第四章 传热过程及换热器
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化工原理第四章传热过程超详细讲解
例4-12 在其他条件(K,Cp,M1,M2)不变时, 并→逆，求T2, t1。 解：利用并流求得有关常数： Φ=KAΔtm=-M1Cp1ΔT’=M2Cp2Δt’
设热阻集中在保温层：则
则一米管年损失的热量：
W=J/s
年损失的价值：
一米管道耗保温材料体积：V= ∴年折旧费用：
总费用： 求导，求极值:
28.356
复杂系数一元三次方程，用试差法求解：
设D=0.4 时，左=62.8≈右=63 ∴δ=D-0.1/2=(0.4-0.1)/2=0.15 m
作业：P142 （4、5）
∴ A (t1 t 2) At
R=δ/λ—热阻
2 多层平面壁,如耐火砖——绝热砖——建筑砖组成三层复合 壁，对各层分别应用单层导热公式有：
一层：
(1)
二层：
(2)
三层：
(3)
∵平面壁：A1=A2=A3=A ∵稳定传热Φ1=Φ2=Φ3=Φ则有：
t1-t4=Δt=
…(4)
…(5)
讨论：(1) ①+②得：
(4)潜热 Q潜 mH m nH n
(J/mol*K)
式中:ΔHm和ΔHn分别为质量和摩尔相变潜热 (单位分别为： J/kg；J/mol)
§2 传导传热（热传导，导热） 一、定义：传导传热——发生在固体、静止或滞流流体中，因分
子的振动或自由电子的运动而传递热量的方式。
二、导热方程—付立叶定律：
故将对流传热扩展为：对流给热——流体与壁面 之间的传热。由于壁面附近的流体为滞流，因此：对 流给热包括湍流主体的对流传热和壁附近滞流层的热 传导，为描述此复杂的给热过程的速率，特提出对流 给热机理(模型)，其要点为：
a.湍流主体以对流方式传热，温度一致, 即忽略湍流主体的热阻。
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
化工原理天大版第四章-传热2..
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 。
氨蒸气
烟道气
~1000
适用温度，℃
0~80
>30
0~—15
<—15~—30
谢谢！
化工原理天大版第四章-传热2..
重点： ①单层、多层平壁，圆筒壁热传导速率方程 及应用； ②换热器能量衡算，总传热速率方程和总传 热系数的计算； ③对流传热系数的影响因素； 难点：
1. 对流传热机理;
2. 圆筒壁换热器的传热；
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
①热流体将热量传到壁面一侧②热量通过固体壁面的
热传导③壁面另一侧将热量传给冷流体
热对流---热传导---热对流
①结构简单，传热面积增减自如。因为它由标准构件组合而成， 安装时无需另外加工。
②传热效能高。它是一种纯逆流型换热器，同时还可以选取合 适的截面尺寸，以提高流体速度，增大两侧流体的传热系数，因此 它的传热效果好。液-液换热时,传热系数为 870～1750W/（m 2·℃）。这一点特别适合于高压、小流量、低传热系数流体的换热。 套管式换热器的缺点是占地面积大；单位传热面积金属耗量多，约 为 管壳式换热器 的5倍；管接头多，易泄漏；流阻大。
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
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：
《核电站通用机械设备》第4章(热交换器)
液加热区。高压给水走管内，下进上出。加热
蒸汽走管间，上进、下排冷凝液。疏水凝结液
走下部管间，与高压给水成逆流走向，右进左
排。
4.6.3高压给水加热器
4.6.4 凝汽器（冷凝器）
结构：
⑴每台机组配三台凝汽器，布置在机房底层。
