化工基础课件武汉大学第3章传热
合集下载
化工基础课件武汉大学第3章传热
传热的发展趋势
1
材料研究
开发新型材料，提高热传导效率。
2
换热器设计
优化换热器结构，提高传热效果。
3
能源转换
发展更高效的能源转换技术。
热传导的基本方程
热导率
描述材料导热性能的物理量。
傅里叶定律
用于描述热传导过程中温度分布和 热流量之间的关系。
热阻
描述阻碍热传导的物质的特性。
传热的边界条件
1
温度差异
热量传递需要存在温度差异才能发生。
2
材料接触
传热过程需要接触的物体或介质。
3
表面特性
表面形状和粗糙度会影响传热的速率。
传热的计算方法
热传导方程
传热系数
用于计算热传导过程中的温度分布。 用于计算对流传热过程中的热量传 递速率。
辐射传热方程
用于计算辐射传热过程中的能量传 递。
传热的应用领域
化学工程
在化学反应中控制温度，提高 反应效率。
能源产业
优化能源转换和利用过程，提 高能源利用效率。
建筑行业
改善建筑物的节能性能，提升 室内舒适度。
化工基础课件武汉大学第 3章传热
传热的基础概念
传热是物质内部或不同物体之间热量传递的过程。了解热量如何传递以及传热机制的分类对于我们理解传热现象至 关重要。
传热的机制分类
热传导
通过物质内部微观热
通过流体或气体传递热量，如 自然对流或强制对流。
辐射传热
通过电磁波辐射的能量传递， 如太阳辐射。
第3章传热(2)课件(共109张PPT)《化工单元操作(第三版)》同步教学(化工版)
❖若两流体的流动方向相同，称为并流； 若两流体的流动方向相反，称为逆流； 若两流体的流动方向垂直交叉，称为 错流；若一流体沿一方向流动，另一 流体反复折流，称为简单折流；若两 流体均作折流，或既有折流，又有错 流，称为复杂折流。
❖当两流体在换热过程中均只发生相变时， 热流体温度T和冷流体温度t都始终保持不 变，称为恒温传热。
❖ 管外侧流体 ❖ ：对稳态传热
Q0 0 S0 (tc,w tc )
Q Qi Qm Qo
Q th th,w th,w tc,w
1
b
iSi
Sm
tc,w tc 1
0S0
因此，Q 1
th tc b
1
t R
i Si Sm 0 S0
th
热Q 流 体
th,w
令： R 1 1 b 1
内的平均比热，亦是进出口平均温 度下的比热。
（3）潜热法（有相变）
Qh=qm,hγh Qc=qm,cγc 若无热损失， Qh= Qc 注意：a.通过上式可计算载热体或冷流体的
热量。
b.若有热损失
Q= Qc= Qh+ QL 热损失在热流体一侧 Q= Qh= Qc+ QL 热损失在冷流体一侧
三、传热温度差的计算
❖化工过程的传热问题可分为两类：一 类是设计型问题，即根据生产要求， 选定（或设计）换热器；另一类是操 作型问题，即计算给定换热器的传热 量、流体的流量或温度等。两者均以 传热基本方程为基础。下面以设计型 问题为例分析解决传热问题要涉及到 的有关内容。
❖对于一定的传热任务，确定换热器所 需传热面积是选择（或设计）换热器 的主要任务。由传热方程式可知，要 计算传热面积，必须先求得传热速率
(二)热量衡算与热负荷的确定
❖当两流体在换热过程中均只发生相变时， 热流体温度T和冷流体温度t都始终保持不 变，称为恒温传热。
❖ 管外侧流体 ❖ ：对稳态传热
Q0 0 S0 (tc,w tc )
Q Qi Qm Qo
Q th th,w th,w tc,w
1
b
iSi
Sm
tc,w tc 1
0S0
因此，Q 1
th tc b
1
t R
i Si Sm 0 S0
th
热Q 流 体
th,w
令： R 1 1 b 1
内的平均比热，亦是进出口平均温 度下的比热。
（3）潜热法（有相变）
Qh=qm,hγh Qc=qm,cγc 若无热损失， Qh= Qc 注意：a.通过上式可计算载热体或冷流体的
热量。
b.若有热损失
Q= Qc= Qh+ QL 热损失在热流体一侧 Q= Qh= Qc+ QL 热损失在冷流体一侧
三、传热温度差的计算
❖化工过程的传热问题可分为两类：一 类是设计型问题，即根据生产要求， 选定（或设计）换热器；另一类是操 作型问题，即计算给定换热器的传热 量、流体的流量或温度等。两者均以 传热基本方程为基础。下面以设计型 问题为例分析解决传热问题要涉及到 的有关内容。
❖对于一定的传热任务，确定换热器所 需传热面积是选择（或设计）换热器 的主要任务。由传热方程式可知，要 计算传热面积，必须先求得传热速率
(二)热量衡算与热负荷的确定
化工基础之传热过程及换热器PPT课件
•流道尺寸
截面较小流道更有利于传热 短的流道更有利于传热
•传热面摆放方式
传热面摆放方式不同会影响环流速度，从而 影响自然对流效果
第25页/共73页
经验关联式的建立
• 因次分析 α=f(u,l,μ ,λ,C P,ρ ,gβΔt ) 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θ 变量总数：8个 有π定律（8-4）=4，可知4个无因次数群
污垢热阻为控制热阻
第33页/共73页
传热过程的平均温度差
• 流体在管道中流动时，壁面两侧流体的温度均沿传热面而变化，过程推动力 （温度差）相应地也发生变化。
第34页/共73页
传热过程的平均温度差
• 恒温传热
间壁两侧冷热流体温度不随其在换热器中的位置而变，温差处处相等，均 为T－t
如间壁一侧为饱和蒸汽冷凝，冷凝温度恒为T； 另一侧为液体沸腾，沸腾温度恒为t。
