化工原理(天大版)---(上册)第四章 传热
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化工原理_上下册_修订版_(夏清__陈常贵_着)_天津大学出版社 第四章 传热(新)
28
一、对流传热速率方程和对流传热系数
（一）对流传热速率方程 若以流体和壁面间的对流传热为例，对流传热速率方程可以 表示为
式中
dQ：局部对流传热速率，W； dS： 微分传热面积，m2; T： 换热器的任一截面上热流体的平均温度，℃； Tw：换热器的任一截面上与热流体相接触一侧的壁面温度，℃； α ： 比例系数，又称局部对流传热系数，W/(m2· ℃)。
第四章 传
热
1
4.1 概述
传热：由温差引起的能量传递。 自发过程：热量从高温传递到低温。
一、化工生产的传热问题
化工生产需要大规模地改变物质的化学性质和物理性质，而 这些性质的变化都涉及热能的传递。 化学反应：向反应器提供热量或从反应器移走热量； 蒸发、蒸馏、干燥：按一定的速率向这些设备输入热量；
高温或低温设备：隔热保温，减少热损失；
空气自然 气体强制 对流 对流 5~25 20~100 水自然 对流 20~ 1000 水强制 对流 1000~ 15000 水蒸汽 冷凝 5000~ 15000 有机蒸 汽冷凝 500~ 2000 水沸腾 2500~ 25000
34
§4-3-3 保温层的临界厚度
t1 t f 总推动力 Q ln r0 r1 1 总热阻 2L 2Lr0
7
三、间壁式换热和间壁式换热器
冷、热流体被固体壁面所隔开，分别在固体壁面两侧 流动。冷、热 流体通过间壁进行热量交换。 1、套管式换热器
8
2、列管式换热器
9
单程列管式换热器
1— 外壳 2—管束 3、4—接管 5—封头 6—管板 7—挡板
双程列管式换热器
1—壳体 2—管束 3—挡板 4—隔板
10
牛顿冷却定律。
一、对流传热速率方程和对流传热系数
（一）对流传热速率方程 若以流体和壁面间的对流传热为例，对流传热速率方程可以 表示为
式中
dQ：局部对流传热速率，W； dS： 微分传热面积，m2; T： 换热器的任一截面上热流体的平均温度，℃； Tw：换热器的任一截面上与热流体相接触一侧的壁面温度，℃； α ： 比例系数，又称局部对流传热系数，W/(m2· ℃)。
第四章 传
热
1
4.1 概述
传热：由温差引起的能量传递。 自发过程：热量从高温传递到低温。
一、化工生产的传热问题
化工生产需要大规模地改变物质的化学性质和物理性质，而 这些性质的变化都涉及热能的传递。 化学反应：向反应器提供热量或从反应器移走热量； 蒸发、蒸馏、干燥：按一定的速率向这些设备输入热量；
高温或低温设备：隔热保温，减少热损失；
空气自然 气体强制 对流 对流 5~25 20~100 水自然 对流 20~ 1000 水强制 对流 1000~ 15000 水蒸汽 冷凝 5000~ 15000 有机蒸 汽冷凝 500~ 2000 水沸腾 2500~ 25000
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§4-3-3 保温层的临界厚度
t1 t f 总推动力 Q ln r0 r1 1 总热阻 2L 2Lr0
7
三、间壁式换热和间壁式换热器
冷、热流体被固体壁面所隔开，分别在固体壁面两侧 流动。冷、热 流体通过间壁进行热量交换。 1、套管式换热器
8
2、列管式换热器
9
单程列管式换热器
1— 外壳 2—管束 3、4—接管 5—封头 6—管板 7—挡板
双程列管式换热器
1—壳体 2—管束 3—挡板 4—隔板
10
牛顿冷却定律。
化工原理课件：第4章 传热
二、通过多层圆筒壁的定态热传导
以三层为例：
Q＝ 2πl(t1 t2 ) 2πl(t2 t3)
1 ln r2
1 ln r3
1 r1
2 r2
2πl(t3 t4 ) 1 ln r4
3 r3
2πl(t1 t4 ) 3 1 ln ri1
i1 i
ri
对于n层圆筒壁：
Q＝
2πl
n
(t1 1
➢ 金属（优良导电/热体）：靠自由电子运动
➢不良导体（固）和大多数液体：靠晶格振动（原子、 分子在其平衡位置附近的振动、碰撞等）
➢气体：靠分子的不规则运动和碰撞。
导热一般在固体、静止或滞流流体中进行,而不能在 真空中进行。
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：因温差引起流体流动；
机理：由于流体各部分温度的不均匀分布，造成密度 的差异，在浮力的作用下，流体发生相对流动，形成 热量的交换。 ➢强制对流：人为促使流体流动（滞、湍）。 靠施加外力的办法强迫流体流动
➢对流传热：流体与固体壁面之间的传热过程。 由导热和对流两种传热方式共同参与的传热称对流换 热。即：对流传热=导热+对流
对于定态温度场
Qr Qrdr Q const
傅立叶定律 Q A dt
dr
Q 2rl dt
dr
边界条件 r r1，t t1
r r2，t t2
