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
传 热
参考教材：《化工原理》金德仁编
主要内容：
第一节 传热基本概念
第二节 传热的类型及计算
第三节 换热器
重点内容：
•热量传递的三种基本方式
•传热基本方程、热负荷的计算
•传热温度差的计算 •常用换热器的结构及特点；使用与管理
•提高传热速率的途径
第一节
一、传热
基本概念
1.传热：热量的传递，由温度差引起。
1.列管式换热器的基本形式
（1）固定管板式—结构简单；但壳程检修和清 洗困难，易受损。 （2）U型管式换热器—高温高压下采用，但清 洗困难。
（3）浮头式换热器 管板一端不与壳体相连，可自由沿管长方向 浮动。当壳体与管束因温度差而引起热膨胀时， 管束连同浮头能在壳体内沿轴向自由伸缩，可 完全消除热应力。 特点：可完全消除热应力，便于清洗和检 修； 结构复杂，金属耗量较多，造价较高。 浮头——有一端管板不与外壳固定连接，该端 称为浮头。
• 矿物油—机油、汽缸油，加热均匀，不需加压， 来源广。
• 烟道气：加热温度超过500℃时采用。 • 电加热
冷却剂：
• 水
• 空气
3.传热温度差的计算
（1）恒温传热—冷热流体的温度都不变
生产实例：换热器一侧为液体沸腾， t不变；另一侧为饱和蒸汽冷凝，T不变。 则：△tm=T-t
（2）变温传热
• 一侧恒温，一侧变温
△tm=φ△t · m逆 △t
注意：1.一侧恒温，一侧变温时， 并流和逆 流的平均温度差相等。 2.两侧都变温时，尽管两流体的进出 口温度分别相同，但逆流时的平均温度差比 并流时的大。
例:某热交换器厂对一台新型换热器进行性能 测试。用冷水与热水进行热交换，热水的比热为 4.19kJ/kg℃
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.
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传热
1.简述辐射传热中黑体和灰体的概念
吸收率等于1的物体称为黑体；对各种波长辐射能均能同样吸收的理想物体称为灰体
2.液体沸腾的必要条件有哪两个？
过热度、汽化核心
3.影响辐射传热的主要因素有哪些？
温度、黑度、角系数（几何位置）、面积大小、中间介质
4.传热过程有哪三种基本方式？
直接接触式，间壁式，蓄热式
5.传热按机理分为哪几种？
传导，固体内部的热传导是由于相邻分子在碰撞时传递振动能的结果；在流体特别是气体中，除上述原因之外，连续而不规则的分子运动更是导致传导的重要原因。
此外，热传导也可因物体内部自由电子的转移而发生
对流，是流体流动载热与热传导联合作用的结果
热辐射，任何物体，只要其绝对温度不为零度，都会不停的以电磁波的形式向外界辐射能量，同时又不断吸收来自外界其他物体的辐射能。
当向外界辐射的能量与其从外界吸收的辐射能不相等时，该物体与外界产生热量的传递
6.物体的导热系数与哪些主要因素有关？
与物态，温度有关
7.流动对传热的贡献主要表现在哪？
流动流体的载热：增大了壁面处的温度梯度，使壁面热流密度较流体静止时为大
8.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？
加热面在下，制冷面在上
9.工业沸腾装置应在什么沸腾状态下操作？为什么？
核状沸腾状态，以免设备烧毁
10.沸腾给热的强化可以从哪两个方面着手？
改善加热表面，提供更多的汽化核心；沸腾液体加添加剂，降低表面张力
11.蒸汽冷凝时为什么要定期排放不凝性气体？
避免其积累，提高α
12.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？
因Q与温度四次方成正比，对温度很敏感
13.为什么有相变时的对流给热系数大于无相变时的对流给热系数？
（1）相变热远大于显热
（2）沸腾时气泡搅动；蒸汽冷凝时液膜很薄
14.有两把外形相同的茶壶，一把为陶瓷的，一把为银质的。
将刚烧开的水同时充满两壶，实测发现，陶壶内的水温下降比银壶中的快，为什么？
陶壶的黑度大，辐射散热快；银壶黑度小，辐射散热慢
15.若串联传热过程中存在某个控制步骤，其含义是什么？
该步骤阻力远大于其他各步骤的阻力之和，传热速率由该步骤决定
16.传热基本方程中，推倒得出对数平均推动力的前提条件有哪些？
K，q m1c p1，q m2c p2沿程不变；管，壳程均为单程
17.为什么一般情况下，逆流总是优于并流？并流适用于哪些情况？
∆大，载热体用量少
逆流推动力tm
热敏物料加热，控制壁温以免过高
18.解决非定态换热器问题的基本方程是那几个？
传热基本方程，热量衡算式，带有温变速率的热量衡算式
19.在换热器设计计算时，为什么要限制ψ大于0.8
∆小，所需A变大，设备费当ψ≤0.8时，温差推动力损失太大，tm
用增加
20.载热体
为将冷流体加热或热流体冷却，必须用另一种流体供给或取走热量，此流体为载热体
21.间壁式传热过程的三个步骤
热流体给热于管壁内侧，热量自管壁内侧传导至管壁外侧，管壁外侧给热于冷流体
22.强制对流，自然对流
流体在外力（泵，风机或其他势能差）作用下产生的宏观流动 在传热过程中因流体冷热部分密度不同而引起的流动
23.雷诺数R e ，努塞尔数N u ，格拉斯霍夫数G r ，普朗特数P r 的物理意义
表
征流体的运动状态 反
映对流使给热系数增大的倍数 表
征自然对流的流动状态 反
映物性对给热过程的影响
24.大容积自然对流的自动模化区
G r P r >2×107时，给热系数
α与加热面的几何尺寸l 无关，此称为自动模化区
25.核状沸腾，膜状沸腾，临界点 △
t >2.2℃，加热面上有气泡产生，给热系数α随△t 急剧上升，此阶
段为核状沸腾；△t 增大到一定数值时，加热面上的汽化核心继续
增多，旗袍在脱离加热面之前便相互连接，形成气膜，把加热面与
液体隔开，随△t 的增大，给热系数下降，此阶段为不稳定膜状沸
腾；从核状沸腾到膜状沸腾的转折点为临界点。
26.蒸汽冷凝的两种形式
膜状冷凝和滴状冷凝，后者给热系数比前者大5～10倍
27.黑度
实际物体与同温度黑体的辐射能力的比值 b
E E =
ε 28.冷、热流体流动通道的选择原则
（
1）不洁净和易结垢的液体宜在管程 （
2）腐蚀性流体宜在管程 （
3）压强高的流体宜在管内 （
4）饱和蒸汽宜走壳程 （
5）被冷却的流体宜走壳程 （
6）若两流体温差较大，对于刚性结构的换热器，宜将给热系数大
的流体通入壳程 （7）流量小而粘度大的流体一般以壳程为宜。