要介质，而热辐射无需介质，可在真空中进行。
2.温度差异：热传导和热对流需要温度差异，而热辐射可以在温度相同的情况下发生。
3.能量损失：热传导和热对流能量损失较小，热辐射能量损失较大。
四、传热三种基本方式联系1.联合传热：在实际工程和自然界中，传热过程往往是多种方式共同作用的结果。
如太阳能热水器中，太阳辐射与热传导、热对流共同完成热量传递。
2.转换关系：在一定条件下，一种传热方式可以转换为另一种传热方式。
如在热机中，热辐射转换为热传导，进而转换为热对流。
传热的三种方式
第6章传热1、传热过程有哪三种基本方式？答：（1）间接换热，（2）直接换热，（3）蓄热式换热。
2、传热按机理分为哪几种？答：（1）热传导，（2）热对流，（3）热辐射。
3、物体的导热系数与哪些主要因素有关？答：与物体材料的组成、结构、温度、湿度、压强及聚集状态等因素有关。
4、流体流动对传热的贡献主要表现在哪儿？答：流体在垂直于传热方向上的流动，可以增加传热方向上的温度梯度，尤其是湍流时，使得传热方向上的温度梯度仅存在于流动边界层内，故温度梯度数值有很大的增加，根据傅立叶热传导定律可知，在温度梯度方向上的传热速率有了很大增加。
流体在平行于传热方向上的同向流动对于传热的作用是明显的，流体的质点运动携带了热量，使得传热速率可有很大增加。
5、自然对流中的加热面与冷却面的位置应如何放才有利于充分传热？答：将加热面水平方向置于底部，加热面水平方向置于顶部，有利于自然环流。
6、液体沸腾的必要条件有哪两个？答：（1）达到一定的过热度，（2）有利于形成较多的气泡核心。
7、工业沸腾装置应在什么沸腾状态下操作？为什么？答：应在什么核状沸腾状态下操作，因为此状态下，对流传热系数大，操作状态安全稳定。
8、沸腾给热的强化可以从哪两方面着手？答：（1）加热表面，易于形成更多的汽化核心，（2）沸腾液体，在液体中加入少量的添加剂改变沸腾液体的表面张力。
9、蒸汽冷凝时为什么要定期排放不凝性气体？答：在冷凝液膜表面上的不凝性气体膜，导热系数很小，热阻值大，直接影响蒸汽冷凝传热速率，故应定期排放不凝性气体。
10、为什么低温时热辐射往往可以忽略，而高温时热辐射则往往成为主要的传热方式？答：根据斯蒂芬-波尔茨曼定律，物体对外辐射能量的总能力E与其绝对温度的4次方成正比，故在物体处于低温时热辐射往往可以忽略，而高温时热辐射则往往成为主要的传热方式。
11、影响辐射传热的主要因素有哪些？答：（1）高温物体绝对温度的4次方与低温物体绝对温度的4次方之差，（2）高温物体的黑度值及低温物体的黑度值，（3）高温物体与低温物体的位置关系。
传热的三种基本方式
2021/10/24
强制对流 用机械能（泵、风机、搅拌等）使流体发生 对流而传热。
自然对流 由于流体各部分温度的不均匀分布，形成 密度的差异，在浮升力的作用下，流体发 生对流而传热
2021/10/24
3、辐射
物体受热引起内部原子激发，将热能转变为辐射能以电磁波 形式向周围发射，当遇到另一个能吸收辐射能的物体时，辐 射能部分或全部被吸收又重新变为热能。 物体受热而发出辐射能的过程称为热辐射 特点：热辐射不需要任何介质作媒介，即可在真空中传播。 物体温度↑，热辐射能力↑。传热的三种基本方式 Nhomakorabea1、热传导
热量从物体内部温度较高的部分传递到温度较低的部分 或者传递到与之相接触的温度、较低的另一物体的过程称 为热传导，简称导热。 特点：物质间没有宏观位移，只发生在静止物质内的一种 传热方式。 微观机理因物态而异
2021/10/24
2、热对流
流体中质点发生相对位移而引起的热量传递，称为热对流 对流只能发生在流体中。
传热的三种基本方式
式中
q Q A
A──总传热面积
二、定态与非定态传热
非定态传热 Q,q, t f x, y, z,
定态传热 Q,q, t f x, y, z
t 0
返回
三、冷、热流体通过间壁的传热过程
T1
t2
(1)热流体 Q1(对 流) 管壁内侧
对流 导 对流
返回
4.1.3 冷、热流体的接触方式
一、直接接触式
板式塔
返回
填料塔
返回
凉水塔
返回
二、蓄热式
低温流体
优点： • 结构较简单 • 耐高温
高温流体
缺点： • 设备体积大 • 有一定程度的混合
t2
冷流体t1
T2
传热面为内管的表面积
返回
（2）列管换热器
热流体T1
返回
二、对流 流体内部质点发生相对位移的热量传递过程。 • 自然对流：由于流体内温度不同造成的浮升力
