化工原理第四章传热及传热设备
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中山大学化工原理课件 第4章-传热习题课(2)
（2）操作一年后，由于水垢增加，换热器能力下降，当水的流量和进口温度不变，其它条件也没有
变化，此时水出口温度仅能预热至 70 0 C ，试求此时基于外表面积的传热系数 K′及垢层热阻 R′。 已知水在定性温度 50 0 C 时的物性数据如下： 988 .1kg m ; C p 4175 J kg K ;
„„„„ (a)
(134 20) (134 70) 114 ln ( ) 64
„„„„ (b)
' '
' 逆流： q m, h C p ,h 243 T2 q m , c C p ,C t 2 128 K A t m
解题过程 2：根据传热速率方程得： 并流： t m
q m, h C p ,h (243 167 ) KA q m, h C p ,h (243 T2 ' ) KA
【习题课例 4-1】蒸汽管道 104 mm 4mm 外包扎有两层隔热材料，内层为保温砖
(1 0.15W m 1 K 1 ) 外层为建筑砖 (2 0.69W m1 K 1 ) ，设两隔热层之厚度均为 50mm ，
且管壁热阻可忽略。若将两层材料互换位置，而其它条件不变，试问每米管长的热损失的改变为多少？ 说明在本题条件下，哪种材料包扎在内层较为合适。若为平壁，隔热材料互换对热损失有影响吗？ 解题思路：这是一个较为简单的圆筒壁导热问题，用下列公式计算两次并比较，即可。
3 1 1
0.549 cp ； 0.648 W m 1 K 1 。
解题思路： （！ ）先弄清条件，如图所示
d1 , d 2 , 2为已知, 基于外表面积的K，即K 2
化工原理_上下册_修订版_(夏清__陈常贵_着)_天津大学出版社 第四章 传热(新)
28
一、对流传热速率方程和对流传热系数
（一）对流传热速率方程 若以流体和壁面间的对流传热为例，对流传热速率方程可以 表示为
式中
dQ：局部对流传热速率，W； dS： 微分传热面积，m2; T： 换热器的任一截面上热流体的平均温度，℃； Tw：换热器的任一截面上与热流体相接触一侧的壁面温度，℃； α ： 比例系数，又称局部对流传热系数，W/(m2· ℃)。
第四章 传
热
1
4.1 概述
传热：由温差引起的能量传递。 自发过程：热量从高温传递到低温。
一、化工生产的传热问题
化工生产需要大规模地改变物质的化学性质和物理性质，而 这些性质的变化都涉及热能的传递。 化学反应：向反应器提供热量或从反应器移走热量； 蒸发、蒸馏、干燥：按一定的速率向这些设备输入热量；
高温或低温设备：隔热保温，减少热损失；
空气自然 气体强制 对流 对流 5~25 20~100 水自然 对流 20~ 1000 水强制 对流 1000~ 15000 水蒸汽 冷凝 5000~ 15000 有机蒸 汽冷凝 500~ 2000 水沸腾 2500~ 25000
34
§4-3-3 保温层的临界厚度
t1 t f 总推动力 Q ln r0 r1 1 总热阻 2L 2Lr0
7
三、间壁式换热和间壁式换热器
冷、热流体被固体壁面所隔开，分别在固体壁面两侧 流动。冷、热 流体通过间壁进行热量交换。 1、套管式换热器
8
2、列管式换热器
9
单程列管式换热器
1— 外壳 2—管束 3、4—接管 5—封头 6—管板 7—挡板
双程列管式换热器
1—壳体 2—管束 3—挡板 4—隔板
10
牛顿冷却定律。
一、对流传热速率方程和对流传热系数
（一）对流传热速率方程 若以流体和壁面间的对流传热为例，对流传热速率方程可以 表示为
式中
dQ：局部对流传热速率，W； dS： 微分传热面积，m2; T： 换热器的任一截面上热流体的平均温度，℃； Tw：换热器的任一截面上与热流体相接触一侧的壁面温度，℃； α ： 比例系数，又称局部对流传热系数，W/(m2· ℃)。
第四章 传
热
1
4.1 概述
传热：由温差引起的能量传递。 自发过程：热量从高温传递到低温。
一、化工生产的传热问题
