第四章、传热
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化工原理-第四章-传热
d12
d1
4 d2 d1
入口效应修正 在管进口段，流动尚未充分发展，传热边界层较
薄，给热系数较大，对于l d1 60 的换热管，应考虑进口段对给 热系数的增加效应。故将所得α乘以修正系数：
l
1 d l
0.7
弯管修正 流体流过弯曲管道或螺旋管时，会引起二次环流而强
化传热，给热系数应乘以一个大于1的修正系数：
水和甘油：T ↗ ↗ 一般液体： T ↗ ↘ 纯液体＞溶液
气体的导热系数：
T ↗ ↗ P ↗ 变化小 极高P ↗ ↗
气体导热系数小，保温材料之所以保温一般是材料中空 隙充有气体。
18
三、平壁的稳态热传导
1.单层平壁的热传导
t1 t2
b
t Q t1
t2
0 bx
b：平均壁厚，m； t：温度差，oC；
4
❖ 一、传热过程的应用
物料的加热与冷却 热量与冷量的回收利用 设备与管路的保温
❖ 二、热传递的三种基本方式
热传导 热对流 热辐射
5
1. 热传导（又称导热）
热量从高温物体传向低温物体或从物体内部高温部 分向低温部分传递。
特点：物体各部分不发生相对位移，仅借分子、原 子和自由电子等微观粒子的热运动而引起的热量 传递。
8
3. 热辐射
因热的原因而产生的电磁波在空间的传递， 称为热辐射。
热辐射的特点：
①不需要任何介质，可以在真空中传播；
②不仅有能量的传递，而且还有能量形式 的转移；
③任何物体只要在热力学温度零度以上， 都能发射辐射能，但是只有在物体温度较高时， 热辐射才能成为主要的传热方式。
9
二、间壁传热与速率方程
41
化工原理第四章传热及传热设备
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
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
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。
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
4.2 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。
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
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
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。
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
4.2 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。
传热总结
3、套管换热器内管直径为 、 φ89×3.5mm，流量为 × ，流量为2000kg/h的苯 的苯 在内管内由80 冷却到50 在内管内由 ℃冷却到 ℃，冷却 水在环隙从15℃升至35 水在环隙从 ℃升至 ℃，苯与水 的对流传热系数α 的对流传热系数 1 、α2分别为 230w/m2. ℃、290w/m2 ℃，忽略污垢 热阻。 热阻。 ：（1）冷却水消耗量； 求：（ ）冷却水消耗量； （2）逆流时所需操作面积。 ）逆流时所需操作面积。 已知： 已知：苯Cp1=1.86kJ / kg. ℃； 水Cp2=4.178kJ / kg. ℃ 。
A实=nπd0L=36×3.14×0.019×15=3.2m2 × × × A实＞A0 则换热器面积能满足要求。 则换热器面积能满足要求。 由管程流体的流速确定管程数： 由管程流体的流速确定管程数： Q = qmcp(t3-t1)=qm×4.18×1000×(30-20) × × =92000 (无能量损失，冷流体吸收能量＝热流体放 无能量损失， 无能量损失 冷流体吸收能量＝ 出能量） 出能量） qm0=2.2kg/s qv = 0.0022m3/s u=qv/A=0.0022/0.785×0.0152×36 × =0.4m/s＜0.5m/s ＜