引起的流动。 • 强制对流：流体受外力作用而引起的流动。
对流传热：流体与固体壁面之间的传热过程。
三、热辐射 物体因热的原因发出辐射能的过程称为热辐射。
• 能量转移、能量形式的转化 • 不需要任何物质作媒介
返回
4.1.2 传热的三种基本方式
一、热传导 热量从物体内温度较高的部分传递到温度较低的部
分，或传递到与之接触的另一物体的过程称为热传导。 特点：没有物质的宏观位移
• 气体 分子做不规则热运动时相互碰撞的结果 • 固体 导电体：自由电子在晶格间的运动
非导电体：通过晶格结构的振动实现 • 液体 机理复杂
Q
热
(2)管壁内侧Q2( 热传导) 管壁外侧
4.1 传热概述及热传导
保温杯内胆与瓶身中间处于真空，
无气体分子，不导热。
27
4.2.1 傅立叶定律（Fourier's Law）
1.固体的导热系数
导热性能与导电性能密切相关，一般而言，良好的导电体必然是良好的导热体，
反之亦然。在所有固体中，金属的导热性能最好。 大多数金属的导热系数与金属温度和纯度有关，即
t ， λ
t 0
t 0
非稳态(非定常)传热：间歇生产过程，开、停车阶段。
Q , q, t f x , y , z
本章只讨论稳定传热
17
4.1.3 传热过程 热载体及其选择
选择原则
①载热体的温度易调节控制；
②载热体的饱和蒸气压较低，加热时不易分解； ③载热体的毒性小，不易燃、易爆，不易腐蚀设备；
《化工原理》
第4章 传热
4.1 传热概述及热传导
新课导入
热传递3种方式
热 传 导
热 对 流
热 辐 射
热量传递可以依靠其中的一种方式或几种方式同时进行，净的热流方向总是 从高温处向低温处流动。
2
4.1.1 传热的三种基本方式
热传导
若物体各部分之间借分子、原子和自由电子等微观粒子的热运动 传递热量的过程为热传导(又称导热)。
物质种类
气体
液体
非导固体
金属
绝热材料
W/(m﹒oC) 0.006～0.6 0.07～0.7
0.2～3.0
15～420
﹤0.25
26
4.2.1傅立叶定律（Fourier's Law）
从导热系数的角度分析一下，泡沫箱和保温杯的保温原理。
泡沫箱中存在大量微孔，填充
了大量空气，同时其自身为绝
传热
传ห้องสมุดไป่ตู้
热
第一节
概述
一、传热在化工生产中的应用 在有温度差的条件下，热自高温处向低温处传递的现象称 为热量传递过程，简称传热。用于冷热流体进行热量交换的 设备称为换热器或热交换器。 传热过程研究可分为两种类型：一是如何强化传热过程， 以求用较小的传热设备传递较多的热量；二是如何削弱传热 ，以减少热力设备或管道的热损失。 二、热量传递的基本方式 （一）热传导 热传导简称导热。物体各部分之间不发生宏观的相对位 移，在相互接触而温度不同的两物体之间，或同一物体温度 不同的各部分，仅由微观粒子位移、转动或震动等热运动而 引起的热量传递现象称为导热。
（1）流体在管内作强制对流时的准数关联式
（二）流体在圆形直管内作强制湍流时给热系数 当流体粘度小于两倍常温下水的粘度时
热传导
傅立叶定律指出：当物体内进行的是纯导热时，单位 时间内以导热方式传递的热量Q与温度梯度dt/dx及垂直于 导热方向的导热面积 S 成正比，若过程为一维导热，则有
dt Q S dx
式中 —导热系数，W/（mK）。 （二）导热系数 1、导热系数的物理意义及数值范围
导热系数的物理意义为单位温度梯度下的热通量，其 数值表示了物质的导热能力大小，是物质的物理性质之一 。 各种物质导热系数的数值范围很大，一般来说，金属 固体的导热系数最大，非金属固体的次之，液体的较小， 气体的最小。 2、影响导热系数的因素 （1） 固体的导热系数 纯金属的导热系数一般随温 度升高而减小，随其纯度增加而增大。非金属固体（建筑 材料或绝热材料）的导热系数随温度升高而增大，与其结 构紧密程度有关。结构越紧密，导热系数越大。 （2） 液体的导热系数 多数液态金属的导热系数随 温度升高而降低；常见的非金属液体中，除水和甘油以外 ，一般液体导热系数随温度升高略有减小。
传热
传 热
参考教材：《化工原理》金德仁编
主要内容：
第一节 传热基本概念
第二节 传热的类型及计算
第三节 换热器
重点内容：
•热量传递的三种基本方式
•传热基本方程、热负荷的计算
•传热温度差的计算 •常用换热器的结构及特点；使用与管理
•提高传热速率的途径
第一节
一、传热
基本概念
1.传热：热量的传递，由温度差引起。
1.列管式换热器的基本形式
