第四章 传热分析
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第四章 传热化工原理课件(包含所有考点)
r1 r0
t1
热传导热阻
令 dQ 0 dr0
对流传热热阻
t 2 tf
dQ 当r0 时， 0 dr0 故 Q 有极大值 dQ 当r0 时， 0 dr0 只有 r 时 ，增加保温层的厚度 0
才能使热损失减少
则 r0 ------临界半径 rc
15
4.2 热传导
假设：层与层之间接触良好，两个接触表面具有相 同的温度。
特点：通过每一层的 常数或q 常数 Q 推动力 热阻 三层平壁的热传导速率 方程式： Q qS t 2 t3 t3 t 4 t1 t 2 Q b1 λ1S b2 λ2 S b3 λ3 S t1 t 4
空气自 然对流 5~25 气体强 制对流 20~100 水自然 对流 20~1000 水强制对流 水蒸汽冷凝 有机蒸汽 冷凝 1000~15000 5000~15000 500~2000 水沸腾
2500~25000
24
4.3 对流传热概述
5、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
Q
rc
r0
25
4.3 对流传热概述
6、对流传热机理
对流传热的温度分布情况图
26
4.3 对流传热概述
（一） 对流传热分析 1) 对流传热是借流体质点的移动和混合而完成的， 它和流体的流动状况密切相关。
2) 流体层流内层中的传热：流体流动过程中，由于 有层流内层的存在，在层流内层中流体是分层流动 的，相邻层间没有流体的宏观流动，因此在垂直于 流体流动方向上不存在热对流，该方向上的传热仅 为热传导，由于流体的导热系数较低，故该层的热 阻较大，即温度梯度较大。
t1
热传导热阻
令 dQ 0 dr0
对流传热热阻
t 2 tf
dQ 当r0 时， 0 dr0 故 Q 有极大值 dQ 当r0 时， 0 dr0 只有 r 时 ，增加保温层的厚度 0
才能使热损失减少
则 r0 ------临界半径 rc
15
4.2 热传导
假设：层与层之间接触良好，两个接触表面具有相 同的温度。
特点：通过每一层的 常数或q 常数 Q 推动力 热阻 三层平壁的热传导速率 方程式： Q qS t 2 t3 t3 t 4 t1 t 2 Q b1 λ1S b2 λ2 S b3 λ3 S t1 t 4
空气自 然对流 5~25 气体强 制对流 20~100 水自然 对流 20~1000 水强制对流 水蒸汽冷凝 有机蒸汽 冷凝 1000~15000 5000~15000 500~2000 水沸腾
2500~25000
24
4.3 对流传热概述
5、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
Q
rc
r0
25
4.3 对流传热概述
6、对流传热机理
对流传热的温度分布情况图
26
4.3 对流传热概述
（一） 对流传热分析 1) 对流传热是借流体质点的移动和混合而完成的， 它和流体的流动状况密切相关。
2) 流体层流内层中的传热：流体流动过程中，由于 有层流内层的存在，在层流内层中流体是分层流动 的，相邻层间没有流体的宏观流动，因此在垂直于 流体流动方向上不存在热对流，该方向上的传热仅 为热传导，由于流体的导热系数较低，故该层的热 阻较大，即温度梯度较大。
化工原理第四章传热
化工原理
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
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
化工原理第四章--传热
2021/6/7
5
三、两流体通过间壁换热
1、间壁式换热器
2、两流体通过间壁的传热过程
（1）热流体以对流方式将热量传递到间壁的一侧壁面
（2）热量从间壁的一侧壁面以导热方式传递到另一侧 壁面 （3）最后以对流方式将热量从壁面传给冷流体
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6
四、传热过程
（一）传热速率 可用两种方式表示：
（1）热流量Q：
圆管：d
非圆管：de 垂直管或板：L
（4）流体类型和相变情况
液体，气体，水蒸气； 牛顿型流体，非牛顿型流体；
有无相变化
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三、对流传热的特征数关系式
目的： 将影响α的众多因素组合为若干个无因次数群，
再用实验数据确定他们之间的关系，得到不同条件 下计算α的经验关联式。
f (u, l, , , , c p , gt )
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（2）流体的（物理）性质
对α影响较大的有： ρ、μ、cp、λ 、β。
确定这些物性的温度称作定性温度。
一般用流体主体的平均温度作为定性温度：
t t1 t2 2
t1——流体进口温度 t2——流体出口温度