流速太低，低于水的经验流速（ 流速太低，低于水的经验流速（0.5m/s） ） 因此换热器不能为单程应为双程， 因此换热器不能为单程应为双程，此时 流速增加一倍u＝0.8m/s 流速增加一倍 ＝ 双程： 双程：α=0.023(λ/d) (Re)0.8(Pr)0.4 Re = duρ/ µ=(0.014×0.8×1000)/0.001 × × =11200 Pr = cpµ/ λ=(4.18×1000×0.001)/0.6=6.970 × × 则α= 0.023(0.6/0.014) ×112000.8 ×6.970.4 =3719W/m2.℃ ℃ Re为双程 为单程 Re/Re'=u/u'=2 为双程Re'为单程 为双程 α/α'=(Re/ Re' )0.8=20.8=1.74
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
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：
传热
换热器的传热速率Q与传热面积A和冷热两种流体
的平均温差⊿tm成正比;
即Ｑ＝ＫA△tm Ｑ：传热速率 , Ｗ △tm：两流体的平均温度差,K Ｋ：比例系数，总传热系数 ，因次W/(m2· K)。 上式为传热速率方程或传热基本方程，是换热器 传热计算的重要依据。传热速率是换热器在一定 的操作条件下的换热速率。而热通量q是指单位传 热面积上的传热速率。常见的间壁式换热器有套 管换热器和列管换热器。见下图：
2 t1 t4 Q q 1 d 2 1 d3 1 d 4 l ln ln ln k1 d1 k2 d 2 k3 d3
代入数据得
q 2 160 120 950 1 20 1 25 1 27 ln ln ln 1.0 18 45 20 0.5 25
W/m
（一） 热传导（导热）
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。
第四章 传热
第一节 概述
传热过程在化工生产中的应用
传热的三种基本方式
传热基本方程 热负荷的计算 稳定传热和不稳定传热
一、 传热 过程在化工中的应用
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： 1.加热或冷却
（二） 对流传热
热传导、对流
Q = ———— = ——
δ/λAm
R
式中: Am为对数平均面积。
当A2/A1 < 2时，热可传导取、对算流 术平均值。
4、通过多层圆筒壁的定态热传导
与多层平壁相似，对于n层圆筒壁，有 t1 –t n
Q = ——————— Σδi/（λi Ami）
5、接触热阻 当两种以上的保温材料一起使用时，由于接触面不
4、导热系数（thermal conductivity）
物理意义： 影响因素：物质的组成、结构、密度、温度、 压力 物质的导热系数可由实验测定，
通常，λ金属 >λ非金属 >λ液 >λ气
(1)固体的导热系数 λ金属 = 420——3 W/m℃ (或 W/mK ) λ非金属 = 1——0.02 W/m℃（常温常压下）
第四章 传热（heat transfer）
4—1 概述
一、热交换在生产加工过程中的作用
1、满足生产工艺要求 2、废热的回收利用 3、设备的保温（或保冷）
热传导、对流
二、热交换的基本方式和传热速率
1.传热的基本方式 (传导、对流、辐射) 2.热交换的方式
直接接触式、间壁式、蓄热式
热传导、对流
3 .间壁式换热器中的传热过程 壁面
② 平壁内的温度分布（t—x关系） 当λ按常量计算时 ，有 t = t1 -（Q/λA）x t—x关系为线性关系
2、通过多层平壁的定态热传导
δ1 δ2 δ3
① Q的计算（三层平壁）
Q
根据Q=Q1= Q2 = Q3 有：
t1 –t2
t2 –t3
t3 –t4
———— = ———— = ————
δ1/λ1A δ2/λ2A δ3/λ3A
第四章 传热
热系数 λ=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 λ=45W/m· ℃。试求每米管长的热损失及两层保 温层界面的温度。
解：每米管长的热损失
Q 2 π(t1 t 4 ) r 1 r 1 1 r L ln 2 ln 3 ln 4 1 r1 2 r2 3 r3
一、傅立叶定律
1. 温度场和温度梯度
温度场 (Temperature field)：某一瞬间空间中各点的温 度分布，称为温度场(Temperature field)。
物体的温度分布是空间坐标和时间的函数，即 t = f (x，y，z，τ)
式中：t —— 温度； x, y, z —— 空间坐标； τ—— 时间。
t1 t f 热损失为： Q r0 1 1 R1 R2 ln 2L r 2r0 L 1
分析：当 r1 不变、r0 增大时，热阻 R1 增大， R2 减小，因此有可 能使总热阻（R1+R2）下降，导致热损失增大。
t1 t f
