传热过程

种流体能够相互混合。
T 直接接触式
2013-7-9
5
2 蓄热式传热
这种传热方式是冷、热两种流
体交替通过同一蓄热室时，即可通
过填料将从热流体来的热量，传递 给冷流体，达到换热的目的。
优点：结构较简单，可耐高温，
常用于气体的余热或冷量的利用。 缺点：由于填料需要蓄热，所
以设备的体积较大，且两种流体交
替时难免会有一定程度的混合。
4－2.3 圆筒壁的一维稳态导热
1. 无限长单层圆筒壁一维稳态导热
dt Φ qA A 常数 但q 常数 t dr
dt Φ qA 2rl 常数 dr
dt
t1
t2
r2
r1
Φ dr 2rl
t1
r1
r2
Φ
Φ
t2 r δ
20
若为常数，则：
t1 t 2 t1 t 2 Φ ln r2 r1 ln d 2 d1 2l 2l
什么是传热的对流方式？（也称热对流） 什么是对流传热？
热传导 热辐射
传热方式 热对流
热对流是指流体各部分之间发生相对位移所引起的热量
传递过程。热对流仅发生在流体中。 自然对流 因流体中各处温度不同引起密度差异 而使流体质点产生相对位移 强制对流 因搅拌等外力而使质点产生相对位移
对流方式
2013-7-9
dx
0
17
2. 无限大多层平壁一维稳态导热（无内热源）
显然，通过每一层的 Φ=常数或 q=常数
t t2 t3 t4
Φ qA
推动力 热阻
t1
t 2 t3 t3 t 4 t1 t2 1 (1 A) 2 (2 A) 3 (3 A) 总推动力 总热阻
δ2
δ3
22
r
2013-7-9
例
外径为 426mm的蒸汽管道，其外包扎一层厚度为 426mm的保温
层，保温材料的导热系数为 0.615 W/(m· ℃)。若蒸汽管道外表面温度为
177 ℃，保温层的外表面温度为 38℃，试求每米管长的热损失以及保温层 中的温度分布。 解：此题为单层圆筒壁的热传导问题。 已知条件：
直接接触式 间壁式 蓄热式
换热方式
t
T
t 间壁式
4
T 直接接触式
2013-7-9
1 直接接触式传热
在这类传热中，冷、热流体 在传热设备中通过直接混合的方 式进行热量交换，又称为混合式 传热。
t
优点：方便和有效，而且设
备结构较简单，常用于热气体的 水冷或热水的空气冷却。
缺点：在工艺上必须允许两
dt dQ A d d
负号表示传热的方向与温度升高的 方向相反
t+dt t dδ dl
dt A d
称为导热系数 , 单位为W/(mK)
Q
2013-7-9
15
Φ dt 导热系数： A d 物性之一：是物质导热能力的标志,与物质种类、热力学状态（T、P）有关。

