第四章 传热
化工原理-第四章-传热
d12
d1
4 d2 d1
入口效应修正 在管进口段，流动尚未充分发展，传热边界层较
薄，给热系数较大，对于l d1 60 的换热管，应考虑进口段对给 热系数的增加效应。故将所得α乘以修正系数：
l
1 d l
0.7
弯管修正 流体流过弯曲管道或螺旋管时，会引起二次环流而强
化传热，给热系数应乘以一个大于1的修正系数：
水和甘油：T ↗ ↗ 一般液体： T ↗ ↘ 纯液体＞溶液
气体的导热系数：
T ↗ ↗ P ↗ 变化小 极高P ↗ ↗
气体导热系数小，保温材料之所以保温一般是材料中空 隙充有气体。
18
三、平壁的稳态热传导
1.单层平壁的热传导
t1 t2
b
t Q t1
t2
0 bx
b：平均壁厚，m； t：温度差，oC；
4
❖ 一、传热过程的应用
物料的加热与冷却 热量与冷量的回收利用 设备与管路的保温
❖ 二、热传递的三种基本方式
热传导 热对流 热辐射
5
1. 热传导（又称导热）
热量从高温物体传向低温物体或从物体内部高温部 分向低温部分传递。
特点：物体各部分不发生相对位移，仅借分子、原 子和自由电子等微观粒子的热运动而引起的热量 传递。
8
3. 热辐射
因热的原因而产生的电磁波在空间的传递， 称为热辐射。
热辐射的特点：
①不需要任何介质，可以在真空中传播；
②不仅有能量的传递，而且还有能量形式 的转移；
③任何物体只要在热力学温度零度以上， 都能发射辐射能，但是只有在物体温度较高时， 热辐射才能成为主要的传热方式。
9
二、间壁传热与速率方程
41
第四章传热学
4. 非稳态导热4.1 知识结构1. 非稳态导热的特点；2. （恒温介质、第三类边界条件）一维分析解求解方法（分离变量，特解叠加）及解的形式（无穷级数求和）；3. 解的准则方程形式，各准则（无量纲过余温度、无量纲尺度、傅里叶准则、毕渥准则）的定义式及其物理涵义； 4. 查诺谟图求解方法；5. 多维问题的解(几个一维问题解（无量纲过余温度）的乘积)；6. 集总参数法应用的条件和解的形式；7. 半无限大物体的非稳态导热。
4.2 重点内容剖析4.2.1 概述在设备启动、停车、或间歇运行等过程中，温度场随时间发生变化，热流也随时间发生变化，这样的过程称为非稳态导热。
一．过程特点分类1. 周期性非稳态导热（比较复杂，本书不做研究） 如地球表面受日照的情况 （周期为24小时）对于内燃机气缸壁受燃气冲刷的情况，周期为几分之一秒，温度波动只在很浅的表层，一般作为稳态处理。
2. 非周期性非稳态导热：（趋于稳态的过程，非稳态 稳态） 例子：如图4-1，一个无限大平板，初始温度均匀，某一时刻左壁面突然受到一恒温热源的加热，分析平壁内非稳态温度场的变化过程： (1) 存在两个阶段初始阶段：温度变化到达右壁面之前（如曲线A-C-D ），右侧不参与换热，此时物体内分为两个区间，非稳态导热规律控制区A-C 和初始温度区C-D 。
正规状况阶段：温度变化到达右壁面之后，右侧参与换热，初始温度分布的tx1t 0t ABCDEF图4-1 非稳态导热过程的温度变化影响逐渐消失。
(2) 热流方向上热流量处处不等因为物体各处温度随时间变化而引起内能的变化，在热量传递路径中，一部分热量要用于（或来源于）这些内能，所以热流方向上的热流量处处不等。
二. 研究任务1. 确定物体内部某点达到预定温度所需时间以及该期间所需供给或取走的热量，以便合理拟定加热和冷却的工艺条件，正确选择传热工质；2. 计算某一时刻物体内的温度场及温度场随时间和空间的变化率，以便校核部件所承受的热应力，并根据它制定热工设备的快速启动与安全操作规程。
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)
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。
化工原理第四章传热及传热设备
物质热导率的大致范围
物质种类
热导率
纯金属 金属合金 液态金属 非金属固体 非金属液体 绝热材料 气体
100~1400 50~500 30~300 0.05 ~50 0.5~5 0.05~1 0.005~0.5
4.2 热传导
4.2.1 温度场和温度梯度 温度场：在某一瞬间，空间或物体内所有各点温度分布的总和。 即： t = f (x，y，z，θ) t--温度； x，y，z--空间坐标； θ--时间
温度梯度 ：
4.2.2 傅立叶定律（ Fourier’s Law）
单位时间内传导的热量Q与温度梯度dt/dx及垂直于热量方向
蓄热体
4、中间载热体式换热器 又称热媒式换热器。 换热原理：将两个间壁式换 热器由在其中循环的载热体 （称为热媒）连接起来，载 热体在高温流体换热器中从 热流体吸收热量后，带至低 温流体换热器传给冷流体。 典型设备：空调的制冷循环、 太阳能供热设备、热管式换 热器等。 适用范围：核能工业、冷冻 技术及工厂余热利用中。
