传热
传热的基本概念及三种基本方式特点、区别和联系。
传热的基本概念及三种基本方式特点、区别和联系。
摘要：一、传热基本概念二、传热三种基本方式特点三、传热三种基本方式区别四、传热三种基本方式联系正文：传热是物体之间由于温度差异而发生的能量传递现象。
在工程、自然界和日常生活中，传热现象无处不在。
根据热力学原理，传热主要有三种基本方式：热传导、热对流和热辐射。
一、传热基本概念1.热传导：热传导是指在温度不同的物体之间，由于分子内能的碰撞和传递，使热量从高温端传递到低温端的过程。
热传导通常发生在固体中，尤其是金属材料。
2.热对流：热对流是指在流体（如气体和液体）中，因温度差异产生的密度差导致流体发生运动，从而实现热量传递的过程。
热对流主要包括自然对流和强制对流两种。
3.热辐射：热辐射是指物体在较高温度下，由于分子、原子或自由电子的热运动产生的电磁波向外传播的过程。
热辐射可以在真空中进行，无需介质。
二、传热三种基本方式特点1.热传导：速度快，能量损失小，适用于固体材料之间的热量传递。
2.热对流：速度较快，能量损失较大，适用于流体之间的热量传递。
3.热辐射：速度最快，能量损失较大，适用于真空中的热量传递。
三、传热三种基本方式区别1.传播介质：热传导和热对流需要介质，而热辐射无需介质，可在真空中进行。
2.温度差异：热传导和热对流需要温度差异，而热辐射可以在温度相同的情况下发生。
3.能量损失：热传导和热对流能量损失较小，热辐射能量损失较大。
四、传热三种基本方式联系1.联合传热：在实际工程和自然界中，传热过程往往是多种方式共同作用的结果。
如太阳能热水器中，太阳辐射与热传导、热对流共同完成热量传递。
2.转换关系：在一定条件下，一种传热方式可以转换为另一种传热方式。
如在热机中，热辐射转换为热传导，进而转换为热对流。
传热的三种方式
第6章传热1、传热过程有哪三种基本方式？答：（1）间接换热，（2）直接换热，（3）蓄热式换热。
2、传热按机理分为哪几种？答：（1）热传导，（2）热对流，（3）热辐射。
3、物体的导热系数与哪些主要因素有关？答：与物体材料的组成、结构、温度、湿度、压强及聚集状态等因素有关。
4、流体流动对传热的贡献主要表现在哪儿？答：流体在垂直于传热方向上的流动，可以增加传热方向上的温度梯度，尤其是湍流时，使得传热方向上的温度梯度仅存在于流动边界层内，故温度梯度数值有很大的增加，根据傅立叶热传导定律可知，在温度梯度方向上的传热速率有了很大增加。
流体在平行于传热方向上的同向流动对于传热的作用是明显的，流体的质点运动携带了热量，使得传热速率可有很大增加。
5、自然对流中的加热面与冷却面的位置应如何放才有利于充分传热？答：将加热面水平方向置于底部，加热面水平方向置于顶部，有利于自然环流。
6、液体沸腾的必要条件有哪两个？答：（1）达到一定的过热度，（2）有利于形成较多的气泡核心。
7、工业沸腾装置应在什么沸腾状态下操作？为什么？答：应在什么核状沸腾状态下操作，因为此状态下，对流传热系数大，操作状态安全稳定。
8、沸腾给热的强化可以从哪两方面着手？答：（1）加热表面，易于形成更多的汽化核心，（2）沸腾液体，在液体中加入少量的添加剂改变沸腾液体的表面张力。
9、蒸汽冷凝时为什么要定期排放不凝性气体？答：在冷凝液膜表面上的不凝性气体膜，导热系数很小，热阻值大，直接影响蒸汽冷凝传热速率，故应定期排放不凝性气体。
10、为什么低温时热辐射往往可以忽略，而高温时热辐射则往往成为主要的传热方式？答：根据斯蒂芬-波尔茨曼定律，物体对外辐射能量的总能力E与其绝对温度的4次方成正比，故在物体处于低温时热辐射往往可以忽略，而高温时热辐射则往往成为主要的传热方式。
11、影响辐射传热的主要因素有哪些？答：（1）高温物体绝对温度的4次方与低温物体绝对温度的4次方之差，（2）高温物体的黑度值及低温物体的黑度值，（3）高温物体与低温物体的位置关系。
