化工原理传热复习讲解
化工原理传热
化工原理传热
传热是化工过程中重要的物理现象之一，它涉及能量的转移和分布。
传热可以通过三种方式进行：传导、对流和辐射。
传导是指热能在固体或液体中以分子间相互碰撞的方式传递。
在传导过程中，热量会从高温区域传递到低温区域，直到温度达到平衡。
对流是指热能通过流体的运动传递。
当物体表面受热时，周围的流体会被加热并膨胀，然后从热源处上升。
这导致了对流循环，使热量从热源传递到周围环境。
辐射是指热能以电磁波的形式传递，不需要介质来传递热量。
辐射可以通过空气、液体和固体传播，甚至可以在真空中传播。
辐射热传递取决于物体的温度和表面特性。
在化工过程中，传热是必不可少的。
传热的目的可以是控制温度以实现反应的理想条件，或者从一个系统中移除或向其输入热量。
为了实现有效的传热，可以采取以下措施：
1. 提高传热系数：通过增加传热表面积或提高传热介质的流速，可以增加传热系数，从而加快传热速度。
2. 减小传热阻力：通过改变传热介质的性质或减小传热介质的流通路径长度，可以减小传热阻力，提高传热效率。
3. 使用传热表面增强技术：如使用鳍片、流体分散剂或填料等
技术，可以增大传热表面积，从而提高传热效率。
4. 优化换热设备设计：通过合理设计换热设备的结构和组件，可以实现更高效的传热过程，并减少传热介质的能量损失。
化工过程中的传热是一个复杂的过程，需要综合考虑多种因素。
通过合理选择传热方式和采取相应的措施，可以实现高效的能量传递和分布，从而提高化工过程的效率和质量。
化工原理传热复习讲解
化工原理
传热复习
本章学习目的
掌握传热的基本原理、传热的规律，并运用这些原理和规律 去分析和计算传热过程的有关问题： 换热器的设计和选型 换热器的操作调节和优化 强化传热或削弱传热（保温）
化工原理
(1)本章重点掌握的内容 傅里叶定律；单层、多层平壁热传导速率方程，单层、多层 圆筒壁热传导速率方程及其应用 牛顿冷却定律；平均温度差； 对流传热系数的影响因素及量纲分析法 换热器的能量恒算，总传热速率方程和总传热系数的计算， （2）本章应掌握的内容 传热的基本方式 换热器的结构形式和强化途径 对流传热系数的影响因素及量纲分析法
查得 46 10 28℃ 时
2
Q ms1r ms1c p146 10 29.3 2.89 32.19kW
c p1 0.963kJ / (kg K)
为求A1、A2就应求出两段交界处冷却水温度
ms2c p2 32 5 Q
t 32 Q1 32 29.3 7.45℃
组合结果
傅里叶定律
牛顿冷却定 律
辐射定律
dQ dA t n
dQ dA(T Tw ) E0
C0
(T 100
)Hale Waihona Puke 4两流体通过间壁传 高（低）温设备散
热
热（冷）
8
导热
化工原理
概念： 导热系数（单位、固液气λ的相对大小）、 t对λ的影响
公式：
1、傅里叶定律
q dQ t
20
化工原理
7. 在开发和使用传热系数的时，需要确定的特征物理量是（ ）、 （ ）和（ ）。
8. 水在管内做湍流流动，若使流速提高至原来的2倍，则其对流 传热系数约为原来的（ ）倍；若管径改为原来的1/2，则其对流 传热系数约为原来的（ ）。
化工原理传热
化工原理传热化工原理传热是化工领域中重要的一个学科，涉及到热传导、对流传热和辐射传热等方面。
它在工业生产中起到了重要的作用，有助于提高化工产品的生产效率和质量，也可以降低工业生产的成本。
本文将从热传导、对流传热和辐射传热三个方面介绍化工原理传热的相关知识。
一、热传导热传导是指在无外力驱动下热量沿着物体内部由高温区向低温区传递的现象。
它是工业生产中最基本的传热方式之一，常见的有平板换热器、卷帘换热器等。
热传导的传热系数受多种因素的影响，如物体的热导率、物体的导热截面积等。
因此在实际工业生产中，需要根据具体的情况选择不同的热传导设备和参数来实现传热。
二、对流传热对流传热是指热量通过物体与气体或液体流体的对流传递，也是化工工业中常用的传热方式之一。
对流传热的传热系数和物体表面的状态有关，如表面上的气流速度、温度和物体和流体之间的热阻等。
具体的对流传热设备包括了冷却塔、换热器等。
在实际生产中，需要根据不同流体的特性选择不同的对流传热设备。
三、辐射传热辐射传热是指热量通过介质之间的空气、真空等的辐射传递。
