化工原理--传热
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。
化工原理第三章传热
Q S
Kt m
t m
1/ K
(1-3)
传 热 速 率
传热温度差（推动力） 热阻（阻力）
式中：△tm──传热过程的推动力， ℃ 1/K ──传热总阻力（热阻），m2 ·℃/W
两点说明：
➢ 单位传热面积的传热速率(热通量)正比于推动力，反比于 热阻。因此，提高换热器的传热速率的途径是提高传热推
动力和降低热阻。
三、 换热器类型
换热器：实现冷、热介质热量交换的设备
用于输送热量的介质—载热体。 加热介质（加热剂）：起加热作用的载热体。水蒸气、热水等。 冷却介质（冷却剂）：起冷却作用的载热体。冷水、空气制冷剂。
① 直接混合式 —— 将热流体与冷流体直接混合的一种传热方式。 ② 蓄热式 —— 热量 存储在热载体上 传递给冷流体。如
式中：d1为套管的内管直径，d2为套管的内管直径。
应用范围：
Re 1200 ~ 220000, d2 1.65 ~ 17 d1
特征尺寸： 流动当量直径de。
定性温度： 流体进、出口温度的算术平均值。
滴状冷凝：若冷凝液不能润湿壁面，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，此中冷凝 称为。在实际生产过程中，多为膜状冷凝过程。
➢ 一般金属（固体）的导热系数>非金属（固体）>液体>气体
➢ 多数固体λ与温度的关系
λ=k0+k×t
单位：W/(m •K)
k0 --0℃下的导热系数
k为经验常数。
对大多数金属材料，其k值为负值；对非金属材料则为正值。
➢ 对于金属 t ↑ λ↓(通过自由电子的运动) 对于非金属 t ↑ λ↑ (通过靠晶格结构的振动) 对于液体 t ↑ λ↓ (通过靠晶格结构的振动) 对于气体 t ↑ λ↑ (通过分子不规则热运动)
化工原理课件第6章：传热
化工原理——传热
6.2.4 多层壁的定态导热
例 6-2
Q n
t1 tn1 1 l n ri1
i1 2Li ri
化工原理——传热
化工原理——传热
接触热阻
1
c A
c ：接触系数，W/(m2 ℃）
化工原理——传热
6.3 对流给热
6.3.1 概说 1 对流给热过程的分类
（1）T1、T2、t1、t2均确定时，△tm逆＞△tm并
（2）若Q相同，依 Q KAtm ，A逆＜A并 （3）Q一定时，依 Q qm1cp1(T1 T2 ) qm2cp2(t2 t1)
若T1、T2确定，则（t2－t1）逆＞ （t2－t1）并
∴
qm2逆＜qm2并
化工原理——传热
逆流
并流
化工原理——传热
（3）蒸汽过热的影响 r' r cp(TV Ts )
（4）蒸汽流速及流向的影响 强化思路 → 减少液膜厚度
化工原理——传热
化工原理——传热
a、r、d 的大小取决于物体的性质、表面状况、 温度和投射辐射的波长，一般
固体、液体：a+r =1
气体：a+d =1
化工原理——传热
物体的辐射能力：指物体在一定温度下，单位时间、单位表面积 上所发出的全部波长的总能量。（E）W/m2
化工原理——传热
化工原理——传热
另一表达式： 灰体在一定温度下的辐 射能力和吸收率的比值， 恒等于同温度下黑体的 辐射能力，即只和物体 的绝对温度有关。
化工原理——传热
相距很近的平行黑体平板，面 积相等且足够大，则 12 21 1
化工原理——传热
化工原理传热
化工原理传热
传热是化工过程中重要的物理现象之一，它涉及能量的转移和分布。
传热可以通过三种方式进行：传导、对流和辐射。
传导是指热能在固体或液体中以分子间相互碰撞的方式传递。
在传导过程中，热量会从高温区域传递到低温区域，直到温度达到平衡。
对流是指热能通过流体的运动传递。
当物体表面受热时，周围的流体会被加热并膨胀，然后从热源处上升。
这导致了对流循环，使热量从热源传递到周围环境。
辐射是指热能以电磁波的形式传递，不需要介质来传递热量。
辐射可以通过空气、液体和固体传播，甚至可以在真空中传播。
辐射热传递取决于物体的温度和表面特性。
在化工过程中，传热是必不可少的。
传热的目的可以是控制温度以实现反应的理想条件，或者从一个系统中移除或向其输入热量。
为了实现有效的传热，可以采取以下措施：
1. 提高传热系数：通过增加传热表面积或提高传热介质的流速，可以增加传热系数，从而加快传热速度。