传热的三种基本方式
2021/10/24
强制对流 用机械能（泵、风机、搅拌等）使流体发生 对流而传热。
自然对流 由于流体各部分温度的不均匀分布，形成 密度的差异，在浮升力的作用下，流体发 生对流而传热
2021/10/24
3、辐射
物体受热引起内部原子激发，将热能转变为辐射能以电磁波 形式向周围发射，当遇到另一个能吸收辐射能的物体时，辐 射能部分或全部被吸收又重新变为热能。 物体受热而发出辐射能的过程称为热辐射 特点：热辐射不需要任何介质作媒介，即可在真空中传播。 物体温度↑，热辐射能力↑。传热的三种基本方式 Nhomakorabea1、热传导
热量从物体内部温度较高的部分传递到温度较低的部分 或者传递到与之相接触的温度、较低的另一物体的过程称 为热传导，简称导热。 特点：物质间没有宏观位移，只发生在静止物质内的一种 传热方式。 微观机理因物态而异
2021/10/24
2、热对流
流体中质点发生相对位移而引起的热量传递，称为热对流 对流只能发生在流体中。
传热的三种基本方式
式中
q Q A
A──总传热面积
二、定态与非定态传热
非定态传热 Q,q, t f x, y, z,
定态传热 Q,q, t f x, y, z
t 0
返回
三、冷、热流体通过间壁的传热过程
T1
t2
(1)热流体 Q1(对 流) 管壁内侧
对流 导 对流
返回
4.1.3 冷、热流体的接触方式
一、直接接触式
板式塔
返回
填料塔
返回
凉水塔
返回
二、蓄热式
低温流体
优点： • 结构较简单 • 耐高温
高温流体
缺点： • 设备体积大 • 有一定程度的混合
t2
冷流体t1
T2
传热面为内管的表面积
返回
（2）列管换热器
热流体T1
返回
二、对流 流体内部质点发生相对位移的热量传递过程。 • 自然对流：由于流体内温度不同造成的浮升力
引起的流动。 • 强制对流：流体受外力作用而引起的流动。
对流传热：流体与固体壁面之间的传热过程。
三、热辐射 物体因热的原因发出辐射能的过程称为热辐射。
• 能量转移、能量形式的转化 • 不需要任何物质作媒介
返回
4.1.2 传热的三种基本方式
一、热传导 热量从物体内温度较高的部分传递到温度较低的部
分，或传递到与之接触的另一物体的过程称为热传导。 特点：没有物质的宏观位移
• 气体 分子做不规则热运动时相互碰撞的结果 • 固体 导电体：自由电子在晶格间的运动
非导电体：通过晶格结构的振动实现 • 液体 机理复杂
Q
热
(2)管壁内侧Q2( 热传导) 管壁外侧
4.1 传热概述及热传导
保温杯内胆与瓶身中间处于真空，
无气体分子，不导热。
27
4.2.1 傅立叶定律（Fourier's Law）
1.固体的导热系数
导热性能与导电性能密切相关，一般而言，良好的导电体必然是良好的导热体，
反之亦然。在所有固体中，金属的导热性能最好。 大多数金属的导热系数与金属温度和纯度有关，即
t ， λ
t 0
t 0
非稳态(非定常)传热：间歇生产过程，开、停车阶段。
Q , q, t f x , y , z
本章只讨论稳定传热
17
4.1.3 传热过程 热载体及其选择
选择原则
①载热体的温度易调节控制；
②载热体的饱和蒸气压较低，加热时不易分解； ③载热体的毒性小，不易燃、易爆，不易腐蚀设备；
《化工原理》
第4章 传热
4.1 传热概述及热传导
新课导入
热传递3种方式
热 传 导
热 对 流
热 辐 射
热量传递可以依靠其中的一种方式或几种方式同时进行，净的热流方向总是 从高温处向低温处流动。
2
4.1.1 传热的三种基本方式
热传导
若物体各部分之间借分子、原子和自由电子等微观粒子的热运动 传递热量的过程为热传导(又称导热)。
物质种类