单从传热方式上来看，辐射传热与其他两种传热方式有很大的区别。
常见的辐射传热设备有电热炉、太阳能热水器等。
辐射传热的传热系数受多种因素的影响，如介质温度、表面发射系数等。
在实际生产中，需要根据不同的环境条件选择不同的辐射传热设备。
总体来说，化工原理传热是工业生产过程中必不可少的一个环节。
在实际生产中，需要根据具体的情况选择不同的传热方式，以提高生产效率和质量。
虽然热传导、对流传热和辐射传热在物理学原理方面各有不同，但它们在化工生产中的作用和意义都是相通的，同时也相互补充和共同影响。
因此，在进行化工原理传热的设计和应用时，需要综合考虑各种因素的综合影响，才能达到预期效果。
化工原理 传热
R2
R1 Q
L
T1 T2
dT dT dQ k dA k 2rdL dr dr
先对L积分，L：0→L，Q：0→Q，则
dT Q k 2rL dr
分离变量，积分r：R1→R2, T：T1→T2，得
2Lk (T1 T2 ) Q R2 ln R1
讨论： （1）取对数平均半径：
二、通过平壁的稳定热传导 1、通过单层平壁的稳定导热(P86) （1）厚度b<<长和宽 （2）k为常数，或取平均值 （3）忽略边缘的传热，因而是一维导热 （4）壁内温度只沿垂直于壁面的x方向变化， 温度场为一维温度场，即所有的等温面都是垂 直于x轴的平面
dT dQ k dA 由傅立叶定律 dx
2、通过多层圆筒壁的稳定导热 假定 （1）r1，r2，r3，r4 （2）t1>t2>t3>t4 （3）k=const （4）L>> r1，r2，r3，r4， 表明是一维导热 （5）层与层之间接触良好
则
t 2 t3 t3 t 4 t1 t 2 Q 1 r2 r3 1 r4 1 ln ln ln 2Lk1 r1 2Lk 2 r2 2Lk3 r3
Байду номын сангаас
固体的导热系数： 纯金属：良导体，依靠自由电子迁移传导热能，导热能力大。 T↑则k↓，合金的导热系数一般较纯金属低 非金属：依靠晶格振动传导热能，导热能力远小于金属。 T↑ 则 k↑ 对大多数的固体，其导热系数在一定的温度范围内与温度成直 线关系，可用下式表示:
kt k0 (1 at)
k0固体在0℃时的导热系数，α温度系数，对大多数金属材料
第二节 固体中的热传导
一、导热速率方程――傅立叶定律
化工原理第四篇传热
对 于 一 维 温 度 场 ， 等 温 面 x 及 (x+Δx) 的 温 度 分 别 为 t(x,τ) 及
t(x+Δx,τ)，则两等温面之间的平均温度变化率为： t-t
t(x x, ) t(x, )
t
x
t+t
Q
温度梯度:
dA
gradt lim t(x x, ) t(x, ) t n
x0
x
ln r1 r
Q
r
t t1 2 l ln r1
t～r成对数曲线变化(假设不随t变化)
4．平壁：各处的Q和q均相等； 圆筒壁：不同半径r处Q相等，但q却不等。
2 多层圆筒壁的稳定热传导
对稳定导热过程，单位时间内由多层壁所传导的热量，亦 即经过各单层壁所传导的热量。
如图所示：以三层圆筒壁为例。
t 0
一维温度场：若温度场中温度只沿着一个坐标方向变化。
一维温度场的温度分布表达式为：
t = f (x,τ)
等温面：在同一时刻，温度场中所有温度相同 的点组成的面。
等温面
t1 t2
Q
t1>t2
等温面的特点： （1）等温面不能相交； （2）沿等温面无热量传递。
注意：沿等温面将无热量传递，而沿和等温面相交的任何方 向，因温度发生变化则有热量的传递。温度随距离的变化程 度以沿与等温面的垂直方向为最大。
解 ： 根 据 题 意 ， 已 知 t1=10℃ ， t4=-5℃ ， b1=b3=0.12m ， b2=0.10m，λ1= λ3= 0.70w/m·k， λ2= 0.04w/m·k。
按热流密度公式计算q
：
q
Q
A
( b1
t1 t4 b2 b3 )
化工原理.对流传热
logNu b
logPr logNu/Prb a
logc
logRe
（三）定性温度、特性尺寸的确定 1．确定物性参数cp、μ、ρ等数值的温度称为定性温度。 定性温度的取法：
(1) tm t1 t 2 2
(2) 膜温 tW t m 2
2．特性尺寸
取对流动与换热有主要影响的某一几何尺寸。