⑵每台凝汽器有两组单流程管束，为卧式单程管
板式换热器。
原理：
循环冷却水（海水）由入口水室下端的进水暗渠
板为碳钢，管束与管板连接采用先焊后胀。两
端封头均为蝶形封头。
⑷筒体内还有防冲板、管束支撑板、防震杆等
换热器辅助部件。
4.6.3高压给水加热器
工作原理：
利用汽轮机抽汽加热高压给水，保证进入蒸汽
发生器的给水水温。
高压加热器的加热介质分别为蒸汽和疏水凝结
液。在同一筒体内，用壳程纵向隔板分成两个
加热区，上部为蒸汽加热区，下部为疏水凝结
4.2.3 浮头式热交换器
4.2.1 固定管板式热交换器
结构：
两端管板和壳体连接成一体。
特点：
结构简单，造价低廉。壳程不易检修和清洗；
两流体的温差较大时，应考虑热补偿。
使用工况：
4.2.1 固定管板式热交换器
4.2.2 U型管热交换器
结构：
管子弯成U型，管子两端固定在同一管板上。
特点：
⑴结构简单，重量轻
的温 度,℃;
α—比例系数,又称局部对流传热系数,W/
(m2·℃)
4.3.3.2 对流传热速率方程
牛顿冷却定律：
Q S t
(4-3)
式中：α—平均对流传热系数, W/(m2·℃);
S—总传热面积，m2；
Δt—流体与壁面之间的平均温差, ℃。
蒸汽走管间，上进、下排冷凝液。疏水凝结液
走下部管间，与高压给水成逆流走向，右进左
排。
4.6.3高压给水加热器
4.6.4 凝汽器（冷凝器）
结构：
⑴每台机组配三台凝汽器，布置在机房底层。
⑵每台凝汽器有两组单流程管束，为卧式单程管
板式换热器。
原理：
循环冷却水（海水）由入口水室下端的进水暗渠
板为碳钢，管束与管板连接采用先焊后胀。两
端封头均为蝶形封头。
⑷筒体内还有防冲板、管束支撑板、防震杆等
换热器辅助部件。
4.6.3高压给水加热器
工作原理：
利用汽轮机抽汽加热高压给水，保证进入蒸汽
发生器的给水水温。
高压加热器的加热介质分别为蒸汽和疏水凝结
液。在同一筒体内，用壳程纵向隔板分成两个
加热区，上部为蒸汽加热区，下部为疏水凝结
4.2.3 浮头式热交换器
4.2.1 固定管板式热交换器
结构：
两端管板和壳体连接成一体。
特点：
结构简单，造价低廉。壳程不易检修和清洗；
两流体的温差较大时，应考虑热补偿。
使用工况：
4.2.1 固定管板式热交换器
4.2.2 U型管热交换器
结构：
管子弯成U型，管子两端固定在同一管板上。
特点：
⑴结构简单，重量轻
的温 度,℃;
α—比例系数,又称局部对流传热系数,W/
(m2·℃)
4.3.3.2 对流传热速率方程
牛顿冷却定律：
Q S t
(4-3)
式中：α—平均对流传热系数, W/(m2·℃);
S—总传热面积，m2；
Δt—流体与壁面之间的平均温差, ℃。
化工原理第四章传热及传热设备
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
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。
流体无相变时：α =f(u，l，μ,λ，ρ，Cp，βgΔt)
8个变量通过因次分析得到如下等关系式：
l
K
lu
a
Cp
f
l
3
2 gt 2
h
Nu l ：努塞尔准数 表示对流传热系数的准 数
Re lu ：雷诺准数 表示流动状态对 的影响
Pr Cp ：普兰特准数 表示流体的物性对 的影响
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
QAd dxtAQ dtdqt
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
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
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。
