传热过程基础
热传递热量通过流体的对流传递
热传递热量通过流体的对流传递热量传递是指热量从高温物体传递到低温物体的过程。
传热的方式有三种：传导、对流和辐射。
在介绍流体的对流传热之前，先了解一下传热的基本知识。
一、热传递的基本原理热传递是能量的传递方式，能量从高温物体到低温物体传递，使两者达到热平衡。
热传递的方式有传导、对流和辐射三种。
（一）传导传导是指通过物质内部的分子热振动传递热量的过程。
热量沿温度梯度从高温区域传递到低温区域。
传导率取决于物质的导热性质和温度梯度。
常见的固体和液体都能够传导热量。
（二）对流对流是指通过物体表面上的流体（比如液体或气体）的运动传递热量的过程。
对流分为自然对流和强制对流两种形式。
自然对流是指在温差的驱动下，流体由于密度的差异而形成的运动。
比如，加热后的空气密度减小，上升形成对流。
强制对流是指通过外部力（如风或泵）使流体运动，从而传递热量。
强制对流可以通过风扇或泵等设备来搅动流体，加速热量传递。
（三）辐射辐射是指通过电磁波将热量从发光物体传递到其他物体的过程。
辐射可以在真空中传递，无需介质传递。
常见的辐射形式有电磁波、红外线和可见光等。
二、流体的对流传热流体的对流传热是指通过流动的流体传递热量的过程。
流体的对流传热包括自然对流和强制对流。
（一）自然对流传热自然对流传热是指在温差作用下，流体通过密度的差异而产生的运动，从而传递热量。
自然对流传热的机理是流体受热后密度下降，体积膨胀，从而使流体向上运动。
同时，冷却后的流体密度增加，使流体向下运动。
形成这种循环运动的力称为浮力。
自然对流传热最常见的例子就是热气球。
在热气球中，空气被加热后变得轻，从而使热气球得以上升。
（二）强制对流传热强制对流传热是通过外部力（如风或泵）使流体运动，从而传递热量。
强制对流传热的机理是外部力搅动流体，使流体中的高温部分与低温部分混合，加速热量的传递。
在实际工程中，强制对流传热是非常常见的应用。
比如，利用风扇将空气吹向加热元件，加速热量传递。
热工基础(机械)第12章
（9） ）
可推得
1 1 m= + qm 2 c p 2 qm1c p1 = 1
φ
′ ′ [(t1′ − t2 ) − (t1′′ − t2′)] =
∆t ′ − ∆t ′′
φ
（10） ）
将（10）代入（9），得 ）代入（ ），得 ），
令
称对数平均温差。 ， 称对数平均温差。 （顺逆流均适用） 顺逆流均适用）
12－2 传热的增强和削弱 － 一、强化传热 ——应用热力学原理采取相应的措施增 应用热力学原理采取相应的措施增 强传热效果。 强传热效果。
措施： 措施： • 增大传热温差； 增大传热温差； • 减小传热总热阻（包括增大传热面积） 减小传热总热阻（包括增大传热面积）
因为传热总热阻为串联热路总热阻，其中局部热阻 因为传热总热阻为串联热路总热阻， 最大处就成为了传热过程的瓶颈， 最大处就成为了传热过程的瓶颈，因此应设法减小 瓶颈热阻。 瓶颈热阻。 • 在表面传热系数较小的一侧采用肋壁（增大传热面 在表面传热系数较小的一侧采用肋壁（ ），可以减 该处的局部热阻， 可以减小 积），可以减小该处的局部热阻，从而减小传热总 热阻。 热阻。
—— Am2 面积传热总热阻。 面积传热总热阻。 对多层平壁： 对多层平壁：
影响因素： 影响因素： 两流体的物性、流动情况、温度、 两流体的物性、流动情况、温度、固体壁 的形状、物性、厚度等 的形状、物性、厚度等。 2. 通过圆筒壁的传热 热阻网络图： 热阻网络图：
对多层圆筒壁： 对多层圆筒壁：
分析： 分析： ∵ 换热器只能采用逆流布置。 ∴ 换热器只能采用逆流布置。
作业: 12.1, 12.5, 12.9
1 1 m= + qm 2 c p 2 qm1c p1
传热过程基础知识
传热过程基础知识传热过程是一个物体或系统与其周围环境之间热量交换的过程。
热量是指能量的转移，可以通过辐射、传导和对流三种方式传递。
首先，我们来看辐射传热。
辐射传热是指物体通过电磁波的传播而向周围环境传递热量。
辐射传热不需要介质的存在，它可以在真空中传输热量。
这是因为所有物体都会产生热辐射，用一个术语叫做黑体辐射。
黑体辐射的强度与物体的温度有关，温度越高，辐射的能量越多。
例如，太阳发出的光和热就是一种辐射传热。
传导传热是指物体之间的热量通过分子或原子之间的碰撞传递。
这种传热方式通常发生在固体物体中，因为固体物体的分子或原子之间是紧密排列的。
热传导通常发生在热端和冷端之间存在温度差的物体中。
当物体的一部分受热后，分子或原子的振动能量会传递给相邻的分子或原子，从而传递热量。
对流传热是指液体或气体中的热量通过流体的运动和对流传递给周围环境。
对流传热通常包括自然对流和强制对流两种方式。
自然对流是指流体受热而形成的密度梯度引起的自发流动。
如在锅中烧开水时，底部热水会上升，而冷水会下降，形成对流循环。
强制对流是指通过外力的作用，如风或泵浦，使流体产生对流流动。
例如，空调中的风扇可以通过强制对流将室内的热空气排出室外，从而降低室内温度。
除了以上三种传热方式，还存在相变传热和混相传热。
相变传热是指物体在相变过程中释放或吸收热量。
当物体发生相变时，其温度保持不变，所吸收或释放的热量用于相变过程。
例如，冰块融化时，吸收的热量被用于将冰转化为水。
混相传热是指不同相（如气相和液相）之间的热量转移。
这种传热方式通常发生在液滴蒸发和冷凝过程中。
