第三章传热过程

物体温度较高的时候，热辐射才成为主要的传热形式。
实际上，上述三种传热方式很少单独出现，而往往是相互 伴随着出现的。
第三章 传热过程
7
热量传递方式 之三：热辐射
高温物体以电磁波的形式进行的一种传 热现象。热辐射不需要任何介质作媒介。在 高温情况下，辐射传热成为主要传热方式。
第三章 传热过程
8
机理：三种传热的基本方式
中，穿过各层的传热速率必相等。
b2
b3
t2 t3
第三章 传热过程
Φ
t4 x
32
第一层
Φ 1
1
b1
A(t1 t2 )
Φ 1
b1
1 A
t1
t2
t1
第二层
Φ 2
b2
2 A
t2
第三层
Φ 3
b3
3 A
t3
对于定态导热过程：Φ1=Φ2=Φ3=Φ
Φ(
b1
1 A
b2
2 A
b3 )
3 A
t1
t2
t3
第三章 传热过程
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Φ t1 t2 t3
t1 t4
( b1 b2 b3 ) ( b1 b2 b3 )
1 A 2 A 3 A
1 A 2 A 3 A
Φ t1 t2 t3 t1 t4
R1 R2 R3
R1 R2 R3
同理，对具有n层的平壁，穿过各层传热速率的一般公式为
第三章 传热过程
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基本概念3
冷、热两种流体通过列管换热器的管壁进行热量交换，管壁 表面积即为传热面积，若已知管数 n、管外径 d2 和管长 l， 则可求得基于管外表面的传热面积：
A n d 2l
若换热管内径为 d1，管程数为 m，则管程流体的流通截面积 为：
Af
n m
4
d
2 1
显热（无相变、温升或温降）：Q=m·CP·△t、Φ=qm·CP·△t
第三章 传热过程
交替：一 通一停。 （间歇操作）
冷流体
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基本概念1
传热速率Φ=Q/τ (W)
传热速率是指单位时间内传递的热量。
第三章 传热过程
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基本概念2
传热强度（热流密度）q=Q/Aτ=Φ/A (W/m2) 传热强度是单位时间内、单位传热面所传递的热量。
它是传热设备的性能标志之一。
0.9 m
i i 式中ωi——组分i的质量分率。
(4) 有机化合物互溶混合液的导热系数估算式为 m
ii
③气体 导热系数最小，对导热不利，但有利于保温和绝热
(1) t , (显著）
(2) 压力对固体、液体导热系数的影响很小，可忽略不计；对气体P↑→λ↑
y M (3) 常压下气体混合物的导热系数估算式为
等温面的特点： （1）等温面不能相交； （2）沿等温面无热量传递。
第三章 传热过程
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注意：沿等温面将无热量传递，而沿和等温面相交的任何
方向，因温度发生变化则有热量的传递。温度随距离的变化程 度以沿与等温面的垂直方向为最大。
对于一维温度场，等温面x及(x+Δx)的温度分别为t(x,τ)及 t(x+Δx,τ)，则两等温面之间的平均温度变化率为：
导热系数表征物质导热能力的大小，是物质的物理性质之 一，其值与物质的组成、结构、密度、温度及压强有关。
第三章 传热过程
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t+△t t
dt/dx
x dA
t-△t Φ
图 温度梯度和傅里叶定律
第三章 传热过程
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3）导热系数：表征物质导热能力的物性参数。 ①固体
式中：0为固体在0C的导热系数，W/(mK)或W/(mC)； α为温度系数， 1/ C。
ii
1/ 3 i
m
1/ 3
y M y 式中
ii
i ——组分i的摩尔分率。 M i ——组分i的摩尔质量，kg/kmol。
④一般规律
(1) 金 非金
(2) s l g
(3) 晶 非晶
(4) 纯 混 (气体除外)
第三章 传热过程
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第三章 传热过程
27
第三章 传热过程
28
推算壁面的热损失
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第三章 传热过程
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2、平壁的定态热传导 1）单层平壁定态的热传导
如图所示：
➢平壁壁厚为b，壁面积为A；
➢壁的材质均匀，导热系数λ不
t1
Φ
随温度变化，视为常数；
t2
➢平壁的温度只沿着垂直于壁面
的x轴方向变化，故等温面皆为垂
直于x轴的平行平面。
tb t1 t2
➢平壁侧面的温度t1及t2恒定。
ob
x
第三章 传热过程
4、工业常用的换热方法
间壁式换热