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（3）传热表面的几何因素
传热表面的形状，排列，放置方式，管径，管长， 板高等。其中对传热影响最大的因素称作特征尺寸，
du du
dy
dr
（此处的类似是指非同类过程之间的相似性）
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二、热导率
物质的物理性质之一
表征物质的导热能力， λ越大，导热性能越好。 影响因素： 物质种类、环境温度等
（1） 固体导热系数 λ的数量级（W/m·℃）：金属：10~102
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：
四章传热ppt课件
才1/2成0/20为20 最主要的传热方式。
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三、工业换热器
1、混合式换热器
冷水
特点：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。
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，
热水
或其冷凝液不要求是纯粹的物料
第四章 传热 ( Heat transfer )
本章学习要求：
1、掌握内容 传热基本方式、工业换热方式及适用范围；传热基本方程式及 其相关参数的计算方法；热量衡算及其应用；传热系数计算及 测定方法，设计计算与校核计算；强化传热的方法与途径。 2、理解内容 热负荷与传热速率间的关系，传热机理、传热膜概念，列管换 热器的选型方法。 3、了解内容 工业换热器的类型、结构、操作原理。
1、单层圆筒壁导热
• 化工生产中的导热问题大多是圆筒壁中的导 热问题。它与平壁导热的不同之处在于：
• 温度随半径而变；此时傅立叶定律应改写为
Q A dt
dr
• 圆筒壁的导热面积随半径而变，A＝2πrL。
1/20/2020
31
• 如图所示，由傅立叶定 律有：
Q (2 rL) dt
dr
1/20/2020
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• 将上式分离变量，并根据边界条件积分。即：
• 积分得：
Q r2 dr 2L t2 dt
r r1
t1
Q 2 L(t1 t2 ) t1 t2 t
ln r2
ln(r2 r1) R
• •
式中
R ln(r2 r1)
2 L
r1
第四章传热—3(对流传热分析和计算)讲解
第五节
对流传热系数关联式
对对流 自然对流
有相变时的对流传热系数
蒸汽冷凝 液体沸腾
一、 影响对流传热系数的主要因素
1、流体的种类和相变化： 液体、气体、蒸汽及在传热过程中是否有相变。
有相变时对流传热系数比无相变化时大的多；
2、流体的物理性质： 影响较大的物性如密度 р、比热 cp、导热系数 λ、 粘度μ等。
di u 0.8 c p n 0.023 ( ) ( ) di
应用范围：
Re＞10000
0.7＜Pr＜120
当流体被加热时，n=0.4，被冷却时，n=0.3。 特性尺寸 ： 取管内径， 长径之比大于60 定性温度： 流体进、出口温度的算术平均值。
（2） 高粘度流体
Nu=0.023Re0.8Pr1/3（μ/μw）0.14
3、流体的运动状况：
传热热阻主要集中在层流底层，湍流使滞流底层
厚度减薄，对流表面传热系数也就随之增大。
4、流体对流的状况：
自然对流，强制对流。
5、传热表面的形状、位置及大小： 如圆管、翅片管等不同传热表面形状；管板、 管束、管径；管长；管子排列方式；垂直放置或 水平放置等。
二、对流传热中的因次分析
流体物理特性参数的温度称为定性温度。一般定性温
度有三种取法：进、出口流体的平均温度，壁面平均
温度，流体和壁面的平均温度（膜温）。
4 、准数是一个无因次数群，其中涉及到的物理量必 须用统一的单位制度。
二、流体无相变时对流传热系数的关联式
1、流体在圆形直管内作强制对流 （1） 低粘度流体
Nu=0.023Re0.8Prn
例 ： 一 套 管 换 热 器 ， 套 管 为 φ89×3.5mm 钢 管 ， 内 管 为 φ25×2.5mm钢管。环隙中为 p=100kPa的饱和水蒸气冷凝，冷 却水在内管中渡过，进口温度为15℃，出口为85℃。冷却水流 速为0.4m/s，试求管壁对水的对流传热系数。 解：此题为水在圆形直管内流动 定性温度 t=（15+35）/2=25℃ λ=0.608W/m· ℃ ρ=997kg/m3
对流传热系数关联式
对对流 自然对流
有相变时的对流传热系数
蒸汽冷凝 液体沸腾
一、 影响对流传热系数的主要因素
1、流体的种类和相变化： 液体、气体、蒸汽及在传热过程中是否有相变。
有相变时对流传热系数比无相变化时大的多；
2、流体的物理性质： 影响较大的物性如密度 р、比热 cp、导热系数 λ、 粘度μ等。
di u 0.8 c p n 0.023 ( ) ( ) di