传热过程的速率可以通过热传导、辐射和对流传热的传热系数来衡量。
传热系数是指单位时间内单位面积上热量的传递速率与温度差的比值。
热传导传热系数取决于物体的导热性质，如热导率。
辐射传热系数取决于物体的辐射性质，例如发射率和吸收率。
对流传热系数取决于流体的流动性质，如流速和流体的粘度。
传热过程在许多实际应用中起着重要作用，如建筑物的供暖和空调、发动机的冷却、工业生产中的加热与冷却等。
流体传热原理概述
流体传热原理概述导语：在日常生活和工业生产中，我们经常会遇到需要传热的情况。
而传热是一个非常重要的物理现象，涉及到热量的传递和受体的温度分布等问题。
本文将针对流体传热原理进行概述，帮助读者对这一领域有更深入的了解。
一、传热基础1.1 热传导热传导是指在物体内部通过微观粒子的热振动实现热量传递的过程。
热传导的速度受到物质的导热性质以及温度梯度的影响。
常见的导热材料包括金属、陶瓷等。
热传导可以通过傅里叶热传导定律来计算：q = -kA(dT/dx)其中 q 为热流量，k 为导热系数，A 为传热面积，(dT/dx) 为温度梯度。
1.2 辐射传热辐射传热是通过电磁波的辐射传递热量的过程，不需要介质来传递热量。
辐射传热的速度与物体的温度的四次方成正比，比如黑体辐射传热可以通过斯特藩-博尔兹曼定律来计算：q = εσA(T^4)其中 q 为热流量，ε 为发射率，σ 为斯特藩-博尔兹曼常数，A 为传热面积，T 为温度。
1.3 对流传热对流传热是指通过流体的运动实现热量传递的过程。
流体可以通过自然对流或强迫对流来传递热量。
对流传热的速度与流体性质（如导热系数、密度等）、流体运动速度以及传热面积等因素相关。
对流传热可以通过牛顿冷却定律来计算：q = hA(Ts - Ta)其中 q 为热流量，h 为传热系数，A 为传热面积，Ts 和 Ta 分别为传热面和流体的温度。
二、流体传热的机制2.1 管束传热管束传热是指在管道内流体与管道壁之间进行传热的过程。
流体通过与管道壁接触，通过对流和热传导进行热量传递。
管束传热广泛应用于工业领域，如换热器、锅炉等。
2.2 辐射传热辐射传热在流体传热中也起到了重要作用。
例如，在太阳能集热器中，太阳辐射直接照射到流体上，并使其升温。
2.3 相变传热相变传热是指物质在相变过程中释放或吸收潜热来进行热量传递的过程。
例如，水在沸腾过程中通过蒸汽释放热量。
三、流体传热的应用流体传热在日常生活和工业生产中有着广泛的应用。
传热的基本原理
传热的基本原理
传热是指热量从一个物体传递到另一个物体的过程。
热量传递可以通过三种基本途径发生：传导、对流和辐射。
传导是指热量通过物质内部的分子或离子的振动和碰撞来传递的过程。
当一个物体的一部分受热时，其分子通过振动和碰撞将能量传递给周围的分子，从而逐渐使整个物体达到热平衡。
传导的速率取决于物体的导热性质，即物体的热导率。
热导率越高，传导速率越快。
对流是指流体（气体或液体）的传热过程。
当一个物体受热时，周围的流体也会受热并产生密度变化，从而形成对流流动。
对流能够有效地传递热量，因为流体的流动会带走热量并将其传递到其他地方。
对流的速率取决于流体的热扩散性质和流体的流动性质。
辐射是指热量以电磁波的形式传递，无需通过物质进行传导或对流。
所有物体都会辐射热量，其强度取决于物体的温度和辐射特性。
辐射热量可以在真空中传递，也可以在透明的介质（例如空气或玻璃）中传递。
在实际情况中，传热往往是以上三种方式的综合作用。
例如，在烹饪中，热量通过盖子底部的传导传递给锅内的食物，然后通过对流将热量均匀分布到整个食物中。
而太阳的热量则通过辐射传递到地球表面，然后通过导热和对流进一步分布到大气层和海洋中。
了解传热的基本原理对于很多日常生活和工程应用都非常重要。
通过控制传热过程，我们可以更好地设计和改进热交换设备、节能系统以及热管理系统，从而提高能源利用效率，减少能源消耗。
化工基础第三章传热过程
(3) 常压下气体混合物的导热系数估算式为
m
式中 yi ——组分i的摩尔分率。 M i ——组分i的摩尔质量，kg/kmol。 ④.一般规律 (1)
1 i yi M i / 3 1 yi M i / 3
金 非金 (2) s l g (3) 晶 非晶 (4) (气体除外 ) 纯 混
第三章 传热过程 23
t+△t dt/dn n
t
t-△t
Φ dS
图 温度梯度和傅里叶定律
第三章 传热过程
24
3） 导热系数：表征物质导热能力的物性参数。
①．固体
式中：0为固体在0C的导热系数，W/(mK)，W/(mC)； α为温度系数， 1/ C。 金属的导热系数最大，其中以银和铜的导热系数值最 高；若金属材料的纯度不纯，会使λ大大降低。固体非 金属次之。（绝热材料λ<0.23 W/(mK) ） ②．液体 导热系数较小 (1) 金属液体： t , (2) 非金属液体（除水、甘油外）：t, （略减小） (3) 有机化合物水溶液的导热系数估算式为
第三章 传热过程 19
二、传导传热
1、导热基本定律 傅里叶定律
1） 温度场和温度梯度
温度场(temperature field)：某一瞬间空间中各点的温度
分布，称为温度场(temperature field)。
物体的温度分布是空间坐标和时间的函数，即
t = f (x，y，z，τ) 式中：t —— 温度； x, y, z —— 空间坐标； τ—— 时间。
T2
t1 T2
T1
套管式
T1 T2
t2
列管式
夹套式
第三章 传热过程 13