【例4-2】在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λ=0.07W/m· ℃，外层为 20mm的石棉层，其平均导
2.热对流
流体各部分之间发生相对位移所引起的热传递过程称为热 对流。 热对流仅发生在流体中。
热对流的两种方式： 强制对流：
因泵（或风机）或搅拌等外力所导致的对流称为强制对流。
自然对流：
由于流体各处的温度不同而引起的密度差异，致使流体产生 相对位移，这种对流称为自然对流。 流动的原因不同，对流传热的规律也不同。在同一流体中有可 能同时发生自然对流和强制对流。
注：对于圆筒壁的稳态热传导，通过各层的热传导速率都是
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。
化工第四章传热
解：⑴ 水的定性温度：t 15 45 30 ℃，查得
2
ρ2=995.7kg/m3, μ2=0.0008N·s/m2,
2 =0.618W/(m·K) Cp2=4.174kJ/(kg·K)
根据热量衡算式求得水流量
qm2
qm1Cp1 T1 T2 Cp2 t1 t2
2500
3600 2.26100 4.17445 15
175 tw tw 120
1
1
10000 1000
tw=170℃
例4-9一卧式列管冷凝器，钢质换热管长为3m，直径 为25×2mm。水以0.7m/s的流速在管内流过，并从 17℃被加热到37℃。流量为1.25kg/s、温度为72℃烃的 饱和蒸气在管外冷凝成同温度的液体。烃蒸气的冷 凝潜热为315kJ/kg。已测得：蒸气冷凝传热系数 0=800W/(m2·℃)，管内侧热阻为外侧的40%，污垢热 阻又为管内侧热阻的70%，试核算：（1）换热器每程 提供的传热面积（外表面为基准）；（2）换热管的 总根数；（3）换热器的管程数。[计算时可忽略管壁 热阻及热损失，水的比热为4.18kJ/(kg·℃)]
1 54.2
(110
t2) ln 110
(T2 t2
20)
T2 20
ln 110 t2 41.4
T2 20 54.2
整理得
t2 153 T2
（6）
联立（5）和（6），可得：
t2 29.4C
T2 57.5C
（4）冷却水流量加大后，换热器的传热速率有何变 化？变为多少？
A逆
Q K tm逆
58300 1000 49.3
1.18m2
A并
58300 1000 43.3
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
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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
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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）
化工基础传热
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第四章 传热过程
三、传热中的一些基本物理量和单位
1、热量Q：
单位：kg·m2·s-2，Nm，J，cal，kcal
1cal=4.186 J
2、传热速率Φ (热流量：单位时间内传递的热量。
单位：W，kcal ·h-1
1kcal ·h-1 =1.163W
3、传热强度q：
单位：W ·m-2 ， kg·s-3
注意各层直径或半径的取值。
第18页/共71页
第四章 传热过程
例 Φ38×2.5mm的水蒸气管（钢的λ=50W.m-1.k-1 ）包有隔热层。第一层是40 mm厚的矿渣棉-1.k-1)，第二层是20 mm厚的石棉泥（ -1.k-1 ）。若管内壁温度为140℃ ，石棉泥外壁温度为30℃ 。试求每米管长的热损失速率。若以同量的石棉作内层，矿渣棉作外层时（即同样厚度），情况如何？试作比较。
δ1=24cm， δ2=12cm，δ3=24cm，t1=940 ℃ t4=50 ℃
λ1=0.90W.m-1.k-1 λ2=0.20W.m-1.k-1 λ3=0.63W.m-1.k-1
求：q=?，t2，t3
第13页/共71页
第四章 传热过程
由
得
1
2
3
δ
0.24
0.12
0.24
λ
0.90
0.20
0.63
Δt
190.2
428
271.8
◆ 绝热砖层最薄，温差最大，导热系数小，热阻最大。
第14页/共71页
第四章 传热过程
1、单层圆筒壁的传导传热
圆筒壁传热面积和温度都随圆筒壁的半径而变化.
