第四章 传 热

第四章传热

第一节概述

传热是指由于温度差引起的能量转移，又称热传递。

热力学不研究引起传热的机理和传热的快慢，它仅研究物质的平衡状态，确定系统由一种平衡状态变到另一种平衡状态所需要的总能量；而传热学研究能量的传递速率，因此可以认为传热学是热力学的扩展。热力学（能量守衡定律）和传热学（传热速率方程）两者的结合，才可能解决传热问题。

化工生产中对传热的要求经常有以下两种情况：一种是强化传热过程；另一种是削弱传热过程。

传热系统（例如换热器）中不积累能量（即输入能量等于输出的能量），称为定态传热。定态传热的特点是传热速率（单位时间传递的热量）在任何时刻都为常数，并且系统中各点的温度仅随位置变化而与时间无关。

根据传热机理不同，热传递有三种基本方式：传导、对流和辐射。在无外功输入时，净的热流方向总是由高温处向低温处流动。

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运动而引起的热量传递称为热传导（又称导热）。固体中的热传导属于典型的导热方式。

流体中各部分之间发生相对位移所引起的热传导过程称为热对流（简称对流）。热对流仅发生在流体中。

流体中对流原因可分为两种：一是自然对流；二是强制对流。

在化工传热过程中，常遇到的并非单纯对流方式，而是流体流过固体表面时发生的对流和热传导联合作用的传热过程，即热由流体传到固体表面（或反之）的过程，通常将它称为对流传热（又称为给热）。

因热的原因而产生的电磁波在空间的传递，称为热辐射。所有物体（包括固体、液体和气体）都能将热能以电磁波形式发射出去，而不需要任何介质，也就是说它可以在真空中传播。物体之间相互辐射和吸收能量的总结果称为辐射传热。任何物体只要在热力学温度零度以上都能发射辐射能，但只有在物体温度较高时，热辐射才能成为主要的传热方式。

传热过程中，热、冷流体热交换可分为三种基本方式：一、直接接触式换热器和混合式换热器；二、蓄热式换热器和蓄热器；三、间壁式换热和间壁式换热器。

通常，将流体与固体壁面之间的传热称为对流传热过程，将冷、热流体通过壁面之间的传热称为热交换过程，简称传热过程。

流体流经管束称为流经管程，将该流体称为管程（或管方）流体；流体流经管间环隙称为流经壳程，将该流体称为壳程（或壳方）流体。

对于特定的列管式换热器，其传热面积可按下式计算，即：

传热速率Q是指单位时间内通过传热面的热量，其单位为W。热通量q则是指每单位面积的传热速率，其单位为W/m2。

传热速率和热通量是评价换热器性能的重要指标。

在化工生产中，物料在换热器内被加热或冷却时，通常需要用另一种流体供给或取走热量，此种流体称为载热体，其中起加热作用的载热体称为加热剂（或加热介质）；起冷却（或冷凝）作用的载热体称为冷却剂（或冷却介质）。

工业上常用的加热剂有热水、饱和蒸汽、矿物油、联苯混合物、熔岩及烟道气等。

冷却剂有水、空气、盐水、氨蒸气等。

第二节热传导

物体或系统内的各点间的温度差是热传导的必要条件。由热传导方式引起的热传递速率（简称导热速率）决定于物体内温度的分布情况。温度场就是任一瞬间物体或系统内各点的温度分布总和。

一般情况下，物体内任一点的温度为该点的位置以及时间的函数。

若温度场内各点的温度不随时间而变，即为定态温度场。若物体内的温度仅沿一个坐标方向发生变化，此温度场为定态的一维温度场。温度场中同一时刻下相同温度各点所组成

的面积为等温面。不同的等温面彼此不能相交。通常，将温度为（）与t相邻等温

面之间的温度差，与两面间的垂直距离之比值的极限称为温度梯度。

温度梯度为向量，它的正方向是指向温度增加的方向。

傅立叶定律为热传导的基本定律，表示通过等温面的导热速率与温度梯度及传热面积

成正比，即：，负号表示热流的方向总是和温度梯度的方向相反。

导热系数的定义可以由傅立叶定律的表达式给出：

导热系数在数值上等于单位温度梯度下的热通量。

一般来说，金属的导热系数最大，非金属固体次之，液体较小，气体最小。

纯金属的导热系数一般随温度的升高而降低，合金的导热系数一般比纯金属要低。非金属的导热系数通常随密度增加而增大，随温度升高而增大。

对于大多数固体，导热系数的值与温度大致成线性关系，即：

液态金属的导热系数比一般液体的要高。大多数液态金属的导热系数随温度升高而降低。除水和甘油外，液体的导热系数随温度升高略有减小。一般来说纯液体的导热系数比其溶液的要大。

气体的导热系数随温度的升高而增大。气体的导热系数很小，对导热不利，有利于保温，绝热。

单层平壁的热传导：

导热速率

热通量

导热速率与导热推动力成正比，与导热热阻成反比。

导热系数随温度呈线性关系时，可以用物体的平均导热系数进行热传导计算。

导热系数按变量计算：

自然界中传递过程的普遍关系为：过程传递速率=

n层平壁的热传导速率方程式为：

单层圆筒壁的热传导：

多层圆筒壁的热传导：

圆筒壁的定态传热，通过各层的热传导速率都是相同的，但是热通量却都不相同。导热系数为常数，圆筒壁内的温度分布也不是直线而是曲线。

第三节对流传热概述

流体流过固体壁面（流体温度与壁面温度不同）时发生的对流和热传导联合作用的传热过程，即是热由流体传到固体表面（或反之）的过程，通常将它称为对流传热（又称为给热）。

根据流体在传热过程中的状态对流传热可分为两类：

（一）流体无相变的对流传热，根据流体流动原因不同，可分为两种情况：

（1）强制对流传热（2）自然对流传热

（二）流体有相变的对流传热

（1）蒸汽冷凝（2）液体沸腾

对流传热速率

系数×推动力

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：