(完整PPT)传热学
温度对导热系数的影响因材料而异，一般情况下，随着温度的升高 ，导热系数会增加。
压力
对于某些材料，如气体，压力的变化会对导热系数产生显著影响。
稳态与非稳态导热过程
稳态导热
物体内部各点温度不随时间变化而变化的导热过程。在稳态导热过程中，热流 密度和温度分布保持恒定。
非稳态导热
物体内部各点温度随时间变化而变化的导热过程。在非稳态导热过程中，热流 密度和温度分布会发生变化，通常需要考虑时间因素对导热过程的影响。
辐射换热计算方法
辐射换热量计算
通过斯蒂芬-玻尔兹曼定律计算两 个物体之间的辐射换热量，需要 考虑物体的发射率、温度以及物 体间的角系数等因素。
角系数计算
角系数表示一个表面对另一个表 面辐射能量的相对大小，可以通 过几何方法或数值方法计算得到 。
辐射换热网络模型
对于多个物体之间的复杂辐射换 热问题，可以建立辐射换热网络 模型，通过求解线性方程组得到 各个物体之间的辐射换热量。
06 传热学实验技术 与设备
实验测量技术与方法
温度测量
使用热电偶、热电阻等 温度传感器，配合数据 采集系统，实现温度的
精确测量。
热量测量
采用量热计、热流计等 设备，测量传热过程中
的热量变化。
热阻测量
通过测量传热设备两侧 温差和传热量，计算得
到热阻。
热流密度测量
利用热流计等设备，测 量单位面积上的热量传
(完整PPT)传热学
contents
目录
• 传热学基本概念与原理 • 导热现象与规律 • 对流换热原理及应用 • 辐射换热基础与特性 • 传热过程数值计算方法 • 传热学实验技术与设备 • 传热学在工程领域应用案例
01 传热学基本概念 与原理
第4-6次课：传热学基础知识和重要参数计算
空调房间的隔热设计， 墙体内表面温度保持恒定， 外表面周期变化
在非稳态导热中，由于温度不稳定，围护机构不断吸收或释放热 量，即材料在导热的同时还伴随着蓄热量的变化，这是非稳态导 热区别与稳态导热的重要特点。非稳态导热计算极其繁琐，一般 可采取简化模型进行计算。Biblioteka t — 空气温度 C
(5) 对流换热系数(表面传热系数)
（Convection heat transfer coefficient）
h Φ ( A(t w t ))
t t Φ 1 ( hA ) Rh t t q 1 h rh
W (m
2
K)
2 对流（热对流）(Convection)
流体
液体和气体统称为“流体”，它们的特性是抗剪强度极小，外 形以容器为形。由于重力的作用或者外力的作用引起的冷热空 气的相对运动为对流。在建筑中，含空气的部件中有热量传进 、传出或者在其内部传递。
(1)定义：流体中温度不同的各部分之间，由于发生相对 的宏观运动而把热量由一处传递到另一处的现象。空 气的对流换热对建筑热环境有较大影响。 (2)对流换热：当流体流过一个物体表面时的热量传递 过程，它与单纯的对流不同，具有如下特点：
—— 当流体与壁面温度相差1度时、每单位壁面面积上、单位时间内所 传递的热量。影响h因素：流速、流体物性、壁面形状大小等
h的影响因素
h 不是一个常数，而是一个取决于许多因素的物 理量。对于建筑围护结构的表面需考虑的因素有： 气流状况（自然对流还是受迫对流）和壁面所处 位置（垂直或水平）。
(6) 对流换热系数h的计算方法（单位为W/m2· K）
2-传热学基础
AT
4
对于两个相距很近的黑体表面，由于一 个表面发射出来的能量几乎完全落到另 一个表面上，那么它们之间的辐射换热 量为 ：
A T1 Q
Q A (T T )
4 1 4 2
T2
实际物体辐射热流量
AT
4
其中Φ——物体自身向外辐射的热流量， 而不是辐射换热量； ：物体的发射率（黑度），其大小与 物体的种类及表面状态有关。
2
—— 当流体与壁面温度相差1度时、每单位壁面 面积上、单位时间内所传递的热量
•h是表征对流换热过程强弱的物理量
影响h因素：流动原因、流动状态、流体物性、 有无相变、壁面形状大小等， 而且与流体的
流速有关
一般地，就介质而言：水的对流换热比 空气强烈；就换热方式而言：有相变的 强于无相变的；强制对流强于自然对流。 流动强制对流
1. 定义与特征 定义：流体中（气体或液体）温度不同 的各部分之间，由于发生相对的宏观运 动而把热量由一处传递到另一处的现象。 对流换热：流体与温度不同的固体壁间接触 时的热量交换过程 Convection heat transfer
对流换热的基本规律 -牛顿冷却公式
流体被加热时，q h(t w t f )
t f 1 t w1 Q A 1
t w1 t w 2
Q A1
Q A 2
t w 2 t w3
Q A2
1
2
t w3 t f 2
四式相加
t Q 1 2 1 1 1 Ak A1 A1 A 2 A 2 t f1 - t f2
表示成热阻的形式，有
Q A 1
t w1 t w 2
Q A1
Q A2
传热过程和换热器热计算基础
(m2·℃) / W
多层平壁的传热：
q=
n δi 1 1 +∑ + h1 i =1 λi h2
tf1－ tf2
二、圆筒壁的传热 每米长圆筒壁的总传热热阻热阻：
只有管道外径 d 2 超过某一值后包上热绝缘层才能 起到减少单位管长热损失的作用，把此直径称为临界 热绝缘直径，用 d c 表示。
d c 可由求 q1 对热绝缘层外径的一阶导数并令之 等于零而得到，即 d = 2λins c h2 （ d 2 > d c 加绝热层才能减少热损）