• 温度随半径而变；此时傅立叶定律应改写为
Q A dt
• 圆筒壁的导热面积随半径而变，dr
A＝2πrL 。
第11页/共73页
• 如图所示，设圆筒壁的内、
外半径分别为r1和r2长度
为L；内、外表面温度分
别为t1和t2，且t1 > t2 ；管
材导热系数为λ。则由傅立叶定律有：
A dt (2 rL) dt
t
t2
Q
((tt11 tt22))
tt RR
导 导热 热推 推动 动力 力 力 导 导热 热热 热阻 阻
AA
第8页/共73页
多层平壁热传导
工程上常常遇到多层不同材料组成的平壁，例如工业用的 窑炉，其炉壁通常由耐火砖、保温砖以及普通建筑砖由里 向外构成，其中的导热则称为多层平壁导热。下面以三层 平壁导热计算为例，介绍多层平壁导热的计算方法。
截面较小流道更有利于传热 短的流道更有利于传热
•传热面摆放方式
传热面摆放方式不同会影响环流速度，从而 影响自然对流效果
第25页/共73页
经验关联式的建立
• 因次分析 α=f(u,l,μ ,λ,C P,ρ ,gβΔt ) 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θ 变量总数：8个 有π定律（8-4）=4，可知4个无因次数群
污垢热阻为控制热阻
第33页/共73页
传热过程的平均温度差
• 流体在管道中流动时，壁面两侧流体的温度均沿传热面而变化，过程推动力 （温度差）相应地也发生变化。
第34页/共73页
传热过程的平均温度差
• 恒温传热
间壁两侧冷热流体温度不随其在换热器中的位置而变，温差处处相等，均 为T－t
如间壁一侧为饱和蒸汽冷凝，冷凝温度恒为T； 另一侧为液体沸腾，沸腾温度恒为t。
• 温度随半径而变；此时傅立叶定律应改写为
Q A dt
• 圆筒壁的导热面积随半径而变，dr
A＝2πrL 。
第11页/共73页
• 如图所示，设圆筒壁的内、
外半径分别为r1和r2长度
为L；内、外表面温度分
别为t1和t2，且t1 > t2 ；管
材导热系数为λ。则由傅立叶定律有：
A dt (2 rL) dt
t
t2
Q
((tt11 tt22))
tt RR
导 导热 热推 推动 动力 力 力 导 导热 热热 热阻 阻
AA
第8页/共73页
多层平壁热传导
工程上常常遇到多层不同材料组成的平壁，例如工业用的 窑炉，其炉壁通常由耐火砖、保温砖以及普通建筑砖由里 向外构成，其中的导热则称为多层平壁导热。下面以三层 平壁导热计算为例，介绍多层平壁导热的计算方法。
化工原理课件-第三章传热
3-1 概述3-2 热传导3-3 3传热书P115对流传热3-4 传热过程计算3-5 热辐射3-6 换热器3-1-1 传热过程在化工生产中的应用3-1-2 传热的三种基本方式3-1-3 3-1概述书P128冷热流体的接触方式3-1-4 热载体及其选择3-1-5 间壁式换热器的传热过程3-1-1 传热过程在化工生产中的应用加热或冷却回收热量保温强化传热过程削弱传热过程3-1-2 传热的三种基本方式一、热传导热量从物体内温度较高的部分传递到温度较低的部分，或传递到与之接触的另一物体的过程称为热传导。
特点：没有物质的宏观位移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来实现的；液体机理复杂。
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：由于流体内温度不同造成的浮升力引起的流动。
强制对流：流体受外力作用而引起的流动。
三、热辐射物体因热的原因发出辐射能的过程称为热辐射。
能量转移、能量形式的转化；不需要任何物质作媒介。
对流传热：流体与固体壁面之间的传热过程。
3-1-3 冷热流体的接触方式一、直接接触式板式塔填料塔凉水塔二、蓄热式低温流体优点：•结构较简单；•耐高温。
缺点：•设备体积大；•有一定程度的混合。
高温流体三、间壁式（1）套管换热器热流体T 1传热面为内管壁的表面积冷流体t1t2T2（2）列管换热器热流体T 1传热面为壳内所有管束壁的表面积T 2冷流体t 1t 23-1-4 热载体及其选择加热剂：热水、饱和水蒸气；矿物油或联苯等低熔混合物、烟道气等；用电加热。
冷却剂：水、空气、冷冻盐水、液氨等加热温度 180 C饱和水蒸气（高、中及低压）冷却温度 30 C水3-1-5 间壁式换热器的传热过程一、基本概念热负荷Q’：工艺要求，某流体需升温或降温时吸收或放出的热量，单位J/s或W。
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。
化工基础 第三章 传热教材
金属固体 > 非金属固体 > 液体 > 气体
2.固体导热系数
金属材料 10～102 W/(m•K) 建筑材料 10-1～10 W/(m•K) 绝热材料 10-2～10-1 W/(m•K)
在一定温度范围内： 0(1 at) 金属材料a < 0 非金属材料a > 0
2020/4/16
2-2导热系数
第三章
热量传递
第二节 热传导
2-1傅里叶定律 2-2导热系数 2-3平壁的稳态热传导 2-4圆筒壁的稳态热传导
2020/4/16
2-1傅里叶定律
1.温度场和等温面 温度场：某时刻，物体或空间等各温点面的温度分布
T ft1x,ty2 , z, 不稳定温度场： T t1>ft2x,Qy, z, 稳定温度场： T f x, y, z
转换；
热能 辐射能
热能 热辐射不需要媒介;
黑体 斯蒂芬-波尔茨曼定律