化工生产需要大规模地改变物质的化学性质和物理性质，而 这些性质的变化都涉及热能的传递。 化学反应：向反应器提供热量或从反应器移走热量； 蒸发、蒸馏、干燥：按一定的速率向这些设备输入热量；
高温或低温设备：隔热保温，减少热损失；
空气自然 气体强制 对流 对流 5~25 20~100 水自然 对流 20~ 1000 水强制 对流 1000~ 15000 水蒸汽 冷凝 5000~ 15000 有机蒸 汽冷凝 500~ 2000 水沸腾 2500~ 25000
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§4-3-3 保温层的临界厚度
t1 t f 总推动力 Q ln r0 r1 1 总热阻 2L 2Lr0
7
三、间壁式换热和间壁式换热器
冷、热流体被固体壁面所隔开，分别在固体壁面两侧 流动。冷、热 流体通过间壁进行热量交换。 1、套管式换热器
8
2、列管式换热器
9
单程列管式换热器
1— 外壳 2—管束 3、4—接管 5—封头 6—管板 7—挡板
双程列管式换热器
1—壳体 2—管束 3—挡板 4—隔板
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牛顿冷却定律。
管国峰第三版南京工业大学化工原理第四章传热及换热器习题解答
19）设有A、B两平行固体平面，温度分别为TA和TB（TA>TB）。为减
少辐射散热，在这两平面间设置n片很薄的平行遮热板，设A所有平面的 表面积相同，黑度相等，平板间距很小，试证明设置遮热板后A平面的 散热速率为不装遮热板时的
倍。 20）用热电偶测量管内空气温度，测得热电偶温度为420℃，热电偶
黑度为0.6，空气对热电偶的给热系数为35 W/(m·℃)，管内壁温度为 300℃，试求空气温度。
11）苯流过一套管换热器的环隙，自20℃升至80℃，该换热器的内 管规格为φ19×2.5mm，外管规格为φ38×3mm。苯的流量为1800kg/h。 试求苯对内管壁的给热系数。
12）冷冻盐水（25%的氯化钙溶液）从φ25×2.5mm、长度为3m的管 内流过，流速为0.3m/s，温度自-5℃升至15℃。假设管壁平均温度为 20℃，试计算管壁与流体之间的平均对流给热系数。已知定性温度下冷 冻盐水的物性数据如下：密度为1230kg/m3，粘度为4×10-3Pa·s，导热 系数为0.57 W/(m·℃)，比热为2.85kJ/(kg·℃)。壁温下的粘度为 2.5×10-3Pa·s。 解：d = 0.025－0.0025×2 = 0.02 m
’ 36）在一单管程列管式换热器中，将2000kg/h的空气从20℃加热到 80℃，空气在钢质列管内作湍流流动，管外用饱和水蒸汽加热。列管总 数为200根，长度为6m，管子规格为φ38×3mm。现因生产要求需要设计 一台新换热器，其空气处理量保持不变，但管数改为400根，管子规格 改为φ19×1.5mm，操作条件不变，试求此新换热器的管子长度为多少 米？ 37）在单程列管换热器内，用120℃的饱和水蒸汽将列管内的水从 30℃加热到60℃，水流经换热器允许的压降为3.5Pa。列管直径为 φ25×2.5mm，长为6m，换热器的热负荷为2500kW。试计算：①列管换 热器的列管数；②基于管子外表面积的传热系数K。 假设：列管为光滑管，摩擦系数可按柏拉修斯方程计算，
少辐射散热，在这两平面间设置n片很薄的平行遮热板，设A所有平面的 表面积相同，黑度相等，平板间距很小，试证明设置遮热板后A平面的 散热速率为不装遮热板时的
倍。 20）用热电偶测量管内空气温度，测得热电偶温度为420℃，热电偶
黑度为0.6，空气对热电偶的给热系数为35 W/(m·℃)，管内壁温度为 300℃，试求空气温度。
11）苯流过一套管换热器的环隙，自20℃升至80℃，该换热器的内 管规格为φ19×2.5mm，外管规格为φ38×3mm。苯的流量为1800kg/h。 试求苯对内管壁的给热系数。