得：
r2
Qdr
t2 2rldt
r1
t1
不随t而变时
Q 2l(t1 t2 ) 2l(t1 t2 )
ln r2
1 ln r2
➢在单位面积内，同样的距离下，△t↑，传递的热 量↑。在诸多方向中，沿垂直等温面的方向上的 （△t/△n）最大，传热强度也最大。
《化工原理》第4章 传热.ppt
由于在热流方向上Q、、A均为常量，故分离变量后积分，
得
t2 dt Q
dx
t1
A 0
t2
t1
Q A
Q A(t1 t2 )
Q t1 t2 t
/ A R
通常式（4-8）也可以表示为
q Q t1 t2
A /
（4-7） （4-8）
（4-9）
12
第4章 传热
2.多层平壁稳定热传导
5
第4章 传热
1.内管 2.外管 图4-l 套管换热器中的换热
6
第4章 传热
在换热器中，热量传递的快慢可用以下指标来表示。 （1）传热速率Q(又称热流量)：指单位时间内通过传热面的 热量，单位为W。传热速率是换热器本身在一定操作条件下 的换热能力，是换热器本身的特性。 （2）热负荷Q：指换热器中单位时间内冷、热流体间所交换 的热量，单位为W。热负荷是生产要求换热器应具有的换热 能力，设计换热器时通常将传热速率与热负荷在数值上视为 相等。 （3）热通量q（又称热流密度）：指单位时间内通过单位传 热面积所传递的热量，即单位传热面积的传热速率，单位为 W／㎡。
Q A dt
(4-4)
dx
2.导热系数
导热系数在数值上等于单位温度梯度下
通过单位导热面积所传导的热量。故导
热系数是表示物质导热能力大小的一个
参数，是物质的物性。越大，导热越快。
图4-2通过壁面的热传导
10
第4章 传热
4.2.2平壁的稳定热传导
1.单层平壁导热
设有一高度和宽度很大的平壁，
厚度为。假设平壁材料均匀，导
7
第4章 传热
4.1.4 传热速率式
化工生产中经常遇到加热或冷却的传热过程。单位时间内通 过换热器传递的热量与换热面积成正比，且与冷热流体之间 的平均温度差成正比。即有
化工原理 第四章 传热资料
n
t n
→温度梯度标量，亦称温度梯度。
传热－热传导
2. 傅立叶（Fourier）定律 傅立叶定律→即导热的基本定律，指通过等温表面的导热速率与温 度梯度及传热面积成正比。
dQ
t n
dS
dQ
t n
dS
F u S y
① 傅立叶定律 与牛顿黏性定律类似。 ② 。 ③ 热量传递过程与动量传递过程类似。
注意→气体很小，有利于保温、绝热，如玻璃棉。
传热－热传导
3. 平壁导热 ① 单层平壁
Q
dt dx
S
x 0，t t1；
x b，t t2；
t1 t2
单层平壁导热
假设→①稳态、一维导热。 ②λ不随温度变化。 ③不计热损失。
Q
S b
t1
t2
Q t t1 t2 R b
Rb
S
S
q
Q S
q dQ dS
因S有三种形式，计算q时须 注明选择的基准面积。
传递速率
推动力 阻力
传热速率＝传热推动力温度差
热阻
Q t ；q t
R
R'
R Q ；R Q
传热－基本概念
6. 稳态传热与非稳态传热 稳态传热→传热系统中不积累能量的传热过程，特点是温度分布不随 时间而变，Q Const 。非稳态传热→传热系统中温度分布随时间而变化 的传热过程。 连续生产中的传热多为稳态传热；间歇操作的换热和连续生产时设备 的开工和停工阶段为非稳态传热。
典型的导热方式→固体中的热传导
传热－基本概念
② 热对流 热对流→简称对流，指流体各部分之间发生相对位移引起的热传递。 对流仅发生在流体中，有自然对流和强制对流两种形式。 自然对流→流体各处温度不同而引起密度差异，轻者↑，重者↓，流体 质点发生相对位移。强制对流→因泵或搅拌所致的质点强制运动。 对流传热→亦称给热，指流体流过固体表面时发生热对流和热传导的 联合传热。特点是壁面处流体靠导热传热，主体区靠对流来传热。
t n
→温度梯度标量，亦称温度梯度。
传热－热传导
2. 傅立叶（Fourier）定律 傅立叶定律→即导热的基本定律，指通过等温表面的导热速率与温 度梯度及传热面积成正比。
dQ
t n
dS
dQ
t n
dS
F u S y
① 傅立叶定律 与牛顿黏性定律类似。 ② 。 ③ 热量传递过程与动量传递过程类似。
注意→气体很小，有利于保温、绝热，如玻璃棉。
传热－热传导
3. 平壁导热 ① 单层平壁
Q
dt dx
S
x 0，t t1；
x b，t t2；
t1 t2
单层平壁导热
假设→①稳态、一维导热。 ②λ不随温度变化。 ③不计热损失。
Q
S b
t1
t2
Q t t1 t2 R b
Rb
S
S
q
Q S
q dQ dS
因S有三种形式，计算q时须 注明选择的基准面积。
传递速率
推动力 阻力
传热速率＝传热推动力温度差
热阻
Q t ；q t
R
R'
R Q ；R Q
传热－基本概念
6. 稳态传热与非稳态传热 稳态传热→传热系统中不积累能量的传热过程，特点是温度分布不随 时间而变，Q Const 。非稳态传热→传热系统中温度分布随时间而变化 的传热过程。 连续生产中的传热多为稳态传热；间歇操作的换热和连续生产时设备 的开工和停工阶段为非稳态传热。