高温物体的主要传热形式
辐射能力
E0
0T 4
辐射常数
C0
(T ) 100
4
T>673K
2020/4/16
1-3热平衡方程与热流量方程
传热过程
将热量由壁面一侧的流体通过壁面传递到壁面另一侧的过程 1.传热平衡方程 以某换热器为衡算对象，列出稳态传热时的热量衡算方程
等温面：在同一时刻，温度场中所有温度相同的点组成的面 1）不同温度的等温面不相交 2）在等温面内没有热量的传递
2020/4/16
2-1傅里叶定律
2.温度梯度： 温度梯度：等温面法线方向上的温度变化率 温度梯度 T n
对于一维稳态的温度场，温度梯度可表示为 ：温度梯度 dT dn
温度梯度是向量，正方向指向温度增加的方向
化学工程基础 ppt课件
烷
直接氧化法: C2 H 4 0.5O2 EO
2020/2/17
11
➢ 生物工程
生物化学
生物学 生化
工程
化学
工程学
生物技术
化学工程
e.g. 将淀粉酶基因克隆到酵母菌中发酵生产乙醇， 时间缩短了十分之九，能量消耗减少了60％。
2020/2/17
12
1-3 化学工业的特点
与人类的生存和发展息息相关
华大学出版社 ➢ 化学工程基础学习指导. 杨国泰等编. 化学工业出
版社
2020/2/17
2
主讲章节
第一章 化学工业与化学工程 第二章 流体流动与输送 第三章 传热过程 第四章 传质分离基础 第五章 吸收 第六章 精馏
2020/2/17
3
第一章 化学工业与化学工程
§1.1 化学工业概述 §1.2 化学工程学 §1.3 物料衡算与能量衡算
§1.1 化学工业概述
1-1 化学工业的重要性
化学工业是国民经济重要的基础工业，是工业经济 中最具活力，有待开发且竞争力极强的一个部门。
2020/2/17
5
触及现代生活的各个角落：
➢ 为农业提供化肥、农药等农用生产资料； ➢ 为轻纺、建材、冶金、国防、军工及其他行
业提供各种配套原材料； ➢ 为微电子、信息、生物工程等高科技产业提
e.g. a. 搅拌 b. 放大效应 D →10 D V（容积）? S（传热器壁面积）? c. 加料
化学实验与化工生产过程比较
2020/2/17
23
项目
原料 工艺
设备 产品
化学实验
化工生产
数量少、纯度高、配比严格、 量大，因来源不同、价格不一、纯
直接氧化法: C2 H 4 0.5O2 EO
2020/2/17
11
➢ 生物工程
生物化学
生物学 生化
工程
化学
工程学
生物技术
化学工程
e.g. 将淀粉酶基因克隆到酵母菌中发酵生产乙醇， 时间缩短了十分之九，能量消耗减少了60％。
2020/2/17
12
1-3 化学工业的特点
与人类的生存和发展息息相关
华大学出版社 ➢ 化学工程基础学习指导. 杨国泰等编. 化学工业出
版社
2020/2/17
2
主讲章节
第一章 化学工业与化学工程 第二章 流体流动与输送 第三章 传热过程 第四章 传质分离基础 第五章 吸收 第六章 精馏
2020/2/17
3
第一章 化学工业与化学工程
§1.1 化学工业概述 §1.2 化学工程学 §1.3 物料衡算与能量衡算
§1.1 化学工业概述
1-1 化学工业的重要性
化学工业是国民经济重要的基础工业，是工业经济 中最具活力，有待开发且竞争力极强的一个部门。
2020/2/17
5
触及现代生活的各个角落：
➢ 为农业提供化肥、农药等农用生产资料； ➢ 为轻纺、建材、冶金、国防、军工及其他行
业提供各种配套原材料； ➢ 为微电子、信息、生物工程等高科技产业提
e.g. a. 搅拌 b. 放大效应 D →10 D V（容积）? S（传热器壁面积）? c. 加料
化学实验与化工生产过程比较
2020/2/17
23
项目
原料 工艺
设备 产品
化学实验
化工生产
数量少、纯度高、配比严格、 量大，因来源不同、价格不一、纯
化工基础-传热 PPT课件
单位： cp J ·kg-1 ·K-1
cpm J ·mol-1 ·K-1
5、显热：单位量（质量或物质的量）物质在等压时变温伴 随的热量变化。单位： J
计算：Q=m ·cp ·Δt
或 Q=n ·cpm ·Δt
6、潜热：单位量（质量或物质的量）物质在发生相变时 伴随的热量变化。单位： J ·kg-1， J ·moj-1 汽化热、冷凝热、升华热、溶解热、结晶热等
1kcal ·h-1 =1.163W
3、传热强度q：
单位时间单位面积传递的热量。也叫热流密度。
q Q A
单位：W ·m-2 ， kg·s-3
2020/7/9
第四章 传热过程
5
化工基础
College of Chemistry & Materials
4、恒压比热容cp、cpm：单位量物质恒压下升温1K所需热量。
t2
t3
A2
2 2
第三层： t3
t3
t4
A3
3 3
2020/7/9
第四章 传热过程
Φ
δ1 δ2 δ3
A
t1
△t1
t2
△t2 △t3
t3 t4
厚度δ
12
化工基础
College of Chemistry & Materials
对定态传热：A1=A2=A3=A，Φ1=Φ2=Φ3=Φ
上面三式相加：
q
t
i
0.24
940 50 0.12
0.24
890 1.248
713.4W
m2
i 0.9 0.2 0.63
由
q ti ti1
i i
得
t2
《化工原理传热》课件
导热问题的数学描述
导热问题的数学描述通常使 用偏微分方程，如热传导方 程。
解这些方程可以得到导热过 程中的温度分布、热流量等 参数。