12）冷冻盐水（25%的氯化钙溶液）从φ25×2.5mm、长度为3m的管 内流过，流速为0.3m/s，温度自-5℃升至15℃。假设管壁平均温度为 20℃，试计算管壁与流体之间的平均对流给热系数。已知定性温度下冷 冻盐水的物性数据如下：密度为1230kg/m3，粘度为4×10-3Pa·s，导热 系数为0.57 W/(m·℃)，比热为2.85kJ/(kg·℃)。壁温下的粘度为 2.5×10-3Pa·s。 解：d = 0.025－0.0025×2 = 0.02 m
’ 36）在一单管程列管式换热器中，将2000kg/h的空气从20℃加热到 80℃，空气在钢质列管内作湍流流动，管外用饱和水蒸汽加热。列管总 数为200根，长度为6m，管子规格为φ38×3mm。现因生产要求需要设计 一台新换热器，其空气处理量保持不变，但管数改为400根，管子规格 改为φ19×1.5mm，操作条件不变，试求此新换热器的管子长度为多少 米？ 37）在单程列管换热器内，用120℃的饱和水蒸汽将列管内的水从 30℃加热到60℃，水流经换热器允许的压降为3.5Pa。列管直径为 φ25×2.5mm，长为6m，换热器的热负荷为2500kW。试计算：①列管换 热器的列管数；②基于管子外表面积的传热系数K。 假设：列管为光滑管，摩擦系数可按柏拉修斯方程计算，
《化工原理》第4章 传热.ppt
由于在热流方向上Q、、A均为常量，故分离变量后积分，
得
t2 dt Q
dx
t1
A 0
t2
t1
Q A
Q A(t1 t2 )
Q t1 t2 t
/ A R
通常式（4-8）也可以表示为
q Q t1 t2
A /
（4-7） （4-8）
（4-9）
12
第4章 传热
2.多层平壁稳定热传导
5
第4章 传热
1.内管 2.外管 图4-l 套管换热器中的换热
6
第4章 传热
在换热器中，热量传递的快慢可用以下指标来表示。 （1）传热速率Q(又称热流量)：指单位时间内通过传热面的 热量，单位为W。传热速率是换热器本身在一定操作条件下 的换热能力，是换热器本身的特性。 （2）热负荷Q：指换热器中单位时间内冷、热流体间所交换 的热量，单位为W。热负荷是生产要求换热器应具有的换热 能力，设计换热器时通常将传热速率与热负荷在数值上视为 相等。 （3）热通量q（又称热流密度）：指单位时间内通过单位传 热面积所传递的热量，即单位传热面积的传热速率，单位为 W／㎡。
Q A dt
(4-4)
dx
2.导热系数
导热系数在数值上等于单位温度梯度下
通过单位导热面积所传导的热量。故导
热系数是表示物质导热能力大小的一个
参数，是物质的物性。越大，导热越快。
图4-2通过壁面的热传导
10
第4章 传热
4.2.2平壁的稳定热传导
1.单层平壁导热
设有一高度和宽度很大的平壁，
厚度为。假设平壁材料均匀，导
7
第4章 传热
4.1.4 传热速率式
化工生产中经常遇到加热或冷却的传热过程。单位时间内通 过换热器传递的热量与换热面积成正比，且与冷热流体之间 的平均温度差成正比。即有
化工原理答案 第四章 传热
第四章 传 热热传导【4-1】有一加热器，为了减少热损失，在加热器的平壁外表面，包一层热导率为(m·℃)、厚度为300mm 的绝热材料。
已测得绝热层外表面温度为30℃，另测得距加热器平壁外表面250mm 处的温度为75℃，如习题4-1附图所示。
试求加热器平壁外表面温度。
解 2375℃, 30℃t t ==计算加热器平壁外表面温度1t ，./()W m λ=⋅016℃ (1757530025005016016)t --= ..145025********t =⨯+=℃【4-2】有一冷藏室，其保冷壁是由30mm 厚的软木做成的。
软木的热导率λ= W/(m·℃)。
若外表面温度为28℃，内表面温度为3℃，试计算单位表面积的冷量损失。
解 已知.(),.123℃, 28℃, =0043／℃ 003t t W m b m λ==⋅=， 则单位表面积的冷量损失为【4-3】用平板法测定材料的热导率，平板状材料的一侧用电热器加热，另一侧用冷水冷却，同时在板的两侧均用热电偶测量其表面温度。
若所测固体的表面积为0.02m 2，材料的厚度为0.02m 。
现测得电流表的读数为2.8A ，伏特计的读数为140V ，两侧温度分别为280℃和100℃，试计算该材料的热导率。