典型的导热方式→固体中的热传导
传热－基本概念
② 热对流 热对流→简称对流，指流体各部分之间发生相对位移引起的热传递。 对流仅发生在流体中，有自然对流和强制对流两种形式。 自然对流→流体各处温度不同而引起密度差异，轻者↑，重者↓，流体 质点发生相对位移。强制对流→因泵或搅拌所致的质点强制运动。 对流传热→亦称给热，指流体流过固体表面时发生热对流和热传导的 联合传热。特点是壁面处流体靠导热传热，主体区靠对流来传热。
化工原理天大版第四章_传热2
三、热辐射（辐射传热）
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。
4.1.2 冷热流体热交换的方式
1.直接接触式换热
2.蓄热式换热
3.间壁式换热
对某些过程，例如气体的冷 却或水蒸气的冷凝等，可使热、冷 流体直接混合进行热交换。这种换 热方式的优点是传热效果好，设备 结构简单。所采用的设备称为混合 式换热器。显然，仅对于工艺上允 许两流体互相混合的情况，才能采 用这种换热方式。直接接触换热的 机理比较复杂，它在进行传热的同 时往往伴有传质过程。 图4-1所示的为混合式冷凝器 ，其中图(b)较内逆流流动，上升蒸汽 与自上部喷淋下来的冷却水相接触 而冷凝，冷凝液与冷却水沿气压管 向下流动。由于冷凝器通常与真空 蒸发器相连，器内压强为10～ 20kPa，因此气压管必须有足够的 高度，一般为10－11m。
4.1 概 述
4.1.1 传热基本方式
4.1.2 冷热流体热交换的方式
4.1.3 典型的间壁式换热器 4.1.4 传热速率和热通量
4.1.5 稳态传热和非稳态传热
化工生产中的传热过程
传热过程：系统内温度的差异使热量从高温 向低温转移的过程。 化工生产对传热的要求
①强化传热过程
②削弱传热过程
4.1.1 传热基本方式
图4-1 混合式冷凝器 (a)并流低位冷凝器 (b)干式逆流高位冷凝器
1一外壳 2一淋水板 3、8一气压管 4一蒸汽进口 5一进水口6－不凝气出口 7一分离罐
蓄热式换热是在 蓄热器中实现热交换 的一种换热方式。蓄 热器内装有固体填充 物(如耐火砖等)，热 、冷流体交替地流过 蓄热器，利用固体填 充物来积蓄和释放热 量而达到换热的目的 。通常在生产中采用 二个并联的蓄热器交 替地使用，如图所示 。
化工原理 第四章 传热过程超详细讲解
液体：α＜0,t↑,λ↓ 。 ∵t↑液体膨胀,分子距离加大，碰撞↓ 气体：α＞0, t↑,λ↑。 ∵ t ↑, 分子能量↑ 碰撞 ↑。 λ金属>λ非金属，λ固>λ液>λ气，λ结构紧密>λ结构松散
泡沫保温 材料
三、平面壁的稳定热传导——特点
1 单层平面壁，如P105图
∴ A
(t1 t 2) At
例4-11 Δtm逆 =54.9℃ Δtm并=39.1℃ Δtm逆 /Δtm并=54.9/39.1 =1.404 在Φ, K相同时：A并/A逆=Δtm逆/Δtm并＞1 A并>A逆 在A, K相同时：Φ逆/Φ并=Δtm逆 /Δtm并＞1 Φ逆>Φ并 据Φ=MCpΔt`，在Φ相同时，逆流可减少热载体的用量， 即M逆<M并。
(2)Δt1/Δt2 =R1/R2=
即各层的温降与其热阻成正比。
1 2 t1 t4 (3) t 2 t 1 t3 t2 t2 2 3 i A 1 A2 2 i 1 i
——可求夹层间的温度。
(4)在不知A时, 可求单位传热面积的传热速率—热流密度
五、总传热系数K
∴单层
1 1 K rm rm rm r 2 r1 rm 1 r 1 2 r 2 1r 1 2 r 2
多层圆简壁一般不用Φ=KAm (T- t) 的形式,而直接使用公式。
i
rmi
ri 1 ri 1 ln ln ri 1 ri ri ri
对数平均半径。当r2 /r1<1.2 时，可用算术
平均半径 rm=(r2+r1)/2代替。
2 、多层圆简壁 如图：各层都相当于单层圆筒壁，仿多层平面壁推导有：
泡沫保温 材料
三、平面壁的稳定热传导——特点
1 单层平面壁，如P105图
∴ A
(t1 t 2) At
例4-11 Δtm逆 =54.9℃ Δtm并=39.1℃ Δtm逆 /Δtm并=54.9/39.1 =1.404 在Φ, K相同时：A并/A逆=Δtm逆/Δtm并＞1 A并>A逆 在A, K相同时：Φ逆/Φ并=Δtm逆 /Δtm并＞1 Φ逆>Φ并 据Φ=MCpΔt`，在Φ相同时，逆流可减少热载体的用量， 即M逆<M并。
(2)Δt1/Δt2 =R1/R2=
即各层的温降与其热阻成正比。
1 2 t1 t4 (3) t 2 t 1 t3 t2 t2 2 3 i A 1 A2 2 i 1 i
——可求夹层间的温度。
(4)在不知A时, 可求单位传热面积的传热速率—热流密度
五、总传热系数K
∴单层
1 1 K rm rm rm r 2 r1 rm 1 r 1 2 r 2 1r 1 2 r 2
多层圆简壁一般不用Φ=KAm (T- t) 的形式,而直接使用公式。