优点：传热速度较快，适用范围广，热量的综合利 用和回收便利。
缺点：造价高，流动阻力大，动力消耗大。
典型设备：列管式换热器、套管式换热器。
适用范围：不许直接混合的两种流体间的热交换。
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
套管式换热器 1—内管 2—外管
3、蓄热式换热器
4.2 传导
热传导又称导热，是物质借助分子和原子振动及自 由电子运动进行热量传递的过程。
导热过程的特点是：在传热过程中传热方向上无质 点的宏观迁移。
化工原理第四章传热
4-2.2
平面壁的稳态热传导
t Q R
dt Q A d
单层平面壁的稳态热传导
t1
△t
1、过程分析 假设Ⅰ：一维稳态热传导，即t=f(x) 假设Ⅱ：无限大平壁 A 2、模型 Q (t t )
1 2
A
Q
t2
可改写为：
t t Q A R
Am,3 2 rm,3l
Ф
t4
数学模型
★
1 1 Am,1
t1
t4
其中，
t1
Am,1 2 rm,1l Am,2 2 rm,2l
rm ,1
t4 Ф
r r r2 r1 r r rm ,2 3 2 rm ,3 4 3 r r r4 ln 2 ln 3 ln r1 r2 r3
非稳态传热——传热面各点温度t、传热速率Q 、热通量q等 物理量不仅为位置的函数，同时也随时间而改变。 Q, q, t……=f (x,y,z, τ)
化工原理
等温面 在温度场中，温度相同的各点组成的面。
等温面
温度梯度 等温面法线方向上的温度变化率。
t1>t2
对于一维稳定温度场， t=f(x),温度梯度表示为：
★ Q
t t t R 2 lrm Am
其中，
r2 r1 rm r ln 2 r1
Am 2 rml
rm——半径的对数平均值；当r2/r1<2时，rm≈ (r1+r2)/2
化工原理
多层圆筒壁的热传导
Q t1 t4 t t 3 2 R Am 2 Am,2 3 Am,3
dt grad (t ) d
第4章传热-1、2、3
三、传热的基本方式
1、热传导
热量从物体内部温度较高的部分传递到温度较低的 部分或者传递到与之相接触的温度、较低的另一物体的 过程称为热传导，简称导热。 特点：物质间没有宏观位移，只发生在静止物质内的一种 传热方式。 微观机理因物态而异
2、热对流
流体中质点发生相对位移而引起的热量传递，称为热对流 对流只能发生在流体中。 强制对流 用机械能（泵、风机、搅拌等）使流体发生 对流而传热。 自然对流 由于流体各部分温度的不均匀分布，形成 密度的差异，在浮升力的作用下，流体发 生对流而传热
对于n层圆筒壁：
2 L(t1 tn 1 ) t1 tn 1 t1 tn 1 Q＝ n n ＝ n bi 1 ri 1 ln Ri ri i 1 i i 1 i S mi i 1
Q 2 rlq 1 1 2 r 2lq2 2 r 3lq3
2、蓄热式换热
蓄热式换热器是由热容量较大的蓄热室构成。室中充 填耐火砖作为填料，当冷、热流体交替的通过同一室时， 就可以通过蓄热室的填料将热流体的热量传递给冷流体， 达到两流体换热的目的。
3、间壁式换热
间壁式换热的特点是冷、热流体被一固体隔开，分别 在壁的两侧流动，不相混合，通过固体壁进行热量传递。
流体通过管壁的传热过程
冷、热流体通过间壁的 传热过程分为三步： (1) 热流体将热量传给热
流体侧壁面（对流传热）
(2) 热量由一侧传至另
一侧（热传导）；
(3) 热量由壁面传给冷 流体（对流传热）；
T1 T2 体
Q1 ( 对流 )
t1
冷 流 体
(1)热流体 管壁内侧 (2)管壁内侧 管壁外侧 (3)管壁外侧 冷流体
t f ( x, y , z )
第四章 传热分析
10
（三）傅立叶定律
t dQ dA n
式中 dQ ── 热传导速率，W或J/s；
dA ── 导热面积，m2；
t/n ── 温度梯度，℃/m或K/m；
── 导热系数，W/(m· ℃)或W/(m· K)。
负号表示传热方向与温度梯度方向相反
2018/10/11 11
二、热导率
dQ / dA q t / n t / n
2l (t1 t n 1 ) t1 t n 1 t1 t n 1 n ＝ n n层圆筒壁： Q＝ n 1 ri 1 bi ln Ri ri i 1 i i 1 i Ami i 1
多层圆筒壁改变每一层的位置，对传热有没有影响？（如何确 定层位置）
2018/10/11 26
三、两流体通过间壁换热过程 （一）间壁式换热器
热流体T1
t2
冷流体t1
T2
夹套式换热器
2018/10/11
4
（二）传热速率与热流密度 传热速率Q（热流量）：单位时间内通过换热器的
整个传热面传递的热量，单位 J/s或W。
热流密度q （热通量） ：单位时间内通过单位传
热面积传递的热量，单位 J/(s. m2)或W/m2。