流体无相变时：α =f(u，l，μ,λ，ρ，Cp，βgΔt)
8个变量通过因次分析得到如下等关系式：
l
K
lu
a
Cp
f
l
3
2 gt 2
h
Nu l ：努塞尔准数 表示对流传热系数的准 数
Re lu ：雷诺准数 表示流动状态对 的影响
Pr Cp ：普兰特准数 表示流体的物性对 的影响
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
QAd dxtAQ dtdqt
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
化工原理
Q ──热冷流体放出或吸收的热量，W； cph,cpc ──热冷流体的比热容， J/(kg. ℃) ；
h1,h2 ──冷流体的进出口焓，J/kg；
H1,H2 ──热流体的进出口焓， J/kg 。
相变时
若热流体为饱和蒸汽，当冷凝时有相的变化，但是冷 凝液在饱和温度下离开换热器。冷流体无相变化。
Q Wh rh Wc c pc t 2 t1
A
2）较大温差记为t1，较小温差记为t2； 3）当t1/t2<2，则可用算术平均值代替
t m (t1 t 2 ) / 2
4）当t1＝t2
t m t1＝t 2
2、错流、折流时的 t m
t m t m
'
t ' m ：逆流时的平均温度差
f ( P, R, 流型）
t 对流
（1）管外对流
dQo o dAo (T Tw )
（2）管壁热传导
dQ壁
（3）管内对流
b
dAm (Tw t w )
dQi i dAi (t w－t )
dQ dQo dQ壁 dQi
对于稳定传热
T Tw Tw t w t w t T t dQ 1 b 1 1 b 1 o dAo dAm i dAi o dAo dAm i dAi
T t dQ 1 KdA
1 1 b 1 KdA o dAo dAm i dAi
式中 K——总传热系数，W/(m2· K)。
讨论：
1．当传热面为平面时，dA=dAo=dAi=dAm
1 1 b 1 K o i
2．以外表面为基准(dA=dAo):
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
第四章 传热
i
i
注：对于圆筒壁的稳定热传导，通过各层的热传导 速率都是相同的，但是热通量不相等。
例 在一 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，平均导热系数是0.07W/m·℃，外层为20mm 的石棉层，其平均导热系数是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℃，管壁的导热系数是 45W/m·℃。试求每米管长的热损失及两层保温层界面的温度。
1. 温度场和温度梯度 温度场(temperature field)：任一瞬间物体间或系统内各点
的温度分布，称为温度场。
物体的温度分布是空间位置和时间的函数，即
t = f (x，y，z，)
(4-1)
式中：t —— 温度 x, y, z —— 空间坐标
τ—— 时间
不定态温度场：温度场内如果各点温度随时间而改变。 定态温度场：若温度不随时间而改变。
一维温度场：若温度场中温度只沿着一个坐标方向变化。
t = f (x，)
(4-1a)
等温面：温度场中同一时刻相同温度各点组成的面。
等温面的特点：
（1）等温面不相交； （2）沿等温面无热量传递。
注意：沿等温面无热量传递，而沿和等温面相交的任何方
向，都有热量的传递。温度随距离的变化程度以沿与等温面 的垂直方向为最大。
r1 r 2
dr
t1 t2
L
假 设：
圆筒壁很长，沿轴向散热可忽 略，则通过圆筒壁的热传导可视为 一维稳态热传导；
圆筒的内外半径分别为r1 、r2 ， 长度为L；
圆筒内、外壁面温度分别为t1 、 t2，且t1>t2。