应用范围：
Re＞10000
0.7＜Pr＜120
当流体被加热时，n=0.4，被冷却时，n=0.3。 特性尺寸 ： 取管内径， 长径之比大于60 定性温度： 流体进、出口温度的算术平均值。
（2） 高粘度流体
Nu=0.023Re0.8Pr1/3（μ/μw）0.14
3、流体的运动状况：
传热热阻主要集中在层流底层，湍流使滞流底层
厚度减薄，对流表面传热系数也就随之增大。
4、流体对流的状况：
自然对流，强制对流。
5、传热表面的形状、位置及大小： 如圆管、翅片管等不同传热表面形状；管板、 管束、管径；管长；管子排列方式；垂直放置或 水平放置等。
二、对流传热中的因次分析
流体物理特性参数的温度称为定性温度。一般定性温
度有三种取法：进、出口流体的平均温度，壁面平均
温度，流体和壁面的平均温度（膜温）。
4 、准数是一个无因次数群，其中涉及到的物理量必 须用统一的单位制度。
二、流体无相变时对流传热系数的关联式
1、流体在圆形直管内作强制对流 （1） 低粘度流体
Nu=0.023Re0.8Prn
例 ： 一 套 管 换 热 器 ， 套 管 为 φ89×3.5mm 钢 管 ， 内 管 为 φ25×2.5mm钢管。环隙中为 p=100kPa的饱和水蒸气冷凝，冷 却水在内管中渡过，进口温度为15℃，出口为85℃。冷却水流 速为0.4m/s，试求管壁对水的对流传热系数。 解：此题为水在圆形直管内流动 定性温度 t=（15+35）/2=25℃ λ=0.608W/m· ℃ ρ=997kg/m3
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
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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：
第四章 凝固过程中的传热讲解
合质量热容法，即把潜热△h加 到质量热容c，上，获得了一个增大的热
容，折合的质量热容为：
c, c h d3
dT
（3）常见的凝固并不是按平面界面进行的，而存在一个凝固区，即糊状区， 在该区存在着传热与传质的偶合问题，需同时考虑传热和传质。
6
3. 凝固过程传热的研究方法
（1）解析法 （2）实验法 （3）数值计算法
19
（3）固相无扩散，液相中有扩散而无对流的溶质再分配
1） 最初过渡区 2）稳态区当C*S = C0、CL* = C0/K0时，便 进入稳定生长阶段，固相生长所排出的溶
质量等于液态中扩散走的量。在此区，液 相内各点上的成分保持不变。
dCL dt
DL
d 2CL dx,2
R dCL dx,2
0
平衡凝固只是一种理想状态，在实际 中一般不可能完全达到，特别是固相 中原子扩散不足以使固相成分均匀。 对C、N、O等半径较小的间隙原子， 由于固、液相扩散系数大，在通常铸 造条件下，可近似认为按绝对平衡情
况凝固。
16
（2）固相无扩散而液相均匀混合的溶质再分配
固相成分的计算（Scheil公式）：
CL 1 K0 dfS
dn
T a2T ----傅里叶第二定律
辐射： q
K
Tc, 100
4
Tc 100
4
λ---导热系数，a=λ/ρcp ----热扩散系数 Tc----环境温度， T,c-----铸件温度
对流： q Tc, Tc
以上为凝固过程基本方程，在特定的条件下即可进行凝固过程温度及其演 变过程的计算，特定解包括： 1）物理条件（物性参数），2）几何条件（凝固系统几何形状） 3）时间条件（初始条件），4）空间条件（边界条件）
化工原理--传热
第四章传热本章介绍了三种基本传热方式，即导热、对流传热、辐射传热的基本概念和定律；详细分析了对流传热过程机理，建立了对流传热速率方程以及表面传热系数的经验关联式；由总传热速率方程出发，对传热过程进行设计计算和操作分析、诊断；介绍了换热设备的类型和列管式换热器的设计和选用。
本章重点要求掌握：①对流传热过程的基本概念、定律、传热速率方程；②管内强制湍流流动时表面传热系数的经验关联及影响因素；③总传热速率方程以及传热过程的计算。
4.1 概述4.1.1 传热在化工生产中的应用传热，即热量的传递，是自然界中普遍存在的物理现象。
由热力学第二定律可知，凡是有温度差存在的物系之间，就会导致热量从高温处向低温处的传递，故在科学技术、工业生产以及日常生活中都涉及许多的传热过程。
化工生产过程与传热关系十分密切。
这是因为化工生产中的很多过程都需要进行加热和冷却。
例如，为保证化学反应在一定的温度下进行，就需要向反应器输入或移出热量；化工生产设备的保温或保冷；生产过程中的热量的合理使用以及废热的回收利用，换热器网络的综合利用；蒸发、精馏、吸收、萃取、干燥等单元操作都与传热过程有关。
化工生产过程中需要解决的传热问题大致分为两类：(1)传热过程的计算，包括设计型计算和操作型计算；(2)传热过程的改进与强化。
这两类问题的解决，都需要从总的传热速率方程出发，即：（4.1.1）式中：Q—冷流体吸收或热流体放出的热流量，W；K—传热系数，W/(m2·℃)；A—传热面积，m2；Δtm—平均传热温差，℃。