Q q A
2018/10/11 5
（三）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
2018/10/11
6
（四）两流体通过间壁的传热过程
T1 t2
(1)热 流 体 管 壁 内 侧
L u
反映流体的流动状态 对对流传热的影响
化工原理 第四章 传热过程
• 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。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。
第四章 传热过程 §4－1 概述 4－1.1 化工生产中的传热过程 1、传热过程在化工生产中的应用 例如：蒸发、蒸馏、干燥、结晶等 由于化工生产过中传热过程的普遍性，使得换热 设备的费用在总投资费用中所占的比重甚高。据 统计：在一般石油化工企业中占30~40% 在炼油厂中占40~50%。因此，认识传热过程， 掌握一般换热设备运行的规律，充分利用反应热、 余热、废热，对化工生产具有十分重要的意义。
r2 t 2 t1 ln 2l r1
r2 t1 t 2 ln 2l r1 t1 t 2 2l r2 ln r1
• 上式即为单层圆筒壁的导热速率方程。 • 在圆筒壁内找一个合理的平均导热面积Am ， 或与Am对应的平均半径 rm ，这样圆筒壁的导 热速率就可按平壁来处理。 • 将（4）分子分母同乘以（r2-r1）
r1 2
术平均值代替，误差不超过4%，在工程上是允 许的。
r1 r2 rm 2
• 4、多层圆筒壁的导热 • 热量是由多层壁的最内壁传导到最外壁， 要依次经过各层，所以多层圆筒壁的传热， 可以看成是各单层壁串联进行的热量传递。
r2 r3
r1
• 对于稳定传热
• 对第一层
1 2 3
化工原理习题及答案
第四章传热一、名词解释1、导热若物体各部分之间不发生相对位移，仅借分子、原子和自由电子等微观粒子的热运动而引起的热量传递称为热传导（导热）。
2、对流传热热对流是指流体各部分之间发生相对位移、冷热流体质点相互掺混所引起的热量传递。
热对流仅发生在流体之中, 而且必然伴随有导热现象。
3、辐射传热任何物体, 只要其绝对温度不为零度 (0K), 都会不停地以电磁波的形式向外界辐射能量, 同时又不断地吸收来自外界物体的辐射能, 当物体向外界辐射的能量与其从外界吸收的辐射能不相等时, 该物体就与外界产生热量的传递。
这种传热方式称为热辐射。
4、传热速率单位时间通过单位传热面积所传递的热量（W/m2）5、等温面温度场中将温度相同的点连起来，形成等温面。
等温面不相交。
二、单选择题1、判断下面的说法哪一种是错误的（）。
BA 在一定的温度下，辐射能力越大的物体，其黑度越大；B 在同一温度下，物体吸收率A与黑度ε在数值上相等，因此A与ε的物理意义相同；C 黑度越大的物体吸收热辐射的能力越强；D 黑度反映了实际物体接近黑体的程度。
2、在房间中利用火炉进行取暖时，其传热方式为_______ 。
CA 传导和对流B 传导和辐射C 对流和辐射3、沸腾传热的壁面与沸腾流体温度增大，其给热系数_________。
CA 增大B 减小C 只在某范围变大D 沸腾传热系数与过热度无关4、在温度T时，已知耐火砖辐射能力大于磨光铜的辐射能力，耐火砖的黑度是下列三数值之一，其黑度为_______。
AA 0.85B 0.03C 15、已知当温度为T时，耐火砖的辐射能力大于铝板的辐射能力，则铝的黑度______耐火砖的黑度。
DA 大于B 等于C 不能确定是否大于D 小于6、多层间壁传热时，各层的温度降与各相应层的热阻_____。
AA 成正比B 成反比C 没关系7、在列管换热器中，用饱和蒸汽加热空气，下面两项判断是否正确： A甲、传热管的壁温将接近加热蒸汽温度；乙、换热器总传热系数K将接近空气侧的对流给热系数。
化工原理第四章传热
λ3A
因△t = t1-t4 = △t1+ △t2+ △t3
△t b1 b2 b3 + + λ1A λ2A λ3A
△t
Ｑ＝
＝
∑ Ri
i=1
3
总推动力
=
总热阻
［例4-2］已知：耐火砖 ：b1=150mm λ1=1.06 W/(m· ℃) 保温砖： b2=310mm λ2=0.15 W/(m· ℃) 建筑砖 ：b3=240mm λ3=0.69 W/(m· ℃) t1=1000℃,t2=946℃
解：（a）每米管长的热损失
q1= Q l = r2 1 ln r1 λ1 2π（t1 – t4） r3 1 ln + r2 λ2 r4 1 + ln r3 λ3
r1=0.053/2=0.0265， r2=0.0265+0.0035=0.03 r3=0.03+0.04=0.07，r4=0.07+0.02=0.09 q1=191
Q q1= =2πλ l
t1-t2 r2 ln r1
可见，当比值r2/r1一定时，q1与坐标r无关