（1）固定管板式—结构简单；但壳程检修和清 洗困难，易受损。 （2）U型管式换热器—高温高压下采用，但清 洗困难。
（3）浮头式换热器 管板一端不与壳体相连，可自由沿管长方向 浮动。当壳体与管束因温度差而引起热膨胀时， 管束连同浮头能在壳体内沿轴向自由伸缩，可 完全消除热应力。 特点：可完全消除热应力，便于清洗和检 修； 结构复杂，金属耗量较多，造价较高。 浮头——有一端管板不与外壳固定连接，该端 称为浮头。
• 矿物油—机油、汽缸油，加热均匀，不需加压， 来源广。
• 烟道气：加热温度超过500℃时采用。 • 电加热
冷却剂：
• 水
• 空气
3.传热温度差的计算
（1）恒温传热—冷热流体的温度都不变
生产实例：换热器一侧为液体沸腾， t不变；另一侧为饱和蒸汽冷凝，T不变。 则：△tm=T-t
（2）变温传热
• 一侧恒温，一侧变温
△tm=φ△t · m逆 △t
注意：1.一侧恒温，一侧变温时， 并流和逆 流的平均温度差相等。 2.两侧都变温时，尽管两流体的进出 口温度分别相同，但逆流时的平均温度差比 并流时的大。
例:某热交换器厂对一台新型换热器进行性能 测试。用冷水与热水进行热交换，热水的比热为 4.19kJ/kg℃
传热
第一节
传热
概述
导热
一、热量传递的三种基本方式
根据传热的机理不同，热量传递的基本方式分为三种： 对流 热辐射
1、热传导（又称导热）
当物体内部或两个直接接触的物体存在着温差时，由于分 子、原子和自由电子等微观粒子的热运动而引起热量的传递。 热量由高温部分传到低温部分，或从高温物体传到与之相接 触的低温物体，直到各部分温度相等为止，这种热量传递过 程称为导热。
ΔT=T1 –Tn+1
5、保温层的临界半径
t1----保温层内表面温度；tf----环境温度 r1、r2----分别为保温层内外壁半径； λ---为保温材料的导热系数 α---为对流传热系数；L---为管长
t1 t2
r1 r2
t1 t f r2 1 1 R1 R2 ln 2L r1 2Lr2
2、导热系数
dT A dx
（1）、固体的导热系数
大多数固体的导热系数与温度大致呈线性关系。 λ=λ0（1+αλt）
αλ-------温度系数
（2）液体的导热系数
液态金属：液态金属导热系数比一般液体高 液态金属导热系数随温度升高而降低。 其他液体：水的导热系数最大，除水和甘油等几种液体外，大多数 液体λ随温度升高略有减少，纯液体λ比混合液体一般要大一些。
第二节
一、热传导方程 1、傅立叶定律
热传导
T φ T2 x
dT A dx dT q dx
dT dx
T1
T
T+dT
dx
δ
温度梯度，表示热流方向温度变化的强度，温度梯 度越大，说明热流方向单位长度上的温差越大。
负号 表示热流方向与温度梯度方向相反,热量是沿温度 降低的方向传递.
第五章 传热
液体被加热时，(/w)0.14=1.05，液体被冷却时，(/w)0.14=0.95
16
2. 圆直管强制滞流
Nu=1.86(RePrdi/l)1/3(/w)0.14 定性温度、定性尺寸和 (/w)0.14的处理同上 3. 圆直管过渡流
先按湍流计算，然后乘以校正因数
j=1-6×105/Re1.8<1
流体垂直流过单管时表面传热系数的变化
19
Nu=CRenPr0.4
Re 50~80 80~5000 ≥5000 C 0.93 0.715 0.226 n 0.4 0.46 0.6
2. 流体垂直流过管束 Nu=CeRenPr0.4 C、e、n的值由下表确定：
20
列序 1 2 3 4
直列 n 0.6 0.65 0.65 0.65
2
Pr
c p l
三、流体无相变对流表面传热系数的关联式
（一）流体在管内强制对流时的对流传热系数 1．流体在圆形直管内强制湍流时的对流传热系数 Nu=0.023Re0.8Prn 定性温度：流体进出口温度的算术平均值 定性尺寸：管内径 流体被加热时，n=0.4 流体被冷却时，n=0.3 对高粘度流体（粘度大于水粘度的2倍），用： Nu=0.027Re0.8Pr1/3(/w)0.14 定性温度：流体进出口温度的算术平均值 定性尺寸：管内径
E Et
Et：透过的能量
E：被反射的能量
33
由能量衡算：
Ea E Et E
Ea E
E E
Et E
1
a t 1
几种物体的定义：
黑体
镜体
a=1 =0 t=0 →例:黑煤a=0.97
a=0 =1 t=0 →例:磨光的铜镜面=0.97 t=0 a+=1
热量传递篇--传热原理.