3 Re 0.4
适用条件：Re>1800
特性尺寸l：管或板高H
定性温度：膜温
Re的表达式：
Re d eu 4
S
u
4 Re
qm
qm Su
4lt r
Q qm r Q At lt
Re
4．冷凝传热的影响因素和强化措施
1) 流体物性 冷凝液、 、 r 、 → 2) 温差 液膜层流流动时，t=ts－tw →
d 0
流速u按流通截面最大处的截面计算：
S max hD(1
式中
do t
)
h——两块折流挡板间距离，m； D——换热器壳径，m；
do——管子的外径，m；
t——相邻两管中心距，m。
u
0.55 0.45
de
提高壳程对流传热系数的措施：
1） u ; 但u 流动阻力 u , h f
四、对流传热系数经验关联式
（一）因次分析 ＝f (u，l，，，cp，，gt) 式中 l—特性尺寸； u—特征流速。 基本因次：长度L，时间T，质量M，温度 变量总数：8个
由定律（8-4）= 4，可知有4个无因次数群。
Nu m Re Pr Gr
a b
c
化工原理传热过程的计算讲义
恒温传热，流体的流动方向对其无影响 tm逆 tm并 T t
变温传热，逆流操作的平均温度差大于并流
tm逆 tm并
返回
② 流体流动方向对传热面积的影响
Q KStm
tm逆 tm并
S逆 S并
在传递等量的热量时，相同条件下，逆流所需的传热面积比并 流的小，也就是说明采用逆流操作可以节省换热器材料。
S dl
1 1 b d0 1 d0
K0 0 dm i di
返回
式中8 K0——以换热管的外表面为基准的总传热系数；
dm——换热管的对数平均直径。
dm
(d0
di ) / ln
d0 di
以内表面为基准： 1 1 di b di 1
Ki 0 d0 dm i
以壁表面为基准： 1 1 dm b 1 dm
dQ
T t 1
KdS
1 1 b 1
KdS 0dS0 dSm idSi
式中 K——总传热系数，W/(m2·K)。
返回
讨论7 ： 1．当传热面为平面时，dS=dS0=dSi=dSm
1 1 b 1
K 0 i
2．以外表面为基准(dS=dS0):
1 1 b dS0 1 dS0
K0 0 dSm i dSi
返回
4.4.4 总传热速率方程的应用
1.传热面积的计算
S Q Ktm
2.实验测定总传热系数
3.换热器的操作型计算
对现有的换热器，判断其对指定的传热任务 是否适用，或预测在生产中某些参数变化对传热的 影响.
返回
Q Whcph (T1 T2 ) Wccpc (t2 t1) Q KStm Q, S , K ,Wh ,Wc ,T1,T2 , t1, t2 九个参数，三个方程
化工原理复习资料
化工原理复习资料(1) 在传热实验顶用饱和水蒸汽加热空气，总传热系数K 接近于 空气 侧的对传播热系数，而壁温接近于 饱和水蒸汽 侧流体的温度值。
(2) 热传导的全然定律是 傅立叶定律 。
间壁换热器中总传热系数K 的数值接近于热阻 大年夜 （大年夜、小）一侧的α值。
间壁换热器管壁温度t W 接近于α值 大年夜 （大年夜、小）一侧的流体温度。
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小，则该壁面的热阻愈 大年夜 （大年夜、小），其两侧的温差愈 大年夜 （大年夜、小）。
(3)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年夜，则该壁面的热阻愈 小 ，其两侧的温差愈 小 。
(4)在无相变的对传播热过程中，热阻重要集中在 滞离层内（或热界线层内） ，削减热阻的最有效方法是 进步流体湍动程度 。
(5) 清除列管式换热器温差应力常用的方法有三种，即在壳体上加 膨胀节 、 采取浮头式 或 U 管式构造 ；翅片管换热器安装翅片的目标是 增长面积，加强流体的湍动程度以进步传热系数 。
(6) 厚度不合的三种材料构成三层平壁，各层接触优胜，已知b 1>b 2>b 3，导热系数λ1<λ2<λ3，在稳固传热过程中，各层的热阻R 1 > R 2 > R 3，各层导热速度Q 1 = Q 2 = Q 3。
(7) 物体辐射才能的大年夜小与 黑度 成正比，还与 温度的四次方 成正比。
(8) 写出三种轮回型蒸发器的名称 中心轮回管式 、 悬筐式 、 外加热式 。