i
rmi
ri 1 ri 1 ln ln ri 1 ri ri ri
对数平均半径。当r2 /r1<1.2 时，可用算术
平均半径 rm=(r2+r1)/2代替。
2 、多层圆简壁 如图：各层都相当于单层圆筒壁，仿多层平面壁推导有：
化工原理第四章对流传热41页PPT
Re
lu
普兰德数 (Prandtl number)
Pr c p
表示惯性力与粘性力之比， 是表征流动状态的准数
表示速度边界层和热边界层 相对厚度的一个参数，反映
与传热有关的流体物性
影响 较大的物性常数有：，， Cp ，。 （1）的影响 ； （2）的影响 Re ；
（3）Cp的影响 Cp 则单位体积流体的热容量大，
则较大； （4）的影响 Re 。
2020/3/29
3、流动型态 【层流】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】由于质点充分混合且层流底层变薄，较大
2020/3/29
2、有效膜模型
（1）流体与固体壁面之间存在一个厚度为bt的虚拟 膜（流体层），称之为有效膜； （2）有效膜集中了传热过程的全部传热温差的以及 全部热阻，在有效膜之外无温差也无热阻存在（所 有的热量传递均产生在有效膜内）； （3）在有效膜内，传热以热传导的方式进行。
2020/3/29
2020/3/29
二、对流传热速率方程 1、什么是模型法
【定义】把复杂问题简单化、摒弃次要的条件，抓 住主要的因素，对实际问题进行理想化处理，构建 理想化的物理模型，获得某一过程的有关规律。具 体方法为： （1）对过程进行合理的简化； （2）获得物理模型（构象）； （3）对物理模型进行数学描述，获得有关规律。
过程的因素都归结到了当中。
2020/3/29
三、影响对流传热系数的因素
1、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
成的液体内部环流，一般u较小，也较小。
【强制对流】在外力作用下引起的流动运动，一般u
较大，故较大。因此：
天津大学版化工原理第四章热传导ppt 课件
3
或：
dt dt a bt 2rl dr dr Q ln r ＝2 at t b t 2 t 2 1 1 l r1 2 175 0.000198 2 128.6 ln ＝2 0.103180 t 3 180 2 t 3 75 2 导热：Q＝－A
y：组分的摩尔分率
二. 平壁的稳定热传导
1、单层平壁的稳定热传导
二. 平壁的稳定热传导 1、单层平壁的稳定热传导 b t2 dt Q dx S dt Q S 0 t1 dx
S (t1 t2 ) t1 t2 t Q b b / S R
传热推动力 传热速率＝ 传热阻力 若对傅立叶定律进行不定积分 x t Q 传热推动力：温度差
r2 dr t2 dt dt Q S 2rl Q 2l dt r1 r t1 dr dr
t1 t 2 t1 t 2 r2 r1 Q 2l 令rm r2 ln( r2 r1 ) r 2 ln ln r1 r1 2l 2l (r2 r1 ) (t1 t 2 ) 2l (r2 r1 ) (t1 t 2 ) S 2lr 或Q m m r2 r2 (r2 r1 ) ln b ln r1 r1
t 总推动力 (t1 t4 ) Q b b1 b R 总热阻 2 3 1S m1 2 S m 2 3 S m3 也可写为： Q t1 t 4 ln r2 / r1 ln r3 / r2 ln r4 / r3 2l1 2l2 2l3
对n层圆筒壁
例题
• 例4-1 有一燃烧炉，炉壁由三种材料组成。最内层 是耐火砖，中间为保温砖，最外层为建筑砖。已知 • 耐火砖 b1=150mm λ1=1.06W/m· ℃ • 保温砖 b2=310mm λ2=0.15W/m· ℃ • 建筑砖 b3=240mm λ3=0.69W/m· ℃ • 今测得炉的内壁温度为1000℃，耐火砖与保温砖之 间界面处的温度为946℃。试求： • (a)单位面积的热损失； • (b)保温砖与建筑砖之间界面的温度； • (c) 建筑砖外侧温度。
或：
dt dt a bt 2rl dr dr Q ln r ＝2 at t b t 2 t 2 1 1 l r1 2 175 0.000198 2 128.6 ln ＝2 0.103180 t 3 180 2 t 3 75 2 导热：Q＝－A
y：组分的摩尔分率
二. 平壁的稳定热传导
1、单层平壁的稳定热传导
二. 平壁的稳定热传导 1、单层平壁的稳定热传导 b t2 dt Q dx S dt Q S 0 t1 dx
S (t1 t2 ) t1 t2 t Q b b / S R
传热推动力 传热速率＝ 传热阻力 若对傅立叶定律进行不定积分 x t Q 传热推动力：温度差
r2 dr t2 dt dt Q S 2rl Q 2l dt r1 r t1 dr dr