气体
液体
非导固体
金属
绝热材料
W/(m﹒oC) 0.006～0.6 0.07～0.7
0.2～3.0
15～420
﹤0.25
26
4.2.1傅立叶定律（Fourier's Law）
从导热系数的角度分析一下，泡沫箱和保温杯的保温原理。
泡沫箱中存在大量微孔，填充
了大量空气，同时其自身为绝
传热
传ห้องสมุดไป่ตู้
热
第一节
概述
一、传热在化工生产中的应用 在有温度差的条件下，热自高温处向低温处传递的现象称 为热量传递过程，简称传热。用于冷热流体进行热量交换的 设备称为换热器或热交换器。 传热过程研究可分为两种类型：一是如何强化传热过程， 以求用较小的传热设备传递较多的热量；二是如何削弱传热 ，以减少热力设备或管道的热损失。 二、热量传递的基本方式 （一）热传导 热传导简称导热。物体各部分之间不发生宏观的相对位 移，在相互接触而温度不同的两物体之间，或同一物体温度 不同的各部分，仅由微观粒子位移、转动或震动等热运动而 引起的热量传递现象称为导热。
（1）流体在管内作强制对流时的准数关联式
（二）流体在圆形直管内作强制湍流时给热系数 当流体粘度小于两倍常温下水的粘度时
热传导
傅立叶定律指出：当物体内进行的是纯导热时，单位 时间内以导热方式传递的热量Q与温度梯度dt/dx及垂直于 导热方向的导热面积 S 成正比，若过程为一维导热，则有
dt Q S dx
式中 —导热系数，W/（mK）。 （二）导热系数 1、导热系数的物理意义及数值范围
导热系数的物理意义为单位温度梯度下的热通量，其 数值表示了物质的导热能力大小，是物质的物理性质之一 。 各种物质导热系数的数值范围很大，一般来说，金属 固体的导热系数最大，非金属固体的次之，液体的较小， 气体的最小。 2、影响导热系数的因素 （1） 固体的导热系数 纯金属的导热系数一般随温 度升高而减小，随其纯度增加而增大。非金属固体（建筑 材料或绝热材料）的导热系数随温度升高而增大，与其结 构紧密程度有关。结构越紧密，导热系数越大。 （2） 液体的导热系数 多数液态金属的导热系数随 温度升高而降低；常见的非金属液体中，除水和甘油以外 ，一般液体导热系数随温度升高略有减小。
传热
第一节
传热
概述
导热
一、热量传递的三种基本方式
根据传热的机理不同，热量传递的基本方式分为三种： 对流 热辐射
1、热传导（又称导热）
当物体内部或两个直接接触的物体存在着温差时，由于分 子、原子和自由电子等微观粒子的热运动而引起热量的传递。 热量由高温部分传到低温部分，或从高温物体传到与之相接 触的低温物体，直到各部分温度相等为止，这种热量传递过 程称为导热。
ΔT=T1 –Tn+1
5、保温层的临界半径
t1----保温层内表面温度；tf----环境温度 r1、r2----分别为保温层内外壁半径； λ---为保温材料的导热系数 α---为对流传热系数；L---为管长
t1 t2
r1 r2
t1 t f r2 1 1 R1 R2 ln 2L r1 2Lr2
2、导热系数
dT A dx
（1）、固体的导热系数
大多数固体的导热系数与温度大致呈线性关系。 λ=λ0（1+αλt）
αλ-------温度系数
（2）液体的导热系数
液态金属：液态金属导热系数比一般液体高 液态金属导热系数随温度升高而降低。 其他液体：水的导热系数最大，除水和甘油等几种液体外，大多数 液体λ随温度升高略有减少，纯液体λ比混合液体一般要大一些。
第二节
一、热传导方程 1、傅立叶定律
热传导
T φ T2 x
dT A dx dT q dx
dT dx
T1
T
T+dT
dx
δ
温度梯度，表示热流方向温度变化的强度，温度梯 度越大，说明热流方向单位长度上的温差越大。
负号 表示热流方向与温度梯度方向相反,热量是沿温度 降低的方向传递.