2013-7-9

At
给流体(或有流体给出)的热量。
33
4－3.2 对流传热膜系数 1 影响因素
通过理论分析和实验表明，影响对流给热系数的因素有以下几方面： (1).流动型态 层流：热流主要依靠热传导的方式传热。由于流体的导热系 数比金属的导热系数小得多，所以热阻大。 湍流：质点充分混合且层流底层变薄，较大。但Re，动力 消耗大。 (2).引起流动的原因 自然对流：由于流体内部存在温差引起密度差形成的浮升力， 造成流体内部质点的上升和下降运动，一般u较小，也较小。 强制对流：外力作用引起的流动运动，一般u较大，故较大。
2013-7-9
dr
0
--------可见温度分布 为对数关系
或
t2
t1
r2 r1 令rm ln r2 r1
当
t1 t 2 t1 t 2 Φ r2 r1 ln r2 r1 2l 2l r2 r1 ln ( r2 r1 )
--------对数平均半径
固体 计算
＝（＋at ) 0 1
＝k (1w1 2 w 2 )
＝ 1 x1M 1 2 x2 M 2 3
3 1 1
液体混合物
气体混合物
x1M 1 x2 M 2 3 .......
3
1
1
2013-7-9
16
4－2.2 平面壁的定态热传导
1.单层平面壁的热传导
2013-7-9
32
α——比例系数称为传热膜系数（亦称给热系
数） ，对流给热强度的标志 。
At aAt
(令 )
即为牛顿冷却定律的数学表达式。就是：固体对流
体的给热传热速率Φ ，与壁面积A成正比，与壁面和流 体间的温度差Δ t成正比。 物理意义 是指当流体主体与壁面间的温 度差为1K时,每秒通过1m2壁面所传
2
§4－1 概 述
4－1.1 化工生产中的传热过程
一. 传热过程在化工生产中的应用 例如：蒸发、蒸馏、干燥、结晶等
动量传递 三传热量传递 质量传递
传热过程的基本要求：1.强化传热；2.避免传热 热量传递方向：高温传向低温 传热过程的推动力：温差
2013-7-9
3
一. 传热过程在化工生产中的应用
2013-7-9
7
套管式 间壁式换热器 列管式 夹套式
t1 T1 t2 T2
套管式
2013-7-9
8
套管式
2013-7-9
9
列管式
2013-7-9
10
夹套式
2013-7-9
11
传热速率指的是由于传热面与 介质间有温度差而使热量由高 4－1.2 传热中的一些基本物理量和单位 温处向低温处流动的速率
2013-7-9 34
(3).流体的物性 当流体种类确定后，根据温度、压力（气体）查
对应的物性，影响较大的物性有：，，，cp。
(4).是否发生相变 主要有蒸汽冷凝和液体沸腾。发生相变时，由于汽 化或冷凝的潜热远大于温度变化的显热（r远大于cp）。 一般情况下，有相变化时对流传热系数较大，机理各不
26
什么是对流传热？
t 强制对流
自然对流
t1
t2
Q
Q
tw
Q
流动的流体与外界的传热
边界层是对流传热 的主要热阻所在。
电热炉烧水
静止流体与外界的传热
27
2013-7-9
4－3.1 对流传热机理 对流传热是指流体与固体壁面的热量传递过程，故 对流传热与流体的流动状况密切相关。 对流传热包括强制对流（层流和湍流）、自然对流、 蒸汽冷凝和液体沸腾等形式的传热过程。它们的机理各
设保温层内半径 r 处的温度为 t，代入上式：
Φ 2 ( t 2 t ) 489 r l ln r2
将已知数据代入，整理得温度t与半径的关系式为： t = -126.6 ln r –18.64 筒壁内的温度分布不是直线，而是曲线。
2013-7-9
24
2013-7-9
25
§4－3 对 流 传 热
热量Q：是能量的一种形式， J 传热速率
( Q )是指单位时间传递的热量，W

传热速率也称为热流量，或热负荷 热流密度q：单位面积上的传热速率，W· -2 m 潜热：单位质量的物质在发生相变化时伴随的热量变化
Ф
J/kg 比定压热容cp：压力恒定时，单位质量的物质温度升高1K时所需的热量
J· -1· -1 K kg 显热：
物质的三态均可以充当热传导介质，但导热的机理因物质种类不
同而异，具体为： 固体金属：自由电子运动在晶格之间；
液体和非金属固体：晶格结构的振动；即分子、原子在其平衡位
置的振动。 气体：分子的不规则运动。
2013-7-9 14
4－2.1 热传导基本方程－－傅立叶定律
随传热距离而引起的温度 变化，称为温度梯度
蒸汽导管外表面的半径 r2＝0.426/2=0.213m 温度 t2=177 保温层的外表面的半径 r3＝0.213＋0.426=0.639m 温度 t3=38
由：
t2 t3 Φ ln r3 r2 2l
2013-7-9
23
可得每米管道的热损失为：
Φ 2 ( t 2 t 3 ) 2 0.615 (177 38) 489 W/m r 0.639 l ln ln 3 0.213 r2
物理含义：代表单位温度梯度下的热通量大小，即：当物体两个面（等温面） 间温差为1K，厚度为1m时，每经过1m2传热面积所能传导的热量。故物质的越大， 导热性能越好。 一般地， 导电固体> 非导电固体， 液体> 气体 T ， 气体， 水，其它液体的 。 数据来源：物质的导热系数可以通过实验测定，也可以查资料、计算
t1 t4

i 1
3
i
(i A)
0 δ1 δ2 δ3 x
2013-7-9
18
所以，可由公式得到两层壁交界处的温度
因为通过每一层的 Φ=常数或 q=常数
t1 t 2 Φ ( A ) 1 1 1
t2 t1
1 A1