傅立叶定律应写为:
移项积分:
三、圆筒壁的传导传热
第四章 传热过程
三、传热中的一些基本物理量和单位
1、热量Q：
单位：kg·m2·s-2，Nm，J，cal，kcal
1cal=4.186 J
2、传热速率Φ (热流量：单位时间内传递的热量。
单位：W，kcal ·h-1
1kcal ·h-1 =1.163W
3、传热强度q：
单位：W ·m-2 ， kg·s-3
注意各层直径或半径的取值。
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第四章 传热过程
例 Φ38×2.5mm的水蒸气管（钢的λ=50W.m-1.k-1 ）包有隔热层。第一层是40 mm厚的矿渣棉-1.k-1)，第二层是20 mm厚的石棉泥（ -1.k-1 ）。若管内壁温度为140℃ ，石棉泥外壁温度为30℃ 。试求每米管长的热损失速率。若以同量的石棉作内层，矿渣棉作外层时（即同样厚度），情况如何？试作比较。
δ1=24cm， δ2=12cm，δ3=24cm，t1=940 ℃ t4=50 ℃
λ1=0.90W.m-1.k-1 λ2=0.20W.m-1.k-1 λ3=0.63W.m-1.k-1
求：q=?，t2，t3
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第四章 传热过程
由
得
1
2
3
δ
0.24
0.12
0.24
λ
0.90
0.20
0.63
Δt
190.2
428
271.8
◆ 绝热砖层最薄，温差最大，导热系数小，热阻最大。
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第四章 传热过程
1、单层圆筒壁的传导传热
圆筒壁传热面积和温度都随圆筒壁的半径而变化.
傅立叶定律应写为:
移项积分:
三、圆筒壁的传导传热
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
第四章传热
二、传热的基本方式
1、什么是传热？ 2、热量传递有哪几种基本方式？ 3、三种基本传热方式的特点？
什么是传热？
物系内部或物系之间由于温度的不同， 热量从一处转移到另一处的过程叫热 量传递，即传热。
热量传递有哪几种基本方式？
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 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。
（三）定常传热与非定常传热
传热速率是指单位时间内通过传热面的热 量，用Q表示，单位为J/S或W。 定常传热：在传热过程中，与传热方向垂 直的任一截面上各点的状态不随时间变化。 非定常传热：当任一截面上各点的状态随 时间而变化时，称为非定常传热。
三种基本传热方式的特点？
（一）热传导 由于物体本身分子或电子的微观运动使热 量从高温部位向低温部位的过程称为热传 导，又称导热。 热传导的特点：物体质点不发生明显的位 移。 固体中的传热是热传导的结果，静止流体 内及传热方向与做层流流向呈垂直的传热 以热传导为主。
（二）对流传热 流体质点因相对位移，将热量从一处传递 到另一处的过程称为对流传热。 对流传热只发生在流体内部。即存在气体 或液体中，在固体中 不存在这种传热方式。 据引起对流的原因不同可分为：自然对流 和强制对流。
（三）热辐射 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。通常在高温下热辐射 才是主要方式。
三、工业生产上的换热方式
（一）工业生产上的换热方式 工业生产上的换热方式有哪几种？分别怎样换热？ （二）常用的加热剂和冷却剂 1、什么是载热体、加热剂、冷却剂？ 2、工业生产上常用的加热剂是什么？ 3、工业生产上常用的冷却剂有哪些？ （三）定常传热与非定常传热 1．什么是传热速率？ 2．什么是定常传热？ 3．什么是非定常传热？
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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第四章、传热
4、对流传热方程