t1 t 2 t1 t 2 r2 r1 Q 2l 令rm r2 ln( r2 r1 ) r 2 ln ln r1 r1 2l 2l (r2 r1 ) (t1 t 2 ) 2l (r2 r1 ) (t1 t 2 ) S 2lr 或Q m m r2 r2 (r2 r1 ) ln b ln r1 r1
t 总推动力 (t1 t4 ) Q b b1 b R 总热阻 2 3 1S m1 2 S m 2 3 S m3 也可写为： Q t1 t 4 ln r2 / r1 ln r3 / r2 ln r4 / r3 2l1 2l2 2l3
对n层圆筒壁
例题
• 例4-1 有一燃烧炉，炉壁由三种材料组成。最内层 是耐火砖，中间为保温砖，最外层为建筑砖。已知 • 耐火砖 b1=150mm λ1=1.06W/m· ℃ • 保温砖 b2=310mm λ2=0.15W/m· ℃ • 建筑砖 b3=240mm λ3=0.69W/m· ℃ • 今测得炉的内壁温度为1000℃，耐火砖与保温砖之 间界面处的温度为946℃。试求： • (a)单位面积的热损失； • (b)保温砖与建筑砖之间界面的温度； • (c) 建筑砖外侧温度。
化工原理第四章传热42PPT课件
⑤流体传热时的相变化 相变会引起与壁面接触处流体的运动形式改变，如加剧搅
动。一般来讲，相变有利于传热。这就是用蒸汽加热的原因之 一。
空气自 气体强 水自然 水强制 水蒸汽 有机蒸 水沸腾 然对流 制对流 对流 对流 冷凝 汽冷凝
5~25 20~100 20~ 1000~ 5000~ 500~ 2500~
d. 普兰特（Prandtl）准数
Pr c p
反映流体物性对对流传热的影响。
气体：小于1接近1 ，液体：大于1 。
e.定性温度 取什么温度查取所需物性： ,,cp,
1、因给热热阻主要集中在层流内层，所以定性温度取平
均膜温
tm
tm
tw t 2
2、广泛使用：t m =流体主体的平均温度
例如：管流：
1000 15000 15000 2000 25000
⑥壁面的形状、排列方式和尺寸 流体流过固体表面的状况对流体的流动有影响，同时影响
热边界的形成和发展。当管长增加时，传热边界层中温度分 布将逐渐变得更为平坦，当通过很长的管长时，温度梯度会 消失，此时传热也就停止了。所以管子的尺寸和形状对α有较 大的影响。管子排列时：错列的a高于直列
况进行换热）。
②流体的对流状态：强制对流自然对流时a为大。 a
t
③流体的物理性质
如导热系数、热容、膨胀系数、密度和粘度等，其中导
热系数、热容、密度、膨胀系数增大对传热有利；而粘度大，
则滞流层厚，对流传热系数变小。
④传热的温度 温度对流体的物理性质有显著的影响。因此，壁面和流
体的温度以及两者的温度差对给热系数有间接但是明显的影 响。如粘度随温度的升高而降低，在其他条件不变的情况下， 热边界层减薄，有利于传热 。因此在使用物理参数时，要考 虑温度。
动。一般来讲，相变有利于传热。这就是用蒸汽加热的原因之 一。
空气自 气体强 水自然 水强制 水蒸汽 有机蒸 水沸腾 然对流 制对流 对流 对流 冷凝 汽冷凝
5~25 20~100 20~ 1000~ 5000~ 500~ 2500~
d. 普兰特（Prandtl）准数
Pr c p
反映流体物性对对流传热的影响。
气体：小于1接近1 ，液体：大于1 。
e.定性温度 取什么温度查取所需物性： ,,cp,
1、因给热热阻主要集中在层流内层，所以定性温度取平
均膜温
tm
tm
tw t 2
2、广泛使用：t m =流体主体的平均温度
例如：管流：
1000 15000 15000 2000 25000
⑥壁面的形状、排列方式和尺寸 流体流过固体表面的状况对流体的流动有影响，同时影响
热边界的形成和发展。当管长增加时，传热边界层中温度分 布将逐渐变得更为平坦，当通过很长的管长时，温度梯度会 消失，此时传热也就停止了。所以管子的尺寸和形状对α有较 大的影响。管子排列时：错列的a高于直列
况进行换热）。
②流体的对流状态：强制对流自然对流时a为大。 a
t
③流体的物理性质
如导热系数、热容、膨胀系数、密度和粘度等，其中导
热系数、热容、密度、膨胀系数增大对传热有利；而粘度大，
则滞流层厚，对流传热系数变小。
④传热的温度 温度对流体的物理性质有显著的影响。因此，壁面和流
体的温度以及两者的温度差对给热系数有间接但是明显的影 响。如粘度随温度的升高而降低，在其他条件不变的情况下， 热边界层减薄，有利于传热 。因此在使用物理参数时，要考 虑温度。
天津大学版 化工原理 第四章 5传热计算课件
t2逆max=T1, t2并max＝T2， t2 并<t 2逆
t1
T2 t2并 t1
(b)冷却介质的出口温度：
A
t2↑→用量↓→操作费用↓， 但 △tm↓→A↑→设备费↑ (c)流速的选择：u↑→α↑→K↑→A↓→设备费↓，
但△p阻↑→操作费↑
(2).操作型问题
• 已知换热器的传热面积A及有关尺寸，冷热流体的进口 温度、流动方式，求冷热流体的出口温度
•
G1′cp1( T1-T2′)= 2G2cp2(t2′-t1)
•