上式也可改写为单层平壁类似形式的计 算式：
２πl（r2 - r1）λ（t1 - t2）
2πr2l （r2 - r1）ln 2πr1l （A2 - A1）λ（t1 - t2） λ = = Am（t1－t2） A2 b （r2 - r1）ln A1
＝
△t
R
传热推动力 ＝ 热阻
也可写成： Q q= A
λ (t1-t2) = b
[例4-1] 现有一厚度为240mm的砖壁，内 壁温度为600℃，外壁温度为150℃。试求 通过每平方米砖壁壁面的导热速率（热流 密度）。已知该温度范围内砖壁的平均热 导率λ＝0.6W/（m. ℃ ）。 解：
化工原理 第四章 传热过程超详细讲解
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：
第四章 传热
热系数 λ=0.15W/m· ℃。现用热电偶测得管内壁温度为 500℃，最外层表面温
度为 80 ℃ ，管壁的导热系数 λ=45W/m· ℃。试求每米管长的热损失及两层保 温层界面的温度。
解：每米管长的热损失
Q 2 π(t1 t 4 ) r 1 r 1 1 r L ln 2 ln 3 ln 4 1 r1 2 r2 3 r3
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(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。
t1 t f 热损失为： Q r0 1 1 R1 R2 ln 2L r 2r0 L 1
分析：当 r1 不变、r0 增大时，热阻 R1 增大， R2 减小，因此有可 能使总热阻（R1+R2）下降，导致热损失增大。
t1 t f
【例4-2】在60×3.5mm的钢管外层包有两层绝热材料，里层为40mm的 氧化镁粉，平均导热系数λ=0.07W/m· ℃，外层为 20mm的石棉层，其平均导
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。
热对流的两种方式： 强制对流：
因泵（或风机）或搅拌等外力所导致的对流称为强制对流。
自然对流：
由于流体各处的温度不同而引起的密度差异，致使流体产生 相对位移，这种对流称为自然对流。 流动的原因不同，对流传热的规律也不同。在同一流体中有可 能同时发生自然对流和强制对流。
注：对于圆筒壁的稳态热传导，通过各层的热传导速率都是
第四章 传热1-热传导.
推广至n层 Q
t1 tn 1
b
i 1
n
t2t3
t4 x
i
i A
2
热传导
讨论
各层的温差
Q t1 t 2
2.4 通过平壁的定态热传导
t1
1
2
3
t2
2 3 : R1 : R2 : R3 1 A 2 A 3 A
:
t1 t2 : t2 t3 : t3 t4 1
化学工程基础
1
第四章
1 2 3 4
传
热
概述
热传导 对流传热 传热计算 热交换器
2
3
1
概述
1.1 传热的概念及其应用
传热 是指由于温度差引起的能量转移，又称热传递。 凡是有温度差存在时，就必然发生热从高温处到低温处的传递，故传热是 自然界和工程技术领域中极普遍的一种传递现象，其广泛应用于能源,宇航, 化工, 动力, 冶金, 机械, 建筑, 环护等部门。比如，在炼油、化工装置中换热 器占总设备数量的40%左右，占总投资的30%-45% 。 化工生产中对传热过程的要求 (1)强化传热过程，如各种换热设备中的传热；传热速率↑ (2)削弱传热过程，如设备和管道的保温，以减少热损失。传热速率↓
热流方向
导热 对流
1
概述
套管换热器：由两根不同直径的管子同心套在一起， 两流体分别流经环隙和内管。
热流体T1
1.3.3 间壁式传热
t2
冷流体t1 T2
传热面为内管壁的表面积 A=dL
1
冷流体 t1 T2
传热面为壳内所有管束壁的表面积 A=ndL
接管
接管
管束
外壳
环境工程原理第四章 热量传递
3、辐射传热
以电磁波形式发出辐射能的过程。 特点：辐射传热不仅是能量的传递，还伴随着能量的
转化。不需要任何介质作媒介，可以在真空中
传播。
传热过程的基本问题 ⑴ 载热体用量的确定； ⑵ 设计新的换热器； ⑶核算现有换热器的传热性能； ⑷ 强化或削弱传热的方法。 热量恒算
解决这些问 题需要两个 基本关系式
纯液体的导热系数比溶液的导热系数大。
4、气体的导热系数
气体导热系数很小，不利于导热，但利于保温。
气体导热系数随温度升高而加大 。 在相当大的压强范围内，气体的导热系数随压强变 化极小。
注意：传热过程中，物质内不同位置的温度可能
不同，因而导热系数也不同，工程计算中常取导热系 数的算术平均值。
r1q1 r2q2 r3q3