通过建立数学模型，可以描 述导热过程中温度随时间和 空间的变化规律。
在实际应用中，还需要考虑 其他因素如边界条件、初始 条件等。
03
对流换热
对流换热基本概念
01
02
04
辐射换热
辐射换热基本概念
定义
01
物体通过电磁波传递能量的过程称为辐射换热。
辐射换热与物质属性
02
物体的辐射换热能力与其发射率、吸收率、反射率和透射率有
关。
辐射换热与温度
03
物体的辐射换热能力随温度升高而增强。
辐射换热计算方法
斯蒂芬-玻尔兹曼定律
描述了物体在绝对黑体条件下辐射换热的规律。
发射率修正
02
它主要通过物质分子、原子或分子的振动和相互碰 撞进行热量传递。
03
热传导是三种基本传热方式之一，另外两种是热对 流和热辐射。
傅里叶定律
傅里叶定律是热传导的基本定 律，它描述了热传导速率与温
度梯度之间的线性关系。
公式为：q = -k * grad(T)， 其中q为热流密度，k为导热 系数，grad(T)为温度梯度。
传热方式
01
02
总结词：传热主要有三 种方式：热传导、热对 流和热辐射。
详细描述
03
04
05
1. 热传导是指热量在物 质内部通过分子、原子 等微观粒子的运动传递 热量。不同物质导热能 力不同，金属是良好的 导热体。
2. 热对流是指由于物质 宏观运动引起的热量传 递过程，如气体、液体 等流动过程中热量的传 递。对流换热在化工、 能源、动力等领域有广 泛应用。
化工传递过程基础第三版 ppt课件
1452-1519年 达.芬奇——物体的沉浮、孔口出流、物体的 运动阻力以及管道、明渠中水流等
• 1586年 斯蒂芬——水静力学原理 • 1650年 帕斯卡——“帕斯卡原理” • 1686年 牛顿——牛顿内摩擦定律 • 1738年 伯努利——出版《流体动力学》，建立了伯努
利方程
第二阶段（17世纪末-19世纪末）流体力学沿着两个 方向发展——理论流体力学、应用流体力学
气体的分子间距比液体大，在标准状态(0℃,101325Pa)下， 气体的平均分子间距约为3.3×10－6mm，其分子的平均直径
1.1流体的定义和特征
约为2.5×10－7 mm。分子间距比分子平均直径约大十倍。因 此，只有当分子间距缩小得很多时，分子间才会出现排斥力。 可见，气体是很容易被压缩的。此外，因气体分子间距与分子 平均直径相比很大，以致分子间的吸引力很微小，而分子热运 动起决定性作用，所以气体没有一定的形状，也没有固定的 体积，它总是能均匀地充满容纳它的容器而形成不了自由表 面。
热量传递、质量传递
平衡过程和传递过程
• 传递过程：物理量向平衡转移 • 平衡状态：强度性质的物理量不存在梯度
• 补充： • 体系的宏观可测性质可分为两类：
1. 广度性质，与体系的数量成正比，如体积、质量等，具 有加和性 2. 强度性质：不具有加和性，其数值取决于体系自身特性， 与体系数量无关，如温度、压力、密度等
(2)固体的应变与应力的作用时间无关，只要不超过弹性 极限，作用力不变时，固体的变形也就不再变化，当外力去除 后，形变也就消失；对于流体，只要有应力作用，它将连续 变形(流动)，当应力去除后，它也不再能恢复到原来的形状。
1.1流体的定义和特征
液体和气体虽都属于流体，但两者之间也有所不同。液体的 分子间距和分子的有效直径相当。当对液体加压时，只要分子 间距稍有缩小，分子间的排斥力就会增大，以抵抗外压力。所 以液体的分子间距很难缩小，即液体很难被压缩。以致一定质 量的液体具有一定的体积。液体的形状取决于容器的形状，并 且由于分子间吸引力的作用，液体有力求自己表面积收缩到最 小的特性。所以，当容器的容积大于液体的体积时，液体不能 充满容器，故在重力的作用下，液体总保持一个自由表面，通 常称为水平面。
• 1586年 斯蒂芬——水静力学原理 • 1650年 帕斯卡——“帕斯卡原理” • 1686年 牛顿——牛顿内摩擦定律 • 1738年 伯努利——出版《流体动力学》，建立了伯努
利方程
第二阶段（17世纪末-19世纪末）流体力学沿着两个 方向发展——理论流体力学、应用流体力学
气体的分子间距比液体大，在标准状态(0℃,101325Pa)下， 气体的平均分子间距约为3.3×10－6mm，其分子的平均直径
1.1流体的定义和特征
约为2.5×10－7 mm。分子间距比分子平均直径约大十倍。因 此，只有当分子间距缩小得很多时，分子间才会出现排斥力。 可见，气体是很容易被压缩的。此外，因气体分子间距与分子 平均直径相比很大，以致分子间的吸引力很微小，而分子热运 动起决定性作用，所以气体没有一定的形状，也没有固定的 体积，它总是能均匀地充满容纳它的容器而形成不了自由表 面。
热量传递、质量传递
平衡过程和传递过程
• 传递过程：物理量向平衡转移 • 平衡状态：强度性质的物理量不存在梯度
• 补充： • 体系的宏观可测性质可分为两类：
1. 广度性质，与体系的数量成正比，如体积、质量等，具 有加和性 2. 强度性质：不具有加和性，其数值取决于体系自身特性， 与体系数量无关，如温度、压力、密度等
(2)固体的应变与应力的作用时间无关，只要不超过弹性 极限，作用力不变时，固体的变形也就不再变化，当外力去除 后，形变也就消失；对于流体，只要有应力作用，它将连续 变形(流动)，当应力去除后，它也不再能恢复到原来的形状。
1.1流体的定义和特征