t2′-t1= G1cp1/2G2cp2 ( T1-T2′)
(b)
• 根据水量增加之前的条件计算
•
G1cp1/ G2cp2 = t2-t1/ T1-T2=(90-15)/(120-80)=1.88
• 将此值代入(b)式，得
• t2′- t1=(1.88/2)( T1-T2′)=0.94* (T1-T2′)
qm1c p1 t2 t1 85 20 2.17 q m2 c p2 T1 T2 100 70
T2
c.并流较易控制流体的出口温度 t1
t2并 t1
A
（2）错流和折流时的平均温差
简单折流
一种流体作折流流动， 另一种流体不折流，或 仅沿一个方向流动。
错流
错流是指两流体在间壁两 侧彼此的流动方向垂直；
复杂折流
若两种流体都作折流流 动或既有错流又有折流， 称为复杂折流。
错流或折流时的平均温差，通常是先按逆流求 算，然后再根据流动型式加以修正
（1）查取：从手册和专著中获得，如《化工工艺设 计手册》
（2）实验测定
五、壁温的估算
若管内外流体的平均温度分别为ti和to，给热系数分别为 a i
化工原理第四章传热-PPT课件
L
根据傅立叶定律，对此薄圆筒层可写出传导的热量为
dt dt Q A 2 rL dr dr
边界条件 得：
r 2 r 1
r r 时 ， t t 1 1
t2 t 1
r r 时 ， t t 2 2
d r r l d t Q 2
2 l ( t t2) 2 l ( t t2) 1 1 Q r 1 r 2 2 l n l n r r 1 1
热对流(convection);
热辐射(radiation)。
1、热传导 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
特点：静止介质中的传热，没有物质的宏观位移
2、热对流
流体各部分之间发生相对位移所引起的热传递过程称为热 对流。热对流仅发生在流体中。
的x轴方向变化，故等温面皆为垂 直于x轴的平行平面。
平壁侧面的温度t1及t2恒定。Fra biblioteko b
x
取dx的薄层，作热量衡算：
傅立叶定律： 边界条件为：
dt Q A dx
x 0 时 ， t t 1
得：
x b 时， t t 2
b
0
Q d x
t2
t1
A d t
t1 t2 Q A (t1 t2) 不随t而变 b b 式中 Q ── 热流量或传热速率，W或J/s； A
4.2 热传导
一、 傅立叶定律
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.
物体的温度分布是空间坐标和时间的函数，即
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为圆筒的平均半径 r m
r2 r1 ln r2
r1
rm：以圆筒的导热速率与平壁的导热速率相等而得到的平均半径
4-2-4 圆筒壁的热传导
Sm的另一种表示方式
Sm2lrl2n rr212 lln (2 r2 lrr21)sl2n ss21
r1
2l1 r
s1
圆筒壁热阻的另一种表示方式
o 接触热阻
4-2-4 圆筒壁的热传导
一 单层圆筒壁的热传导
温度仅沿半径方向有变化，且为定态的一维热传导
取半径为r，厚度dr，温度差dt的微圆筒 传热面积：2πrl
根据傅立叶定律：
Qsd t2rldt
dr
dr
rr12Qrdr2ltt12dt
Q
2l(t1 ln r2
t2
)
单层圆筒壁的热传导公式
r1
对流传热分析
4-3-2 对流传热机理
热边界层
tw-t=0.99（tw-t） 边界层后度：δt
流动边界层δ >热边界层δt
dQ(ddyt)wds (TT w)ds
T T w(d d)y tw t(d d)y tw
导热系数的物理意义
dQ
dQds t n
dQ ds t
ds t
n n
dQ
热通量
ds
λ ：单位温度梯度下的热通量
λ为物质的物理性质 λ金属> λ非金属> λ液体> λ气体
4-2-2 导热系数
固体导热系数
金属
纯度：纯度越高λ越大 T： T λ
非金属
ρ：ρ λ T：T λ
– 大多数固体： λ= λo（1+α´t）
4-2-4
Q 2l(t1 t2 ) ln r2 r1
圆筒壁的热传导
Q
t1 t2 ln r2
t1 t2 R
R
r1
2l
ln r2 r1
2 l
把单层圆筒壁的热传导写成平壁热传导形式
Qt1 t2 Sm(t1 t2) 2l (t1 t 2 )
b
r2 r1
ln r2
Sm
Sm
2l
r2 r1 ln r2
gradtlimt t n0n n
温度梯度是向量，其正方向垂直于等温面为温度升高的方向
二 傅立叶定律
▪ 单位时间内传导的热量与温度梯度及垂直于热流方向的 截面成正比
dQds t n
Q：导热速率，方向与温度梯度的方向相反，W
S：等温面的面积，m2
dQds t n
λ ：导热系数，W/（m·℃ ）
4-2-2 导热系数
平壁间的热传导公式
x
Qt2
t1 b
t R
推阻动力力Rbs,导热热 ,C/W 阻