【例题4.2.3】外径为426mm的蒸汽管道外包装厚度为 426mm 的 保 温 材 料 ， 保 温 材 料 的 导 热 系 数 为 0.615 W/(m· K)。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和保温层 中的温度分布。
r
b
(T1 T2 ) T Q R R
导热热阻，K/W
Q T q A r
温差为传 热推动力
单位传热面积的导热热阻，m2· K/W
传导距离越大，传热壁面和导热好，相接触两表面温度相同，T1>T2>T3>T4 稳态热传导中，通过各层的热流量相等，故有：
成正比。
傅立叶定律的表达式
t dQ dA n
t dQ dA n
dQ ──传热速率，W或J/s； dA ── 导热面积，m2； t/ n ── 温度梯度，℃/m或K/m；热量传递的推动力 ── 导热系数，W/(m· ℃)或W/(m· K)。 负号表示热流方向与温度梯度方向相反(即热量向温度降低 方向传递)。
化工原理课程课件PPT之第四章传热
第四章 传热
23
思考题：
气温下降，应添加衣服，应把保暖性好的衣服穿在 里面好，还是穿在外面好？
Q
Q
bb
1 2
1 2
bb
2 1
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本科生课程 化工原理
第四章 传热
24
Q ti to b b
1S1 2S2
Q' ti to bb
2S1 1S2
1 2
S1 S2
Q' Q (ti
to
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第四章 传热
8
dQ dS t
n
——傅里叶定律
λ——比例系数，
称为导热系数，W/(m •℃)。
负号表示热流方向与
温度梯度方向相反。
du
dy
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第四章 传热
9
§4.2.2 导热系数
1、导热系数的定义
dQ q
dS t
t
n
n
在数值上等于单位温度梯度下的热通量，λ越大导热性能
第四章 传热
§4.1 概述
化工生产中传热过程： 强化传热 削弱传热
一、传热的基本方式：
动 量 传 递 热 量 传 递
质 量 传 递
热 传 导 ：发生在相互接触的物质之间或物质（静止或层流
(导 热 ）
流动）内部，靠分子、原子、电子运（振）动。 无物质的宏观位移。
对 流 传 热 ：
自然对流 强制对流
Q t1 t2 t3 t1 tn1
R1 R2 R3
n bi
i1 i Smi
t1 t4
t1 t4
b1 b2 b3
1Sm1 2Sm2 3Sm3
《第四章传热》PPT课件
2. 傅立叶定律 傅立叶定律是热传导的基本定律，它表示热传导的速率与温度 梯度和垂直于热流方向的导热面积成正比。
Q S t 或：q t
n
n
热传导中，Q S，Q t n
Q——传热速率，W；
λ——导热系数，W/（m·K） 或W/（m·℃）；
S——导热面积，垂直于热流方向的截面积，m2；
946℃。试求：
(1)单位面积的热损失；(2)保温砖与建筑砖之间界面的温度；
(3)建筑砖外侧温度。
解 t3为保温砖与建筑砖的界面温度，t4为建筑砖的外侧温度。
（1）热损失q
q=
Q A
1
b1
t1
t2
1.06 0.15
(1000-946)
=381.6W/m2
(2) 保温砖与建筑砖的界面温度t3 由于是稳态热传导，所以 q1=q2=q3=q
典型换热设备： 间壁式换热器（冷、热流体间的换热设备） 例：列管式换热器 3、本章研究的主要问题 1）三种传热机理（传热速率计算） 2）换热器计算 3）换热设备简介
4.1.1传热的基本方式
根据传热机理不同，传热的基本方式有三种： 热传导、热对流和热辐射。
1．热传导 热传导（导热）：物体各部分之间不发生相对位移，依靠原子、 分子、自由电子等微观粒子的热流运动而引 起的热量传递。
t t'∞
t∞
u
tw-t=
t' t
tw
图4-13 流体流过平壁被加热时的温度边界
2、热边界层的厚度
tw t 0.99(tw t )
3、热边界层内（近壁处） 认为：集中全部的温差和热阻
dt 0 dy
热边界层外（流体主体）
环境工程原理 第四章 热量传递
有利于提高管程流体的流速和对流传热系数，但能量损失增加，传热
温度差小，程数以2、4、6程多见。 管外流体每通过一次壳体成为一个壳程。在管外装有折流板（或挡 板）可以提高壳程流体的流速，以保持较高的传热系数，折流板形式 常用的有弓形和盘环形两种。折流板同时起中间支架作用。
换热器
*列管式换热器
优点：
固体壁面的形状、尺度、方位、粗糙度、是否处于管 道进口段以及是弯管还是直管等。 a c p
（3）流动特征
对流传热
一、影响对流传热的因素
（3）流动特征 流动起因（自然对流、强制对流） 流动状态（层流、湍流） 有无相变化（液体沸腾、蒸汽冷凝） 流体对流方式（并流、逆流、错流）
第四节 辐射传热
