传热过程
第三章传热过程
第三章传热过程内容提要：本章先对传热的三种基本方式即传导传热、对流传热和辐射传热以及工业上的换热方法进行介绍，然后着重讨论传导传热、对流传热的机理和传导传热、对流传热的速率方程式，在此基础上建立总传热速率方程。
冷热流体通过固体壁面进行热交换时的热量衡算及与总传热方程相结合解决热交换过程中的问题。
对强化和抑制传热过程的途径以及列管式热交换器的基本结构仅作简单介绍。
学习指导：了解传导传热和对流传热的机理，掌握传导传热、对流传热的速率方程式，掌握总传热速率方程式并对其中的总传热系数K、传热平均温度差Δtm能分别计算，能将热交换中热量衡算式与总传热方程相结合而解决热交换中的计算问题。
了解强化和抑制传热过程的方法以及列管式热交换器的基本结构。
第一节概述在自然界，在人们的生产和日常生活中，每时每刻都在发生由于物体或系统内部温度不同而使热量自动地转移到温度较低的部分的过程，这一过程称为热的传递简称传热。
而本章主要研究化工生产中的传热。
一、化工生产中的传热过程在化工生产、科学实验中随时会遇到热量传递问题，化工生产中的化学反应要求在一定温度下进行，而适宜的温度依靠加热或冷却才能实现。
例如，氮、氢合成氨、由氨氧化制硝酸、萘氧化制苯酐等，由于催化剂的活性和反应的要求，反应温度必须控制在一定的范围，过高过低都会导致原料利用率降低，温度控制不当甚至会发生事故。
又如在蒸馏、蒸发、干燥、结晶、冷冻等操作中也必须供给或移走一定的热量才能顺利进行。
在这类情况下，要求热量的传递速率要高，即通常所说的要求传热良好。
另有一类情况如高温或低温下操作的设备或管道，为了保持其温度应尽量隔绝热的传递即要求传热速度要低，即通常所说的保温。
此外，能量的充分利用是化工生产尤其是大型生产中极为重要的问题，为了充分利用反应热，回收余热和废热以降低生产成本，工业上大量使用热交换器，这都涉及到热量的传递问题。
传热过程是研究具有不同温度的物体内或物体间热量的传递。
第十一章 传热过程
三、传热实例分析
3、省煤器传热分析 最大热阻在管外的灰垢层导热热阻
省煤器
三、传热实例分析
4、凝汽器传热分析
凝汽器传热总热阻 1 1 1 rk Rf K 1 2
增强凝汽器传热的措施：
污垢热阻
① 减小铜管内侧冷却水对流换热热阻1/α1；如提高流速等。 ② 减小污垢热阻Rf；如定期清洗等。
三、传热实例分析
1、锅炉水冷壁传热分析
传热特点：
烟气与灰垢层外表面的复
合换热热阻较大（主要热
阻），而管壁导热热阻及 管内沸腾换热热很小。 火焰温度高，而管壁温度 不高，它只比管内水温高 10～20 0C.
三、传热实例分析
2、汽缸壁传热分析
主要热阻在保温层； 缸壁本身导热热阻和缸内壁与蒸汽的换热热阻很小， 温差小，不必担心热变形。 但保温层损坏或脱落时，会产生热变形和热损失。
热过程；如过热器的传热，水冷壁的传热；冷油器中的换热， 特点：
① 传热过程有时存在三种基本传热方式； ② 一个传热过程至少由三个环节组成； ③ 传热过程中，放热和吸热同时进行。
电厂中换热设备传热过程
过热器传热过程
图 管壁
对流
烟 气
导热 辐射
对流
蒸 汽
烟 气
蒸 蒸 汽 汽
烟 气
对流 辐射 烟气
1
10 ～ 100 10 ～ 30 340 ～ 910 60 ～ 280 115 ?40 2000 ～ 6000 30 ～ 300
455 ～ 1140 2000 ～ 4250
455 ～ 1020
11-2 平壁和圆筒壁的传热
一、通过平壁的传热 1、单层平壁的传热 传热过程的三个环节
对流、辐射
《传热学》资料第五章传热过程与传热器
《传热学》资料第五章传热过程与传热器一、名词解释1．传热过程:热量从高温流体通过壁面传向低温流体的总过程.2．复合传热:对流传热与辐射传热同时存在的传热过程.3．污垢系数:单位面积的污垢热阻.4．肋化系数: 肋侧表面面积与光壁侧表面积之比.5．顺流:两种流体平行流动且方向相同6．逆流: 两种流体平行流动且方向相反7．效能:换热器实际传热的热流量与最大可能传热的热流量之比.8．传热单元数:传热温差为1K时的热流量与热容量小的流体温度变化1K所吸收或放出的热流量之比.它反映了换热器的初投资和运行费用,是一个换热器的综合经济技术指标.9．临界热绝缘直径:对应于最小总热阻(或最大传热量)的保温层外径.二、填空题1．与的综合过程称为复合传热。
(对流传热，辐射传热)2．某燃煤电站过热器中，烟气向管壁传热的辐射传热系数为20 W／(m2．K)，对流传热系数为40 W／(m2．K)，其复合传热系数为。
(60W／(m2．K))3．肋化系数是指与之比。