2. 减小传热阻力：通过改变传热介质的性质或减小传热介质的流通路径长度，可以减小传热阻力，提高传热效率。
3. 使用传热表面增强技术：如使用鳍片、流体分散剂或填料等
技术，可以增大传热表面积，从而提高传热效率。
4. 优化换热设备设计：通过合理设计换热设备的结构和组件，可以实现更高效的传热过程，并减少传热介质的能量损失。
化工过程中的传热是一个复杂的过程，需要综合考虑多种因素。
通过合理选择传热方式和采取相应的措施，可以实现高效的能量传递和分布，从而提高化工过程的效率和质量。
化工原理传热
化工原理传热
传热是化工工程中非常重要的一个环节。
它在诸多化工过程中起着至关重要的作用。
传热的目的是将热量从一个物体或介质传递到另一个物体或介质中，以实现热量的平衡。
常见的传热方式有传导、对流和辐射。
传导是指热量通过物质内部的分子碰撞传递。
当两个物体的接触表面存在温度差异时，热量会从高温区域向低温区域传导。
传导的速率取决于物质的导热性能、温度差和物质的厚度及表面积。
对流是指热量通过介质的流动传递。
当液体或气体流经固体表面时，会带走固体表面的热量，然后将其释放到其他地方。
对流的速率取决于介质的流速、流动性质、热交换表面积和温度差。
辐射是指发射和吸收电磁辐射传递热量。
所有物体都会辐射热能，其强度与物体的温度和表面特性有关。
辐射的速率取决于温度差、辐射表面的特性和表面积。
在化工过程中，传热通常与反应、分离和加热等操作密切相关。
通过合理设计和优化传热设备，可以提高化工过程的效率和产量。
例如，在化工反应过程中，提供适当的传热方式和设备，可以加快反应速率和提高产品质量。
在化工分离过程中，通过传热可以实现不同组分的分离和纯化。
在加热过程中，传热设备可以提供所需的加热功率和温度控制。
综上所述，传热在化工工程中起着重要的作用。
通过合理选择和设计传热设备，可以提高化工过程的效率和产量，同时实现能量的合理利用。
化工原理第四章传热
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
化工原理传热
化工原理传热传热是化工工程中非常重要的一个环节，它涉及到许多工艺过程和设备的设计与操作。
在化工生产中，传热过程不仅影响着产品质量和生产效率，还直接关系到能源的利用效率和环境保护。
因此，对于化工原理传热的深入理解和掌握，对于化工工程师来说至关重要。
传热的基本原理包括传热方式、传热系数、传热表达式等。
传热方式主要包括传导、对流和辐射三种方式。
传导是指热量通过物质内部的传递，对流是指热量通过流体的对流传递，而辐射是指热量通过电磁波的辐射传递。
传热系数是描述传热效果的物理量，它与传热介质的性质、流体状态、流体性质等因素有关。
传热表达式则是用来描述传热过程的数学表达式，可以通过传热方程和传热系数来进行计算和分析。
在化工生产中，传热过程通常涉及到换热器、蒸发器、冷凝器等设备。
换热器是用来实现不同流体之间热量交换的设备，它包括了许多种类，如壳管式换热器、板式换热器等。
蒸发器是将液态物质转化为气态物质的设备，它在化工生产中应用广泛。
而冷凝器则是将气态物质转化为液态物质的设备，也是化工生产不可或缺的一部分。
在传热过程中，热传导、对流传热和辐射传热是相互作用的。
热传导是传热过程中最基本的方式，它在许多设备和工艺中都有重要的应用。
对流传热则是流体在传热过程中的一种重要方式，它受到流体的流动状态、速度、流体性质等因素的影响。
而辐射传热则是在高温条件下的一种重要传热方式，它在许多高温工艺和设备中都有重要的应用。
总的来说，化工原理传热是化工工程师必须要深入了解和掌握的一个重要内容。
通过对传热的基本原理、传热设备和传热过程的深入研究，可以更好地指导化工生产实践，提高生产效率，降低能源消耗，保护环境，实现可持续发展。
希望本文能为化工工程师提供一些有益的参考和帮助。
化工原理 第四章 传热过程超详细讲解
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：
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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；Δt m—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。