(9) 在大年夜容积沸腾时液体沸腾曲线包含 天然对流 、 泡核沸腾 和 膜状沸腾 三个时期。
实际操作应操纵在 泡核沸腾 。
在这一时期内，传热系数跟着温度差的增长而 增长 。
(10) 传热的全然方法有 传导 、 对流 和 辐射 三种。
热传导的全然定律是⎽⎽⎽傅立叶定律⎽其表达式为⎽⎽⎽dQ= -ds λnt ∂∂⎽⎽⎽。
(11) 水在管内作湍流流淌，若使流速进步到本来的2倍，则其对传播热系数约为本来的1.74 倍；管径改为本来的1/2而流量雷同，则其对传播热系数约为本来的 3.48 倍。
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d d'
2
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nd 2 n 'd '2
2
'
u '0.8 d
0.2
u
d
'
2
Α‘=2200 W/(m2·K)
（3）换热面积为原来5倍，换热管尺寸不变，换热管根数应为原来5倍，流通截面积 为原来5倍，流速只有原来的1/5，雷诺数也只有原来1/5为2000，层流，此时传热系 数计算公式发生了变化，计算结果为传热系数只有原来的1/10。
查得 46 10 28℃ 时
2
Q ms1r ms1c p146 10 29.3 2.89 32.19kW
c p1 0.963kJ / (kg K)
为求A1、A2就应求出两段交界处冷却水温度
ms2c p2 32 5 Q
t 32 Q1 32 29.3 7.45℃
作业题
化工原理
24、单程列管换热器，内有37根25mm2.5mm、 长3m的换热管。今拟采用此换热器冷凝并冷却 CS2饱和蒸汽，自饱和温度46 oC冷却到10 oC ， CS2在壳程冷凝，其流量为300kg/h, 冷凝潜热 为351.6kJ/kg。冷却水在管程流动，进口温度为 5 oC ，出口温度为32 oC ，与CS2冷凝液逆流流 动。已知CS2冷凝段和冷却段的总传热系数分 别为K1=291,K2=174。问此换热器是否适用？ （传热面积A及总传热系数均以外表面积计）
传热面积增加5倍，传热系数（该换热器取决于管程）减小为1/10，新换热器不 仅不能使水的出口温度提高，反而会使其降低。
15
热传导
化工原理
φ25mm×2.5mm的钢管，外包有热导率为0.4W/(m.k)的保温 材料，以减少热损失。已知钢管外壁温度t1=320 ℃,环境温度 t0=20 ℃。求保温层厚度分别为10mm、20mm、27.5mm、40mm、 50mm、60mm、70mm时，每米管长的热损失及保温层外表面温
度t2。保温层外表面与环境的对流传热系数为100W/(m2.k)，
保温层与钢管接触良好。 通过圆筒壁的热传导速率：
Q
2lt1 t2 lnr2 / r1
保温层外表面与环境的自然对流传热速率
Q A2 t2 t0 2lr2 t2 t0
16
当热损失达到定态时，每米管长的热损失为
外表面温度为50℃，则这三层平壁的热导率λ1、λ2、λ3之间
的关系为（
）。
2.一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（ ），原因是（）。
3. 由多层等厚平壁构成的保温层中，如果某层材料的热导率 越大，则该层的热阻就越（ ），其两侧的温差就越（ ）。
19
化工原理
4. 在厚度一定的圆筒壁定态热传导过程中，由内向外通过各等 温面的传热速率Q将（ ），由内向外通过各等温面的热通量q 将（ ）。
10. 饱和蒸汽冷凝时，壁温与饱和蒸汽的温差越大，则冷凝传热 系数越( );液体核状沸腾时，壁温与饱和液体的温差越大，则沸 腾传热系数越（ ）。
21
化工原理
11. 计算冷凝传热系数时，关联式中的Δt是指( )；蒸汽冷凝相 变焓按（ ）温度取，其余物性按（ ）温度取。
12. 通常，蒸汽在水平管外的冷凝传热系数（ ）垂直管外的 冷凝传热系数，其原因是（ ）；蒸汽冷凝于水平管束时的传 热系数（ ）冷凝于单根水平管式，其原因是（ ）。
13. 工业上为提供冷凝器冷凝传热效果，在操作时需要及时排 放冷凝器内积存的（ ）和（ ）。
14. 克希霍夫定律的物理含义可以从两方面理解：一是灰体的 （ ）与（ ）之比等于（ ）；二是灰体的（ ）与（ ） 在数值上相等。