(加肋后的总换热面积,未加肋时的换热面积)4．一传热过程的热流密度q＝1．8kW／m2，冷、热流体间的温差为30℃，则传热系数为，单位面积的总传热热阻为。
(60W／(m2．K)，0．017(m2.K)／W)5．一传热过程的温压为20℃，热流量为lkW，则其热阻为。
(0．02K／W)6．已知一厚为30mm的平壁，热流体侧的传热系数为100 W／(m2．K)，冷流体侧的传热系数为250W／(m2．K)，平壁材料的导热系数为0．2W／(m·K)，则该平壁传热过程的传热系数为。
(6．1W／(m2．K))7．在一维稳态传热过程中，每个传热环节的热阻分别是0．01K／W、0．35K／W和0．009lK ／W，在热阻为的传热环节上采取强化传热措施效果最好。
(0．35K／W)8．某一厚20mm的平壁传热过程的传热系数为45W／(m2．K)，热流体侧的传热系数为70W／(m2K)，冷流体侧的传热系数为200W／(m2．K)，则该平壁的导热系数为。
化工基础第三章传热过程
(3) 常压下气体混合物的导热系数估算式为
m
式中 yi ——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)
1 i yi M i / 3 1 yi M i / 3
金 非金 (2) s l g (3) 晶 非晶 (4) (气体除外 ) 纯 混
第三章 传热过程 23
t+△t dt/dn n
t
t-△t
Φ dS
图 温度梯度和傅里叶定律
第三章 传热过程
24
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)，W/(mC)； α为温度系数， 1/ C。 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 19
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
t = f (x，y，z，τ) 式中：t —— 温度； x, y, z —— 空间坐标； τ—— 时间。
T2
t1 T2
T1
套管式
T1 T2
t2
列管式
夹套式
第三章 传热过程 13
化工原理 第四章 传热过程
• 传导传热的机理 • 一个物体的两部分存在温差，热就要从高温部分 向低温部分传递，直到各部分的温度相等为止， 这种传热方式就称为传导传热（或热传导）。 • 传导传热的本质是物体内部微观粒子的热运动而 引起的热量传递。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：晶格结构的振动；即分子、 原子在其平衡位置的振动。 • 气体：分子的不规则运动。
第四章 传热过程 §4－1 概述 4－1.1 化工生产中的传热过程 1、传热过程在化工生产中的应用 例如：蒸发、蒸馏、干燥、结晶等 由于化工生产过中传热过程的普遍性，使得换热 设备的费用在总投资费用中所占的比重甚高。据 统计：在一般石油化工企业中占30~40% 在炼油厂中占40~50%。因此，认识传热过程， 掌握一般换热设备运行的规律，充分利用反应热、 余热、废热，对化工生产具有十分重要的意义。
r2 t 2 t1 ln 2l r1
r2 t1 t 2 ln 2l r1 t1 t 2 2l r2 ln r1
• 上式即为单层圆筒壁的导热速率方程。 • 在圆筒壁内找一个合理的平均导热面积Am ， 或与Am对应的平均半径 rm ，这样圆筒壁的导 热速率就可按平壁来处理。 • 将（4）分子分母同乘以（r2-r1）
r1 2
术平均值代替，误差不超过4%，在工程上是允 许的。
r1 r2 rm 2
• 4、多层圆筒壁的导热 • 热量是由多层壁的最内壁传导到最外壁， 要依次经过各层，所以多层圆筒壁的传热， 可以看成是各单层壁串联进行的热量传递。
r2 r3
r1
• 对于稳定传热
• 对第一层
1 2 3
传热过程
第四章传热过程第一节概述第二节传导传热第三节对流传热第四节热交换的计算第五节热交换器第一节概述一、化工生产中的传热过程（包含传热和保温）1、化工生产中的化学反应要控制适宜的温度范围：（1）放热反应的热量要通过换热移除。
（2）吸热反应需提供足够的热量。
（3）反应原料要预热，产物要冷却。
2、很多化工单元操作是在换热条件下进行的：蒸发、结晶、干燥、精馏等。
3、节约能源，合理使用能源：（1）热流体保温、低温条件的保持。
（2）生产中余热、废热的有效利用。
二、传热的基本方式1、传导传热：物体温度较高的分子因热而振动，并与相邻分子碰撞，而将能量传递给相邻分子，顺序地将热量从高温向低温部分传递。
特点：没有分子的宏观相对位移。