式中： 2 ——管道热绝缘层外表面对环境的表面传 h 热系数[W/(m2·K)]； λins ——保温材料的导热系数[W/(m·K)]。
' 肋面平均温度 t w2 (< tw2 )
肋片实际散热量：
h A (t
2
2
'
w2
− tf2
)
2
肋处于肋基温度下的理想散热量： h 肋片效率：
A2 (t w 2 − tf2 )
t w 2 − tf2 实际散热量 h2 A2 t w 2 − tf2 = = η= 理想散热量 h2 A2 (t w 2 − tf2 ) t w 2 − tf2
Φ = Ah2 (t w2 − tf2 )
λ Φ = A (t w1 − t W2 ) δ
Φ tf1 − t W1 = Ah Φ t w1 − t W2 = Aλ / δ Φ t w2 − t f2 = Ah2
传热方程：
A(t f1 − t f2 ) Φ= = KA ∆ t 1 / h1 + λ / δ + 1 / h2
建筑火灾蔓延的传热基础热量传递的基本方式
建筑火灾蔓延的传热基础热量传递的基本方式建筑火灾蔓延的传热基础热量传递的基本方式随着建筑火灾发展的过程，火灾的蔓延速度和范围直接影响着火灾事故的严重程度。
而火灾蔓延的传热基础则是热量的传递，通过热量的传递，火焰和烟气能够迅速蔓延并危及周围的区域。
在建筑火灾的研究中，了解火灾蔓延的传热基础是非常重要的，以下将介绍建筑火灾蔓延的传热基础热量传递的基本方式。
1. 热辐射传热：热辐射是建筑火灾蔓延中最重要的传热方式之一。
火焰和烟气中的高温物质释放出大量的热辐射，这种热辐射能够迅速传递到周围的物体上，使得物体温度升高。
而当物体温度升高到一定程度时，物体本身也会释放出热辐射，形成一个正向的热辐射循环，从而加剧了火灾的蔓延。
2. 热对流传热：热对流是指热量通过流体介质传递的过程。
在建筑火灾中，烟气是主要的热对流介质。
火灾中产生的烟气因为热胀冷缩的原因，形成了热对流的现象。
烟气中的高温气体会上升，从而将热量带到上方，而冷空气会下沉，形成下方的冷区。
这种热对流的现象使得火灾的热量能够迅速传递到上下方向，加速了火灾的蔓延。
3. 热传导传热：热传导是指热量通过物体内部的分子传递的过程。
在建筑火灾中，热传导是火灾蔓延的主要传热方式之一。
火焰和烟气通过直接接触建筑材料，使得建筑材料的温度升高，然后通过热传导将热量传递到周围的物体上。
这种热传导的过程使得火灾能够迅速蔓延到建筑的其他部分，加剧了火灾的危害程度。
4. 热吸收传热：热吸收是指物体吸收热量并升高温度的过程。
在建筑火灾中，周围的物体会吸收火焰和烟气释放的热量，使得物体温度升高。
这种热吸收的现象使得火灾能够迅速蔓延到周围的物体上，形成一个正向的热吸收循环，加剧了火灾的蔓延速度和范围。
建筑火灾蔓延的传热基础主要包括热辐射传热、热对流传热、热传导传热和热吸收传热。
这些传热方式的相互作用使得火灾能够快速蔓延并造成严重后果。
因此，在建筑火灾的防控中，需要重视火灾蔓延的传热基础，采取有效的措施控制火灾的蔓延，保障人员的生命财产安全。
传热过程基础知识
传热过程基础知识传热过程是物体之间的热能传递过程。
在自然界中，热能从高温物体传向低温物体，直到两者达到热平衡。
热传递可以通过三种主要方式进行：传导、对流和辐射。
传导是指热量通过物质内部的分子振动传递。
当一个物体受热时，其分子会加速振动，使周围分子受到影响并传递热能。
金属是一个很好的热导体，因为金属中的电子可以迅速传递热量。
相比之下，不导热的物质，如木材和空气，则传导热量较慢。
物体的形状、大小和组成对其导热性能也有影响。
对流是指通过流体运动传递热量。
当流体受热时，其分子会膨胀并导致流体的密度降低。
这会导致流体上升形成对流循环，使热能传递到周围环境中。
对流可以是自然对流或强制对流。
自然对流是指流体的升温和密度减小导致的自然流动。
强制对流是通过外部力量，如风扇或泵，强制使流体流动。
辐射是指通过电磁波传递热量。
所有物体在温度不为零时都会辐射热能。
这种辐射称为热辐射。
热辐射的强度与物体的温度有关，温度越高，热辐射越强。
辐射热量的传递不需要介质，可以在真空中传播。
例如，太阳向地球传输的热能就是通过辐射传递的。
除了这三种主要的热传递方式，热传递还受到其他因素的影响，如温度差异、热导率、表面积和距离等。
温度差异越大，热传递速度越快。
热导率是物质传导热量的能力，热导率越大，物质传热速度越快。
表面积越大，热传递速度越快。
距离越长，热传递速度越慢。
在实际应用中，传热过程的理解对于工程设计和能源利用非常重要。
例如，在建筑设计中，需要考虑如何减少热传递，以提高建筑的节能性能。
通过选择合适的绝缘材料、设计适当的建筑结构和采用有效的空调系统等措施，可以减少热能的传递。
在电子设备设计中，需要考虑散热问题，以确保设备长时间运行时不会过热。
通过设计散热装置和风道，可以有效地将热能散发到周围环境中。
总之，传热过程是物体之间热能传递的基础知识。
通过了解传导、对流和辐射的特点以及其他影响热传递的因素，我们可以更好地理解和应用热传递原理，从而改善能源利用效率、提高工程设计的节能性能。
传热过程和换热器热计算基础
传热过程和换热器热计算基础前言:在工业生产和日常生活中，传热是一个非常重要的过程。
无论是热运输、能源利用、工业生产还是家庭暖气系统，我们都需要了解传热过程和换热器的热计算基础。
在本文中，我们将详细介绍传热过程的基本概念和传热计算的方法。