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。
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A
1 0 0
R
0 1 0
D
0 0 1
较接近的实 物
表面粗糙红砖 表面磨光的铜 单原子/对称双 原子气体 一般固、液体
灰体
ɛ
1- ɛ
0
辐射传热定律
1)普朗克定律
辐射能力 E ,[W/m2]
单色辐射能力： 黑体辐射能力：
E
dE d
不同温度下E~λ关系
E
0
E d
P199 图4-29
E0
（1 - ）E0
两固体间的辐射传热
Q1-2=C1-2 φ S [(T1/100)4 - (T2/100)4]
角系数φ与总辐射系数C1-2的确定
E1 E2
举例
已知：A=4.5m2 求：1）QR=？
2）炉前0.04m 处放一铝板， Q’R=?
分析：
Q1-2=C1-2 ? [(T1/100)4 - (T2/100)4] 1）直接代入 求解，得:Q1-2=44kW 2）利用Q’1-2=Q1-3= Q3-2,求得:
热传导
1.热传导和傅立叶定律
傅立叶定律 导热系数λ
2.平壁热传导
单层/多层平壁
3.圆筒壁热传导
单层/多层圆筒壁
傅立叶定律(1)
t
t1 t2
x △x
假设：(1) 平壁面积A远大于壁厚， 壁边缘处Q散失=0。 (2) 温度 t只沿着垂直于壁面的x 方向变化，等温面是垂直于x轴的 平面。 (3)壁面两侧的温度t1 、 t2不随 时间而变化。.
i
h
i
5）按指数相同合并得： : 即
Nu k Re Pr Gr 雷诺 普兰特
努塞尔
格拉斯霍夫
几种常用的准数准数名称
准数名称 符号 准数式
l
lu
意义
努塞尔特准数（给热 准数）
Nu
表示对流传热系 数的准数
确定流动状态的 准数
雷诺准数（流型准数） Re
普兰特准数（物性准 数）
3
30960
0 . 023
di
Re
0 .8
Pr
0 .4
0 . 023
0 . 14 0 . 02
30960
0 .8
5 . 79
0 .4
=1272W/（m2· ℃） 若忽略定性温度的变化，当苯的流量增加 一倍时，给热系数为α ′
u u
有一列管式换热器，由38根φ 25mm×2.5mm的无缝钢管组 成。苯在管内流动，由20℃被加热至80℃，苯的流量为 8.32kg/s。外壳中通入水蒸气进行加热。试求管壁对苯 的传热系数。当苯的流量提高一倍，传热系数有何变化。
解：苯在平均温度℃下的物性可由附录查得：
密 度 ρ=860kg/m3； 比 热 容 cp=1.80kJ/（ 公 斤 · ） ； 粘 度 ℃ μ=0.45mPa· s；导热系数λ=0.14W/（m· ℃）。
加热管内苯的流速为
8 . 32 u qv
4
d n
2 i
860 0 . 785 0 . 02
2
38
0 . 81
m/s
Pr
cp
d iu
1 . 8 10 0 . 45 10
3
3
5 . 79
0 . 14
Re
0 . 02 0 . 81 860 0 . 45 10
0 (1 at)
热传导-平壁热传导公式推导
由傅立叶定律
Q S
Q dx 1 S dt
0 t1 b1 t2
dt dx
得：
（ Q , S 是常数）
Qt2 t3 b2
1 S
Q
2S
t3 t1 t 3 b1 t1 t i 1 或 q Q S t1 t i 1
=381.6W/m2
(b) 保温砖与建筑砖的界面温度t3
因系稳定热传导，所以 q1=q2=q3=q q=λ 2/b2(t2-t3)
381.6=0.15/0.31(946- t3)
解得 t3=157.3℃
(c) 建筑砖外侧温度t4 同理 q=λ 3/b3(t3-t4) 381.6=0.69/0.24(157.3- t4) 解得 t4=24.6℃
(1)定义: 物体各部分之间不发生相对位移时,依靠分子,原子及自 由电子等微观粒子的热运动而产生的热量传递. (2)特征: a. 物体间无相对位移; b.物体间必须相互接触; b.没有能量形式的转化.