如固体传热2、对流传热：由于流体质点变动位置并相互碰撞，能量较大的质点与能量较低的质点相互混合，使热量从高温向低温传递。
自然对流：温度差，密度差，自然移动。
强制对流：外力(搅拌等)使流体质点相对位移。
3、辐射传热：热物体以波的形式向四周散发辐射能，辐射遇到另外的物体时，被全部或部分地吸收并重新转变成热能的传热方式。
温度越高，辐射出去的热能越大。
不用任何介质作媒介。
实际生产中的传热，并非单独以某种方式进行，往往是多种方式同时进行。
4、恒压比热容c p、c pm：单位量物质恒压下升温1K所需热量。
单位： c p J ·kg-1·K-1 c pm J ·mol-1·K-15、显热：单位量（质量或物质的量）物质在等压时变温伴随的热量变化。
单位： J计算：Q=m · c p ·Δt或 Q=n · c pm ·Δt6、潜热：单位量（质量或物质的量）物质在发生相变时伴随的热量变化。
单位： J·kg-1，J·moj-1汽化热、冷凝热、升华热、溶解热、结晶热等计算：Q=ΔH ·m 或 Q=ΔH m ·n潜热和显热的区别：相变，温变四、定态传热和非定态传热1、定态传热：传热面上各点的温度不随时间改变的传热。
传热过程和换热器热计算基础
(m2·℃) / W
多层平壁的传热：
q=
n δi 1 1 +∑ + h1 i =1 λi h2
tf1－ tf2
二、圆筒壁的传热 每米长圆筒壁的总传热热阻热阻：
只有管道外径 d 2 超过某一值后包上热绝缘层才能 起到减少单位管长热损失的作用，把此直径称为临界 热绝缘直径，用 d c 表示。
d c 可由求 q1 对热绝缘层外径的一阶导数并令之 等于零而得到，即 d = 2λins c h2 （ d 2 > d c 加绝热层才能减少热损）
式中： 2 ——管道热绝缘层外表面对环境的表面传 h 热系数[W/(m2·K)]； λins ——保温材料的导热系数[W/(m·K)]。
' 肋面平均温度 t w2 (< tw2 )
肋片实际散热量：
h A (t
2
2
'
w2
− tf2
)
2
肋处于肋基温度下的理想散热量： h 肋片效率：
A2 (t w 2 − tf2 )
t w 2 − tf2 实际散热量 h2 A2 t w 2 − tf2 = = η= 理想散热量 h2 A2 (t w 2 − tf2 ) t w 2 − tf2
Φ = Ah2 (t w2 − tf2 )
λ Φ = A (t w1 − t W2 ) δ
Φ tf1 − t W1 = Ah Φ t w1 − t W2 = Aλ / δ Φ t w2 − t f2 = Ah2
传热方程：
A(t f1 − t f2 ) Φ= = KA ∆ t 1 / h1 + λ / δ + 1 / h2
传热过程
间内的导热量为定值，故上式可写成：
q
Q
A
dt dn
（2-3）
式中：q － 单位时间内传导的热量，也称导热速率 [J/s]或
[W]； A － 导热面积 [m2]；
－ 比例系数，称为导热系数 [W/m·K]；
dt － 温度梯度 [K/m]，表示热流方向温度变化的强 dn 度。温度梯度越大，说明在热流方向单位长度上的温差也
因此
q
1 1 A
2 2 A
3 3 A
t1
t2
t3
q
t1 t4
1 2 3 1A 2 A 3 A
A(t1 t4 )
1 2 3 1 2 3
At
n
i1
i i
式中：t － 多层串联壁两边外表面的温度差； n － 壁的层数；
i － 壁层的序数。
(2 7)
图2-2 多层平面壁的热传导 图2-3 单层圆筒壁
R
R δ λA
多层平面壁的稳定热传导：生产上常见的是多层平面壁，
例如用耐火砖、保温砖和青砖构成的三层炉壁，如图2-2所 示。由式（2-6b）可知，
第一层（耐火砖）：q1
1 1
A(t1
t2)
即
q1
1 1 A
t1
第二层（保温砖）：
q2
2 2 A
t2
第三层（青砖）：
q3
3 3 A
t3
对于稳定热传导： q1 q2 q3 q
通常，需要提高导热速率时可选用导热系数大的材料； 反之，要降低导热速率时，应选用导热系数小的材料。
影响导热系数λ值的主要因素： ▪ 物质的化学组成； ▪ 物理状态（固态的导热系数大， 气态的小）； ▪ 湿度（湿材料的比干材料的要大）； ▪ 压强（对气体有影响）； ▪ 温度。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
固体 计算
＝（＋at ) 0 1
＝k (1w1 2 w 2 )
＝ 1 x1M 1 2 x2 M 2 3
3 1 1
液体混合物
气体混合物
x1M 1 x2 M 2 3 .......