根据傅立叶定律，对此薄圆筒层可写出传导的热量为
传热过程和换热器热计算基础
传热过程和换热器热计算基础前言:在工业生产和日常生活中，传热是一个非常重要的过程。
无论是热运输、能源利用、工业生产还是家庭暖气系统，我们都需要了解传热过程和换热器的热计算基础。
在本文中，我们将详细介绍传热过程的基本概念和传热计算的方法。
一、传热过程的基本概念1、传热的基本概念传热是指能量由高温区域传递到低温区域的过程。
传热过程可以通过三种方式进行传递，分别是传导、对流和辐射。
传导是指热量通过物质的直接接触传递，对流是指热量通过流体（液体或气体）的运动传递，辐射是指热量通过电磁辐射传递。
在实际应用中，这三种传热方式常常同时存在。
例如，热水锅炉中的传热过程包括水的对流传热、锅炉壁的传导传热和辐射传热。
2、传热的基本定律传热过程基于以下两个基本定律，它们是传热计算的基础。
(1)热传导定律热传导定律描述了热量沿着温度梯度的方向从一个物体传递到另一个物体的过程。
热传导定律可以用以下公式表示:q = -kA(dT/dx)其中，q是单位时间内通过单位面积的热流量，k是材料的热传导系数，A是传热的横截面积，dT/dx是温度梯度。
(2)牛顿冷却定律牛顿冷却定律描述了通过对流传热的过程。
它指出，对流换热速率正比于温差和表面积，反比于流体和固体的热阻。
牛顿冷却定律可以用以下公式表示:q=hA(Ts−T∞)其中，q是单位时间内通过单位面积的热流量，h是对流传热系数，A 是传热表面积，Ts是固体表面温度，T∞是流体的温度。
二、换热器的计算基础换热器是用于传递热量的设备，广泛应用于各个行业中。
换热器的设计需要进行热计算，主要包括换热面积的计算和换热系数的计算。
1、换热面积的计算换热面积的计算取决于需要传递的热量流率和温度差。
换热面积可以使用以下公式计算:A=Q/(UΔT)其中，A是换热面积，Q是需要传递的热量流率，U是换热系数，ΔT 是温度差。
2、换热系数的计算换热系数是衡量换热器性能的重要指标之一、换热系数可以通过经验公式、理论公式或实验方法进行计算。
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)。
《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 传热教学内容
t R
i1 i A
例4-2 P125
多层平壁传热的推动力为总温度差。传热阻力由 各层热阻之和。并且有
t1：t2：t3：t = R1：R2：R3：Ri
25
四、圆筒壁的热传导
1.单层圆筒壁的热传导（稳态）
dr t2 t1
r2
Q
Hale Waihona Puke r1rL26
QAdt2rldt
dr
dr
上式积分可得：
Q
2lt1
ln r2
时的传热速率。
固体导热系数：
固体＞液体 ＞气体
金属的导热系数最大，是热的良导体。
温度↗ ↘
纯度↗ ↗
非金属导热系数较小。
温度↗ ↗ 纯度↗ ↗
对大多数固体： = 0(1+at)= 0 +at
0C时的导热系数
温度系数
17
液体的导热系数： 液态金属(与固态金属性质差不多) 非金属液体：水的导热系数最大
第四章 传热
1
要求：
1.掌握热传导的基本原理、傅里叶定律、平壁与 圆筒壁的稳定热传导计算； 2.掌握对流传热的基本原理及牛顿冷却定律； 3.掌握运用传热速率方程式、热量衡算式、平均 温度差、总传热系数进行传热计算；
2
4.理解对流传热系数的影响因素、关联式及应用 条件； 5.了解间壁换热器的结构特点、应用及强化途径。
21
传热速率
传热推动力 传热阻力
22
2.多层平壁的热传导
Q
b1 b2 b3 t t1
t2 t3 t4 x
23
以三层平壁为例：
QQ 1Q2Q3
Qt1t2 t2 t3 t3t4
b1
b2
b3
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-传热过程分析和换热器计算