22
化工原理
15. 两灰体表面间的辐射传热速率与（ ）、（ ）、（ ）、 （ ）有关。
组合结果
傅里叶定律
牛顿冷却定 律
辐射定律
dQ dA t n
dQ dA(T Tw ) E0
C0
(T 100
)
4
两流体通过间壁传 高（低）温设备散
热
热（冷）
8
导热
化工原理
概念： 导热系数（单位、固液气λ的相对大小）、 t对λ的影响
公式：
1、傅里叶定律
q dQ t
ms2 c p2
4.187 0.285
2
t m1
38.55 14 38.55
24.24℃
ln
14
46
46
32
7.45
14
38.55
t m2
38.55 5 38.55
16.43℃
ln
5
46
10
7.45
5
38.55
5
A需
A1需
A2需
Q1 K1t m 1
Q2 K 2tm2
20
化工原理
7. 在开发和使用传热系数的时，需要确定的特征物理量是（ ）、 （ ）和（ ）。
8. 水在管内做湍流流动，若使流速提高至原来的2倍，则其对流 传热系数约为原来的（ ）倍；若管径改为原来的1/2，则其对流 传热系数约为原来的（ ）。
9. 在无相变强制传热过程中，热阻主要集中在（ ）；在蒸汽冷 凝传热过程中，热阻主要集中在（ ）。
= E
E0
=A
Q1-2
=C1-2
A
T1 100
4
-
T2 100
4
----克希霍夫定律
11
传热过程计算
化工原理
Q=K tm A
1 K
=
1
1
+R s1+
bd1
dm
+Rs 2
d1 d2
+ 1d1
2d2
圆筒壁
tm
=
t2 -t1 ln t2/t1
13
化工原理
解：（1）查水和空气在各自定性温度下的物性参数：ρ，λ，μ，Cp，同样质量流量 下空气在换热管内的雷诺数大于水的值，其流动也未湍流，则
0.023
d
du
0.8
cp
0.4
0.023
u
c 0.8 0.4 0.6 p
d 0.2 0.4
空气与水的对流传热系数之比为
1
cp1 cp
0.4
1
0.6
1
0.4
0.345
则空气的对流传热系数为380W/(m2·K)
(2) 同理，可以计算出苯的对流传热系数为368.5W/(m2·K)
14
化工原理
（3）两换热器中换热面积相同，即nπdl=n’ πd’l’ ,由此可得两换热器换热管根数之比
化工原理
Q t1 t2 t2 t0 来自t1 t0l
1 ln r2
1
1 ln r2 1
2 r1 2r2 2 r1 2r2
保温层厚 10
半径
22.5
热阻
0.941
热损失 318.8
外表面温 2453.
度
20 32.5 0.87 344.8 188.7
27.5 40 0.861 348.4 158.6
自然对流热阻↓
1
2r2
d R
dr2
1
2
1
r2
1
r22
0
rc
40mm
保温层并不总是越厚越好，当其半径在小于临界值的范 围内变化时，保温层越厚保温效果越差。
18
化工原理
1.在通过三层平壁的定态热传导过程中，各层平壁厚度相同，
接触良好。若第一层两侧温度分别为150℃和100℃，第三层
dA
n
2、一维稳态导热
平壁
Q=qA
=
t1 -t2
b/A
=
推动力 热阻
圆筒壁
Q=
t1 -t2
b/Am
Am =2 rmL
rm
=
r2 -r1 ln r2/r1
9
Q=
总推动力 总热阻
=
t1 -t2
bi/i A
Q=
t1 -t2
bi /i A mi
=
总推动力 总热阻
对流
化工原理
概念： 热边界层、各种对流传热情况下α的 影响因素、数量级、几个准数:Nu、Pr
6
化工原理
（3）本章一般了解的内容 对流-辐射联合传热 一般传热设计的规范、相关计算和设备选型要考虑的问题 （4）本章学习中应注意的问题 边界层概念 量纲分析法 辐射传热的基本概念和定律，影响辐射传热速率的因素
7
1、三种传热方式比较
化工原理
传热方式 热传导 对流传热 辐射传热
定律名称
定律表达 式
40 52.5 0.874 343.2 123.9
50 62.5 0.895 335.2 105.3
60 72.5 0.919 326.4 91.6
70 82.5 0.944 317.8 81.2
17
化工原理
保温层的热传导+保温层外表面的自然对流
保温层厚度↑
r2
导热热阻↑
1 ln r2
2 r1