s
热通 q量 Qt2t1t,Rb s b R
m2 ℃ /W
4-2-3 通过平壁的稳态热传导
二 多层平壁的热传导
t1> t2> t3> t4
t1
t2 t3
λ1
λ2
t4 λ3
定态导热时，Q=Q1=Q2=Q3
QQ 1t1b 1t2Q 2t2b 2t3Q 3t3b 3t4
化工原理(天大版）---（上册）第四章 传热
4.1 概述
热载体及其选择
– 载热体的温度易调节控制 – 载热体的饱和蒸汽压较低，加热时不易分解 – 载热体的毒性小，不易燃、易爆，不易腐蚀设备 – 价格便宜，来源容易
4.2 热传导
4-2-1 基本概念及傅立叶定律
一 温度场和温度梯度
1) 温度场 tf(x,y,z,)
对于金属， α´<0 对于非金属α´ >0
液体导热系数
气体导热系数
T： T λ P： P λ
4-2-3 通过平壁的稳态热传导
一单层平壁的热传导
y
假设：i. λ为常数或取壁面范围内的平均值
ii. 平壁面积与厚度相比无限大
根据傅立叶定律： Qs dt
Q0bdxstt12dt
dx
Qbs(t2 t1)
二 多层圆筒壁的热传导
λ3
b1=r2-r1， b2=r3-r2， b3=r4-r3
Q
t1t2t3 b1 b2 b3
t1t4 R 1R2R3
1sm 1 2sm 2 3sm 3
λ2 λ1
Q 1 2 l l1 ( t r n 1 2 t2 ) 2 1 l( t l1 r n 2 t2 ) Q 2 2 1 l( t l2 r n 3 t3 ) Q 3 2 1 l( t l3 r n 4 t4 )
1s
2s
3s
Qt1t2t3 t1t4
b1 b2 b3 b1 b2 b3
1s 2s 3s 1s 2s 3s
n
对 n层平壁，程 热式 传 Q b ： t导 11 b t2速 2 率 b tn n 方 i n 1 R tii
1s 2s
ns i1
4-2-3 通过平壁的稳态热传导
二 多层平壁的热传导
对流传热的分类
– 流体无相变的对流传热
• 强制对流传热 • 自然对流传热
– 流体有相变的对流传热
• 蒸汽冷凝 • 液体沸腾
4-3-1 对流传热速率方程和对流传热系数
一 对流传热速率方程
d Q (T T w )d
sT
1
T
w
牛顿冷却定律
ds
Qts
t 1
推动力 阻力
s
Q：对流传热速率，W
T TW
非定态温度场： 定态温度场：
当t 0， t t0时 y z
t 0 t 0
t f(x)
tf(x,y,z,) tf(x,y,z)
定态的一维温度场
2) 等温面
✓ 任何温度不同的等温面彼此不相交 ✓ 在等温面上的任何点之间无热量传递 ✓ 不同温度的等温面之间有热传递
3) 温度梯度
4)
t和t+t两等温面间的垂直距离n
α ：平均对流传热系数，W/（m2·℃）
R 1 S
4-3-1 对流传热速率方程和对流传热系数
二 对流传热系数的物理意义
Q 单位温度差下、单位传热面积的对流传热速率 st
影响对流传热系数的因素：
▪ 流体有无相变 ▪ 流体流动的原因 ▪ 流体流动状态 ▪ 流体的物性 ▪ 传热壁面的情况
4-3-2 对流传热机理
R b r2 r1 Sm Sm
对数平均值
x1/x2比值越大时，（对数平均值/算术平均值）越大 当x1/x2 =2时，算术平均值与对数平均值相比，计算误差为4% 当x1/x2 <2时，算术平均值与对数平均值相比，计算误差小于4% 当x1/x2 <2时，可用算术平均值代替对数平均值
4-2-4 圆筒壁的热传导
r 1
1 r 1
2 r 2
3 r 3
Q1lnr2
2l(t1t4) 1lnr3 1lnr4
1 r1 2 r2 3 r3
说明 Q1=Q2=Q3=Q4 Q=2πr1Lq1= 2πr2Lq2= 2πr3Lq3 r1q1=r2q2=r3q3 q1>q2 >q3
4.3 对流传热概述
对流传热
– 流体与流体间传热 – 流体与固体壁面间的传热
r2 r1 ln r2
r1
rm：以圆筒的导热速率与平壁的导热速率相等而得到的平均半径
4-2-4 圆筒壁的热传导
Sm的另一种表示方式
Sm2lrl2n rr212 lln (2 r2 lrr21)sl2n ss21
r1
2l1 r
s1
圆筒壁热阻的另一种表示方式
o 接触热阻
4-2-4 圆筒壁的热传导
一 单层圆筒壁的热传导
温度仅沿半径方向有变化，且为定态的一维热传导
取半径为r，厚度dr，温度差dt的微圆筒 传热面积：2πrl
根据傅立叶定律：
Qsd t2rldt
dr
dr
rr12Qrdr2ltt12dt
Q
2l(t1 ln r2
t2
)
单层圆筒壁的热传导公式
r1
对流传热分析
4-3-2 对流传热机理
热边界层
tw-t=0.99（tw-t） 边界层后度：δt
流动边界层δ >热边界层δt
dQ(ddyt)wds (TT w)ds
T T w(d d)y tw t(d d)y tw
导热系数的物理意义
dQ
dQds t n
dQ ds t
ds t
n n
dQ
热通量
ds
λ ：单位温度梯度下的热通量