解 根据已知做图热传导的热量 .28140392Q I V W =⋅=⨯=.().()12392002002280100Qb A t t λ⨯==-- 【4-4】燃烧炉的平壁由下列三层材料构成：耐火砖层，热导率λ=(m·℃)，厚度230b mm =；绝热砖层，热导率λ=(m·℃)；普通砖层，热导率λ=(m·℃)。
耐火砖层内侧壁面温度为1000℃，绝热砖的耐热温度为940℃，普通砖的耐热温度为130℃。
(1) 根据砖的耐热温度确定砖与砖接触面的温度，然后计算绝热砖层厚度。
若每块绝热砖厚度为230mm ，试确定绝热砖层的厚度。
化工原理 第四章 传热资料
n
t n
→温度梯度标量，亦称温度梯度。
传热－热传导
2. 傅立叶（Fourier）定律 傅立叶定律→即导热的基本定律，指通过等温表面的导热速率与温 度梯度及传热面积成正比。
dQ
t n
dS
dQ
t n
dS
F u S y
① 傅立叶定律 与牛顿黏性定律类似。 ② 。 ③ 热量传递过程与动量传递过程类似。
注意→气体很小，有利于保温、绝热，如玻璃棉。
传热－热传导
3. 平壁导热 ① 单层平壁
Q
dt dx
S
x 0，t t1；
x b，t t2；
t1 t2
单层平壁导热
假设→①稳态、一维导热。 ②λ不随温度变化。 ③不计热损失。
Q
S b
t1
t2
Q t t1 t2 R b
Rb
S
S
q
Q S
q dQ dS
因S有三种形式，计算q时须 注明选择的基准面积。
传递速率
推动力 阻力
传热速率＝传热推动力温度差
热阻
Q t ；q t
R
R'
R Q ；R Q
传热－基本概念
6. 稳态传热与非稳态传热 稳态传热→传热系统中不积累能量的传热过程，特点是温度分布不随 时间而变，Q Const 。非稳态传热→传热系统中温度分布随时间而变化 的传热过程。 连续生产中的传热多为稳态传热；间歇操作的换热和连续生产时设备 的开工和停工阶段为非稳态传热。
典型的导热方式→固体中的热传导
传热－基本概念
② 热对流 热对流→简称对流，指流体各部分之间发生相对位移引起的热传递。 对流仅发生在流体中，有自然对流和强制对流两种形式。 自然对流→流体各处温度不同而引起密度差异，轻者↑，重者↓，流体 质点发生相对位移。强制对流→因泵或搅拌所致的质点强制运动。 对流传热→亦称给热，指流体流过固体表面时发生热对流和热传导的 联合传热。特点是壁面处流体靠导热传热，主体区靠对流来传热。
t n
→温度梯度标量，亦称温度梯度。
传热－热传导
2. 傅立叶（Fourier）定律 傅立叶定律→即导热的基本定律，指通过等温表面的导热速率与温 度梯度及传热面积成正比。
dQ
t n
dS
dQ
t n
dS
F u S y
① 傅立叶定律 与牛顿黏性定律类似。 ② 。 ③ 热量传递过程与动量传递过程类似。
注意→气体很小，有利于保温、绝热，如玻璃棉。
传热－热传导
3. 平壁导热 ① 单层平壁
Q
dt dx
S
x 0，t t1；
x b，t t2；
t1 t2
单层平壁导热
假设→①稳态、一维导热。 ②λ不随温度变化。 ③不计热损失。
Q
S b
t1
t2
Q t t1 t2 R b
Rb
S
S
q
Q S
q dQ dS
因S有三种形式，计算q时须 注明选择的基准面积。
传递速率
推动力 阻力
传热速率＝传热推动力温度差
热阻
Q t ；q t
R
R'
R Q ；R Q
传热－基本概念
6. 稳态传热与非稳态传热 稳态传热→传热系统中不积累能量的传热过程，特点是温度分布不随 时间而变，Q Const 。非稳态传热→传热系统中温度分布随时间而变化 的传热过程。 连续生产中的传热多为稳态传热；间歇操作的换热和连续生产时设备 的开工和停工阶段为非稳态传热。
典型的导热方式→固体中的热传导
传热－基本概念
② 热对流 热对流→简称对流，指流体各部分之间发生相对位移引起的热传递。 对流仅发生在流体中，有自然对流和强制对流两种形式。 自然对流→流体各处温度不同而引起密度差异，轻者↑，重者↓，流体 质点发生相对位移。强制对流→因泵或搅拌所致的质点强制运动。 对流传热→亦称给热，指流体流过固体表面时发生热对流和热传导的 联合传热。特点是壁面处流体靠导热传热，主体区靠对流来传热。
化工原理天大版第四章-传热2..