一、传热过程的基本概念1、传热的基本概念传热是指能量由高温区域传递到低温区域的过程。
传热过程可以通过三种方式进行传递，分别是传导、对流和辐射。
传导是指热量通过物质的直接接触传递，对流是指热量通过流体（液体或气体）的运动传递，辐射是指热量通过电磁辐射传递。
在实际应用中，这三种传热方式常常同时存在。
例如，热水锅炉中的传热过程包括水的对流传热、锅炉壁的传导传热和辐射传热。
2、传热的基本定律传热过程基于以下两个基本定律，它们是传热计算的基础。
(1)热传导定律热传导定律描述了热量沿着温度梯度的方向从一个物体传递到另一个物体的过程。
热传导定律可以用以下公式表示:q = -kA(dT/dx)其中，q是单位时间内通过单位面积的热流量，k是材料的热传导系数，A是传热的横截面积，dT/dx是温度梯度。
(2)牛顿冷却定律牛顿冷却定律描述了通过对流传热的过程。
它指出，对流换热速率正比于温差和表面积，反比于流体和固体的热阻。
牛顿冷却定律可以用以下公式表示:q=hA(Ts−T∞)其中，q是单位时间内通过单位面积的热流量，h是对流传热系数，A 是传热表面积，Ts是固体表面温度，T∞是流体的温度。
二、换热器的计算基础换热器是用于传递热量的设备，广泛应用于各个行业中。
换热器的设计需要进行热计算，主要包括换热面积的计算和换热系数的计算。
1、换热面积的计算换热面积的计算取决于需要传递的热量流率和温度差。
换热面积可以使用以下公式计算:A=Q/(UΔT)其中，A是换热面积，Q是需要传递的热量流率，U是换热系数，ΔT 是温度差。
2、换热系数的计算换热系数是衡量换热器性能的重要指标之一、换热系数可以通过经验公式、理论公式或实验方法进行计算。
第一讲 传热基础知识
Q q A
式中 A──总传热面积，m2。
二、稳态与非稳态传热 非稳态传热 Q , q , t f x , y , z , 稳态传热
Q , q, t f x , y , z
t 0
三、冷热流体通过间壁的传热过程
T1 Q t2
对流 导热 对流 冷 流 体
式中 K──总传热系数，W/(m2·℃)或W/(m2·K)； Q──传热速率，W或J/s； A──总传热面积，m2； tm──两流体的平均温差，℃或K。
2.4.2 热量衡算和传热速率方程间的关系
热流体 G1, T1,cp1,H1
t2 h2
冷流体 G2, t2,cp2,h1 T2 H2
无热损失： Q吸 Q放
t1
t T1 t2 T2 t1 A
t1 t 2 t m t1 ln t 2
t2
t1 T 1t 2
t 2 T2 t1
T1 t1 t t2 dt dA dT t t t1 T T2 t2
t1 T 1t 2
A
t 2 T2 t1
1）也适用于并流
2.4.6 壁温的计算
稳态传热 Q KAt m
T TW Tw tW tw t 1 b 1 1 A1 Am 2 A2
Q T 1 A1
tW
bQ TW Am
TW
tW
Q t 2 A2
1．大，即b/Am小，热阻小，tW=TW
2．当tW=TW，得
d1 1 1 b d1 1 d1 R1 R2 dm d2 2 d2 K 1
式中 R1、R2——传热面两侧的污垢热阻，m2·K/W。
列管换热器总传热系数K的经验数据
柴诚敬化工原理课后答案(05)第五章 传热过程基础
第五章 传热过程基础1．用平板法测定固体的导热系数，在平板一侧用电热器加热，另一侧用冷却器冷却，同时在板两侧用热电偶测量其表面温度，若所测固体的表面积为0.02 m 2，厚度为0.02 m ，实验测得电流表读数为0.5 A ，伏特表读数为100 V ，两侧表面温度分别为200 ℃和50 ℃，试求该材料的导热系数。
解：传热达稳态后电热器的加热速率应与固体的散热（导热）速率相等，即 Lt t SQ 21-=λ 式中 W 50W 1005.0=⨯==IV Qm 02.0C 50C 200m 02.0212=︒=︒==L t t S ，，， 将上述数据代入，可得()()()()C m W 333.0C m W 5020002.002.05021︒⋅=︒⋅-⨯⨯=-=t t S QL λ2．某平壁燃烧炉由一层400 mm 厚的耐火砖和一层200 mm 厚的绝缘砖砌成，操作稳定后，测得炉的内表面温度为1500 ℃，外表面温度为100 ℃，试求导热的热通量及两砖间的界面温度。
设两砖接触良好，已知耐火砖的导热系数为10.80.0006t λ=+，绝缘砖的导热系数为20.30.0003t λ=+，W /(m C)⋅︒。
两式中的t 可分别取为各层材料的平均温度。
解：此为两层平壁的热传导问题，稳态导热时，通过各层平壁截面的传热速率相等，即 Q Q Q ==21 （5-32） 或 23221211b t t S b t t SQ -=-=λλ （5-32a ） 式中 115000.80.00060.80.0006 1.250.00032t t t λ+=+=+⨯=+21000.30.00030.30.00030.3150.000152t t t λ+=+=+⨯=+代入λ1、λ2得2.0100)00015.0315.0(4.01500)0003.025.1(-+=-+t t t t解之得C 9772︒==t t())()C m W 543.1C m W 9770003.025.10003.025.11︒⋅=︒⋅⨯+=+=t λ则 ()22111m W 2017m W 4.09771500543.1=-⨯=-=b t t S Q λ3．