λ为物质的物理性质 λ金属> λ非金属> λ液体> λ气体
4-2-2 导热系数
固体导热系数
金属
纯度：纯度越高λ越大 T： T λ
非金属
ρ：ρ λ T：T λ
– 大多数固体： λ= λo（1+α´t）
4-2-4
Q 2l(t1 t2 ) ln r2 r1
圆筒壁的热传导
Q
t1 t2 ln r2
t1 t2 R
R
r1
2l
ln r2 r1
2 l
把单层圆筒壁的热传导写成平壁热传导形式
Qt1 t2 Sm(t1 t2) 2l (t1 t 2 )
b
r2 r1
ln r2
Sm
Sm
2l
r2 r1 ln r2
gradtlimt t n0n n
温度梯度是向量，其正方向垂直于等温面为温度升高的方向
二 傅立叶定律
▪ 单位时间内传导的热量与温度梯度及垂直于热流方向的 截面成正比
dQds t n
Q：导热速率，方向与温度梯度的方向相反，W
S：等温面的面积，m2
dQds t n
λ ：导热系数，W/（m·℃ ）
4-2-2 导热系数
平壁间的热传导公式
x
Qt2
t1 b
t R
推阻动力力Rbs,导热热 ,C/W 阻
s
热通 q量 Qt2t1t,Rb s b R
m2 ℃ /W
4-2-3 通过平壁的稳态热传导
二 多层平壁的热传导
t1> t2> t3> t4
t1
t2 t3
λ1
λ2
t4 λ3
定态导热时，Q=Q1=Q2=Q3
QQ 1t1b 1t2Q 2t2b 2t3Q 3t3b 3t4
化工原理(天大版）---（上册）第四章 传热
4.1 概述
热载体及其选择
– 载热体的温度易调节控制 – 载热体的饱和蒸汽压较低，加热时不易分解 – 载热体的毒性小，不易燃、易爆，不易腐蚀设备 – 价格便宜，来源容易
4.2 热传导
4-2-1 基本概念及傅立叶定律
一 温度场和温度梯度
1) 温度场 tf(x,y,z,)
对于金属， α´<0 对于非金属α´ >0
液体导热系数
气体导热系数
T： T λ P： P λ
4-2-3 通过平壁的稳态热传导
一单层平壁的热传导
y
假设：i. λ为常数或取壁面范围内的平均值
ii. 平壁面积与厚度相比无限大
根据傅立叶定律： Qs dt
Q0bdxstt12dt
dx
Qbs(t2 t1)
二 多层圆筒壁的热传导
λ3
b1=r2-r1， b2=r3-r2， b3=r4-r3
Q
t1t2t3 b1 b2 b3
t1t4 R 1R2R3
1sm 1 2sm 2 3sm 3
λ2 λ1
Q 1 2 l l1 ( t r n 1 2 t2 ) 2 1 l( t l1 r n 2 t2 ) Q 2 2 1 l( t l2 r n 3 t3 ) Q 3 2 1 l( t l3 r n 4 t4 )
1s
2s
3s
Qt1t2t3 t1t4
b1 b2 b3 b1 b2 b3
1s 2s 3s 1s 2s 3s
n
对 n层平壁，程 热式 传 Q b ： t导 11 b t2速 2 率 b tn n 方 i n 1 R tii
1s 2s
ns i1
4-2-3 通过平壁的稳态热传导
二 多层平壁的热传导
对流传热的分类
– 流体无相变的对流传热
• 强制对流传热 • 自然对流传热
– 流体有相变的对流传热
• 蒸汽冷凝 • 液体沸腾
4-3-1 对流传热速率方程和对流传热系数
一 对流传热速率方程
d Q (T T w )d
sT
1
T
w
牛顿冷却定律
ds
Qts
t 1
推动力 阻力
s
Q：对流传热速率，W
T TW
非定态温度场： 定态温度场：
当t 0， t t0时 y z
t 0 t 0
t f(x)
tf(x,y,z,) tf(x,y,z)
定态的一维温度场
2) 等温面
✓ 任何温度不同的等温面彼此不相交 ✓ 在等温面上的任何点之间无热量传递 ✓ 不同温度的等温面之间有热传递
3) 温度梯度
4)
t和t+t两等温面间的垂直距离n
α ：平均对流传热系数，W/（m2·℃）
R 1 S
4-3-1 对流传热速率方程和对流传热系数
二 对流传热系数的物理意义
Q 单位温度差下、单位传热面积的对流传热速率 st
影响对流传热系数的因素：
▪ 流体有无相变 ▪ 流体流动的原因 ▪ 流体流动状态 ▪ 流体的物性 ▪ 传热壁面的情况
4-3-2 对流传热机理
R b r2 r1 Sm Sm
对数平均值
x1/x2比值越大时，（对数平均值/算术平均值）越大 当x1/x2 =2时，算术平均值与对数平均值相比，计算误差为4% 当x1/x2 <2时，算术平均值与对数平均值相比，计算误差小于4% 当x1/x2 <2时，可用算术平均值代替对数平均值
4-2-4 圆筒壁的热传导
r 1
1 r 1
2 r 2
3 r 3
Q1lnr2
2l(t1t4) 1lnr3 1lnr4
1 r1 2 r2 3 r3
说明 Q1=Q2=Q3=Q4 Q=2πr1Lq1= 2πr2Lq2= 2πr3Lq3 r1q1=r2q2=r3q3 q1>q2 >q3
4.3 对流传热概述
对流传热
– 流体与流体间传热 – 流体与固体壁面间的传热