图4-1 混合式冷凝器 (a)并流低位冷凝器 (b)干式逆流高位冷凝器
1一外壳 2一淋水板 3、8一气压管 4一蒸汽进口
5一进水口6－不凝气出口 7一分离罐
蓄热式换热是在 蓄热器中实现热交换 的一种换热方式。蓄 热器内装有固体填充 物(如耐火砖等)，热 、冷流体交替地流过 蓄热器，利用固体填 充物来积蓄和释放热 量而达到换热的目的 。通常在生产中采用 二个并联的蓄热器交 替地使用，如图所示 。
氨蒸气
烟道气
~1000
适用温度，℃
0~80
>30
0~—15
<—15~—30
谢谢！
化工原理天大版第四章-传热2..
重点： ①单层、多层平壁，圆筒壁热传导速率方程 及应用； ②换热器能量衡算，总传热速率方程和总传 热系数的计算； ③对流传热系数的影响因素； 难点：
1. 对流传热机理;
2. 圆筒壁换热器的传热；
4.1 概 述
4.1.1 传热基本方式 4.1.2 冷热流体热交换的方式 4.1.3 典型的间壁式换热器 4.1.4 传热速率和热通量 4.1.5 稳态传热和非稳态传热
①热流体将热量传到壁面一侧②热量通过固体壁面的
热传导③壁面另一侧将热量传给冷流体
热对流---热传导---热对流
①结构简单，传热面积增减自如。因为它由标准构件组合而成， 安装时无需另外加工。
②传热效能高。它是一种纯逆流型换热器，同时还可以选取合 适的截面尺寸，以提高流体速度，增大两侧流体的传热系数，因此 它的传热效果好。液-液换热时,传热系数为 870～1750W/（m 2·℃）。这一点特别适合于高压、小流量、低传热系数流体的换热。 套管式换热器的缺点是占地面积大；单位传热面积金属耗量多，约 为 管壳式换热器 的5倍；管接头多，易泄漏；流阻大。
化工原理
Q ──热冷流体放出或吸收的热量，W； cph,cpc ──热冷流体的比热容， J/(kg. ℃) ；
h1,h2 ──冷流体的进出口焓，J/kg；
H1,H2 ──热流体的进出口焓， J/kg 。
相变时
若热流体为饱和蒸汽，当冷凝时有相的变化，但是冷 凝液在饱和温度下离开换热器。冷流体无相变化。
Q Wh rh Wc c pc t 2 t1
A
2）较大温差记为t1，较小温差记为t2； 3）当t1/t2<2，则可用算术平均值代替
t m (t1 t 2 ) / 2
4）当t1＝t2
t m t1＝t 2
2、错流、折流时的 t m
t m t m
'
t ' m ：逆流时的平均温度差
f ( P, R, 流型）
t 对流
（1）管外对流
dQo o dAo (T Tw )
（2）管壁热传导
dQ壁
（3）管内对流
b
dAm (Tw t w )
dQi i dAi (t w－t )
dQ dQo dQ壁 dQi
对于稳定传热
T Tw Tw t w t w t T t dQ 1 b 1 1 b 1 o dAo dAm i dAi o dAo dAm i dAi
T t dQ 1 KdA
1 1 b 1 KdA o dAo dAm i dAi
式中 K——总传热系数，W/(m2· K)。
讨论：
1．当传热面为平面时，dA=dAo=dAi=dAm
1 1 b 1 K o i
2．以外表面为基准(dA=dAo):
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一个物性参数，越大，导热性能越好。导热性能的大小与物
质的组成、结构、温度及压强等有关。
物质的导热系数通常由实验测定。各种物质的导热系数数 值差别极大，一般而言，金属的导热系数最大，非金属次之， 而气体最小。工程上常见物质的导热系数可从有关手册中查 得，本教材附录亦有部分摘录。
气体的导热系数
与液体和固体相比，气体的导热系数最小，对 导热不利，但却有利于保温和绝热。
优点：结构简单，可耐高温。
缺点：设备体积庞大，传热效率低且两 流体有部分混合。