外径为159 mm 的钢管，其外依次包扎A 、B 两层保温材料，A 层保温材料的厚度为50 mm ，导热系数为0.1 W /(m·℃)，B 层保温材料的厚度为100 mm ，导热系数为1.0 W /(m·℃)，设A 的内层温度和B 的外层温度分别为170 ℃和40 ℃，试求每米管长的热损失；若将两层材料互换并假设温度不变，每米管长的热损失又为多少？解：()()mW 150m W 100159100502159ln 0.11159502159ln 1.014017014.32ln 21ln 2123212121=++⨯++⨯+-⨯⨯=+-=r r r r t t L Q πλπλA 、B 两层互换位置后，热损失为()()mW 5.131m W 100159100502159ln 1.01159502159ln 0.114017014.32ln 21ln 2123212121=++⨯++⨯+-⨯⨯=+-=r r r r t t L Q πλπλ4．直径为57mm 3.5φ⨯mm 的钢管用40 mm 厚的软木包扎，其外又包扎100 mm 厚的保温灰作为绝热层。
第2章传热学基础
（2）多层平壁导热
多层平壁由几层不同 材料组成的平壁，见右 图。如：双面抹灰的砖 砌墙体。 设平壁为三层，厚 度分别为δ1、δ2、δ3， 导热系数为λ1、λ2、 λ3，各层通过的热量相 同。
∵q=(t1-t2)/R1 q=(t2-t3)/R2 q=(t3-t4)/R3 所以： (t1-t2)＝qR1 (t2-t3)=qR2 (t3-t4)=qR3 三式相加得： t1-t4=q(R1+R2+R3) 并且： 所以： q=(t1-t4)/(R1+R2+R3) t2＝t1+qR1 t3=t2-qR2 推广到n层平板导热： t4=t3-qR3 热流密度 q=(t1-tn+1)/∑Ri （多层平壁的总热阻等于各层热组的总和）．
二、传热的分类
热量传递过程分为稳态过程 和非稳态过程两大类。 （1）稳定热传递: 物体中各点温度不随时间而改 变的热传递过程。 （2）非稳定热传递: 物体中各点温度随时间而改 变的热传递过程。 各种设备在起动、停机和工况改变时的热 传递过程则属于非稳态过程，而在持续稳定运 行时的热传递过程属于稳态过程。所以大多数 设备都可认为在稳定运行条件下工作。 以后讨论的多为稳定热传递过程。
等温线 t
t+Δ t
t-Δ t
其中：i、j、k为x、y、z轴方向的单位向量。 （计算结果为负值时， 说明梯 度方向同x轴的正向相反）
x
二、热量
（1）热量与热流量定义：由于温差作用而通过接 触边界传递的能量，称为热量。单位时间内， 经面积F传递的热量叫热流量，通常用Q表示。 （2）热量与热流量的单位：热量单位为千焦耳 1千焦耳（kJ）=1000J 1J(焦耳)＝1 N· m(牛顿· 米) 如100ml牛奶的热量为251千焦耳 热量的又一种单位为千卡，也叫做大卡。等于 1000卡,亦即1千克水在1个大气压下，温度升高 1摄氏度所需的热量。1千卡＝4.19千焦耳，1千 焦耳=0.2394千卡。热流量单位为w=1j/s
传热过程基础知识
km
ki yiM1i /3 yiM1i /3
式中：yi－组分i的摩尔分率 Mi－组分i的分子量，kg/kmol
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5.3.4 平壁的稳态热传导
5.3.4.1 单层平壁的稳态热传导
前提条件：
S
平壁内材料均匀，导热系数k取平均值 t1 为常数；
Q
平壁内温度只沿垂直于壁面的x方向变
t2
化，等温面均为垂直于x轴的平面
温度梯度：相邻两等温面间温差△t与其距离△n之比的极限：
lim t t grad t
〖说明〗 n0 n n
grad t t+Δt
✓温度梯度为向量，其正方向为温度增加的 方向，与传热方向相反。
Δn t
✓稳定的一维温度场，温度梯度可表示为：
grad t dt dx
t-Δt Q
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5.3.2 热传导基本定律 -傅立叶定律
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5.1.4 传热速率与热通量
衡量传热的快慢用传热速率及热通量表示。
传热速率q：单位时间内通过传热面的热量，W 热通量q/S：每单位面积的传热速率，W/m2 〖说明〗
传热速率和热通量是评价换热器性能的重要指标。 ❖q↑，换热器性能愈好
由于传热面积具有不同的表示形式，因此同一传热速率所 对于的热通量的数值各不相同。计算时应标明选择的基准 面积。
实际进行的传热过程，往往不是上述三种基本方式单独出 现，而是两种或三种传热的组合，而又以其中一种或两种 方式为主。
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5.1.3 典型的传热设备
实现两流体换热过程的设备称为换热器
化工生产中遇到的多是两流体间的热交换。热交换是指热 流体经固体壁面(间壁)将热量传给冷流体的过程。
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第五章 传热过程基础1．用平板法测定固体的导热系数，在平板一侧用电热器加热，另一侧用冷却器冷却，同时在板两侧用热电偶测量其表面温度，若所测固体的表面积为0.02 m 2，厚度为0.02 m ，实验测得电流表读数为0.5 A ，伏特表读数为100 V ，两侧表面温度分别为200 ℃和50 ℃，试求该材料的导热系数。