3
1
1
2013-7-9
16
4－2.2 平面壁的定态热传导
1.单层平面壁的热传导
2013-7-9
6
3 间壁式传热
在多数情况下，化工工艺上不允许冷热流体直接接触，故直接接触式
传热和蓄热式传热在工业上并不很多，工业上应用最多的是间壁式传热过
程。这类换热器的特点是在冷、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，以便使两种流体在不相混合的情况下进行热量传
递。这类换热器中以套管式换热器和列管式换热器为典型设备。
输入热量 输出热量 常数 速率 速率
t
Q
dt Φ qA A 常数 dx
t1
若为常数，则： 当x=0时，t=t1，当x=δ时， t=t2 积分上式得：
Φ
Φ
t2 δ x
Φ qA
2013-7-9
t1 t2 推动动 t (A) 热阻 R
2
§4－1 概 述
4－1.1 化工生产中的传热过程
一. 传热过程在化工生产中的应用 例如：蒸发、蒸馏、干燥、结晶等
动量传递 三传热量传递 质量传递
传热过程的基本要求：1.强化传热；2.避免传热 热量传递方向：高温传向低温 传热过程的推动力：温差
2013-7-9
3
一. 传热过程在化工生产中的应用
dx
0
17
2. 无限大多层平壁一维稳态导热（无内热源）
显然，通过每一层的 Φ=常数或 q=常数
t t2 t3 t4
Φ qA
推动力 热阻
t1
t 2 t3 t3 t 4 t1 t2 1 (1 A) 2 (2 A) 3 (3 A) 总推动力 总热阻
Φ dt dr r1 2rl
r2
r2 2 时，可用算术平均代替 r1
于是Φ
t1 t2 推动力 对照：平壁： Φ (A) 热阻
2013-7-9 21
2 lrm
t1 t 2
t1 t 2
Am
2. 无限长多层圆筒壁一维稳态导热（无内热源）
Φ=常数，但 q常数
什么是传热的对流方式？（也称热对流） 什么是对流传热？
热传导 热辐射
传热方式 热对流
热对流是指流体各部分之间发生相对位移所引起的热量
传递过程。热对流仅发生在流体中。 自然对流 因流体中各处温度不同引起密度差异 而使流体质点产生相对位移 强制对流 因搅拌等外力而使质点产生相对位移
对流方式
2013-7-9
δ2
δ3
22
r
2013-7-9
例
外径为 426mm的蒸汽管道，其外包扎一层厚度为 426mm的保温
层，保温材料的导热系数为 0.615 W/(m· ℃)。若蒸汽管道外表面温度为
177 ℃，保温层的外表面温度为 38℃，试求每米管长的热损失以及保温层 中的温度分布。 解：此题为单层圆筒壁的热传导问题。 已知条件：
设保温层内半径 r 处的温度为 t，代入上式：
Φ 2 ( t 2 t ) 489 r l ln r2
将已知数据代入，整理得温度t与半径的关系式为： t = -126.6 ln r –18.64 筒壁内的温度分布不是直线，而是曲线。
2013-7-9
24
2013-7-9
25
§4－3 对 流 传 热
2013-7-9 34
(3).流体的物性 当流体种类确定后，根据温度、压力（气体）查
对应的物性，影响较大的物性有：，，，cp。
(4).是否发生相变 主要有蒸汽冷凝和液体沸腾。发生相变时，由于汽 化或冷凝的潜热远大于温度变化的显热（r远大于cp）。 一般情况下，有相变化时对流传热系数较大，机理各不
m c p t
12
2013-7-9
4－1.3 定态传热和非定态传热
定态传热：在传热体系中各点的温度只随换热器的位置的变化而变， 不随时间而变．特点：通过传热表面的传热速率为常量，热通量不一 定为常数。 非定态传热：若传热体系中各点的温度，既随位置的变化，又随时间
变化。特点：传热速率、热通量均为变量。
直接接触式 间壁式 蓄热式
换热方式
t
T
t 间壁式
4
T 直接接触式
2013-7-9
1 直接接触式传热
在这类传热中，冷、热流体 在传热设备中通过直接混合的方 式进行热量交换，又称为混合式 传热。
t
优点：方便和有效，而且设
备结构较简单，常用于热气体的 水冷或热水的空气冷却。
缺点：在工艺上必须允许两
热量Q：是能量的一种形式， J 传热速率