适用范围：常用于高温气体热量的回收 高温流体 或冷却。
蓄热体
4、中间载热体式换热器 又称热媒式换热器。 换热原理：将两个间壁式换 热器由在其中循环的载热体 （称为热媒）连接起来，载 热体在高温流体换热器中从 热流体吸收热量后，带至低 温流体换热器传给冷流体。 典型设备：空调的制冷循环、 太阳能供热设备、热管式换 热器等。 适用范围：核能工业、冷冻 技术及工厂余热利用中。
第四章 传热及传热设备
➢ 4.1 概述 ➢ 4.2 热传导 ➢ 4.3 对流传热 ➢ 4.4 流体无相变的对流传热系数 ➢ 4.5 流体有相变的对流传热系数 ➢ 4.6 辐射传热 ➢ 4.7 总传热速率和传热过程的计算 ➢ 4.8基本方式 热传导(导热) 物体内部或两个直接接触的物体之间，分子振动、碰撞
4.2 热传导
热传导又称导热，是物质借助分子和原子振动及自 由电子运动进行热量传递的过程。
导热过程的特点是：在传热过程中传热方向上无质 点的宏观迁移。
导热在固体、液体、气体中均可发生。但严格而言， 只有固体中传热才是纯粹的热传导。而流体即使处于静 止状态，也会有因温差而引起的自然对流。所以，在流 体中对流与传导是同时发生的。
缺点：造价高，流动阻力大，动力消耗大。
典型设备：列管式换热器、套管式换热器。
适用范围：不许直接混合的两种流体间的热交换。
单程列管式换热器
1 —外壳 2—管束 3、4—接管 5—封头 6—管板 7—挡板
套管式换热器 1—内管 2—外管
3、蓄热式换热器
低温流体
简称蓄热器。是借助蓄热体将热量 由热流体传给冷流体的。在此类换热器 中，热、冷流体交替进入，热流体将热 量储存在蓄热体中，然后由冷流体取走， 从而达到换热的目的。
气体的导热系数随着温度的升高而增大。而在 相当大的压强范围内，气体的导热系数随压强的 变化很小，可以忽略不计，只有当压强很高（大 于200MPa）或很低（小于2.7kPa）时，才应考虑 压强的影响，此时导热系数随压强的升高而增大。
液体的导热系数
液体可分为金属液体（液态金属）和非金属液体。 液态金属的导热系数比一般液体的高，大多数金 属液体的导热系数随温度的升高而降低。 在非金属液体中，水的导热系数最大。除水和甘 油外，大多数非金属液体的导热系数亦随温度的升 高而降低。通常纯液体的导热系数较其溶液的要大。 液体的导热系数基本上与压强无关。
的导热面积A成正比。
Q=-λAdt/dx
λ--导热系数，W/m·K 或W/m·℃ dt/dx—温度梯度，负值(温度降低的方向)
Q—热流量，热流方向与温度梯度的方向相反
4.2.3 导热系数
QAdt Q q
dx
Adt dt
dx dx
上式即为导热系数的定义式。其表明导热系数在数值上
等于单位温度梯度下的热流密度。它是表征物质导热性能的
4.2 热传导
4.2.1 温度场和温度梯度 温度场：在某一瞬间，空间或物体内所有各点温度分布的总和。 即： t = f (x，y，z，θ) t--温度； x，y，z--空间坐标； θ--时间
温度梯度 ：
4.2.2 傅立叶定律（ Fourier’s Law）
单位时间内传导的热量Q与温度梯度dt/dx及垂直于热量方向
4.1 概述
4.1.3 传热速率 传热速率(热流量) Q：单位时间内的传热量。单位：J/s，W。 热流密度(热通量) q ：单位时间内通过单位传热面积的热量。
单位： W/m2。 关系：q=Q/A 4.1.4 稳态传热与非稳态传热 稳态传热：物体中各点温度不随时间变化的热量传递过程。 非稳态传热：物体中各点温度随时间变化的热量传递过程。
固体的导热系数
在所有固体中，金属的导热性能最好。大多数金 属的导热系数随着温度的升高而降低，随着纯度的 增加而增大，也即合金比纯金属的导热系数要低。
非金属固体的导热系数与其组成、结构的紧密程 度及温度有关。大多数非金属固体的导热系数随密 度增加而增大；随温度升高而增大。
