化工原理第四章传热及传热设备

一个物性参数，越大，导热性能越好。导热性能的大小与物
质的组成、结构、温度及压强等有关。
物质的导热系数通常由实验测定。各种物质的导热系数数 值差别极大，一般而言，金属的导热系数最大，非金属次之， 而气体最小。工程上常见物质的导热系数可从有关手册中查 得，本教材附录亦有部分摘录。
气体的导热系数
与液体和固体相比，气体的导热系数最小，对 导热不利，但却有利于保温和绝热。
优点：结构简单，可耐高温。
缺点：设备体积庞大，传热效率低且两 流体有部分混合。
适用范围：常用于高温气体热量的回收 高温流体 或冷却。
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。
第四章 传热及传热设备
➢ 4.1 概述 ➢ 4.2 热传导 ➢ 4.3 对流传热 ➢ 4.4 流体无相变的对流传热系数 ➢ 4.5 流体有相变的对流传热系数 ➢ 4.6 辐射传热 ➢ 4.7 总传热速率和传热过程的计算 ➢ 4.8基本方式 热传导(导热) 物体内部或两个直接接触的物体之间，分子振动、碰撞
4.2 热传导
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。
导热在固体、液体、气体中均可发生。但严格而言， 只有固体中传热才是纯粹的热传导。而流体即使处于静 止状态，也会有因温差而引起的自然对流。所以，在流 体中对流与传导是同时发生的。
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
低温流体
简称蓄热器。是借助蓄热体将热量 由热流体传给冷流体的。在此类换热器 中，热、冷流体交替进入，热流体将热 量储存在蓄热体中，然后由冷流体取走， 从而达到换热的目的。
气体的导热系数随着温度的升高而增大。而在 相当大的压强范围内，气体的导热系数随压强的 变化很小，可以忽略不计，只有当压强很高（大 于200MPa）或很低（小于2.7kPa）时，才应考虑 压强的影响，此时导热系数随压强的升高而增大。
液体的导热系数
液体可分为金属液体（液态金属）和非金属液体。 液态金属的导热系数比一般液体的高，大多数金 属液体的导热系数随温度的升高而降低。 在非金属液体中，水的导热系数最大。除水和甘 油外，大多数非金属液体的导热系数亦随温度的升 高而降低。通常纯液体的导热系数较其溶液的要大。 液体的导热系数基本上与压强无关。
的导热面积A成正比。
Q=-λAdt/dx
λ--导热系数，W/m·K 或W/m·℃ dt/dx—温度梯度，负值(温度降低的方向)
Q—热流量，热流方向与温度梯度的方向相反
4.2.3 导热系数
QAdt Q q
dx
Adt dt
dx dx
上式即为导热系数的定义式。其表明导热系数在数值上
等于单位温度梯度下的热流密度。它是表征物质导热性能的
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
4.1 概述
4.1.3 传热速率 传热速率(热流量) Q：单位时间内的传热量。单位：J/s，W。 热流密度(热通量) q ：单位时间内通过单位传热面积的热量。
单位： W/m2。 关系：q=Q/A 4.1.4 稳态传热与非稳态传热 稳态传热：物体中各点温度不随时间变化的热量传递过程。 非稳态传热：物体中各点温度随时间变化的热量传递过程。
固体的导热系数
在所有固体中，金属的导热性能最好。大多数金 属的导热系数随着温度的升高而降低，随着纯度的 增加而增大，也即合金比纯金属的导热系数要低。
非金属固体的导热系数与其组成、结构的紧密程 度及温度有关。大多数非金属固体的导热系数随密 度增加而增大；随温度升高而增大。
应予指出，在导热过程中导热体内的温度沿传热 方向发生变化，其导热系数也在变化，但在工程计 算中，为简便起见通常使用平均导热系数。
例：温度升高，气体的粘度μ_____________，导热系数 λ____________（变大，变小，不变）。
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
对流 辐射
流体质点的位移和混合 通过电磁波传递能量
4.1.2 冷热流体接触方式及设备 混合式传热（直接接触式）
间壁式传热
蓄热式传热
工业换热器
1、混合式换热器
主要特点：冷热两种流体间的热交
冷水
换，是依靠热流体和冷流体直接接
触和混合过程实现的。
优点：传热速度快、效率高，设备
简单，是工业换热器的首选类型。
可见，在数 金属 值 非上 金 属 ： 液体 气体
4.2 热传导
4.2.4 平壁的稳定热传导
t
一、单层平壁
A
t1
Q
假定壁的材质均匀，导热系数λ不随温
t2
度变化，视为常数。一维稳定导热，即： O x x dx
典型设备：如凉水塔、喷洒式冷却
塔、混合式冷凝器
废蒸气
适用范围：无价值的蒸气冷凝，或
其冷凝液不要求是纯粹的物料等，
允许冷热两流体直接接触混合场合。
热水
2、间壁式换热器
主要特点：冷热两种流体被一固体间壁所隔开，在 换热过程中，两种流体互不接触，热量由热流体通 过间壁传给冷流体。以达到换热的目的。
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。