9.2.2 间壁式换热器主要型式
1、套管式换热器
适用于传热量不大或流体流量不大的情形。
套管式换热器
优点
结构简单，可利用标准管件。
两种流体都可在较高温度和 压力下换热，传热系数大。
传热面积可根据需要增减。
缺点
单位换热面积金属耗量大， 价格较高。
检修、清洗不便。
2、壳管式换热器
间壁式换热器的一种主要形式，又称管壳式换热器。传热 面由管束组成，管子两端固定在管板上，管束与管板再封 装在外壳内。两种流体分管程和壳程。
在假设的基础上，并已知冷热流体的 进出口温度，现在来看图中微元换热 面dA一段的传热。温差为：
t t1 t2 dt dt1 dt2
t1 t1 dt1 t1
在固体微元面dA内，两种流体的换 热量为:
d kdA t
t2 dt2 t2
t2
对于热流体: 对于冷流体:
1 d qm1c1dt1 dt1 qm1c1 d
由于β值常常远大于1，而使η0β的值总是远大于1，这就使 肋化侧的热阻显著减小，从而增大传热系数的值。
9.1.4 临界热绝缘直径
Φ
l(t fi t fo )
1 1 ln( do ) 1
hidi 2 di hodo
圆管外敷保温层后：
Φ
l(t fi t fo )
1 1 ln( do1 ) 1 ln( do2 ) 1
本章要求掌握的内容：
定量：传热过程的计算；对数平均温差的计算； 间壁式换热器的设计计算及校核计算。
定性：掌握传热过程的热阻分析法；传热过程 强化与削弱措施。
9-1 传热过程的分析和计算
• 传热过程：热量由壁面一侧的流体通过壁面传到另 一侧流体中去的过程称传热过程。
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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将λ作常数处理，则可积分：
(3)多层平面壁
1 A λ λ
3
2 λ
3
1
2
δ1
δ2
δ3
Φ=
∑△t δi ∑ λ iAi
例: 有一炉壁由下列三种材料组成： 耐火砖 λ 1=1.4w/m· δ1 =240mm ℃ 保温砖 λ 2=0.15w/m· δ2=120mm ℃ 建筑砖 λ 3=0.8w/m· δ3=240mm ℃ 今测得内壁面温度为930℃，外壁面温 度为70℃，求每平方米面积的壁面的热 损失和各层接触面上的温度。
7、稳定传热与不稳定传热 与流体流动中有稳定流动和不稳定流动一样， 传热过程有稳定传热与不稳定传热，若传热系 统内各点的温度仅随着位置变化而不随时间变 化，则称此传热过程为稳定传热。其特点是单 位时间内通过传热面积的热量是常量，即传热 速率不变。连续稳定生产过程中的传热一般属 于稳定传热。若传热系统中各点的温度既随位 置变化又随时间变化，则称此传热过程为不稳 定传热过程，在这种情况下，传热速率不再是 常量，它随时间而变化，因而较复杂。间歇生 产以及连续生产中开车和停车阶段的传热都属 于不稳定传热。
40000 10000
备注
氨的冷凝
苯蒸汽冷凝 C3～C4的冷凝 汽油的冷凝 水的沸腾
9300
700～1600 930～1240 930～1210 1000～30000 3000～5000
卧式冷凝器 强制对流有 较大值
水的加热或冷却
油的加热或冷却
200～5000
50～1000
400～1000
200～500
（一）传导传热
一个物体的两部分连续存在温差，热就 要从高温部分向低温部分传递，直到个部分 的温度相等为止，这种传热方式就称为热传 导。
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：个别分子的动量传递； 气体：分子的不规则运动。
