陈敏恒《化工原理》(第3版)笔记和课后习题(含考研真题)详解(传热 复习笔记)

6.1 复习笔记

一、概述

1．传热目的

（1）加热或冷却，使物料达到指定的温度；

（2）换热，以回收利用热量或冷量；

（3）保温，以减少热量或冷量的损失。

生产上最常遇到的是冷、热两种流体之间的热量交换。若加热和冷却同属一个生产过程，则可采用图6-1所示的换热流程以同时达到加热和冷却的目的。

图6-1 典型的换热流程

1-换热器；2-反应器

2．工业上的传热过程

（1）直接接触式传热

对某些传热过程，可使冷、热流体直接接触进行传热。这种接触方式，传热面积大，设备亦简单。由于冷、热流体直接接触，这种传热方式必伴有传质过程同时发生。因此，直接接触式传热在原理上与单纯传热过程有所不同。

（2）间壁式传热

工业上应用最多的是间壁式传热过程。间壁式换热器类型很多，其中最简单而又最典型的结构是套管式换热器。在套管式换热器中，冷、热流体分别通过环隙和内管，热量自热流体传给冷流体。这种热量传递过程包括三个步骤：

①热流体给热于管壁内侧；

②热量自管壁内侧传导至管壁外侧；

③管壁外侧给热于冷流体。

在冷、热流体之间进行的热量传递总过程通常称为传热（或换热）过程，而将流体与壁面之间的热量传递过程称为热过程，以示区别。

（3）蓄热式传热

这种传热方式是首先使热流体流过蓄热器中固体壁面，用热流体将固体填充物加热；然后停止热流体，使冷流体流过固体表面，用固体填充物所积蓄之热量加热冷流体。如此周而复始，冷、热流体交替流过壁面，达到冷热流体之间传热的目的。

蓄热式换热器又称蓄热器，是由热容量较大的蓄热室构成，室内可填充耐火砖等各种填料。

3．传热过程

（1）传热速率

①热流量Q：即单位时间内热流体通过整个换热器的传热面传递给冷流体的热量，单位为W；

②热流密度（或热通量）q：单位时间、通过单位传热面积所传递的热量，单位为W/m2。即

与热流量Q不同，热流密度q与传热面积A大小无关，完全取决于冷、热流体之间的

热量传递过程，是反映具体传热过程速率大小的特征量。

（2）换热器的热流量

换热器的热流量为

（3）非定态传热过程

工业上不少传热过程是间歇进行的，此时流体的温度随时间而变，属非定态过程。用饱和蒸汽加热搅拌釜内的液体，是最简单的非定态传热过程。

非定态传热一段时间内所传递的累积总热量Q T

为计算累积传热量Q T，只知道热流密度q的计算式是不够的，尚需知道热流密度q随时间的变化规律。

（4）传热机理

任何热量的传递只能通过传导、对流、辐射三种方式进行。

固体内部的热量传递只能以传导的方式进行，但流体与换热器壁面之间的给热过程则往往同时包含对流与传导，对高温流体则还有热辐射。

二、热传导

1．傅里叶定律和热导率

（1）傅里叶定律

式中q——热流密度，W/m2；

——法向温度梯度，℃/m

λ——比例系数，称为热导率（导热系数），w/（m·℃）。

傅里叶定律指出，热流密度正比于传热面的法向温度梯度，式中负号表示热流方向与温度梯度方向相反，即热量从高温传至低温。式中的比例系数（即热导率）λ是表征材料导热性能的一个参数，λ愈大，导热性能越好。与黏度系数μ一样，热导率λ也是分子微观运动的一种宏观表现。

（2）热导率

物体的热导率与材料的组成、结构、温度、湿度、压强以及聚集状态等许多因素有关。

各类固体材料热导率的数量级为：

金属10～102w/（m·℃）

建筑材料10-1～10W/（m·℃）

绝热材料10-2～10-1w/（m·℃）

固体材料的热导率随温度而变，绝大多数质地均匀的固体，热导率与温度近似成线性关系。可用下式表示

λ＝λ0（1＋at）

式中λ——固体在温度f℃时的热导率，w/（m·℃）；

λ0——固体在0℃时的热导率，w/（m·℃）；

α——温度系数，1/℃；对大多数金属材料为负值，而对大多数非金属材料为正值。

液体的热导率较小，但比固体绝热材料为大。在非金属液体中，水的热导率最大，而且除水和甘油外，常见液体的热导率随温度升高而略有减小。气体的热导率比液体更小，约为液体热导率的1/10。固体绝热材料的热导率之所以很小。就是因为空隙率很大，含有大量空气的缘故。

气体的热导率随温度升高而增大；但在相当大的压强范围内，压强对λ无明显影响。只

有当压强很低或很高时，λ才随压强增加而增大。

2．通过平壁的定态导热过程

设有一高度和宽度均很大的平壁，厚度为δ，两侧表面温度保持均匀，分别为t1及t2，且t1＞t2。若t1、t2不随时间而变，壁内传热系定态一维热传导。此时傅里叶定律可写成

积分得：

式中，△t＝t1－t2，为平壁两侧的温度差，℃；A为平壁的面积，m2。

上式又可写成如下形式

表明热流量Q正比于推动力△t，反比于热阻R，与欧姆定律极为类似。从上式还可以看出，传导层厚度δ越大，传热面积和热导率越小，热阻越大。

若热导率λ随温度而变化，则可用平均温度下的λ值。

3．通过圆筒壁的定态导热过程

设有内、外半径分别为r1、r2的圆筒，内、外表面分别维持恒定的温度t1、t2，管长l 足够大，则圆筒壁内的传热属定态一维热传导。此时，傅里叶定律可写成

壁内温度分布为

上式表明，圆筒壁内的温度按对数曲线变化。上式中的积分常数c和热流量Q可由边界条

件（r＝r1时t＝t1，r＝r2时t＝t2）求出。

热流量：

或

以上两式均可改写成

式中

对于的圆筒壁，以算术平均值代替对数平均值导致的误差<4％。作为工程计算，此时A m可取d m可取

圆筒壁热阻为

4．通过多层壁的定态导热过程