应予指出，在导热过程中导热体内的温度沿传热 方向发生变化，其导热系数也在变化，但在工程计 算中，为简便起见通常使用平均导热系数。
例：温度升高，气体的粘度μ_____________，导热系数 λ____________（变大，变小，不变）。
物质热导率的大致范围
物质种类
热导率
纯金属 金属合金 液态金属 非金属固体 非金属液体 绝热材料 气体
100~1400 50~500 30~300 0.05 ~50 0.5~5 0.05~1 0.005~0.5
对流 辐射
流体质点的位移和混合 通过电磁波传递能量
4.1.2 冷热流体接触方式及设备 混合式传热（直接接触式）
间壁式传热
蓄热式传热
工业换热器
1、混合式换热器
主要特点：冷热两种流体间的热交
冷水
换，是依靠热流体和冷流体直接接
触和混合过程实现的。
优点：传热速度快、效率高，设备
简单，是工业换热器的首选类型。
可见，在数 金属 值 非上 金 属 ： 液体 气体
4.2 热传导
4.2.4 平壁的稳定热传导
t
一、单层平壁
A
t1
Q
假定壁的材质均匀，导热系数λ不随温
t2
度变化，视为常数。一维稳定导热，即： O x x dx
典型设备：如凉水塔、喷洒式冷却
塔、混合式冷凝器
废蒸气
适用范围：无价值的蒸气冷凝，或
其冷凝液不要求是纯粹的物料等，
允许冷热两流体直接接触混合场合。
热水
2、间壁式换热器
主要特点：冷热两种流体被一固体间壁所隔开，在 换热过程中，两种流体互不接触，热量由热流体通 过间壁传给冷流体。以达到换热的目的。
优点：传热速度较快，适用范围广，热量的综合利 用和回收便利。
质的组成、结构、温度及压强等有关。
物质的导热系数通常由实验测定。各种物质的导热系数数 值差别极大，一般而言，金属的导热系数最大，非金属次之， 而气体最小。工程上常见物质的导热系数可从有关手册中查 得，本教材附录亦有部分摘录。
气体的导热系数
与液体和固体相比，气体的导热系数最小，对 导热不利，但却有利于保温和绝热。
优点：结构简单，可耐高温。
缺点：设备体积庞大，传热效率低且两 流体有部分混合。
适用范围：常用于高温气体热量的回收 高温流体 或冷却。
蓄热体
4、中间载热体式换热器 又称热媒式换热器。 换热原理：将两个间壁式换 热器由在其中循环的载热体 （称为热媒）连接起来，载 热体在高温流体换热器中从 热流体吸收热量后，带至低 温流体换热器传给冷流体。 典型设备：空调的制冷循环、 太阳能供热设备、热管式换 热器等。 适用范围：核能工业、冷冻 技术及工厂余热利用中。
第四章 传热及传热设备
➢ 4.1 概述 ➢ 4.2 热传导 ➢ 4.3 对流传热 ➢ 4.4 流体无相变的对流传热系数 ➢ 4.5 流体有相变的对流传热系数 ➢ 4.6 辐射传热 ➢ 4.7 总传热速率和传热过程的计算 ➢ 4.8基本方式 热传导(导热) 物体内部或两个直接接触的物体之间，分子振动、碰撞
4.2 热传导
热传导又称导热，是物质借助分子和原子振动及自 由电子运动进行热量传递的过程。
导热过程的特点是：在传热过程中传热方向上无质 点的宏观迁移。
导热在固体、液体、气体中均可发生。但严格而言， 只有固体中传热才是纯粹的热传导。而流体即使处于静 止状态，也会有因温差而引起的自然对流。所以，在流 体中对流与传导是同时发生的。
缺点：造价高，流动阻力大，动力消耗大。
典型设备：列管式换热器、套管式换热器。
适用范围：不许直接混合的两种流体间的热交换。
单程列管式换热器
1 —外壳 2—管束 3、4—接管 5—封头 6—管板 7—挡板
套管式换热器 1—内管 2—外管
3、蓄热式换热器
低温流体
简称蓄热器。是借助蓄热体将热量 由热流体传给冷流体的。在此类换热器 中，热、冷流体交替进入，热流体将热 量储存在蓄热体中，然后由冷流体取走， 从而达到换热的目的。