1
t3 t 2
2 A2

2
19
2013-7-9
m c p t
12
2013-7-9
4－1.3 定态传热和非定态传热
定态传热：在传热体系中各点的温度只随换热器的位置的变化而变， 不随时间而变．特点：通过传热表面的传热速率为常量，热通量不一 定为常数。 非定态传热：若传热体系中各点的温度，既随位置的变化，又随时间
变化。特点：传热速率、热通量均为变量。
Φ dt dr r1 2rl
r2
r2 2 时，可用算术平均代替 r1
于是Φ
t1 t2 推动力 对照：平壁： Φ (A) 热阻
2013-7-9 21
2 lrm
t1 t 2

t1 t 2
Am
2. 无限长多层圆筒壁一维稳态导热（无内热源）
Φ=常数，但 q常数
第四章 传热过程
2013-7-9
1
本章主要内容：
1. 主要讨论流体传导传热、对流传热的机理和传热方程式
及其应用； 2. 冷热流体通过 固体间壁进行换热的过程和计算； 3. 强化或削弱传热的途径； 4. 换热器的基本类型及列管式换热器的基本结构和性能； 5. 列管式换热器的设计与选型；
2013-7-9
输入热量Leabharlann Baidu 输出热量 常数 速率 速率
t
Q
dt Φ qA A 常数 dx
t1
若为常数，则： 当x=0时，t=t1，当x=δ时， t=t2 积分上式得：
Φ
Φ
t2 δ x
Φ qA
2013-7-9
t1 t2 推动动 t (A) 热阻 R
通常连续生产多为稳定传热，间歇操作多为不稳定传热。
化工过程中连续生产是主要的，因而我们主要讨论定态传热。
2013-7-9
13
§4－2 传 导 传 热
传导传热的机理
一个物体的两部分存在温差，热就要从高温部分向低温部分传递，
直到各部分的温度相等为止，这种传热方式就称为传导传热（或热传
导）。 传导传热的本质是物体内部微观粒子的热运动而引起的热量传递
相同，情况复杂。
2013-7-9
35
(5).传热面的形状、大小和位置
不相同。
2013-7-9
28
强制湍流的情况分析如下：
2013-7-9
29
过程分析 （1）层流边界层（层流内层）内：热传导，热阻大； （2）过渡区：热传导与对流传热共同起作用； （3）湍流区：充满漩涡，混合很好，对流为主，热阻小。
2013-7-9
30
2013-7-9
31
热边界层概念
假设（1）在壁面附近存在一传热边界层,热量以传导方 式进行，在该区内集中着全部热阻，即全部温差； （2）在传热边界层外，温合很好，温度梯度已消失。 牛顿冷却公式（对流传热速率方程） 因此，将对流传热计算改变为热传导计算按平壁导热处 理，由于式中的传热边界层是难以测定的，所以仍无法进行 计算。则：
2013-7-9
6
3 间壁式传热
在多数情况下，化工工艺上不允许冷热流体直接接触，故直接接触式
传热和蓄热式传热在工业上并不很多，工业上应用最多的是间壁式传热过
程。这类换热器的特点是在冷、热两种流体之间用一金属壁(或石墨等导热 性能好的非金属壁)隔开，以便使两种流体在不相混合的情况下进行热量传
递。这类换热器中以套管式换热器和列管式换热器为典型设备。
t
推动力 Φ qA 热阻 t 2 t3 t3 t 4 t1 t2 1 (1 Am1 ) 2 (2 Am 2 ) 3 (3 Am3 )
t1 t 4
t1 r1 r2 r3 r4 0 δ1 t2
t2
t3
t4

i 1
3
i
(i Ami )
总推动力 总热阻