2、等温面 在某个时刻相同温度的各点所组成的平面称为 等温面。等温面可以是平面，也可以是一曲面，本课程中所 指 的 等 温 面 一 般 是 平 面 。 3、温度梯度 从任一点起，沿等温面移动，由于温度不 发生变化，因而无热量传递；而沿与等温面相交的任何方向 移动，温度要发生变化，即有热量传递，这种温度随距离的 变化在与等温面垂直的方向最大。如图所示。
（二） 对流传热
热对流是指物体中质点发生相对的位移而引起 的热量交换，热对流是流体所特有的一种传热的 方式，即存在气体或液体中，在固体中 不存在这 种传热方式。其中只有流体的质点能发生的相对 位移。据引起对流的原因不同可分为：自然对流 和强制对流。
热对流与流体运动状况有关，热对流还 伴随有流体质点间的热传导，工程上通常 将流体与固体之间的热交换称为对流传热， 即包含了热传导和热对流。
8、加热剂与冷却剂 在传热过程中，按照传热的目的可将载 热体分为加热剂和冷却剂。用来对物料进 行加热的载热体，称为加热剂，常用来作 加热剂的有蒸汽和热水等；反之，用来使 物料冷却的载热体，称为冷却剂，常用来 作冷却剂的有冷水，空气等；如果要把物 料的温度降到0℃以下，此时的冷却剂又称 冷冻剂，如液氨等。在什么样的条件下， 使用何种物质作加热剂或冷却剂，是需要 仔细的权衡和选择。
2、间壁式换热器壁面的热传导
(1)单层平面壁
设有一均质的面积很大的单层平面壁，厚度为b， 平壁内的温度只沿垂直于壁面的x轴方向变化， 如图所示。
在稳定导热时，导热速率Q不随时间变化，传热面积A 和导热系数 λ 也是常量，则傅立叶公式可简化为： dt Q=-λ A dδ
Φ= Q/ =ﻊλ A(t1-t2)/δ
4.2 传导传热 传热的一些基本概念
1、温度场 物体内各点温度的分布情况，称为温度场。由于物 体内任一点的温度是该点的位置和时间的函数，因而温度场可 表为： t=f(x,y,z,τ) 式中 t------温度； x,y,z-------任一点的空间座标； τ-------时间； 如果温度场内各点的温度随时间而变化，此温度场称为不 稳定温度场，如果各点温度不随时间而变化，则称为稳定温度 场，由于物体内各点温度的分布情况一般都比较复杂，因而一 般情况下很难找到其数学表达式。
4、传热面积A 在传热过程中，垂直于热量传递方向的截 面积，称为传热面积，以A表示。对于平面壁，传热面积即为 A，如图3-6中的a；对于冷热流体分别流过管外和管内时发 生的热量传递的情况，其传热面积为A=π dL，d可为管内径 或外径，L为管长，可人为指定，如图中的B。
5、传热速率Q 单位时间内通过全部传热 面积所传递的热量称为传热速率以Q表示， 单位为J/s或w即瓦。显然，Q数值的大小即 表示传热过程的快与慢。 6、恒压比热Cp 指压强恒定时（常指 1atm绝对压）单位质量物质温度升高1K时 所需的热量，单位为J/kg· K。Cp值一般是 温度的函数，但本课程把它作常数来处理， 或者采用平均值。
由于对流传热是在流体流动过程中发生的热量传递现 象，而且流体流动过程中又与固体壁面接触，那么流体流 动的状况就与对流传热有密切的关系。流体流经固体壁面 时，形成流动边界层，边界层内存在速度梯度；当流体呈 湍流流动时形成湍流边界层，但靠近壁面处总有一层滞流 内层（或称为层流底层）存在。在此薄层内流体质点是沿 管壁成平行运动的而互不相混的滞流流动。无论是热流体 把热量传递给壁面，还是壁面把热量传递给流经它的冷流 体，都必然要通过滞流内层，流体作湍流流动时，主体流 中各部份质点相互碰撞、混合、作不规则的脉动，并有旋 涡生成，温度趋于一致，故热阻很小。而在滞流内层中， 层与层的流体不发生径向的相互位移，无任何宏观的混合。 热量仅能通过传导传热的方式通过滞流内层。由于流体的 导热系数小，故滞流内层的热阻大，通过滞流内层的温度 急剧下降。
导热系数λ