混合式（直接接触式）换热
蓄热式换热
间壁式换热
T
t
工业上应用最多的一种传热方式。
间壁式
第三章 传热过程
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特点：是在冷、热两种流体之间用一金属壁（或石墨等导热
性能好的非金属壁）隔开，以使两种流体在不相混合的情况下进
行热量传递。
套管式
间壁式换热器 列管式
t1
夹套式
t1
T1
传导：分子运动
（层流、固体）
对流：流体宏观运动
（流体与固体界面）
辐射：电磁波
温差大
三种方式通常组合形式出现
第三章 传热过程
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天气冷热变化原因 管式石油加热炉：由耐火材料建造的燃烧室，
向其中喷入可燃性气体混合物并令其在室内燃 烧。石油流过悬挂在炉壁与炉顶附近的管网， 温度高达2000℃的燃烧气体向管子的外壁面传 递热量。 电暖器与暖气片的作用 热水瓶胆的两层玻璃之间抽真空，内 胆外壁和外胆内壁涂了发射率很低的 银，试分析保温机理，碰破抽气口有 什么影响？
条件下，热仅能从高温往低温方向传递或传播。 2、传热的基本方式 热的传递是由于系统内或物体内温度不同而引起的，根据
传热机理不同，传热的基本方式有三种： ➢热传导(conduction)；
➢热对流(convection)；
➢热辐射(radiation)。 第三章 传热过程
2
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。导热是静止物体的一种传热方 式，不依靠物质的宏观位移。
第三章 传热过程
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热量传递方式之一 热传导：依靠物体中微观粒子的热运动。
第三章 传热过程
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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：搅拌器3维动态模拟.gif
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：
热量的传递过程很少以单一机理进行，而 通常是几种机理的串联或并联组合方式进行。
地球内部热量的释放方式？
第三章 传热过程
传 热 机 理 实 例 分 析
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再说 热辐射！
第三章 传热过程
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3、定态传热和非定态传热
定态传热：传热面各点的温度不随时间而改变，均 衡的连续操作多属于这种情况。
非定态传热：传热面各点的温度随时间而变化，间 歇操作大多是非定态传热。
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根据傅里叶定律
Φ A dt
dx
分离积分变量后积分，积分边界条件：当x=0时，t= t1； x=b时，t= t2，
Φ
b
A(t1 t2 )
t1 t2 b
t R
A
式中Δt=t1-t2为导热的推动力(driving force)，而 R=b/（λA）则为导热的热阻(thermal resistance)。
混合式（直接接触式）换热
在此类换热器中，冷、热两流体通过直接混合进行 热量交换。在工艺上允许两种流体相互混合的情况下， 这是比较方便和有效的，且其结构也比较简单。它常用 于气体的冷却或水蒸汽的冷凝。
去气柜
造气炉 废热锅炉
E-2
传热同时伴随传质过程，常用于气体或水蒸汽的冷却。
第三章 传热过程
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蓄热式换热
教学内容：
一、概述
二、传导传热
三、对流传热
四、热交换的计算
五、强化传热的途径 六、热交换器
七、传热媒质
第三章 传热过程
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一 、概述
1、生产中对传热过程的基本要求： ①要求高的传热速率，以减小设备尺寸； ②隔绝热的传递，以减小热损失。
两者目的不同，但传热机理和设备基本结构在很多方面是相同的。 研究传热的目的：正确的选定、使用换热器。 热力学第二定律指出了热传递的方向：在不消耗外界功的
金属的导热系数最大，其中以银和铜的导热系数值最高；
若金属材料的纯度不纯，会使λ值大大降低；固体非金属次
之；绝热材料λ<0.23 W/(mK)。
②液体 导热系数较小
(1) 金属液体：t,
(2) 非金属液体（除水、甘油外）：t, （略减小）
(3) 有机化合物水溶液的导热系数估算式为
第三章 传热过程
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潜热（相变、无温度变化）： Q=m·γ、
Φ=qm·γ
第三章 传热过程