解：传热达稳态后电热器的加热速率应与固体的散热（导热）速率相等，即Lt t SQ 21-=λ 式中 W 50W 1005.0=⨯==IV Qm 02.0C 50C 200m 02.0212=︒=︒==L t t S ，，， 将上述数据代入，可得()()()()C m W 333.0C m W 5020002.002.05021︒⋅=︒⋅-⨯⨯=-=t t S QL λ2．某平壁燃烧炉由一层400 mm 厚的耐火砖和一层200 mm 厚的绝缘砖砌成，操作稳定后，测得炉的内表面温度为1500 ℃，外表面温度为100 ℃，试求导热的热通量及两砖间的界面温度。
设两砖接触良好，已知耐火砖的导热系数为10.80.0006t λ=+，绝缘砖的导热系数为20.30.0003t λ=+，W /(m C)⋅︒。
两式中的t 可分别取为各层材料的平均温度。
解：此为两层平壁的热传导问题，稳态导热时，通过各层平壁截面的传热速率相等，即 Q Q Q ==21 （5-32） 或 23221211b t t S b t t SQ -=-=λλ （5-32a ） 式中 115000.80.00060.80.0006 1.250.00032t t t λ+=+=+⨯=+21000.30.00030.30.00030.3150.000152t t t λ+=+=+⨯=+代入λ1、λ2得2.0100)00015.0315.0(4.01500)0003.025.1(-+=-+t t t t解之得C 9772︒==t t()()()C m W 543.1C m W 9770003.025.10003.025.11︒⋅=︒⋅⨯+=+=t λ则 ()22111m W 2017m W 4.09771500543.1=-⨯=-=b t t S Q λ3．外径为159 mm 的钢管，其外依次包扎A 、B 两层保温材料，A 层保温材料的厚度为50 mm ，导热系数为0.1 W /(m·℃)，B 层保温材料的厚度为100 mm ，导热系数为1.0 W /(m·℃)，设A 的内层温度和B 的外层温度分别为170 ℃和40 ℃，试求每米管长的热损失；若将两层材料互换并假设温度不变，每米管长的热损失又为多少？解：()()mW 150m W 100159100502159ln 0.11159502159ln 1.014017014.32ln 21ln 2123212121=++⨯++⨯+-⨯⨯=+-=r r r r t t L Q πλπλA 、B 两层互换位置后，热损失为()()mW 5.131m W 100159100502159ln 1.01159502159ln 0.114017014.32ln 21ln 2123212121=++⨯++⨯+-⨯⨯=+-=r r r r t t L Q πλπλ4．直径为57mm 3.5φ⨯mm 的钢管用40 mm 厚的软木包扎，其外又包扎100 mm 厚的保温灰作为绝热层。
现测得钢管外壁面温度为120-℃，绝热层外表面温度为10 ℃。
软木和保温灰的导热系数分别为0.043⋅W/(m ℃)和0.07⋅W/(m ℃)，试求每米管长的冷损失量。
解：此为两层圆筒壁的热传导问题，则 ()()mW 53.24mW 04.00285.01.004.00285.0ln 07.010285.004.00285.0ln 043.011012014.32ln1ln 1π223212121-=+++++--⨯⨯=+-=r r r r t t L Q λλ 5．在某管壳式换热器中用冷水冷却热空气。
换热管为Φ25 mm×2.5 mm 的钢管，其导热系数为45 W/(m·℃)。
冷却水在管程流动，其对流传热系数为2 600 W/(m 2·℃)，热空气在壳程流动，其对流传热系数为52 W/(m 2·℃)。
试求基于管外表面积的总传热系数K ，以及各分热阻占总热阻的百分数。
设污垢热阻可忽略。
解：由o oo o m i i11K d d b d d αλα=++ 查得钢的导热系数 ()C m W 452︒⋅=λ2.5b =mm o 25d =mm ()mm 20mm 5.2225i =⨯-=d mm 5.22mm 22025m =+=d ))C m W 6.50C m W 02.02600025.00225.045025.00025.0521122o ︒⋅=︒⋅⨯+⨯⨯+=K壳程对流传热热阻占总热阻的百分数为o o o o150.6100%100%100%97.3%152K K αα⨯=⨯=⨯=管程对流传热热阻占总热阻的百分数为oo o i ii i o50.60.025100%100%100% 2.4%126000.02d K d d d K αα⨯⨯=⨯=⨯=⨯ 管壁热阻占总热阻的百分数为oo o m m o0.00250.02550.6100%100%100%0.3%1450.0225bd bd K d d K λλ⨯⨯⨯=⨯=⨯=⨯6．在一传热面积为40 m 2的平板式换热器中，用水冷却某种溶液，两流体呈逆流流动。
冷却水的流量为30 000kg/h ，其温度由22 ℃升高到36 ℃。
溶液温度由115 ℃降至55 ℃。
若换热器清洗后，在冷、热流体流量和进口温度不变的情况下，冷却水的出口温度升至40 ℃，试估算换热器在清洗前壁面两侧的总污垢热阻。