导热系数是物质导热性能的标志，是物质的物理性质 之一。导热系数λ的值越大，表示其导热性能越好。物质 的导热性能，也就是λ数值的大小与物质的组成、结构、 密度、温度以及压力等有关。λ的物理意义为：当温度梯 度为1K/m时，每秒钟通过1m2的导热面积而传导的热量， 其单位为W/m· K或W/m· ℃。 各种物质的λ可用实验的方法测定。一般来说，金属的λ值 最大，固体非金属的λ值较小，液体更小，而气体的λ值最 小。各种物质的导热系数的大致范围如下： 金属 2.3～420 w/m· K 建筑材料 0.25～3 w/m· K 绝缘材料 0.025～0.25 w/m· K 液体 0.09～0.6 w/m· K 气体 0.006～0.4 w/m· K
1 A λ λ
3
2 λ
3
1
2
δ1
δ2
δ3
多层圆筒壁 与多层平面壁相同的推导方法，从单层 圆筒壁的热传导公式可推得多层圆筒壁的 热传导公式如下：
4.3
对流传热
1、对流传热的机理 对流传热是流体各部份质点发生宏观的 相对位移所产生的对流运动来传递热量的 过程。在化工生产中常遇到流体流经固体 壁面时，温度较高的热流体将热量传递给 固体壁面，或温度较高的固体壁面将热量 传递给流经它的冷流体。这两种情况都属 于对流传热，工程中常称为给热 。
（三）辐射传热
热辐射是一种通过电磁波传递能量的 过程。一切物体都能以这种方式传递能 量，而不借助任何传递介质。通常在式换热器 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
热
间壁 冷
双程列管式换热器 1—壳体 2—管束 3—挡板 4—隔板
影响传热分系数的因素 实验证明，影响传热分系数的主要因素有： （1） 流体的流动型态 流体的流动型态分为滞流和湍流， 这两种型态的传热机理有本质的不同。滞流时传热过程以导 热方式进行，传热强度低，传热分系数小，湍流时传热过程 以对流方式进行，传热强度高，传热分系数大。在一定的流 道内，流动时型态由Re数决定，Re数越大，流体的湍动程度 越大，滞流底层越薄，传热边界层也越薄，传热分系数就越 大。 对一定的流体和设备来说。Re数主要决定于流体的流速u。 因此，若使Re数提高，必然会使流体的流速增加，流动阻力 也会增加，消耗于流体的输送功率亦随之增加。为了防止功 率消耗过大，通常要使热交换器里流体的Re数在50000以下。 对于粘度很高的流体即使Re数在50000时，功率消耗也过大， 只能采用较小的Re数。
h
传热系数h表示当流体与壁面间的温度差为1K时，单位时 间通过单位传热面积所能传递的热量。显然，h越大，单位 时间内传递的热量就越多，所以传热系数反映对流传热的强 度。
一些流体的h值W/（m2· K）
传热情况
蒸汽的滴状冷凝 蒸汽的膜状冷凝
h范围
40000～120000 5000～15000
h常用值
1.加热或冷却 2.换热 3.保温
可见，传热过程是普遍存在的。
二、
传热的三种基本方式
一个物系或一个设备只要存在温度差就会 发生热量传递，当没有外功加入时，热量 就 总是会自动地从高温物体传递到低温物体。根 据传热的机理不同，热传递有三种基本方式： 热传导，热对流和热辐射。化工生产中碰到的 各种传热现象都属于这三种基本方式。
加热炉的平壁用耐火砖砌成，壁厚0.32m， 测得壁的内表面温度为700℃，外表面温度 为100℃，耐火砖的导热系数λ=1.05w/m·k, 求每小时每平方米壁面所传递的热量。
(2)圆筒壁的定态传热
圆筒的内半径为r1,外半 径为r2，长度为L。若在 半径为r处取一微分厚度 dr，则传热面积A=2πrL 可以看成是常数。由傅 立叶定律，通过这一微 分厚度dr的圆筒壁的导 热速率为：
第四章
传热过程及换热器
4.1 化工生产中的传热过程及换热器
1、化工生产中的传热过程
传热是自然界和工程领域中较为普遍的一种传递过 程，通常来说有温度差的 存在就有热的传递，也就 是说温差的存在是实现传热的 前提条件或者说是推 动力，在化工中很多过程都直接或间接的与传热有 关。但是进行传热的 目的不外乎是以下三种：