主要内容
一. 传热概述
1.传热过程
2.传热速率
二. 热传导
1. 傅立叶定律和导热系数 2. 一维稳态导热
三. 本讲小结
作业：习题19-1，19-3
一.传热概述
热力学第二定律指出，凡是有温度差存在的 地方，就必然有热量传递，故在几乎所有的 工业部门，如化工、能源、冶金、机械、建 筑等都涉及传热问题。 物料的预热和冷却 合理利用能源 可持续发展 减少热损失 煤与石油
115
1.16
125
0.11670来自0.350设T2、T3分别为耐火砖与硅藻土砖的界面温度、硅藻 土砖和石棉水泥砖的界面温度。依题意，知道热损失 即为由炉墙内向炉墙外的传热量，有： T1 Tn 1 495 60 q n 316 W / m 2 1137kJ /(m 2 h) 0.115 0.125 0.070 bi 1.16 0.116 0.350 i i 1
边界条件： x=0, t=T1 ; x=b, t=T2
T1 T2 T1 T2 Q A b b ( A)
传导距离越大，传 热面积和导热系数 越小，热阻越大。
2) 通过多层平壁的稳态热传导
T1 T2 T1 T2 Q 1 A b1 b1 (1 A) T2 T3 T2 T3 2 A b2 b2 (2 A)
推广到通过n层平壁的稳态热传导,
T1 Tn 1 Q n bi (i A) i 1 T1 Tn 1 q n bi
i 1
i
例题：锅炉炉墙由耐火砖、硅藻土砖和石棉水泥砖三层组 成，各层的厚度、导热系数由下表所示，炉墙内外表面的 温度分别为495℃ 和60℃ ，试求每平方米炉墙每小时的热 损失及各层界面上的温度。 耐火砖 厚度（mm） 导热系数 (w/(m2· K)) 解： 硅藻土砖 石棉水泥砖
传热三种方式
1•传导传热是指温度不同的物体直接接触，由于自由电子的运动或分子的运动而 发生的热交换现象。
温度不同的接触物体间或一物体中各部分之间热能的传递过程，称为传导传热。
传热过程中，物体的微观粒子不发生宏观的相对移动，而在其热运动相互振动或 碰撞中发生动能的传递，宏观上表现为热量从高温部分传至低温部分。
微观粒子 热能的传递方式随物质结构而异，在气体和液体中靠分子的热运动和彼此相撞， 在金属中靠电子自由运动和原子振动。
⑴对流传热是热传递的一种基本方式。
热能在液体或气体中从一处传递到另一处的过程。
主要计算分类对于宅瘟畀捲T 特担黑举为聲疑*ao2、多层平面壁的计算1、单层平壁的计算⑴序+购珅子连嘉荐挑扯ft qg 醴円畀…是由于质点位置的移动，使温度趋于均匀。
是液体和气体中热传递的主要方式。
但也往往伴有热传导。
通常由于产生的原因不同，有自然对流和强制对流两种。
根据流动状态，又可分为层流传热和湍流传热。
化学工业中所常遇到的对流传热，是将热由流体传至固体壁面（如靠近热流体一面的容器壁或导管壁等），或由固体壁传入周围的流体（如靠近冷流体一面的导管壁等）。
这种由壁面传给流体或相反的过程，通常称作给热。
定义对流仅发生于流体中，它是指由于流体的宏观运动使流体各部分之间发生相对位弯管中的对流传热⑴由于流体间各部分是相互接触的，除了流体的整体运动所带来的热对流之外，还伴生有由于流体的微观粒子运动造成的热传导。
在工程上，常见的是流体流经固体表面时的热量传递过程，称之为对流传热。
[2]对流传热通常用牛顿冷却定律来描述，即当主体温度为tf的流体被温度为tw 的热壁加热时，单位面积上的加热量可以表示为q=a（tw-tf），当主体温度为tf的流体被温度为tw的冷壁冷却时，有q=a（tf-tw）式中q为对流传热的热通量，W/m2 a 为比例系数，称为对流传热系数，W/（m2「C）。
牛顿冷却公式表明，单位面积上的对流传热速率与温差成正比关系。
传热基本知识
周期性传热
第二节 围护结构传热过程
特征
周期性传热
（1）平壁表面及内部任一点x处的温度，都会出现和 介质温度周期Z相同的简谐波动。 （2）从介质到壁体表面及内部，温度波动的振幅逐 渐减少，即Ae>Af>Ax。这种现象叫做温度波的衰减。
（3）从介质到壁体表面及内部，各个面出现最高温 度的时间向后推延，即Φ e<Φ f<Φ x。这种现象叫做温 度波动的相位延迟，亦即从外到内各个面出现最高温 度的时间向后推延。
物体表面间的辐射换热量主要取 决于各表面温度、吸热和辐射热 的能力及其它们之间的相互位置 关系。 平均角系数（Ψ）：用于反映两 个表面之间的位置关系，只由两 表面的面积和相互位置之间的几 何关系确定，和辐射量的大小无 关。角系数值在0~1之间。
辐射
12 Q12 / Q1 21 Q21 / Q2
第二章 传热学基本知识
传热基本方式
导热 对流 辐射
围护结构的传热过程
平壁的稳定传热 平壁的周期性传热
建筑材料的热工特性
轻质成型材料 空气间层 反射绝热材料
第一节 传热基本方式
1、导热机理
导热
导热是物体不同温度的各部分直接接触而发生的热传 递现象。 导热可产生于液体、气体和固体中。单纯的导热仅能 在密实固体中发生。 它是由于温度不同的质点（分子、原子或自由电子） 热运动而传送热量，只要物体内有温差就会有导热产 生。
第二节 围护结构传热过程
周期性传热
三、周期性热作用下围护结构的热特性指标 1、 材料蓄热系数（S）
定义