辐射传热：又称为热辐射，是指因热的原因而产生的电磁波在空间的传递。
物体将热能变为辐射能，以电磁波的形式在空中传播，当遇到另一物体时，又被全部或部分地吸收而变为热能。
4.1.3 稳态传热和非稳态传热稳态传热：在传热系统中各点的温度分布不随时间而改变的传热过程；稳态传热时各点的热流量不随时间而变，连续生产过程中的传热多为稳态传热。
非稳态传热：传热系统中各点的温度既随位置又随时间而变的传热过程。
4.2 热传导从微观角度来看，气体、液体、导电固体和非导电固体导热机理各有不同。
热传导机理：气体—温度不同（能级不同）的分子相互碰撞，使温度较高的分子将热能传递给温度较低的分子，造成热量传递；液体—液体中的分子比气体密集，分子间的作用力较强，由分子振动的强弱导致热量传递；固体—相邻分子的碰撞或电子的迁移导致热量传递。
这种碰撞和迁移，类似于分子运动。
在金属中自由电子的扩散运动对于导热起主导作用，即良好的导电体也是良好的导热体。
导热是一种以温度差为推动力的分子传递现象；没有物质的宏观位移。
4.2.1 基本概念和傅立叶定律（1）温度场和等温面温度场：所研究的具有一定温度分布的空间范围。
()τ,,t=xfy,z稳态温度场与非稳态温度场：稳态温度场：()zyxt=。
,zfyxft,,=，非稳态温度场：()τ,,等温面：同一瞬间，具有相同温度各点组成的面称为等温面。
温度不同的等温面彼此不会相交。
（2）温度梯度：沿等温面法线方向的温度变化率称为温度梯度。
（4.2.1）图4.2.1 等温面、温度梯度与热流方向（3） 傅立叶定律傅立叶定律是热传导的基本定律，表示传导的热流量和温度梯度以及垂直于热流方向的截面积成正比，即：（4.2.2）4.2.2 热导率 根据傅立叶定律可得热导率：n t q∂∂-=λ (W/m·K)热导率= f(材料，结构，温度，湿度，压强)一般规律：对于气体：t ↑，λ↑；对于液体：t ↑，λ↓（水、甘油例外）；对于固体：金属t ↑，λ↓（高合金钢例外）；非金属t ↑，λ↑（冰例外）。
多数匀质固体：λ=λ0(1+a λt )，其中金属的热导率最大，非金属固体次之，液体的较小，而气体的最小。
4.2.3 (1) 单层平壁的稳态热传导热导率为常数，对于稳态的一维平壁热传导，傅立叶定律可写为：=传热推动力/阻力平壁内的温度分布：沿壁厚方向温度分布为一直线。
热导率随温度变化：λ=λ0(1+aλt)，则：积分整理得温度分布为非线性函数。
又可以整理如下：图4.2.2 单层平壁的热传导导热速率：，（4.2.3）注意：λm为平均温度下的热导率。
4.2.3 (2)多层平壁的稳态热传导工业上常遇到由多层不同材料组成的平壁,称为多层平壁,如图所示.假设层与层之间接触良好，即接触的两表面温度相同，由于各等温面的温度保持恒定，仍为一维稳态导热，通过各层的热流量均等于Q，则：，（4.2.4）（4.2.5）由以上可见，对于多层平壁的稳态热传导,其总的推动力即为总的温度差，而总的热阻为各层热阻之和，这与电工学中串联电阻的欧姆定律类似。
各层的热阻越大，则其温度差也越大，热传导中温度差与热阻成正比。
对于长圆筒壁的傅立叶定律改写为：于是有：上式可以改写为：图4.2.3多层平壁的稳态热传导对于多层圆筒壁：（4.2.6），注意：Q 恒定，但q 是变化的，故有：温度分布：圆筒壁内的温度分布可由傅立叶定律得出：图4.2.4 多层圆筒壁热传导 积分：（4.2.7）4.3 对流传热对流传热是指流体中质点发生相对位移而引起的热交换。
对流传热仅发生在流体中，与流体的流动状况密切相关。
实质上对流传热是流体的对流与导热两者共同作用的结果。
4.3.1 热边界层的概念流体在平壁上流过时，流体和壁面间将进行换热，引起壁面法向方向上温度分布的变化，形成一定的温度梯度，近壁处，流体温度发生显著变化的区域，称为热边界层或温度边界层。
图4.3.1 (a)流体被平壁加热 (b)流体被平壁冷却热边界层的厚度 ：t w －t = 0.99（t w －t ∞）处与壁面的垂直距离。
热边界层内：0≠dy dt；热边界层外：0=dy dt(等温区)。
湍流流动热边界层与流动边界层关系：湍流区：质点相互混合交换热量，Δt 小。