液体和气体虽都属于流体，但两者之间也有所不同。液体的 分子间距和分子的有效直径相当。当对液体加压时，只要分子 间距稍有缩小，分子间的排斥力就会增大，以抵抗外压力。所 以液体的分子间距很难缩小，即液体很难被压缩。以致一定质 量的液体具有一定的体积。液体的形状取决于容器的形状，并 且由于分子间吸引力的作用，液体有力求自己表面积收缩到最 小的特性。所以，当容器的容积大于液体的体积时，液体不能 充满容器，故在重力的作用下，液体总保持一个自由表面，通 常称为水平面。
化学工程基础第3章传热
i1 n rn
26
（3）稳定传热时，Ф为定值，q是否为定值？ q , A
2r1lq1 2r2lq2 2r3lq3
r1q1 r2q2 r3q3
显然，通过各层的Ф相同，但
27
3 对流传热
• 我们坐在教室里，手脸都不感觉得冷，如果开启 电扇，扇起风来，就感觉冷了，这是为什么？因 为空气流速加大，空气将人体表面的热量带走的 速率加大，人体内部热量补充不上，所以感觉冷。 一杯热牛奶，用均匀搅拌比不搅拌要凉得快，边 搅拌边吹风，则凉得更快。前者利用牛奶对流， 后者再加上空气对流。
雷诺数Re lu
普朗特数Pr Cp
格拉晓夫数Gr
gTl3 2
2
强制对流时，表示自然对流影响的Gr可以忽 略；而在自然对流时，由于流体密度差而引起 的流体质点的升力影响较大，Re的影响可以 忽略。
3、流体无相变时强制对流传热膜系数的关联式 • 低黏度流体：
当流体被加热时，n=0.4，流体被冷却时，n=0.3。 • 高黏度流体：
22
1-4 圆筒壁稳定热传导计算 圆筒长为L，内径为r1，内壁温度为T1，外半径为 r2，外壁温度为T2，其热流量（φ）。
推导：
现讨论在半径为r，厚度为dr的薄壁圆筒，其传热面积可视为常 量，薄壁圆筒温差为dt，则沿半径方向的导热速率
A dt 2rl dt
dr
dr
分离变量并积分：
dr r
5
几点说明： 上述三种传热方式，常常不是单独出现的，传热过 程往往是两种或三种基本传热方式的组合。 例如：生产中常遇到热量从热流体通过间壁（多为 管壁）向冷流体传递的过程，称为热交换过程，它 包括通过间壁的热传导和间壁两侧的对流传热。
6
传热的基本物理量
26
（3）稳定传热时，Ф为定值，q是否为定值？ q , A
2r1lq1 2r2lq2 2r3lq3
r1q1 r2q2 r3q3
显然，通过各层的Ф相同，但
27
3 对流传热
• 我们坐在教室里，手脸都不感觉得冷，如果开启 电扇，扇起风来，就感觉冷了，这是为什么？因 为空气流速加大，空气将人体表面的热量带走的 速率加大，人体内部热量补充不上，所以感觉冷。 一杯热牛奶，用均匀搅拌比不搅拌要凉得快，边 搅拌边吹风，则凉得更快。前者利用牛奶对流， 后者再加上空气对流。
雷诺数Re lu
普朗特数Pr Cp
格拉晓夫数Gr
gTl3 2
2
强制对流时，表示自然对流影响的Gr可以忽 略；而在自然对流时，由于流体密度差而引起 的流体质点的升力影响较大，Re的影响可以 忽略。
3、流体无相变时强制对流传热膜系数的关联式 • 低黏度流体：
当流体被加热时，n=0.4，流体被冷却时，n=0.3。 • 高黏度流体：
22
1-4 圆筒壁稳定热传导计算 圆筒长为L，内径为r1，内壁温度为T1，外半径为 r2，外壁温度为T2，其热流量（φ）。
推导：
现讨论在半径为r，厚度为dr的薄壁圆筒，其传热面积可视为常 量，薄壁圆筒温差为dt，则沿半径方向的导热速率
A dt 2rl dt
dr
dr
分离变量并积分：
dr r
5
几点说明： 上述三种传热方式，常常不是单独出现的，传热过 程往往是两种或三种基本传热方式的组合。 例如：生产中常遇到热量从热流体通过间壁（多为 管壁）向冷流体传递的过程，称为热交换过程，它 包括通过间壁的热传导和间壁两侧的对流传热。
6
传热的基本物理量
化工基础 第三章 传热
化学工程基础 第三章 传热
习题3-1
解：（1）加保温层后炉壁的热损失比原来减少的百分数。 加保温层前，为双层平壁的热传导，单位面积炉壁的热损失， 即热通量q1为：
T1 T2 T3
3 1 2 1 A 2 A 3 A
T1 T4
3-5
式3-5为三层平壁的热传导速率方程
化学工程基础 第三章 传热
多层平壁的稳态热传导
n层平壁的热传导速率方程:
T1 Tn 1
i i 1 i A
n
各层平壁的温差降与该层的热阻成正比。
3)特点：物体各部分之间无宏观的相对位移。
思考：那些传热是 热传导？
化学工程基础 第三章 传热
传热的基本方式
对流传热
流体内各部分质点发生相对位移而引起的热量传递过程。 特征：对流只能发生在流体中，流体各部分质点发生相 对位移。
A .自然对流: 由于流体中各处的温度
不同而引起密度的差别。轻者上浮， 重者下沉，流体之间产生相对位移。 B .强制对流 由于由于泵、风机或搅拌等外力作用 引起流体流动而传热。
思考
1. 冬天，经过在白天太阳底下晒过的棉被，晚上盖起来感到 很暖和，并且经过拍打以后，效果更加明显。 答案：棉被经过晾晒以后，可使棉花的空隙里进人更多的空 气。而空气在狭小的棉絮空间里的热量传递方式主要是导 热，由于空气的导热系数较小(20℃，1.01325×105Pa时， 空气导热系数为0.0259W/(m·K)，具有良好的保温性能。 而经过拍打的棉被可以让更多的空气进入，因而效果更明 显。
化学工程基础 第三章 传热
传热的基本方式
辐射传热 物体因热的原因发射辐射能，以电磁波的形式而在空间传播，当 遇到另一物体， 则部分或全部地被吸收，重新又转变为热能。
习题3-1
解：（1）加保温层后炉壁的热损失比原来减少的百分数。 加保温层前，为双层平壁的热传导，单位面积炉壁的热损失， 即热通量q1为：