假设：（1）两种情况下，冷、热流体的物性可视为不变，水的平均比热容为4.174 kJ/(kg·℃)；（2）两种情况下，i o αα、分别相同；（3）忽略壁面热阻和热损失。
解：求清洗前总传热系数K()()C 7.52C 225536115ln225536115m ︒=︒-----=∆t())()C m W 231C m W 7.52403600223610174.430000223m ︒⋅=︒⋅⨯⨯-⨯⨯⨯=∆=t S Q K 求清洗后传热系数K '由热量衡算h p,h 12c p,c 21()()W C T T W C t t -=-h p,h 12c p,c 21()()W C T T W C t t ''-=- c p,c 2121h p,h()W C T T t t W C ''=-- ()()C 9.37C 22402236551151151212211︒=︒⎥⎦⎤⎢⎣⎡----=-'---=t t t t T T T ()()C 1.38C 229.3740115ln229.3740115m ︒=︒-----='∆t ()())C m W 8.410C m W 1.38403600224010174.430000223︒⋅=︒⋅⨯⨯-⨯⨯⨯=K清洗前两侧的总传热热阻W C m 109.1W C m 8.4101231111232S ︒⋅⨯=︒⋅⎪⎭⎫ ⎝⎛-='-=-∑K K R7．在一传热面积为25 m 2的单程管壳式换热器中，用水冷却某种有机溶液。
冷却水的流量为28 000kg/h ，其温度由25 ℃升至38 ℃，平均比热容为4.17 kJ/(kg·℃)。
有机溶液的温度由110 ℃降至65 ℃，平均比热容为1.72 kJ/(kg·℃)。
两流体在换热器中呈逆流流动。
设换热器的热损失可忽略，试核算该换热器的总传热系数并计算该有机溶液的处理量。
解：p,c 4.17C = kJ/(kg·℃)c p,c 21()Q W C t t =- ()W 1022.4W 25381017.436002800053⨯=-⨯⨯⨯=求m t ∆有机物 110 → 65———————————————— t ∆ 72 40 C 4.54C 4072ln 4072m ︒=︒-=∆t()()C m W 3.310C m W 4.54251022.4225︒⋅=︒⋅⨯⨯=K()()h kg 10963.1s kg 452.5kg 651101072.11022.443521h h ⨯==-⨯⨯⨯=-=K T T c Q W p 8．在一单程管壳式换热器中，用水冷却某种有机溶剂。
冷却水的流量为10 000 kg/h ，其初始温度为30 ℃，平均比热容为4.174 kJ/（kg·℃）。
有机溶剂的流量为14 000 kg/h ，温度由180 ℃降至120 ℃，平均比热容为1.72 kJ/（kg·℃）。
设换热器的总传热系数为500 W/(m 2·℃)，试分别计算逆流和并流时换热器所需的传热面积，设换热器的热损失和污垢热阻可以忽略。
解： ()()kW 3.401h kJ 104448.1h kJ 12018072.114000621h =⨯=-⨯⨯=-=T T Wc Q p冷却水的出口温度为C 61.64C 30174.410000104448.161c c 2︒=︒⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+⨯⨯=+=t c W Qt p 逆流时()()C 102.2C 9039.115ln39.25C 3012061.64180ln3012061.64180m ︒=︒=︒-----=∆t 223mm 854.7m 2.102500103.401=⨯⨯=∆=t K QS 逆 并流时()()C 97.94C 15039.55ln61.94C 3018061.64120ln3018061.64120m ︒=︒=︒-----=∆t 223m m 452.8m 97.94500103.401=⨯⨯=∆=t K Q S 逆9．在一单程管壳式换热器中，用冷水将常压下的纯苯蒸汽冷凝成饱和液体。
已知苯蒸汽的体积流量为1 600 m 3/h ，常压下苯的沸点为80.1 ℃，气化热为394 kJ/kg 。
冷却水的入口温度为20 ℃，流量为35 000 kg/h ，水的平均比热容为4.17 kJ/(kg·℃)。
总传热系数为450 W/(m 2·℃)。
设换热器的热损失可忽略，试计算所需的传热面积。
解：苯蒸气的密度为()33m kg 692.2m kg 1.8027308206.0781=+⨯⨯==RT PM ρh kg 2.4307h kg 692.21600h =⨯=WW 1071.4h kJ 10697.1h kJ 3942.430756h ⨯=⨯=⨯==γW Qc p,c 21()Q W C t t =-235350004.1710(20) 4.71103600t =⨯⨯-=⨯ 解出 231.6t =℃求m t ∆苯 80.1 → 80.1 水 31.6 20————————————————C 1.54C 5.481.60ln5.481.60m ︒=︒-=∆t225m m 3.19m 1.544501071.4=⨯⨯=∆=t K Q S10．在一单壳程、双管程的管壳式换热器中，水在壳程内流动，进口温度为30 ℃，出口温度为65 ℃。