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二、传导传热
1、导热基本定律——傅里叶定律 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
蓄热式换热器又称蓄热器，它主要由热容量较大的蓄 热室构成。室中可充填耐火砖或金属带等作为填料。
当冷、热两种流体交 替地通过同一蓄热室时， 即可通过填料将得自热流 体的热量，传递给冷流体， 达到换热的目的。此类换 热器的结构较为简单，且 可耐高温，常用于气体的 余热及其冷量的利用。其 缺点是设备体积较大，而 且两种流体交替时难免有 一定程度的混合。
第三章 传热过程
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2）多层平壁的定态热传导
如图所示：以三层平壁为例
➢假定各层壁的厚度分别为b1、b2、
b3，各层材质均匀，导热系数分别 b1 为λ1、λ2、λ3，皆视为常数； t
➢层与层之间接触良好，相互接触 t1
的表面上温度相等，各等温面亦皆 为垂直于x轴的平行平面。
➢壁的面积为A，在定态导热过程
t(x x, ) t(x, )
x
温度梯度:
gradt lim t(x x, ) t(x, ) dt
x0
x
dx
温度梯度是向量，其方向垂直于等温面，并以温度增加的 方向为正。随传热距离（即物料厚度）而引起的温度变化。
第三章 传热过程
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2）傅里叶定律 傅里叶定律是热传导的基本定律，它指出：单位时间内传
第三章 传热过程
[教学目的] 掌握传导传热和对流传热速率方程，掌 握热阻和对流传热的虚拟膜概念，掌握对流—传导— 对流总传热方程和主要热阻控制传热速率的概念；通 过准数关联式了解影响传热膜系数的因素，了解优化 传热应采用的措施；能够进行定态传热计算：了解传 热方法概况，在此基础上了解夹套换热器、列管换热 器、平板换热器的基本构造、特性和使用范围。
T2 T1
T2
t2
套管式
T1
t2
列管式
T2
夹套式
第三章 传热过程
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列管式换热器
管程数：单管程、双管程、多管程 壳程数：单壳程、双壳程、多壳程
管内流体的行程称为管程（管内）。 壳体与管间流体的行程称为壳程（管间）。
t1 T1
t1 T2 T2 T1
t2
单管程、单壳程
t2
双管程列管式
第三章 传热过程
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t = f (x，y，z，τ)
式中：t —— 温度； x, y, z —— 空间坐标； τ—— 时间。
第三章 传热过程
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一维温度场：温度场中温度只沿着一个坐标方向变化。
一维温度场的温度分布表达式为：
t = f (x,τ)
➢非定态温度场：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。 ➢等温面：温度场中同一时刻相同温度各点组成的面。
导的热量与温度梯度及垂直于热流方向的截面积成正比，即
dΦ dA dt
dx
式中 Φ——单位时间内传导的热量，简称传热速率，W； A——导热面积，即垂直于热流方向的表面积，m2；
λ——导热系数(thermal conductivity)，W/(mK)。
（注意：与上一章中摩擦阻力系数λ的区别！） 式中的负号指热流方向和温度梯度方向相反。
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。一般来说，强制对流比 自然对流有较好的传热效果。
第三章 传热过程
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热量传递方式之二：热对流 流体质点（微团）发生宏观相对
位移而引起的传热现象，对流传热只
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热运动而引起的热量传递。
热传导在气、液、固三相中均可以进行，但传导的机 理不同。金属——自由电子的扩散运动；非金属和大部分 液体（除水银等）——分子的动量传递；气体——分子的 不规则热运动。
如：一根铁棒一端放在火炉上烧，热量会通过铁棒传 递到另一侧，但无物质的宏观位移。
①流体内部传热；
能发生在流体中，通常把传热表面与
②固体与流体之间的传热。 接触流体的传热也称为对流传热。
第三章 传热过程
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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。
➢所有物体都能将热以电磁波的形式发射出去，而不需要任何
介质作媒介（即可在真空中传播）。
➢任何物体只要在绝对零度以上都能发射辐射能，但是只有在