4.1.2 传热的基本方式根据热量传递机理的不同，传热基本方式有三种，即热传导、对流和辐射。
热传导：热传导又称导热。
是指热量从物体的高温部分向同一物体的低温部分、或者从一个高温物体向一个与它直接接触的低温物体传热的过程。
对流传热：对流传热是依靠流体的宏观位移，将热量由一处带到另一处的传递现象。
在化工生产中的对流传热，往往是指流体与固体壁面直接接触时的热量传递。
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
天津商业大学
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
天津商业大学
本科生课程 化工原理
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
天津商业大学
本科生课程 化工原理
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
gradt dt dx
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）
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）
化工原理第四章第三节
体的热导率较小，该层热阻较大，温 度差较大，即温度梯度较大。 过渡区 对流和热传导共同作用，在该层内温度
变化较缓慢。
湍流主体 热阻很小，温度梯度很小，各处的温度 基本相同。
2020/3/25
对流传热是集对流和热传导于一体的综合现象。 对流传热的热阻主要集中在层流底层。减薄层流底层的厚 度是强化对流传热的主要途径。
度与饱和蒸汽温度的算术平均值，即TS TW 2
冷凝液沿壁面流动的横截面积为S，则流动当量直径为
de
4S
Π－壁面的润湿周边长度，m，垂直管，Π =πd0，
垂直板，Π为板的宽度。
2020/3/25
冷凝液的液膜沿壁面流动的Re表达式为
Re deu 4lT
r
2020/3/25
3）影响冷凝传热的因素 a) 蒸汽中不凝气体含量的影响
1）蒸汽冷凝的方式 a) 膜状冷凝：若冷凝液能够浸润壁面，在壁面上形成一完
整的液膜
b)滴状冷凝：若冷凝液体不能润湿壁面，由于表面张力的作 用，冷凝液在壁面上形成许多液滴，并沿壁面 落下
2020/3/25
2020/3/25
2）膜状冷凝的传热系数
a)蒸汽在水平管外膜状冷凝
由于管径较小，液膜通常呈层流流动
'
1 1.77
di R
5）流体在非圆形管中作强制对流
对于非圆形管内对流传热系数的计算，前面有关的经
验式都适用，只要将特征尺寸由圆管内径改为当量直径。
传热当量直径de
4
流体流动截面积 传热周边长度
计算结果欠准确，另一种方法是通过实验求得常用
的非圆型管道的对流传热系数的关联式。
2020/3/25
套管环隙中的对流传热，用水和空气做实验，所得的 关联式为：
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
化工原理下册第四章传热分析
t f x, y , z ,
式中 t ── 某点的温度，℃；
x,y,z ── 某点的坐标；
── 时间。
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《化工原理》-第四章传热
不稳定温度场
稳定温度场
t f x, y , z ,
t f x, y , z
t 0
等温面：在同一时刻，温度场中所有温度相同 的点组成的面。
的 比
较
1000
温度 K
二氧化碳
苯（气态）
0.01
200
600
1400
1800
可见，在数值上：
金属 非金属 液体 气体
27
《化工原理》-第四章传热
1)固体
• 金属：纯金属> 合金 • 非金属：同样温度下，越大， 越大。
在一定温度范围内： 0 (1 at)
式中 0, ── 0℃, t℃时的导热系数，W/(m· K)；
层 流
Q’ Q
2 t2’ 1 t1
6
（二）热对流
《化工原理》-第四章传热
热对流是利用流体质点在传热方向上的相对运动来实现热量传递的 过程，简称对流。根据造成流体质点在传热方向上的相对运动的原 因不同，又可分为强制对流和自然对流。 若相对运动是由外力作用引起的，则称为强制对流。如传热过程因 泵、风机、搅拌器等对流体做功造成传热方向上质点块的宏观迁移。 若相对运动是由于流体内部各部分温度的不同而产生密度的差异， 使流体质点发生相对运动的，则称为自然对流。
根据机理的不同，传热有三种基本方式：热传导、热对流和热辐射。 传热过程可依靠其中的一种或几种方式同时进行。
（一）热传导
热传导又称导热，是借助物质的分子或原子振动以及自由电子的热 运动来传递热量的过程。当物质内部在传热方向上无质点宏观迁移 的前提下，只要存在温度差，就必然发生热传导。可见热传导不仅 发生在固体中，同时也是流体内的一种传热方式。 在静止流体内部以及在作层流运动的流体层中垂直于流动方向上的 传热，是凭借流体分子的振动碰撞来实现的，换言之，这两类传热 过程也应属于导热的范畴。 导热过程的特点是：在传热过程中传热方向上无质点块的宏观迁移。