浮头补偿 补偿圈补偿 U形管补偿
换热器
选择的原则：
⑴ 不清洁易结垢的物料应选管；
⑵ 需要通过增大流速以提高给热系数的流体应选管； ⑶ 腐蚀性流体宜走管程，以免管束和壳体同时受腐蚀； ⑷ 压力高的流体宜选管程，以防止壳体受压； ⑸ 蒸汽走壳程，冷凝液易于排出；
⑹ 被冷却的流体一般走壳程，便于散热；
⑺ 粘度大流量小流体选壳程，壳程Re>100即可达到湍流。
折流挡板
按一定数目与管束垂直设置；防止短路、增加流速；可 强制流体按规定路径、多次错流经过管束，增加湍动程 度。
t1
t1 T1 T2
T1 T2 t2
t2
热流体 T1
t2
冷流体 t1
T2
换热器
*列管式换热器
冷、热流体两种流体在进行换热时，一种流体通过管内，其行程称
为管程；另一种流体在管外流动，其行程称为壳程。 换热器内通过管内的流体每通过一次管束称为一个管程；管程数多
化工原理 第四章 传热
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
dt Q S dx x 0，t t1；
x b，t t2； t1 t2
Q
S
b
t1 t2
Q
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。
⑴ 给热是集热对流和热传导于一体的耦合过程。 ⑵ R集中在层流内层→ 层流内层厚度↓是强化给热的主要途径。
传热－对流传热
② 热边界层 热边界层→即温度边界层，指壁面附近处具有温度梯度的流体薄层。
dt dQ dS dy w
dQ tw t dS
dt dt tw t dy w t dy w
⑴
平板上的热边界层
dt t不变时， t ， dy w
。
⑵ 流体在管内流动时，热边界层与流动边 ⑴ 热边界层边缘处→ 界层类似。不同的是，经历进口段和完全 t t 0.99 t t 发展区后，温度分布随管长渐变为平坦， < ⑵ 热边界层厚度→ 。 继而温度梯度消失，直至传热停止。
dQ T Tw dS
Q S t
R
1 S
① →平均给热系数。 ② 流体温度→流动横截面上的平均温度。 ③ 若热流体走管内，冷流体走环隙， dQ i T Tw dSi o tw t dSo
④ 给热研究的内核→不同给热情况下，α 的大小、影响因素及其计算式。
n
bi
mi
Q
2 πL t1 t4 1 r2 1 r3 1 r4 ln ln ln 1 r1 2 r2 3 r3
化工原理 第四章 传热
12
第二节 热传导
一、傅立叶定律
1.温度场和温度梯度 1) 温度场 某一时刻物体或系统内各点的温度分布总和。
t f x, y, z,
13
2) 等温面：温度场中同一时刻下相同温度各点所
组成的面。等温面不能相交。 3) 温度梯度：两相邻等温面的温度差与两面间的 垂直距离之比。即等温面上某点法线 方向上的温度变化
Ku l c p ( gt )
a b c d e f
h
将各物理量量纲代入上式，用一些参数a,f,h表示其它参数 得 d=1-f c=-a+f-2h e=a+2h b=a+3h-1 代入原函数得 39
lu c p l K
37
对流传热过程的分类及准数关联
由于对流传热的多样性，有必要将问题分类加以研究。
冷凝传热 有相变传热 沸腾传热 对流传热 自然对流 无相变传热 强制对流 管内对流 管外对流 非圆管道 弯管 圆形直管 湍流 过渡区 滞流
38
三、对流传热中的量纲分析
对流传热系数一般难于用理论建立公式，通过量纲分 析再加实验是确定它的关系的重要途径。 流体无相变时，通常有下列物理量影响。 u , l , , , , Cp, gt 设可写为幂函数形式
物体物流各点不随时间变化的传热过程称稳态传热， 反之则非稳态传热。稳态传热的传热速率为常数。 工业生产上一般接近稳态传热。
4. 两流体通过间壁的传热过程
对流热传导对流 以对流方式为主，通常又称对流传热或给热。
11
5. 传热速率方程
经验表明，在稳态传热过程中，传热速率与传热面积 A和两流体的温度差成正比。 t m 推动力 Q KAt m 1 /(KA) 热阻 总传热系数、传热面积、推动力是传热过程三大要素。 将热阻记为R，则Q=tm/R 下面将分别讨论传热基本原理及传热系数的计算。
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第四章 传 热一．填空1.传热的基本方式有 、 、 三种。
2.导热系数的大小反映了物质 的大小。
一般来说， 的导热系数最大， 次之， 最小。
3.有两种不同的固体材料，它们的导热系数第一种为λ1》第二种为 λ2，若作为换热器材料，应选用_________种；当作为保温材料时，应选用__________种。
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，则该壁面的热阻愈 ，其两侧的温差愈 。