2. 热对流(convection heat transfer)
(1)热对流: 流体的各部分之间由于相对宏观位移而引起的热量传 递. (2)对流换热: 流体流过与之温度不同的固体壁面时引起的热量传递. (3) 特征: 有相对位移; 一定伴随着流体的导热; 没有能量形式之间的转换; 流体和固体壁面相互接触. (4)牛顿冷却公式
辐射传热定律
2）斯蒂芬-波尔兹曼定律
黑体的辐射能力E0 E0=C0 (T/100)4，其中C0=5.67 W/(m2K4) 例 1000K黑体的辐射能力E0=？
辐射传热定律
T
T
E1
3）克希霍夫定律
推导 E1 +（1 - ）E0 = E0 又： E1 = E0 表达式 A = = E / E0
格拉斯霍夫准数（升 力准数）
Pr
Gr
cp
g tl
3 2
表示物性影响的 准数
表示自然对流影 响的准数
2
使用α 经验关联式时应注意的问题
a) 应用范围：关联式中Re、Pr、Gr的数值 范围。 b)?特征尺寸：Nu、Re、Gr等准数中如何选 取。 c) 定性温度：各准数中流体的物性应按什 么温度确定。
Am A1 A 2 2
若在热交换器里的一根钢管，管内径是25[毫 米]，管壁厚度3.25mm，管长5.0m，管内壁温 度是373K,管外壁温度是371K。己知钢的导热 系数λ =49W/mK，这根钢管传递热量为多少？
解 己知 r1=25/2=12.5mm=0.0125m r2=12.5+3.25=15.75mm=0.01575m b=3.25mm=0.00325m L=5.00m λ =49W/mK t1=373K t2=371K
等温面
Q
t1 t2
Q
t1>t2
Q
t1 t n 1 1 2
n
ln L
i 1
n
rn 1 rn
或 Q
t1 t n 1
n
bi
( 其中 : A m, i
Ai 1 Ai ln Ai 1 Ai
)
i 1
i A m ,i
r2 r1
2
对于的圆筒壁，以算术平均值代替对数平均值导致的 误差<4%。作为工程计算，这一误差可以接受，此时。
对流传热系数关联式
1）影响因素 2）因次分析 3）具体应用的简化
无相变 强制对流,自然对流 有相变 蒸汽冷凝,液体沸腾
对流传热系数关联式 因次分析
1) 确定相关因素 2) 写成幂指数的形式
α =f(u, L,de, β,λ,μ,ρ,Cp, g △t) α=kua Lb defCph (βg △t)i
q 2 L (t1 t 1
2
)
ln
r2 r1
=
2 3 . 14 5 . 0 49 ( 373 371 ) ln 0 . 01575 0 . 0125
=1.33×104 W
热对流 ： 主要内容
1.对流传热分析 2.热对流基本概念 常见类型 速率方程 传热系数α 3.对流传热系数关联式
3) 写出各项的基本量纲式子左右量纲指数相等
[α]=[W/m2/K]=[Nm/s/ m2/K]=[kg/s3/K]
4）式子左右量纲指数相等（公斤,s,t ,m ）
L
Lu k C p
a h a
g tL 3 2 2
x
δ
傅立叶定律(2)
温度梯度
grad t lim
n 0
t n
t n
dt dx
( 一维 )
单位时间内通过平板传导的热量dQ与温度梯度 dt/dx及垂直于热流方向的导热面积A正比，即：
dQ/dτ =-λ Sdt/dx
稳定传热时，故上式可写为q=Q/τ =-λ S(dt/dx)
导热系数
物质名称 金属 建筑材料 绝热材料
dQ dS t n
导热系数[W/m.K] 5-420 0.5-2 0.01-04
水
其他液体 气体
0.6
0.09-0.7 0.007-0.17
导热系数公式
式中 λ —固体在温度t℃时的导热系数， w/（m2℃） λo—固体在温度0℃时的导热系数，w/ （m2•℃） a — 温度系数，1／℃；对于大多数 金属材料为负值，而对大多数非金属材料 为正值。
思路
1）画示意图； 2）判断范围；
t
t1
t2
t3
t4
3）列公式；
4）分析已知-未知关系；
o b b b
5）求解； 6）验算。
图 3-3 多层平壁稳态热传导