把某一匀质半无限厚材料 一侧受到周期性热作用时，迎 波面（直接受到外界热作用的 一侧表面）上接受的热流振幅 Aq0与该表面的温度振幅Af之比 称为材料的蓄热系数。
第四章 传热
i
i
注：对于圆筒壁的稳定热传导，通过各层的热传导 速率都是相同的，但是热通量不相等。
例 在一 60×3.5mm 的钢管外层包有两层绝热材料，里层为 40mm的氧化镁粉，平均导热系数是0.07W/m·℃，外层为20mm 的石棉层，其平均导热系数是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℃，管壁的导热系数是 45W/m·℃。试求每米管长的热损失及两层保温层界面的温度。
1. 温度场和温度梯度 温度场(temperature field)：任一瞬间物体间或系统内各点
的温度分布，称为温度场。
物体的温度分布是空间位置和时间的函数，即
t = f (x，y，z，)
(4-1)
式中：t —— 温度 x, y, z —— 空间坐标
τ—— 时间
不定态温度场：温度场内如果各点温度随时间而改变。 定态温度场：若温度不随时间而改变。
一维温度场：若温度场中温度只沿着一个坐标方向变化。
t = f (x，)
(4-1a)
等温面：温度场中同一时刻相同温度各点组成的面。
等温面的特点：
（1）等温面不相交； （2）沿等温面无热量传递。
注意：沿等温面无热量传递，而沿和等温面相交的任何方
向，都有热量的传递。温度随距离的变化程度以沿与等温面 的垂直方向为最大。
r1 r 2
dr
t1 t2
L
假 设：
圆筒壁很长，沿轴向散热可忽 略，则通过圆筒壁的热传导可视为 一维稳态热传导；
圆筒的内外半径分别为r1 、r2 ， 长度为L；
圆筒内、外壁面温度分别为t1 、 t2，且t1>t2。
根据傅立叶定律，对此薄圆筒层可写出传导的热量为
传热 ( Heat Transfer)概述
传热 ( Heat Transfer)概述
1.1 传热过程在化工生产中的应用 1.2 传热的三种基本方式 1.3 冷热流体接触方式 1.4 传热速率和热通量
2
传热 ( Heat Transfer)概述
1.1 传热过程在化工生产中的应用
加热或冷却 某些单元操作的需要 热能的合理利用 保温
强化传热过程 削弱传热过程
3
传热 ( Heat Transfer)概述
1.2 传热的三种基本方式
一、 热传导 (Conduction ) 特点：质点不发生宏观的相对位移 金属—自由电子的迁移 固体的不良导体和液体—分子运动 气体—分子无规则热运动 工业生产中存在于：接触良好的固体之间、 换热器壁面、湍流流体的层流内层。
1.4 传热速率和热通量
传热速率Q：单位时间内通过传热面的热量，J/s或W。 热通量q（热流密度）：单位时间内通过单位传热面 积的热量，W/m2
qQ A
对于定态传热，通过换热器各传热面的传热速率 为定值，而热通量与所选择的面积有关，选内侧、外 侧和平均面积时q( Heat Transfer)概述
1.3 冷热流体接触方式
一、直接混合式
常用于热气体的水冷或热水的空冷。
6
传热 ( Heat Transfer)概述
二、蓄热式
常用于气体余热的利用
7
传热 ( Heat Transfer)概述
三、间壁式
A ndl
8
传热 ( Heat Transfer)概述
4
传热 ( Heat Transfer)概述
二、 热对流 (Convection)
流体质点间发生宏观相对位移而引起的热量传递
按引起质点运动的原因：自然对流和强制对流 工业生产中，对流发生在固体壁面与流体之间，伴 有热传导 —— 对流传热或给热。
传热的基本知识
辐射能的吸收、 辐射能的吸收、反射和透射
白体、 白体、黑体和透明体
凡能将辐射热全部反射的物体r 称为绝对白体; 凡能将辐射热全部反射的物体 h=1)称为绝对白体 称为绝对白体 能全部吸收的(P 称为绝对黑体; 能全部吸收的 h=1)称为绝对黑体 称为绝对黑体 能全部透过的(th=1)则称为绝对透明体或透热体 能全部透过的 则称为绝对透明体或透热体. 则称为绝对透明体或透热体
• 壁体内表面吸热
• 平壁材料层导热
1)单层匀质平壁的导热 单层匀质平壁的导热: 单层匀质平壁的导热
热阻: 热量由平壁内表面传至平整外表面过程中的阻力，称为热 热阻 热量由平壁内表面传至平整外表面过程中的阻力，称为热 记作R，单位是平方米·开尔文 开尔文／ 阻, 记作 ，单位是平方米 开尔文／瓦(m2．K／w). ． ／
3）组合壁的导热 ）
• 壁体外表面散热 壁体外表面散热:
封闭空气间层的热阻
• 两个表面之间进行热转移过程是导热、对流和辐射3种传热方式 两个表面之间进行热转移过程是导热、对流和辐射 种传热方式 综合作用的结果. 综合作用的结果
Hale Waihona Puke 在总的传热量中，辐 在总的传热量中， 射换热占总传热量的 70％左右。因此，要 ％左右。因此， 提高空气间层的热阻， 提高空气间层的热阻， 首先要设法减少辐射 首先要设法减少辐射 换热量。 换热量。
• 为确定表面对流换热量，利用牛顿公式： 为确定表面对流换热量，利用牛顿公式：
1)自然对流换热 因温差而引起的对流换热. 自然对流换热:因温差而引起的对流换热 自然对流换热 因温差而引起的对流换热.