7.有一个稳定导热的两层平壁，A 层厚10cm 。
导热系数30W/m ℃，B 层厚10mm ，导热系数0.3W/m ℃，A 层导热推动 B 层导热推动力。
4.厚度不同的三种材料构成三层平壁，各层接触良好，已知δ1>δ2>δ3，导热系数λ1<λ2<λ3，在稳定传热过程中，各层的热阻 ，各层导热速率 。
5.在无相变的对流传热过程中，热阻主要集中在 ，减少热阻的最有效措施是 。
6.水在管内作湍流流动，若使流速提高到原来的2倍，则其对流传热系数约为原来的 倍；其他不变，管径改为原来的1/2，则其对流传热系数约为原来的 倍。
（设条件改变后仍在湍流范围）7.苯在内径为20 mm 的圆形直管中作湍流流动，对流传热系数为1270 W/（m 2·℃）。
如果流量和物性不变，改用内径为30 mm 的圆管，其对流传热系数将变为 W/（m 2·℃）。
（对流传热系数α的计算公式为：n d(Pr)(Re)023.08.0λα=）8.在传热实验中用饱和水蒸汽加热空气，总传热系数K 接近于 侧的对流传热系数，而壁温接近于 侧流体的温度值。
（饱和水蒸气、空气）9. 导热系数的单位为 ，对流传热系数的单位为 ，总传热系数的单位为 。
10.一侧流体恒温，一侧流体变温时，△t m 并 △t m 逆。
11.换热器中流体的相对流动方向有四种类型： 、 、 和 。
12.若管壁较薄，壁阻和污垢热阻忽略不计，α1＞＞α2，则K ≈ 。
13.根据冷、热流体热量交换的方式，换热器可以分为三大类： 式、 式和 式。
14.在大容积沸腾时液体沸腾曲线包括 、 和 三个阶段。
工业实际中操作应控制在 。
15换热器使用一段时间后，传热速率会下降很多，这往往是由于 的缘故。
16.一单程列管换热器，管径为φ38×3mm ，管长为4 m ，管数为127根，该换热器以外表面积计的传热面积A o 为 m 2。
17.列管式换热器中用水使90℃的CS 2饱和蒸汽冷凝，则饱和蒸汽应通过 。
（管程、壳程） 18.下图为一列管式换热器的示意图。
根据上图回答以下问题：（1）根据热补偿方法的不同，列管式换热器可分为 式、 式、 式。
该图所示换热器为 式，其热补偿一般采用 。
（2）图中热流体走 程，冷流体走 程。
管程和壳程的程数分别是 和 。
换热器采用多程结构的目的是 。
（3）写出部件1、2、3的名称，并简述安装部件1的目的： 部件1：安装目的： 。
部件2： 部件3：19.如图，有一平壁加热炉，为减少热损失，在加热炉外壁包一层绝热材料，厚度为300mm ，导热系数为0.16W/（m ·K ）。
已测得绝热层外侧温度t 3为30℃，绝热层50mm 深处温度t 2为75℃。
则加热炉外壁温度t 1 = ℃。
20.处理量为440 kg/h的有机溶液在某换热器中预热。
运转一段时间后，该溶液在管内生成污垢，使换热器的总热阻增加了10%。
若维持冷、热介质的进、出口温度不变，则该溶液的处理量变为kg/h。
21.在列管式换热器内用温度为T的饱和水蒸气加热平均温度为t的空气，若不计污垢的影响，壁温大约为。
22..饱和蒸汽冷凝时，传热膜系数突然下降，可能的原因为。
23.在确定列管式换热器冷热流体的流径时，通常蒸汽走管，高压流体走管，易结垢的流体走管，有腐蚀性的流体走管，粘度大或流量小的流体走管。
（内或外）二．选择1.壁阻和污垢热阻忽略不计时，要想有效地提高传热系数K值，应（）A.减小α小的流体侧的α值B.减小α大的流体侧的α值C.增大α小的流体侧的α值D.增大α大的流体侧的α值2 某一套管换热器，管间用饱和水蒸气加热管内空气（空气在管内作湍流流动），使空气温度由20℃升至80℃，现需空气流量增加为原来的2倍，若要保持空气进出口温度不变，则此时的传热温差应为原来的倍。
A 1.149B 1.74C 2D 不定3.对流传热系数关联式中普兰特准数是表示的准数。
A 对流传热B 流动状态C 物性影响D 自然对流影响4.下列准数中反映流体物性对对流传热影响的是（）A.NuB.ReC.PrD.Gr5.在蒸气—空气间壁换热过程中，为强化传热，下列方案中的在工程上可行。
A 提高蒸气流速B 提高空气流速C 采用过热蒸气以提高蒸气温度D 在蒸气一侧管壁加装翅片，增加冷凝面积6.水、空气、金属的导热系数分别为λ1、λ2、λ3，则有（）A λ1＞λ2＞λ3B λ1＜λ2＜λ3C λ2＜λ1＜λ3D λ2＞λ1＞λ37.双层平壁定常热传导，壁厚相同，各层的导热系数分别为λ1和λ2，其对应的温度差为△t1和△t2，若△t1＞△t2，则λ1和λ2的关系为（）A λ1＜λ2B λ1＞λ2C λ1=λ2D 无法确定8.在多层平壁的定常热传导中，传热的总推动力（）A 与各层的推动力相等B 与各层的推动力之和相等C 与各层中最小的推动力相等D 与各层中最大的推动力相等9.换热器中任一截面上的对流传热速率＝推动力/阻力，其中推动力是指（）A 两流体温度差（T－t）B 冷流体进、出口温度差（t2－t1）C 热流体进、出口温度差（T1－T2）D 流体和管壁温度差（T－T w）或（t w－t）10.对流传热速率 = 系数×推动力，其中推动力是__________.A 两流体的温度差B 流体温度和壁温度差C 同一流体的温度差D 两流体的速度差11.一套管换热器，环隙为110℃的饱和水蒸气冷凝，内管水的进口温度为25℃，其出口温度最高可达（）A、25℃B、110℃C、85℃D、135℃12.两流体逆流换热，热流体出口温度T2，冷流体出口温度t2，T2与t2一定是的关系。