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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
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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）
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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
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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
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（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
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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
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3. 普兰特（Prandtl）数
Pr
Cp
L gt
3 2
反映流体的物性对对流传 热的影响
4. 格拉斯霍夫（Grashof）准数
Gr
2
表示自然对流对对流传热 的影响
一般形式：Nu=f (Re, Pr, Gr)
简化：强制对流 Nu=f (Re, Pr) 自然对流 Nu=f (Pr, Gr)
稳态温度场
组成的面。
等温面：在同一时刻，温度场中所有温度相同的点 不同温度的等温面不相交。
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（二）温度梯度
t+t
n n x
x
t t grad t lim n 0 n n
t
t n
Q
方向：法线方向，以温度增加的方向为正。
2018/10/11
加热 冷却, 液体Pr 1, Pr0.4 Pr0.3
气体
加热 t , Re ,
加热 冷却, 气体Pr 1, Pr0.4 Pr0.3
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（2）影响因素：
du 0.8 Cp n 0.023 ( ) ( ) d 0.8Cp n 1n u 0.8 0.023 0.8n d 0.2
t2
dx
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x
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t dt Q A A n dx
积分：
Qdx
0
b
t2
t1
Adt
Q
A
b
( t1 t 2 )
t 1 t 2 t 推 动 力 Q b A R 热阻
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（二）多层平壁热传导
t
b1 b2 b3
第三节
对流传热
qm1，T1
一、对流传热过程
qm2，t1
qm2， t2
dA
qm1， T2
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冷流体
传热壁
热流体
湍流主体 温度梯度小，热对流为主
T TW
T
层流内层 温度梯度大，热传导为主 过渡区域
tW t t A2
2018/10/11
A1
热传导、热对流均起作用
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（1）应用范围：Re >104, Pr=0.7~160, L/d >60,
气体或低粘度的液体（<2 水）
（2）定性温度：流体进出口的算术平均 值 （3）特征尺寸：管内径
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讨论： （1）加热与冷却的差别： 液体
加热t W t , t , Re ,
热流体： Q 1 A1 (T TW ) 冷流体： Q 2 A2 (tW t )
牛顿冷却定律
式中 Q ── 对流传热速率，W；
1 、 2 ── 热、冷流体的对流传热系数，
W/(m2· K)；
T 、TW、t、tW ── 热、冷流体的平均温度及
平均壁温，℃。
对流传热系数是矛盾的集合体，解决对流传热的传 2018/10/11 热速率关键是解决对流传热系数
