第三章_传热

度部位之间所进行的热的转移。
传热在化学工程中的应用： 化工生产过程对传热的要求：
强化传热(加热或冷却物料) 削弱传热(设备和管道的保温)
二、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)。
Q──传热速率，W； A──传热面积，m2 ； △tm──温度差，℃； K── 传热系数，它表明了传热设备性能的好坏，受换热器的结构性能、 流体流动情况、流体的物牲等因素的影响，W/m2· ； ℃ n ──管数； d ──管径，m； L ──管长，m。
将式（1-1）变换成下列形式： t m Q Kt m (1-3) S 1/ K
b r2 r1
A2 A1 Am ln A2 / A1
对数平均面积
r2 2 （2） r1
A1 A2 Am 2
（3）圆筒壁内的温度分 2πrldt
t2 t1
上限从 r r2，t t 2 改为 r r， t t
r1 Q 2π l t t1 ln r Q r t t1 ln 2π l r1
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。 从式（1-1）可知，如果己知传热量Q，则可在确定K及 △tm的基础上算传热面积A，进而确定换热器的各部分尺寸， 完成换热器的结构设计。
第三章
传热
本章重点和难点
了解热传导、热对流和热辐射的基本概念； 掌握导热、对流换热的基本规律及计算方法； 熟悉各种热交换设备的结构和特点；
掌握定态综合传热过程的计算；
了解强化传热和热绝缘的措施。
第一节
传热的基本概念
一、传热在化学工程中的应用
传热：是不同温度的两个物体之间或同一物体的两个不同温
当λ 为常数，
t1 t2 Q x / A
Qx t t1 A
单层平壁内温度分布为直线
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b 1 ，
b2，b3，各层材质均匀，导热系 数分别为λ 1 ，λ 2 ，λ 3 ，皆视 为常数； Q b t t
1 1
b
2
b
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。
冷、热流体交换流过热载体时，热流体将热量传递给冷流 体。如炼焦炉中煤气燃烧系统就是采用蓄热式换热。
③ 间壁式 —— 热流体通过间壁将热量传递给冷流体， 化工、食品生产中应用极为广泛，主要有： 夹套式热交换器； 蛇型式热交换器； 套管式热交换器； 列管式热交换器； 板式热交换器。
• 表征材料导热性能的物性参数
越大，导热性能越好
导热系数
Q q dt dt A dx dx
单位：W/(m K)
λ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。由实验测得。 一般金属（固体）的导热系数>非金属（固体）>液体>气体
t+t t
t-t Q dA
n
温度梯度是一个向量。 方向垂直于该点所在等温面，以温度增加的方向为正
•
一维定态热传导
dt / dx
2 傅立叶定律
傅立叶定律是热传导的基本定律，它指出：单位时间内传导 的热量与温度梯度及垂直于热流方向的截面积成正比，即
t dQ dA x
或
t Q A x
t1 t4 Q b3 b1 b2 ( ) 1 A 2 A 3 A
t1 t4 Q R1 R2 R3
同理，对具有n层的平壁，穿过各层热量的一般公式为
t1 t n 1 t1 t n 1 Q i n bi R A i 0 i
式中i为n层平壁的壁层序号。
t
2
t r r r
1 2 1
dr
在半径r处取一厚度为dr的
薄层，若圆筒的长度为L，则 半径为r处的传热面积为 A=2π rL。
L
根据傅立叶定律，对此薄圆筒层可写出传导的热量为
dt dt Q A 2rL dr dr
将上式分离变量积分并整理得
t1 t 2 Q 2L r2 ln r 1
t～r呈对数关系变化 （4）平壁：各处的Q和q均相等； 圆筒壁：不同半径r处Q相等，但q却不等
2 多层圆筒壁的稳定热传导 对稳定导热过程，单位时间内由多层壁所传导的热量， 亦即经过各单层壁所传导的热量。 如图所示：以三层圆筒壁为例。
假定各层壁厚分别为b1= r2r1，b2=r3- r2，b3=r4- r3；
式中 Q——单位时间传导的热量，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 ——热导率(thermal conductivity)，w/m.k。
式中的负号指热流方向和温度梯度方向相反。
• 用热通量来表示 • 对一维定态热传导
dQ t q dA n
dt Q A dx
随温度变化，视为常数；
t1 t2 t t t b
1 2
Q
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。
平壁侧面的温度t1及t2恒定。
o
b
x
根据傅立叶定律
dt Q A 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，
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。
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
物体温度较高的时候，热辐射才能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。
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。
⑵ 传热速率
传热速率Q （热流量）：指单位时间内通过传热面的热量称为 传热速率，以Q表示，其单位W—(J/s)。 热通量q：单位时间内通过单位传热面的热量，W/m2。q=Q/A 实践证明，传热速率的数值与热流体和冷流体之间的温度差 △tm及传热面积A成正比，即： Q=KA△tm (1-1) A=nπd L (1-2) 式 中：
t1 t2 t Q A(t1 t2 ) b b R A
式中Δ t=t1-t2 为导热的推动力(driving force)，而 R=b/λ A则为导热的热阻(thermal resistance)。

将上式推而广之，则传递过程的普遍关系式为： 过程传递速率=
过程的推动力/过程的阻力。 (对传热，传质，动量传递“三传” 均适用）
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：
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。
3、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。
四、 传热过程中基本问题与传热机理
传热过程中的基本问题可以归结为： ① 载热体用量计算 ② 传热面积计算 ③ 换热器的结构设计 ④ 提高换热器生产能力的途径。 解决这些问题，主要依靠两个基本关系。
⑴ 热量衡算
根据能量守恒的概念，若忽略操作过程中的热量损失，则 Q热=Q冷， 称为热量衡算式。由这个关系式可以算得载热 体的用量。
b3 0.12 t3 q t4 5.27 (5) 4.1 ℃ 3 0.70
三、圆筒壁的稳定热传导
1 单层圆筒壁的稳定热传导
如图所示： 设圆筒的内半径为r1 ，内 壁温度为t1 ，外半径为r2 ， 外壁温度为t2。
温度只沿半径方向变化，
等温面为同心圆柱面。圆筒 Q 壁与平壁不同点是其面随半 径而变化。
λ随压力变化不大。只有当系统的压力P, 3kpa ≥ P或
P≥200Mpa，随压力的降低，导热系数λ也降低，当 达到真空，λ约为0，保 温 瓶 的 夹 层 抽 真 空 就 是 此 道 理。
二、平壁的定态热传导
1 单层平壁的热传导
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
按热流密度公式计算q：
q Q t1 t 4 10 (5) 5.27w / m 2 b3 0.12 0.10 0.12 b1 b2 A ( ) 0.70 0.04 0.70 1 2 3
按温度差分配计算t2、t3
0.12 t2 t1 q 10 5.27 9.1 ℃ 1 0.70 b1
1.热传导（又称导热）
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称为热传导。
2.热对流（又称对流传热）
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。通常把流体与固体壁面之间的 传热称为对流传热
热对流的两种方式： 强制对流：
第二节
一、 傅立叶定律
1 温度场和温度梯度
热传导
温度场(temperature field)：某一瞬间空间中各点的温度
分布，称为温度场。