Q At t
1
A
α：对流传热系数
第四章、传热
二、影响对流传热系数的因素 1、流体的物理性质：密度、比热容、导热系数、粘度、
膨胀系数 2、流体对流起因：强制对流、自然对流 3、流体流动状态：层流、湍流 4、流体的相态变化：沸腾、冷凝 5、传热面的形状：特性尺寸
第四章、传热
4-35
第四章、传热
二、传热平均温度差 1、恒温传热：蒸汽冷凝、液体沸腾
度恒定 2、变温传热（列管式换热器） ▪一侧变温传热、两侧变温传热
冷凝、沸腾温
第四章、传热
▪换热器中流体流动的方式：逆流、并流、错流、折流
第四章、传热
3、平均温度差Δtm （举例） ▪为什么提出平均温度差： a、找出传热推动力。 b、便于将热量计算式写成传热基本方程的形式
导热系数。
第四章、传热
2、选用计算内容与步骤 ▪计算热负荷。 ▪计算平均温度差，一般按单壳程多管程计算。 ▪预选总传热系数，估算传热面积。 ▪预选管径，管内流速，求管子根数，长度，预选换
热器。 ▪校核计算。
第四章、传热
五、加热介质与冷却介质 1、载热体的选择原则：P165 2、工业上常用的载热体：P165
第四章、传热
2、传热推动力： 热流体：湍流主体最高温、壁面温度Tw； 冷流体：壁面温度tw，湍流主体最低温。
3、对流传热的膜理论模型：p122 假设把过渡区和湍流主体热阻全部叠加到层流底层，
构成一厚度为 的流体膜（有效膜）,膜内为层流、膜 外为湍流，所有热阻集中在有效膜内。这一传热模型 称为…..。
▪热通量：
qQ Q
A 2lr
Q与r无关；q与r有关。
▪工程上习惯用单位长度的热流量：
Q' Q 2 t1 t2
l
ln r2
r1
第四章、传热
▪公式推导：
Q 2l t1 t2 t ln r2 R r1
R 1 ln r2 2l r1
第四章、传热
对照4-8 4-9得：
dt t1 t2 1
黑体：QA=1 白体：QR=1 灰体：对各种波长辐射具有相同吸收率的理想化物体。
第四章、传热
二、物体的辐射能力、斯蒂芬-波尔兹曼定律
1、辐射能力：物体在一定温度下单位时间、单位面积
所发射的全部波长的总能量。E表示，w/m2
2、斯蒂芬-波尔兹曼定律（黑体）
E0
C0
(T 100
)
4
3、实际物体的辐射能力（黑度）
第四章、传热
第一节、概述 一、传热过程在化工生产中的应用 1、需要进行热量传递的，要求设备传热效率高。 2、需要保温隔热的 二、热量传递的基本型式 1、热传导：物体内部或两个直接接触的物体之间的传热。 2、热对流：在流体中，冷、热不同部位的流体质点做
宏观移动将热量从高温处传到低温处的现象。
第四章、传热
灰体：对各种EE波0 长辐E射能C(具1T0有0)4相同吸C：收灰率体的的理辐想射化系物数体。
大多数工程材料对波长0.76~20微米的辐射能吸收率相同。
第四章、传热
三、克希霍夫定律Biblioteka 四、两固体间的相互辐射1、高温物体1传给低温物体2的热量
Q12
C12A[(1T010)4
( T2 )4 ] 100
2、工业上常遇见的几种辐射情况：p151
3、热辐射：物体因自身温度的原因激发产生电磁波， 向空中传播的现象。波长0.38~100μm ， 属可见光、红外线。
实际传热中，三种传热方式或单独或同时存在。 三、流体通过间壁换热与传热速率方程 1、间壁式换热器：冷、热流体的热交换。 2、传热速率与热流密度 ▪传热速率（热流量）：指单位时间内通过传热面的热
2、流体流速的选择：P160
第四章、传热
3、换热管规格和排列方式：P161
4、折流挡板 及对流换热系 数的计算： P162
第四章、传热
四、系列标准换热器的选用步骤 1、了解传热任务、掌握工艺特点与基本数据 ▪冷、热流体的流量，进、出口温度，操作压力等。 ▪冷、热流体的工艺特点，如腐蚀性、悬浮物等 ▪冷、热流体的物性参数，如密度、粘度、比热容、
dr
ln r2 r
r1
t t1 t 2 ln r c ln r2 r1
圆筒壁内温度分布是一对数曲线。
Q也可改写成单层平壁热传导形式：4-11式
第四章、传热
第四章、传热
2、多层（三层为例）（举例） Q=Q1=Q2=Q3
4-12
第四章、传热
第四章、传热
第三节、对流传热 一、对流传热方程
与对流传热系数 1、传热过程 ▪层流底层：热传导，热阻较大 ▪过渡区：热传导+对流 ▪紊流区：热对流