气体的导热系数随着温度的升高而增大。而在 相当大的压强范围内，气体的导热系数随压强的 变化很小，可以忽略不计，只有当压强很高（大 于200MPa）或很低（小于2.7kPa）时，才应考虑 压强的影响，此时导热系数随压强的升高而增大。
液体的导热系数
液体可分为金属液体（液态金属）和非金属液体。 液态金属的导热系数比一般液体的高，大多数金 属液体的导热系数随温度的升高而降低。 在非金属液体中，水的导热系数最大。除水和甘 油外，大多数非金属液体的导热系数亦随温度的升 高而降低。通常纯液体的导热系数较其溶液的要大。 液体的导热系数基本上与压强无关。
的导热面积A成正比。
Q=-λAdt/dx
λ--导热系数，W/m·K 或W/m·℃ dt/dx—温度梯度，负值(温度降低的方向)
Q—热流量，热流方向与温度梯度的方向相反
4.2.3 导热系数
QAdt Q q
dx
Adt dt
dx dx
上式即为导热系数的定义式。其表明导热系数在数值上
等于单位温度梯度下的热流密度。它是表征物质导热性能的
4.2 热传导
4.2.1 温度场和温度梯度 温度场：在某一瞬间，空间或物体内所有各点温度分布的总和。 即： t = f (x，y，z，θ) t--温度； x，y，z--空间坐标； θ--时间
温度梯度 ：
4.2.2 傅立叶定律（ Fourier’s Law）
单位时间内传导的热量Q与温度梯度dt/dx及垂直于热量方向
4.1 概述
4.1.3 传热速率 传热速率(热流量) Q：单位时间内的传热量。单位：J/s，W。 热流密度(热通量) q ：单位时间内通过单位传热面积的热量。
单位： W/m2。 关系：q=Q/A 4.1.4 稳态传热与非稳态传热 稳态传热：物体中各点温度不随时间变化的热量传递过程。 非稳态传热：物体中各点温度随时间变化的热量传递过程。
固体的导热系数
在所有固体中，金属的导热性能最好。大多数金 属的导热系数随着温度的升高而降低，随着纯度的 增加而增大，也即合金比纯金属的导热系数要低。
非金属固体的导热系数与其组成、结构的紧密程 度及温度有关。大多数非金属固体的导热系数随密 度增加而增大；随温度升高而增大。
应予指出，在导热过程中导热体内的温度沿传热 方向发生变化，其导热系数也在变化，但在工程计 算中，为简便起见通常使用平均导热系数。
例：温度升高，气体的粘度μ_____________，导热系数 λ____________（变大，变小，不变）。
物质热导率的大致范围
物质种类
热导率
纯金属 金属合金 液态金属 非金属固体 非金属液体 绝热材料 气体
100~1400 50~500 30~300 0.05 ~50 0.5~5 0.05~1 0.005~0.5
对流 辐射
流体质点的位移和混合 通过电磁波传递能量
4.1.2 冷热流体接触方式及设备 混合式传热（直接接触式）
间壁式传热
蓄热式传热
工业换热器
1、混合式换热器
主要特点：冷热两种流体间的热交
冷水
换，是依靠热流体和冷流体直接接
触和混合过程实现的。
优点：传热速度快、效率高，设备
简单，是工业换热器的首选类型。
可见，在数 金属 值 非上 金 属 ： 液体 气体
4.2 热传导
4.2.4 平壁的稳定热传导
t
一、单层平壁
A
t1
Q
假定壁的材质均匀，导热系数λ不随温
t2
度变化，视为常数。一维稳定导热，即： O x x dx
典型设备：如凉水塔、喷洒式冷却
塔、混合式冷凝器
废蒸气
适用范围：无价值的蒸气冷凝，或
其冷凝液不要求是纯粹的物料等，
允许冷热两流体直接接触混合场合。
热水
2、间壁式换热器
主要特点：冷热两种流体被一固体间壁所隔开，在 换热过程中，两种流体互不接触，热量由热流体通 过间壁传给冷流体。以达到换热的目的。
优点：传热速度较快，适用范围广，热量的综合利 用和回收便利。