缓冲层：质点混合，分子运动共同作用,温度变化平缓。
层流内层：导热为主，热阻大，温差大。
4.3.2 对流传热速率方程和表面传热系数对流传热大多是指流体与固体壁面之间的传热，其传热速率与流体性质及边界层的状况密切相关。
如图在靠近壁面处引起温度的变化形成温度边界层。
温度差主要集中在层流底层中。
假设流体与壁面的温度差全部集中在厚度为δ1'的有效膜内，该膜既不是热边界层，也非流动边界层，而是一集中了全部传热温差并以导热方式传热的虚拟膜。
对流传热速率方程可用牛顿冷却定律来描述，该定律是一个实验定律：； （4.3.1） 对两侧流体，均可使用牛顿冷却定律，即：Q = αAΔt （4.3.2）式中：Q —对流传热的热流量，W ；A —对流传热面积，m 2；Δt—壁面温度与壁面法向上流体的平均温度之差，K ；α—比例系数，称为表面传热系数，W/（m ²·K ）对流传热过程的计算，归结为如何获取α。
α一般由实验 测定，采用科学的试验方法。
在虚拟膜内，使用傅立叶定律：图4.3.2 对流传热的温度分布 对比牛顿冷却定律，可知：使对流传热归结为导热问题，dy dt可由温度分布求得。
若 一定，dy dt 取决于有效膜厚度δtdy dt∆= 而则和流动状态有关。
4.4 表面传热系数的经验关联4.4.1 (1)表面传热系数的影响因素流动状态的影响，强制对流和自然对流的影响，流体物性的影响，传热面条件的影响，相变化的影响。
对流传热的分类：无相变化传热：强制对流自然对流有相变传热：蒸汽冷凝液体沸腾(2)无相变化时对流传热过程的因次分析利用因次分析的方法可获得描述对流传热的几个重要的特征数：(努塞尔数) （4.3.3）(雷诺数) （4.3.4）(普朗特数) （4.3.5）(格拉晓夫数) （4.3.6）4.4.2 特征数的物理意义努塞尔数：= 壁面温度梯度/平均温度梯度称为无因次温度梯度。
平均温度梯度一定，壁面温度梯度越大，Nu越大,越大,有效膜越薄。
按热边界层理论,壁面温度梯度恒大于平均温度梯度,所以,努塞尔数恒大于1。
雷诺数：惯性力和粘滞力的比值，反映流动状态对的影响。
普兰特数：V—动量扩散系数；α—热扩散系数。
该公式反映了热扩散和动量扩散的相互关系。
反映流动边界层厚度和热边界层厚度的相对厚度。
格拉晓夫数（又称升浮力数）：体积的变化（），单位体积流体的体积变化：单位体积流体的浮力变化：反映自然对流程度的特征数。
4.4.3 无相变化的对流传热无相变化对流传热时，特征数之间的关系：强制对流：自然对流：混合对流：（1）管内强制对流进口段对表面传热系数的影响：图4.4.1管内强制对流进口段长度：进口点到边界层汇合点间的长度。
层流：湍流：一般关系式：流动状态不同，则c ,m ,n 不同。
①圆形直管内湍流表面传热系数a. 一般流体（4.3.7）n= 0.4 流体被加热n= 0.3 流体被冷却定性温度：适用范围：，，，。
注意：分析湍流条件下的表面传热系数与u，di，粘度，密度的关系。
b. 粘度较大的流体一般情况下，应考虑粘度变化的影响，使用下式：液体被加热液体被冷却适用条件：，，定性温度：进出口平均温度定型尺寸：管内径。
c. 流体流过短管若则为短管，处于进口段，表面传热系数较大。
采用以上各式计算，并加以校正：②圆形直管内过渡流时表面传热系数过渡流，采用湍流公式，但需加以校正。
③圆形直管内层流条件下的表面传热系数特点：1）进口段的管长所占比例较大2）热流方向不同，也会影响。
3）自然对流的影响有时不可忽略。
定性温度：流体进出口温度的算术平均值定型尺寸：管内径di④弯管内强制对流时的表面传热系数特点：离心力的作用，压力不均匀，产生二次环流,结果使。
计算式：α´= f α（4.3.8）式中：α—直管内的表面传热系数；R—管子的曲率半径。
图4.4.2 弯管内强制对流示意图⑤非圆形管内强制对流的表面传热系数采用圆形管内相应的公式计算,但特征尺寸采用当量直径，但只是一种近似算法，最好采用经验公式和专用式。
4.4.3 (2)管外强制对流传热a. 流体橫向流过单管如图1所示，当流体垂直流过单根圆管外表面时，由于流体沿圆柱周长（或方位角Φ）各点的流动情况不同，因而各点的局部表面传热系数αΦ或局部努塞尔特数NuΦ亦随之而异。
如果流体的初始状态不同，则流体流经各点的情况也随之变化，从而导致圆管沿圆周方向上局部αΦ或NuΦ分布也相应变化，如图2所示。