当平壁处于垂直状态时： 当平壁处于垂直状态时： 当平壁处于水平状态时： 当平壁处于水平状态时： 若热流由下而上 若热流由上而下
传热学
物理概念
物理概念
热管热传递速率曲线图传热学的作用是利用可以预测能量传递速率的一些定律去补充热力学分析，因后者只 讨论在平衡状态下的系统。这些附加的定律是以3种基本的传热方式为基础的，即导热、对流和辐射。传热学是研 究不同温度的物体或同一物体的不同部分之间热量传递规律的学科。
随着激光等新的实验技术的引入谢观看
应用领域
应用领域
传热不仅是常见的自然现象，而且广泛存在于工程技术领域。在能源动力、化工制药、材料冶金、机械制造、 电气电信、建筑工程、文通运输、航空抗天、纺织印染、农业林业、生物工程、环境保护和气象预报等部门中存 在大量的热量传递问题。而且常常还起着关健作用。例如，提高锅炉的蒸汽产量，防止燃气轮机燃烧室过热、减 小内燃机气缸和曲轴的热应力、确定换热器的传热面积和控制热加工时零件的变形等，都是典型的传热学问题。
传热方式
传热方式
传热的基本方式有热传导、热对流和热辐射三种。 1、热传导是指在不涉及物质转移的情况下，热量从物体中温度较高的部位传递给相邻的温度较低的部位， 或从高温物体传递给相接触的低温物体的过程，简称导热。 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是有所不同的。 （1）气体中，导热是气体分子不规则热运动时相互碰撞的结果。众所周知，气体的温度越高，其分子的运 动动能越大。不同能量水平的分子相互碰撞的结果，使热量从高温处传到低温处。 （2）导电固体中有相当多的自由电子，它们在晶格之间像气体分子那样运动。自由电子的运动在导电固体 的导热中起着主要作用。 在非导电同体中，导热是通过晶格结构的振动，即原子、分子在其平衡位置附近的振动来实现的。 （3）至于液体中的导热机理，还存在着不同的观点。有一种观点认为定性上类似于气体，只是情况更复杂， 因为液体分子间的距离比较近，分子间的作用力对碰撞过程的影响远比气体大。另一种观点则认为液体的导热机 理类似于非导电固体。 2、热对流是指不同温度的流体各部分由相对运动引起的热量交换。
传热知识
示为(mCp)max。
(a)传热实际情况
(b)冷流体Cpcmc相对小的理论极 (c)热流体Cpcmc相对小的理论极
限情况
限情况
将换热器实际热流量Q与其无限大传热面积时的最大可能传热量 Qmax之比，称为换热器的传热效率ε。
板式换热器的结构极为紧凑，在传热量相等的条件下，所占空间仅为
管壳式换热器的1/2～1/3。并且不象管壳式那样需要预留出很大得空间 用来拉出管束检修。而板式换热器只需要松开夹紧螺杆，即可在原空间 范围内100%地接触倒换热板的表面，且拆装很方便。 四、随机应变
由于换热板容易拆卸，通过调节换热板的数目或者变更流程就可以得 到最合适的传热效果和容量。只要利用换热器中间架，换热板部件就可 有多种独特的机能。这样就为用户提供了随时可变更处理量和改变传热 系数K值或者增加新机能的可能。 五、有利于低温热源的利用
；
--平均传热温差，℃。 传热的基本方式 根据热量传递机理的不同，传热基本方式有三种，即热传导、对流 和辐射。 ·热传导： 热传导又称导热。是指热量从物体的高温部分向同一物体的低温部 分、或者从一个高温物体向一个与它直接接触的低温物体传热的过程。 ·对流传热： 对流传热是依靠流体的宏观位移，将热量由一处带到另一处的传递 现象。在化工生产中的对流传热，往往是指流体与固体壁面直接接触时 的热量传递。 ·辐射传热： 又称为热辐射，是指因热的原因而产生的电磁波在空间的传递。物 体将热能变为辐射能，以电磁波的形式在空中传播，当遇到另一物体 时，又被全部或部分地吸收而变为热能。 作为换热设备，我们主要关心的热传导和对流传热。
传热知识点总结
传热知识点总结一、传热的基本概念1. 热传递方式热传递是指热能从高温物体传递到低温物体的过程。
在自然界中，热传递有三种方式：传导、对流和辐射。
1）传导：是指热量在固体或液体内部通过分子的传递而进行传热的现象。
传导的速度取决于物体的热导率和温度梯度。
2）对流：是指热量通过流体内部的流动而进行传热的现象。
对流传热是一种辐射传热和传导传热的耦合方式。
3）辐射：是指热能在真空和空气中通过电磁波传递而进行传热的现象。
辐射传热不需要介质，能够在真空中进行传递。
2. 热传递规律根据热传递方式的不同，热传递规律也有所不同。
在传导传热中，热流密度与温度梯度成正比；在对流传热中，热流密度与温度差、流体性质和流体速度有关；在辐射传热中，表面辐射率与物体表面性质、温度和波长有关。
3. 热传递计算在工程设计中，通常需要计算物体的传热过程。
传热计算需要考虑传热方式、传热系数、温度梯度等因素，并且可以利用传热方程进行计算。
二、传热的机制1. 传导传热传导传热是通过颗粒内部的分子振动而进行热传递的过程。
传导传热取决于介质的热导率和温度梯度。
传导传热的传热率与温度梯度成正比，与距离成反比，通常可以用傅立叶传热定律进行描述。
2. 对流传热对流传热是通过流体内部的流动而进行热传递的过程。
对流传热的传热率与温度差、流体性质和流体速度有关。
对流传热还与流体的黏度、密度、导热系数等物性参数有关。
3. 辐射传热辐射传热是通过电磁波在真空或空气中进行热传递的过程。