( Q )是指单位时间传递的热量，W
传热速率也称为热流量，或热负荷 热流密度q：单位面积上的传热速率，W· -2 m 潜热：单位质量的物质在发生相变化时伴随的热量变化
Ф
J/kg 比定压热容cp：压力恒定时，单位质量的物质温度升高1K时所需的热量
J· -1· -1 K kg 显热：
dt dQ A d d
负号表示传热的方向与温度升高的 方向相反
t+dt t dδ dl
dt A d
称为导热系数 , 单位为W/(mK)
Q
2013-7-9
15
Φ dt 导热系数： A d 物性之一：是物质导热能力的标志,与物质种类、热力学状态（T、P）有关。
2013-7-9
dr
0
--------可见温度分布 为对数关系
或
t2
t1
r2 r1 令rm ln r2 r1
当
t1 t 2 t1 t 2 Φ r2 r1 ln r2 r1 2l 2l r2 r1 ln ( r2 r1 )
--------对数平均半径
第四章 传热过程
2013-7-9
1
本章主要内容：
1. 主要讨论流体传导传热、对流传热的机理和传热方程式
及其应用； 2. 冷热流体通过 固体间壁进行换热的过程和计算； 3. 强化或削弱传热的途径； 4. 换热器的基本类型及列管式换热器的基本结构和性能； 5. 列管式换热器的设计与选型；
2013-7-9
2013-7-9
7
套管式 间壁式换热器 列管式 夹套式
t1 T1 t2 T2
套管式
2013-7-9
8
套管式
2013-7-9
9
列管式
2013-7-9
10
夹套式
2013-7-9
11
传热速率指的是由于传热面与 介质间有温度差而使热量由高 4－1.2 传热中的一些基本物理量和单位 温处向低温处流动的速率
蒸汽导管外表面的半径 r2＝0.426/2=0.213m 温度 t2=177 保温层的外表面的半径 r3＝0.213＋0.426=0.639m 温度 t3=38
由：
t2 t3 Φ ln r3 r2 2l
2013-7-9
23
可得每米管道的热损失为：
Φ 2 ( t 2 t 3 ) 2 0.615 (177 38) 489 W/m r 0.639 l ln ln 3 0.213 r2
t
推动力 Φ qA 热阻 t 2 t3 t3 t 4 t1 t2 1 (1 Am1 ) 2 (2 Am 2 ) 3 (3 Am3 )
t1 t 4
t1 r1 r2 r3 r4 0 δ1 t2
t2
t3
t4
i 1
3
i
(i Ami )
总推动力 总热阻
26
什么是对流传热？
t 强制对流
自然对流
t1
t2
Q
Q
tw
Q
流动的流体与外界的传热
边界层是对流传热 的主要热阻所在。
电热炉烧水
静止流体与外界的传热
27
2013-7-9
4－3.1 对流传热机理 对பைடு நூலகம்传热是指流体与固体壁面的热量传递过程，故 对流传热与流体的流动状况密切相关。 对流传热包括强制对流（层流和湍流）、自然对流、 蒸汽冷凝和液体沸腾等形式的传热过程。它们的机理各
种流体能够相互混合。
T 直接接触式
2013-7-9
5
2 蓄热式传热
这种传热方式是冷、热两种流
体交替通过同一蓄热室时，即可通
过填料将从热流体来的热量，传递 给冷流体，达到换热的目的。
优点：结构较简单，可耐高温，
常用于气体的余热或冷量的利用。 缺点：由于填料需要蓄热，所
以设备的体积较大，且两种流体交
替时难免会有一定程度的混合。
通常连续生产多为稳定传热，间歇操作多为不稳定传热。
化工过程中连续生产是主要的，因而我们主要讨论定态传热。
2013-7-9
13
§4－2 传 导 传 热
传导传热的机理
一个物体的两部分存在温差，热就要从高温部分向低温部分传递，
直到各部分的温度相等为止，这种传热方式就称为传导传热（或热传
导）。 传导传热的本质是物体内部微观粒子的热运动而引起的热量传递
相同，情况复杂。
2013-7-9
35
(5).传热面的形状、大小和位置
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：晶格结构的振动；即分子、原子在其平衡位