T1 T2 T3
3 1 2 1 A 2 A 3 A
T1 T4
3-5
式3-5为三层平壁的热传导速率方程
化学工程基础 第三章 传热
多层平壁的稳态热传导
n层平壁的热传导速率方程:
T1 Tn 1
i i 1 i A
n
各层平壁的温差降与该层的热阻成正比。
3)特点：物体各部分之间无宏观的相对位移。
思考：那些传热是 热传导？
化学工程基础 第三章 传热
传热的基本方式
对流传热
流体内各部分质点发生相对位移而引起的热量传递过程。 特征：对流只能发生在流体中，流体各部分质点发生相 对位移。
A .自然对流: 由于流体中各处的温度
不同而引起密度的差别。轻者上浮， 重者下沉，流体之间产生相对位移。 B .强制对流 由于由于泵、风机或搅拌等外力作用 引起流体流动而传热。
思考
1. 冬天，经过在白天太阳底下晒过的棉被，晚上盖起来感到 很暖和，并且经过拍打以后，效果更加明显。 答案：棉被经过晾晒以后，可使棉花的空隙里进人更多的空 气。而空气在狭小的棉絮空间里的热量传递方式主要是导 热，由于空气的导热系数较小(20℃，1.01325×105Pa时， 空气导热系数为0.0259W/(m·K)，具有良好的保温性能。 而经过拍打的棉被可以让更多的空气进入，因而效果更明 显。
化学工程基础 第三章 传热
传热的基本方式
辐射传热 物体因热的原因发射辐射能，以电磁波的形式而在空间传播，当 遇到另一物体， 则部分或全部地被吸收，重新又转变为热能。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
体。 加热方式：在整个被加热的物体上同时进行加热，
内部的分子处于不停的运动中，加热均匀、快速。 而一般的加热是从外向里进行。 不足：热效率低，对无线电及广播会产生干扰。
微波加热：是利用高频的电磁辐射线（频率高于高 频加热的频率）引其被加热物体内分子的振动而产 生能量。加热速度快，均匀，工作环境好，便于控 制。
型的换热器应视具体情况，综合考虑。
强化传热的途经 所谓强化传热的途径，就是要想法提高传热速率ф。
提高K，A，ΔTm中的任何一个，都可以传热强化。
K iA iTm
其中：1 di di di Ki id1 dm idi
Tm
T2 ln
T1 T2
T1
第六节 加热技术
加热方式 加热原理 主要设备
6-2 红外线加热技术
红外线加热是利用红外线辐射器发出来的红外线， 照射在被加热物体上，被物体吸收的部分会转化 为物质分子的热运动，从而使物体受热。
特点：加热速度快，干净，装置简单。但加热深 度不够，一般多为0.1-2mm，多用于薄层加热。
本章小结
传热方式 传热计算 传热设备
合作愉快
够被该物体吸收变成热能，将这一范围内的电磁波称为热 射线。当物体向外辐射的能量与其从外界吸收的辐射能不 相等时，该物体就与外界进行了热量传递，这种传热方式 称为热辐射。
能量守恒：
QA QR QD 1 QQQ
物体的吸收率为 A Q A
Q
反射率为 透过率
R QR Q
D QD Q
黑体：能全部吸收辐射能的物体。A=1 白体：能全部反射辐射能的物体。R=1 透热体：所有投射在物体上的辐射射线完全透过。
q T
t
t
2-3 比例系数α计算 影响因素 流体的种类：气体、液体、固体 流体的性质：密度、导热系数、黏度等 流体的流型：层流、过度流、湍流等 对流的种类：自然对流和强制对流 传热壁面的形状、位置和大小
f(u ,l,,,,cp ,g T )
努塞尔数 Nu L
雷诺数 Re lu
2011
(3)间壁式——热流体通过间壁将热量传递给冷流体， 化工中应用极为广泛。
第一节 热传导
1-1 热传导与傅立叶定律 热传导的定义是：依靠物体内部自由电子运
动或分子振动，从而导致热量的传递，即热传导。
热传导遵循傅立叶定律，它是一个经验性定 律。实践证明，单位时间内的通过单位面积的传 热量q与垂直于温度的梯度 dT 成正比。
D=1 灰体：能部分吸收辐射能的物体。
灰体的黑度 ：
AQ A
Q
3-2 斯蒂芬—波尔兹曼定律 黑体的辐射能力E0与绝对温度的四次方成正比。
E0 0T4 C01T004
3- 3 实际物体间的辐射能力
EE0 C01T004
一般物体温度低于400 673K时，可忽略辐射 传热的影响。在化工热交换计算中，一般都不考 虑辐射传热。
3-4 实际物体间的辐射传热 高温对低温物体的辐射热流量可用下式表示：
C12A1T10401T2040
第四节 热交换的计算
4-1 热流量方程与传热系数 热流体对壁面
间壁内传导
间壁壁面对冷流体
总热流量方程：
一、平面壁的总热流量方程式
ห้องสมุดไป่ตู้
A(TT/ )
1 1
KAT
1 2
K称为基于内表面的总传热系数，它是表示导热 系数与给热系数的综合传热指标，是以内表面为
传热面积的K。 K只在微分管段为常数。但工程计算中，常由某
定性温度的物性来确定α1、α2，即将α看作常数， 因而此处亦可将K看成常数。
二、圆筒壁的总流量方程式
KO 1
1 0 1 A0
1 Am 2 Ai
Ko=1/R=R in+R w+R out 总的热阻等于两侧流体的对流传热的热阻和器壁
α值的大致范围：
空气自然对流，5~20 w·m-2·K-1 ； 空气强制对流，20~100 w·m-2·K-1 ； 水蒸汽冷凝，5000~15000 w·m-2·K-1 ； 水沸腾，2500~25000 w·m-2·K-1
第三节 热辐射