辐射传热的传热率与物体的表面性质、温度和波长有关。
辐射传热的计算通常需要考虑黑体辐射、灰体辐射等因素。
三、传热的数学模型1. 一维传热在一维情况下，传热可以用傅立叶传热方程进行描述。
该方程包括传热导数和传热系数两个物理量，并可以用来描述传导传热、对流传热和辐射传热。
2. 二维传热在二维情况下，传热可以用拉普拉斯传热方程进行描述。
该方程可以用来描述平板、圆柱、球体等形状的传热过程，并可以通过适当的边界条件进行求解。
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传热综合实验装置说明书天津大学化工基础实验中心2005年2月一、 实验装置的基本功能和特点本实验装置是以空气和水蒸汽为介质，对流换热的简单套管换热器和强化内管的套管换热器。
通过对本换热器的实验研究，可以掌握对流传热系数αi 的测定方法，加深对其概念和影响因素的理解。
并应用线性回归分析方法，确定关联式Nu=ARemPr 0.4中常数A 、m 的值。
通过对管程内部插有螺旋线圈的空气-水蒸气强化套管换热器的实验研究，测定其准数关联式Nu=BRe m中常数B 、m 的值和强化比Nu/Nu0，了解强化传热的基本理论和基本方式。
实验装置的主要特点如下： 1.实验操作方便,安全可靠。
2.数据稳定,强化效果明显，用图解法求得的回归式与经验公式很接近。
3.水,电的耗用小,实验费用低。
4.传热管路采用管道法兰联接,不但密封性能好,•而且拆装也很方便。
5.箱式结构，外观整洁，移动方便。
二、强化套管换热器实验简介强化传热又被学术界称为第二代传热技术，它能减小初设计的传热面积，以减小换热器的体积和重量；提高现有换热器的换热能力；使换热器能在较低温差下工作；并且能够减少换热器的阻力以减少换热器的动力消耗，更有效地利用能源和资金。
强化传热的方法有多种，本实验装置是采用在换热器内管插入螺旋线圈的方法来强化传热的。
螺旋线圈的结构图如图1所示，螺旋线圈由直径3mm 以下的铜丝和钢丝按一定节距绕成。
将金属螺旋线圈插入并固定在管内，即可构成一种强化传热管。
在近壁区域，流体一面由于螺旋线圈的作用而发生旋转，一面还周期性地受到线圈的螺旋金属丝的扰动，因而可以使传热强化。
由于绕制线圈的金属丝直径很细，流体旋流强度也较弱，所以阻力较小，有利于节省能源。
螺旋线圈是以线圈节距H 与管内径d 的比值技术参数，且长径比是影响传热效果和阻力系数的重要因素。
科学家通过实验研究总结了形式为mB Nu Re 的经验公式，其中B 和m 的值因螺旋丝尺寸不同而不同。
采用实验3-1中的实验方法确定不同流量下得Rei 与i Nu ，用线性回归方法可确定B 和m 的值。
单纯研究强化手段的强化效果（不考虑阻力的影响），可以用强化比的概念作为评判准则，它的形式是：0Nu Nu ，其中Nu 是强化管的努塞尔准数，Nu0是普通管的努塞尔准数，显然，强化比0Nu Nu ＞1，而且它的值越大，强化效果越好。
三、 设备主要技术数据图1 螺旋线圈内部结构2.空气流量计(1) 由孔板与压力传感器及数字显示仪表组成空气流量计。
空气流量由公式[1]计算。
（第1套）6203.00)(113.18P V t ∆⨯=………………………………………………………………[1] （第2套）6203.00)(113.18P V t ∆⨯=………………………………………………………………[1] 其中，0t V - 20℃ 下的体积流量，m 3/h ；P∆-孔板两端压差，Kpa1tρ-空气入口温度（及流量计处温度）下密度，kg/m 3。
(m3/h)与压差之间的关系。
(2) 要想得到实验条件下的空气流量V (m 3/h)则需按下式计算:2732730t tV V t ++⨯= (2)其中，V -实验条件（管内平均温度）下的空气流量，m 3/h ； t -换热器管内平均温度，℃；t 1-传热内管空气进口（即流量计处）温度，℃。
3.温度测量(1)空气进、出传热管（光滑管、粗糙管）测量段的温度由热电阻温度计测量，从多路数字显示仪表直接读出。
（1-光滑管空气入口温度；2-光滑管空气出口温度；3-粗糙管空气入口温度；4-粗糙管空气出口温度；5-加热器内温度）(2)套管换热器内管内壁面平均温度（热电偶是由铜─康铜组成）tw( ℃ )由数字式显示表得到。
（上读数-光滑管壁面温度；下读数-粗糙管壁面温度） 4.电加热釜是产生水蒸汽的装置,使用体积为7升(加水至液位计的上端红线),•内装有一支2.5kw 的螺旋形电热器,当水温为30℃时,用200伏电压加热,约25分钟后水便沸腾,为了安全和长久使用,建议最高加热(使用)电压不超过200伏(由固态调压器调节)。
5. 气源(鼓风机)又称旋涡气泵, XGB ─12型 ,电机功率约0.55 KW(使用三相电源),在本实验装置上,产生的最大和最小空气流量基本满足要求,使用过程中,•输出空气的温度呈上升趋势。
6. 稳定时间是指在外管内充满饱和蒸汽,并在不凝气排出口有适量的汽(气)•排出,空气流量调节好后,过15分钟,空气出口的温度t 2 ( ℃ )可基本稳定。
四、实验设备流程图: 见附图所示。
五、实验方法及步骤1.实验前的准备,检查工作.(1) 向电加热釜加水至液位计上端红线处。
(2) 检查空气流量旁路调节阀是否全开。