tm
t1 t2 ln t1
t2
1 1 bd1 d1
K1 1 d m 2 d 2
第四章、传热
▪热量衡算： Q G1c p1 (T1 T2 ) G2c p2 (t2 t1 )
▪热传导方程： Q A dt q dt
Q
b
A(t1
dx
t2
)
t1
b
t2
dx
A
▪对流传热方程：Q At t
c、短管（l/d<60）
第四章、传热
d、弯管
▪圆形直管内过渡流时的对流传热系数（举例）：4-21
第四章、传热
▪圆形直管内强制层流时的对流传热系数（举例）：4-22
第四章、传热
▪流体在非圆管内强制对流时的对流传热系数
2、流体在管外强制对流传热
第四章、传热
第四章、传热
3、大空间自然对流传热
第四章、传热
Q=KAΔtm
第四章、传热
▪平均温度差的推导
第四章、传热
第四章、传热
第四章、传热
第四章、传热
▪对数平均温度差的计算：
tm
t1 t2 ln t1
t2
通常Δt1为较大者；Δt2为较小者
3、折流、错流平均温度差的校核：4-40
第四章、传热
第四章、传热
第四章、传热
第四章、传热
三、总传热系数（举例) 1、总传热系数计算式的推导
三、量纲分析与相似准数 1、准数的符号及意义 2、准数使用的条件
第四章、传热
——无相变、对流传热准数关联式一般形式 四、流体无相变时对流传热系数的经验关联式 1、流体在管内强制对流传热（举例） ▪圆形直管强制湍流时的对流传热系数 a、低粘度流体：4-18
4-19
第四章、传热
第四章、传热
b、高粘度流体：
第四章、传热
4、板式换热器
第四章、传热
5、板翘式换热器
第四章、传热
6、螺旋板式换热器
第四章、传热
7、空冷式换热器
第四章、传热
8、热管
第四章、传热
9、列管式换热器
第四章、传热
第四章、传热
第四章、传热
三、列管式换热器选用计算问题 1、流体流经管程、壳程的选择原则：P160
第四章、传热
稳态：
Q
KAtm
t m 1
=推动力/热阻
KA
K：比例系数，总传热系数，w/m2.k
第四章、传热
第二节、热传导 一、傅立叶定律 1、温度场与温度梯度 ▪温度场：某瞬时物体 内各点的温度分布。 ▪等温面、等温线
第四章、传热
▪温度梯度：等温面法线方向上的温度变化率（最大）。
+ dt - dx
+ 指温度增加 - 指温度减小
4、选用对流传热系数关联式的注意事项：P134
五、流体有相变时的对流传热（略）
第四章、传热
第五节、传热计算 一、热量衡算 1、原理：单位时间内热流体放出的热量等于冷流体吸
收的热量。
第四章、传热
2、计算公式:：
Q G1 (H1 H 2 ) G2 (h2 h1 )
4—34
Q G1c p1 (T1 T2 ) G2c p2 (t2 t1 )
五、设备热损失的计算（略）
第四章、传热
第六节、换热器 一、换热器的分类 1、按用途分类：加热器、冷却器、蒸发器、冷凝器 2、按传递方式分类： ▪间壁式换热器 ▪直接接触式换热器 ▪蓄热式换热器
第四章、传热
二、间壁式换热器 1、夹套式换热器
第四章、传热
2、套管式换热器
第四章、传热
3、蛇管式换热器
2、傅立叶定律
Q A dt
dx
q dt
dx
Q：热流量（w） q：热通量(w/m2)
第四章、传热
3、导热系数λ
Q A dt
dx
w/m.0C
温度梯度为10C/m， 单位时间通过单位 面积的热量，表示 物体导热能力的大小。
第四章、传热
一般规律（大小排序）: ▪纯金属—合金—建筑材料 —液体—绝热材料—气体 ▪金属—非金属 ▪固态—液态—气态 固体（银427）； 液态（水0.6）； 气态（氢0.6）
1
A
▪对流传热系数的计算：4-18（4-19） 4-20
2、举例
第四章、传热
第五节、热辐射
一、基本概念
1、热辐射：由物体温度所引起的热射线的传播过程。
2、吸收率：A=QA/Q 3、反射率：R=QR/Q 4、透射率：D=QD/Q 5、黑体、白体、灰体
注意： QA+QR+QD=Q QA/Q+ QR/Q+ QD/Q=1
量用Q表示，单位w或J/s。
第四章、传热
▪热流密度（热通量）: 指单位时间内通
过单位面积的传热量 用q表示，单位w/m2。 ▪二者关系：q=Q/A
3、稳态传热与非稳态传热
第四章、传热
4、两流体通过间壁 的传热过程