3-1 基本概念 当波长为0.4-40m的电磁波投射到另一物体上时，能
牛顿冷却定律
流体被q冷 却 (TT时 W) 流体被q加 （ 热 TW ' 时 T')
α——比例系数，亦称传热膜系数，其单位是
q
T T W
[W ] W m 2K 1 [m 2]K []
2-2 有效膜 假设有一层厚度为δt的静止流体膜所具有的热
阻，恰好等于拟考察的对流传热过程的热阻相当， 则该静止流体膜称为传热的“有效膜”。
普朗特数 格拉晓夫数
Pr C p
Gr
g Tl 3 2 2
2-4 流体无相变时强制对流传热膜系数的关联式 低黏度流体：
当流体被加热时，n=0.4，流体被冷却时，n=0.3。 高黏度流体：
0.02d7 u0.8Cp0.33 w0.14
圆形管内过渡流时的对流传热系数为：
过 湍16R1e1.805
工业应用
电阻加热
电流通过电阻 较大的电热丝 或电热棒而产 生热量
直接加热式电 炉
干燥、蒸 馏
电弧加热
电弧放电产生 直接加热式电 熔 炼 特 种
热量
弧炉
金属
电 子 束 加 由电子束撞击 炉体真空系统 熔 炼 各 种
热
被 加 热 物 体 而 和电子系统 产生热量
金属
6-1 高频加热与微波加热 高频加热：高频振荡器、工作电容器及被加热的物
第五节 间壁式热交换器
间壁式换热器的特点是冷、热两流体被固体壁面 隔开，不相混合，通过间壁进行热量的交换。
从结构来看，有以下几种：夹套式换热器、蛇管 式换热器、套管式换热器等。
5-1 夹套式换热器
5-2 蛇管式换热器
5-3 套管式换热器
5-4 列管式换热器
5-9 各种间壁换热器的比较和强化传热的途径 各种换热器的比较 各种换热器的特点及外表均不相同，采用什么类
n层平壁热传导的公式为：
T
n bi
A i1 i
T 总推动力 R 总热阻
式中：i——壁层的序数
n——壁的层数
1-4 圆筒壁稳定热传导计算 的圆筒长为L，内径为r1，内壁温度为T1，外
半径为r2，外壁温度为T2，其热流量（φ）。
2 rL ( dT ) dr
ln
r2 r1
2 L
T 2 T1
2 L T1 T 2
1 ln r2 r1
推广到n层圆筒的热流量公式为：
n
2L Tn Tn1
i1
n 1 lnrn1
i1 n
rn
第二节 对流传热
对流传热的定义是，通过流体内分子的定向 流动和混合而导致热量的传递。
2-1 牛顿冷却定律 对流传热服从牛顿冷却定律，也称牛顿传热
dn
q dT dn
q dT dn
1-2 导热系数
q dT dn
导热系数在数值上等于单位时间内，温度梯度为1
K·m-1时，经过单位面积所传递的热量。物质的导
热系数值越大，表明该物质的导热能力越强。
1-3 单层及多层平面壁的定常态热传导 单层平面壁的热传导计算
qAA(T1T2)
热流强度 传热 热阻 推力 动力
传导热阻之和。
4-2 传热的平均温度差 恒温传热——是指任何时间内经过间壁两侧进行
热量交换的两种流体，其温度都不发生变化的传 热过程。 变温传热——是指在传热过程中，间壁一侧或两 侧的流体沿传热壁面随位置而变化，若各点上的 温度不随时间变则称之为定常态变温传热；若间 壁一侧或两侧的流体温度不仅随位置而变，还随 时间而改变，则称非定常态变温传热。
定律。
在固体壁面存在层流层，然后是过度层，再是湍 流层。在层流层，热量靠热传导的方式传递；在 过度层和湍流层，热量靠分子的流动和混合来传 递。直接按热传导的方式处理，显然不行，因为 湍流层不能按导热处理。于是人们尝试，虚拟一 个传热边界层δ，使得层流、过度流、湍流的全部 传热阻力集中在δ内。于是可以按平壁导热处理。
内部的分子处于不停的运动中，加热均匀、快速。 而一般的加热是从外向里进行。 不足：热效率低，对无线电及广播会产生干扰。
微波加热：是利用高频的电磁辐射线（频率高于高 频加热的频率）引其被加热物体内分子的振动而产 生能量。加热速度快，均匀，工作环境好，便于控 制。
型的换热器应视具体情况，综合考虑。
强化传热的途经 所谓强化传热的途径，就是要想法提高传热速率ф。
提高K，A，ΔTm中的任何一个，都可以传热强化。
K iA iTm
其中：1 di di di Ki id1 dm idi
Tm
T2 ln
T1 T2
T1
第六节 加热技术
加热方式 加热原理 主要设备
6-2 红外线加热技术
红外线加热是利用红外线辐射器发出来的红外线， 照射在被加热物体上，被物体吸收的部分会转化 为物质分子的热运动，从而使物体受热。
特点：加热速度快，干净，装置简单。但加热深 度不够，一般多为0.1-2mm，多用于薄层加热。
本章小结
传热方式 传热计算 传热设备
合作愉快
够被该物体吸收变成热能，将这一范围内的电磁波称为热 射线。当物体向外辐射的能量与其从外界吸收的辐射能不 相等时，该物体就与外界进行了热量传递，这种传热方式 称为热辐射。
能量守恒：
QA QR QD 1 QQQ
物体的吸收率为 A Q A
Q
反射率为 透过率
R QR Q
D QD Q
黑体：能全部吸收辐射能的物体。A=1 白体：能全部反射辐射能的物体。R=1 透热体：所有投射在物体上的辐射射线完全透过。
q T
t
t
2-3 比例系数α计算 影响因素 流体的种类：气体、液体、固体 流体的性质：密度、导热系数、黏度等 流体的流型：层流、过度流、湍流等 对流的种类：自然对流和强制对流 传热壁面的形状、位置和大小
f(u ,l,,,,cp ,g T )
努塞尔数 Nu L
雷诺数 Re lu
2011