在数值上等于单位温度梯度下的热通量
表征材料导热性能的物性参数
= f(结构, 组成, 密度, 温度, 压力） 金属固体 > 非金属固体 > 液体 > 气体
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12
1.固体热导率 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)
各层的温差
b1 b2 b3 t1 t2 : t2 t3 : t3 t4 : : R1 : R2 : R3 1 A 2 A 3 A
2018/10/11 19源自结论：多层平壁热传导，总推动力为各层推动力之和， 总热阻为各层热阻之和； 各层温差与热阻成正比。
推广至n层：
Q 对流 传导 对流
Q2 ( 热 传 导)
Q1 ( 对 流)
( 2)管 壁 内 侧 管 壁 外 侧
Q3 ( 对流) 冷 (3)管壁外侧 冷流体 流 体
热 流 体 T2
t1
稳态传热： Q1 Q2 Q3 Q
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（五）总传热速率方程
t m 总传热推动力 Q KAt m 1 / KA 总热阻
29
二、对流传热系数的影响因素 （一）影响因素
1.流动状态 湍流 > 层流 2.引起流动的原因 自然对流：由于流体内部密度差而引起流体的流动。 强制对流：由于外力和压差而引起的流动。 强制 > 自然
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自然对流的产生： 设 热处：t2，2； 冷处：t1，1 ——体积膨胀系数，1/C.
V2 V1 V1t
而
V2 m
或 V2 V1 (1 t )
m
2
V1
1
得： 1 1 (1 t )
2
1
或
1 2 (1 t )
31
2018/10/11
由温度差而产生的单位体积的升力：
1 2 g 2 (1 t ) 2 g 2 gt
在一定温度范围内：
0 (1 at)
对大多数金属材料a < 0 ，t 对大多数非金属材料a > 0 ， t
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2.液体热导率 0.09～0.6 W/(m· K) 金属液体较高，非金属液体低； 非金属液体水的最大；
水和甘油：t ，
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使用准数关联式时注意： 1. 应用范围
2. 特征尺寸
3. 定性温度
强制对流
无相变 自然对流 蒸汽冷凝
有相变
液体沸腾
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2018/10/11
四、无相变时对流传热系数的经验关联式
（一）流体在管内作强制对流 1. 圆形直管内的强制湍流
Nu C Rem Pr n Nu 0.023Re0.8 Pr n 流体被加热 n=0.4 流体被冷却 n=0.3
第四章
第一节
传
概
热
述
一、传热过程的应用
（1）物料的加热或冷却 （2）热量与冷量的回收利用 （3）设备与管路的保温
2018/10/11
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二、传热的基本方式
（一）热传导 气体 分子做不规则热运动时相互碰撞的结果
固体 液体
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
机理复杂
特点：静止介质中的传热，没有物质的宏观位移
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（二）热对流
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。 特点：流动介质中的传热，流体作宏观运动 （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
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其它液体：t ，
2018/10/11
14
3.气体热导率 0.006～0.4 W/(m· K) t ， 一般情况下，随p的变化可忽略； 气体不利于导热，有利于保温或隔热。
2018/10/11
15
三、平壁的稳态热传导
（一）单层平壁热传导
b t
假设：
t1
Q
材料均匀，为常数； 一维温度场，t沿x变化； A/b很大，忽略端损失。
无相变时
f (u, , , C p , , gt, L)
变量数 8个
基本因次
4个：长度L，时间T，质量M，温度
无量纲特征数（8-4）=4
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1. 努塞尔特（Nusselt ）数
L Nu
表示对流传热系数的特征数
2. 雷诺（Reynolds）数
Re