A T2>t2 BT2<t2 CT2=t2 D不确定13.一换热器的技术档案中记载有三个技术数据：0.185kW/(m2·K)，0.2kW/(m2·K) ，0.5kW/(m2·K)，其中两个是对流传热系数一个是总传热系数，则总传热系数为（）A.0.185B.0.2C.0.5D.数据不合理14.在列管换热器内，用饱和水蒸气加热一定量管程中的空气，要提高传热速率，下列措施合适的是（）。
A 在壳程中加折流板B 在列管内加翘片C 多管程D 降低加热蒸汽压力三．判断题1、传导传热只能发生在固体中，对流传热只能发生在流体中。
（）2、导热系数λ值越大，表明物质的导热性能越好。
（）3、对流传热的热阻主要集中在层流内层中，因此减小层流内层的厚度可以强化对流传热。
（）4、一侧流体恒温，一侧流体变温时，△t m并＝△t m逆。
（）5、换热器采用多程结构的主要目的是提高流体的流速，从而提高对流传热系数。
（）四．简答题1.空气在直径为d的圆形直管内的对流传热系数为10W/m2℃，保持流量及物性参数不变，使管径变为0.8d，对流传热系数变为多少？五．计算1.如图所示，有一列管式换热器，其传热面积为100m2，用作锅炉给水和原油之间的换热。
已知水的质量流量为550kg/min，进口温度为35℃，出口温度为75℃，油的温度要求由150℃降到65℃，由计算得出水与油之间的总传热系数为250 W/（m2·K），问如果采用逆流操作此换热器是否合用？水的平均比热为4.187 kJ/（kg·K）。
2.有一换热器，管内通90℃的热流体，对流传热系数1α为1100Cmw︒⋅2/，管外有某种液体沸腾，沸点为50℃，对流传热系数2α为5800Cmw︒⋅2/。
试求以下两种情况下的壁温：（1）管壁清洁无垢；（2）外侧有污垢产生，污垢热阻为0.005wCm/2︒⋅。
3.热气体在套管换热器中冷却，内管为φ25×2.5mm的钢管，管材的导热系数为45W/（m2·℃）。
冷水在管内湍流流动，对流传热系数为2000W/（m2·℃），热气在环隙中湍流流动，对流传热系数为50W/（m2·℃），忽略污垢热阻，求：管壁热阻占总热阻的分数。
4.某厂只能用120℃饱和水蒸气，通过φ25×2.5mm、长3m的单管程列管式换热器，将列管内的17.2m3/h水溶液从20℃加热到75℃，冷凝水于饱和温度下排出。
已知管侧水溶液αi=2500W/（m2·℃）,壳侧蒸汽αo=10000W/（m2·℃）,溶液在管内呈湍流。
试问：（1）换热器的管子根数为多少？水溶液密度ρ=1050kg/m3,比热为4.17kJ/(kg●℃).热损失及管壁、垢层热阻均可忽略。
（2）检修时发现该换热器有三根管子已坏，拟将坏管堵塞再继续使用，试问此方案是否可行？（通过计算或推导说明）. 5.在一套管换热器中，内管为φ58×4mm的钢管，流量为3600kg/h，平均比热容为2kJ/(kg●℃)的热液体在内管中从100℃冷却为50℃，环隙中冷水从20℃被加热至40℃，水的平均比热容为kJ/(kg●℃)。
已知总传热系数为100W/（m2·℃）。
试求：（1）冷却水用量，kg/h；（2）逆流流动时平均温度差及所需的套管长度，m。
6.在研究污垢对传热的影响时，采用φ28×1mm之铜管，水在管内流动，水蒸气在管外冷凝。
传热系数K在很宽的水的流速范围内，对清洁管和污垢管可用如下方程表示：1/K=0.00020+1/(500W0.8) 清洁管1/K=0.00070+1/(500W0.8) 污垢管式中：K---传热系数，kcal/（m2●h●℃)；W----水的流速，m/s。
α=f(W0.8)----水的对流传热系数，kcal/（m2●h●℃)。
试求污垢热阻和蒸汽冷凝传热系数。
已知：铜的导热系数=330kcal/（m●h●℃)。
7.某列管换热器用100℃水蒸气将物料由20℃加热至80℃，传热系数K=100W/（m2·℃）,。
经半年运转后，由于污垢的影响，在相同操作条件下物料出口温度仅为70℃.试求：（1）物料侧污垢热阻为多少？（假定蒸汽侧无污垢热阻）（2）现欲使物料出口温度仍维持80℃，问加热蒸汽温度应取何值？8.在传热面积为20m2的新购列管式换热器中，用温度为20℃、流量为13500kg/h冷水逆流流动的方式将醋酸从110℃冷却至40℃。