(3)间壁式——热流体通过间壁将热量传递给冷流体， 化工中应用极为广泛。
第一节 热传导
1-1 热传导与傅立叶定律 热传导的定义是：依靠物体内部自由电子运
动或分子振动，从而导致热量的传递，即热传导。
热传导遵循傅立叶定律，它是一个经验性定 律。实践证明，单位时间内的通过单位面积的传 热量q与垂直于温度的梯度 dT 成正比。
D=1 灰体：能部分吸收辐射能的物体。
灰体的黑度 ：
AQ A
Q
3-2 斯蒂芬—波尔兹曼定律 黑体的辐射能力E0与绝对温度的四次方成正比。
E0 0T4 C01T004
3- 3 实际物体间的辐射能力
EE0 C01T004
一般物体温度低于400 673K时，可忽略辐射 传热的影响。在化工热交换计算中，一般都不考 虑辐射传热。
3-4 实际物体间的辐射传热 高温对低温物体的辐射热流量可用下式表示：
C12A1T10401T2040
第四节 热交换的计算
4-1 热流量方程与传热系数 热流体对壁面
间壁内传导
间壁壁面对冷流体
总热流量方程：
一、平面壁的总热流量方程式
ห้องสมุดไป่ตู้
A(TT/ )
1 1
KAT
1 2
K称为基于内表面的总传热系数，它是表示导热 系数与给热系数的综合传热指标，是以内表面为
传热面积的K。 K只在微分管段为常数。但工程计算中，常由某
定性温度的物性来确定α1、α2，即将α看作常数， 因而此处亦可将K看成常数。
二、圆筒壁的总流量方程式
KO 1
1 0 1 A0
1 Am 2 Ai
Ko=1/R=R in+R w+R out 总的热阻等于两侧流体的对流传热的热阻和器壁
α值的大致范围：
空气自然对流，5~20 w·m-2·K-1 ； 空气强制对流，20~100 w·m-2·K-1 ； 水蒸汽冷凝，5000~15000 w·m-2·K-1 ； 水沸腾，2500~25000 w·m-2·K-1
第三节 热辐射
3-1 基本概念 当波长为0.4-40m的电磁波投射到另一物体上时，能
牛顿冷却定律
流体被q冷 却 (TT时 W) 流体被q加 （ 热 TW ' 时 T')
α——比例系数，亦称传热膜系数，其单位是
q
T T W
[W ] W m 2K 1 [m 2]K []
2-2 有效膜 假设有一层厚度为δt的静止流体膜所具有的热
阻，恰好等于拟考察的对流传热过程的热阻相当， 则该静止流体膜称为传热的“有效膜”。
普朗特数 格拉晓夫数
Pr C p
Gr
g Tl 3 2 2
2-4 流体无相变时强制对流传热膜系数的关联式 低黏度流体：
当流体被加热时，n=0.4，流体被冷却时，n=0.3。 高黏度流体：
0.02d7 u0.8Cp0.33 w0.14
圆形管内过渡流时的对流传热系数为：
过 湍16R1e1.805
工业应用
电阻加热
电流通过电阻 较大的电热丝 或电热棒而产 生热量
直接加热式电 炉
干燥、蒸 馏
电弧加热
电弧放电产生 直接加热式电 熔 炼 特 种
热量
弧炉
金属
电 子 束 加 由电子束撞击 炉体真空系统 熔 炼 各 种
热
被 加 热 物 体 而 和电子系统 产生热量
金属
6-1 高频加热与微波加热 高频加热：高频振荡器、工作电容器及被加热的物
第五节 间壁式热交换器
间壁式换热器的特点是冷、热两流体被固体壁面 隔开，不相混合，通过间壁进行热量的交换。
从结构来看，有以下几种：夹套式换热器、蛇管 式换热器、套管式换热器等。
5-1 夹套式换热器
5-2 蛇管式换热器
5-3 套管式换热器
5-4 列管式换热器
5-9 各种间壁换热器的比较和强化传热的途径 各种换热器的比较 各种换热器的特点及外表均不相同，采用什么类
n层平壁热传导的公式为：
T
n bi
A i1 i
T 总推动力 R 总热阻
式中：i——壁层的序数
n——壁的层数
1-4 圆筒壁稳定热传导计算 的圆筒长为L，内径为r1，内壁温度为T1，外
半径为r2，外壁温度为T2，其热流量（φ）。
2 rL ( dT ) dr
ln
r2 r1
2 L
T 2 T1
2 L T1 T 2
1 ln r2 r1
推广到n层圆筒的热流量公式为：
n
2L Tn Tn1
i1
n 1 lnrn1
i1 n
rn
第二节 对流传热
对流传热的定义是，通过流体内分子的定向 流动和混合而导致热量的传递。
2-1 牛顿冷却定律 对流传热服从牛顿冷却定律，也称牛顿传热
dn
q dT dn
q dT dn
1-2 导热系数
q dT dn
导热系数在数值上等于单位时间内，温度梯度为1
K·m-1时，经过单位面积所传递的热量。物质的导
热系数值越大，表明该物质的导热能力越强。
1-3 单层及多层平面壁的定常态热传导 单层平面壁的热传导计算
qAA(T1T2)
热流强度 传热 热阻 推力 动力
传导热阻之和。
4-2 传热的平均温度差 恒温传热——是指任何时间内经过间壁两侧进行
热量交换的两种流体，其温度都不发生变化的传 热过程。 变温传热——是指在传热过程中，间壁一侧或两 侧的流体沿传热壁面随位置而变化，若各点上的 温度不随时间变则称之为定常态变温传热；若间 壁一侧或两侧的流体温度不仅随位置而变，还随 时间而改变，则称非定常态变温传热。
定律。
在固体壁面存在层流层，然后是过度层，再是湍 流层。在层流层，热量靠热传导的方式传递；在 过度层和湍流层，热量靠分子的流动和混合来传 递。直接按热传导的方式处理，显然不行，因为 湍流层不能按导热处理。于是人们尝试，虚拟一 个传热边界层δ，使得层流、过度流、湍流的全部 传热阻力集中在δ内。于是可以按平壁导热处理。