(3) 检查蒸气管支路各控制阀是否已打开。
保证蒸汽和空气管线的畅通。
(4) 接通电源总闸，设定加热电压，启动电加热器开关，开始加热。
2. 实验开始.(1)一段时间后水沸腾,水蒸汽自行充入普通套管换热器外管，观察蒸汽排出口有恒量蒸汽排出，标志着实验可以开始。
(2) 约加热十分钟后,可提前启动鼓风机,保证实验开始时空气入口温度t 1(℃)比较稳定。
(3) 调节空气流量旁路阀的开度,使压差计的读数为所需的空气流量值(当旁路阀全开时,通过传热管的空气流量为所需的最小值,全关时为最大值)。
(4)稳定5-8分钟左右可转动各仪表选择开关读取t 1,t 2,E 值。
(注意：第1个数据点必须稳定足够的时间)(5) 重复(3)与(4)共做7～10个空气流量值。
(6) 最小,最大流量值一定要做。
(7) 整个实验过程中,加热电压可以保持(调节)不变,也可随空气流量的变化作适当的调节。
3．转换支路，重复步骤2的内容，进行强化套管换热器的实验。
测定7～10组实验数据。
4． 实验结束.(1) 关闭加热器开关。
(2) 过5分钟后关闭鼓风机,并将旁路阀全开。
(3) 切段总电源。
五. 使用本实验设备应注意的事项1．检查蒸汽加热釜中的水位是否在正常范围内。
特别是每个实验结束后，进行下一实验之前，如果发现水位过低，应及时补给水量。
2．必须保证蒸汽上升管线的畅通。
即在给蒸汽加热釜电压之前，两蒸汽支路控制阀之一必须全开。
在转换支路时，应先开启需要的支路阀，再关闭另一侧，且开启和关闭控制阀必须缓慢，防止管线截断或蒸汽压力过大突然喷出。
3．必须保证空气管线的畅通。
即在接通风机电源之前，两个空气支路控制阀之一和旁路调节阀必须全开。
在转换支路时，应先关闭风机电源，然后开启和关闭控制阀。
六.附录1.实验数据的计算过程简介(以普通管第一列数据为例)。
孔板流量计压差P ∆=0.59Kpa 、进口温度t 1 =21.8℃、出口温度 t 2 =68.6℃ 壁面温度热电势4.239mv 。
已知数据及有关常数:(1)传热管内径d i (mm)及流通断面积 F (m 2). di ＝20.0(ｍｍ),＝0.0200 (ｍ);F ＝π(d i 2)／4＝3.142×(0.0200)2／4＝0.0003142( m 2).(2)传热管有效长度 L(ｍ)及传热面积s i (m 2). L ＝1.00（ｍ) s i ＝πL d i ＝3.142×1.00×0.0200＝0.06284(m 2).(3) t 1 ( ℃ )为孔板处空气的温度, 为由此值查得空气的平均密度1t ρ，例如：t 1=29.8℃，查得1t ρ=1.19 Kg/m 3。
(4)传热管测量段上空气平均物性常数的确定.先算出测量段上空气的定性温度t (℃)为简化计算,取t 值为空气进口温度t 1(℃)及出口温度t 2(℃)的平均值, 即26.688.21221+=+=t t t =45.2（℃） 此查得: 测量段上空气的平均密度 ρ＝1.11 (Kg/m 3);测量段上空气的平均比热 Cp ＝1005 (J ／Kg ·K); 测量段上空气的平均导热系数 λ＝0.0279／ｍ·K); 测量段上空气的平均粘度 μ＝0.0000194(s Pa ⋅); 传热管测量段上空气的平均普兰特准数的0.4次方为:Pr 0.4＝0.6960.4＝0.865(5)空气流过测量段上平均体积V （ m 3/h ）的计算:)/(06.13)21.0(113.18)(113.1836203.06203.00h m P V t =⨯=∆⨯=18.142027320.4527306.1327327310=++⨯=++⨯=t t V V t （m 3/h ）(6)冷热流体间的平均温度差Δtm (℃)的计算:Tw= 1.2705＋23.518×4.23=100.8(℃)()()56.552.458.100221=-=+-=∆t t T t w m （℃）(7)其余计算:传热速率(W)()2063600)8.216.68(100511.118.143600=-⨯⨯⨯=∆⨯⨯⨯=tCp V Q t tρ（W ）()60)06284.055.55/(206/=⨯=⨯∆=i m i s t Q α （W/m 2·℃）传热准数 430279.0/0200.060/=⨯=⨯=λαi i d Nu测量段上空气的平均流速 ()54.12)36000003142.0/(18.143600/=⨯=⨯=F V u （m/s ）雷诺准数0000194.0/11.154.120200.0/Re ⨯⨯=⨯=μρu d i =14400 （8）作图、回归得到准数关联式4.0Pr Re m A Nu =中的系数。
（9）重复（1）-（8）步，处理强化管的实验数据。
作图、回归得到准数关联式m B Nu Re =中的系数。
40Pr 8230Re 01870...Nu =2． 实验设备流程图1、 普通套管换热器；2、内插有螺旋线圈的强化套管换热器；3、蒸汽发生器；4、旋涡气泵；5、旁路调节阀；6、孔板流量计；7、风机出口温度（冷流体入口温度）测试点；8、9空气支路控制阀；10、11、蒸汽支路控制阀；12、13、蒸汽放空口；14、蒸汽上升主管路；15、加水口；16、放水口；17、液位计；18、冷凝液回流口附图：空气-水蒸气传热综合实验装置流程图。