hgjc~第三章 热量传递

1、2021-11-171 第三章第三章 热量传递热量传递 Heat Transfer化工基化工基 础础 陈玉琴陈玉琴2021-11-1721、掌握内容、掌握内容 传热基本方式、传热基本方程式及其相关参数传热基本方式、传热基本方程式及其相关参数的计算方法；热量衡算及其应用；传热系数计算及的计算方法；热量衡算及其应用；传热系数计算及换热器的设计计算、强化传热的途径。换热器的设计计算、强化传热的途径。 2、理解内容、理解内容 热负荷与传热速率间的关系，传热机理、传热热负荷与传热速率间的关系，传热机理、传热边界层概念，典型的换热器。边界层概念，典型的换热器。 3 3、了解内容、了解内容 工业换热器的类型

2、、结构、操作原理。工业换热器的类型、结构、操作原理。 2021-11-173 传热就是热量的传递，是指由于温度差引起的传热就是热量的传递，是指由于温度差引起的能量转移。能量转移。 这是自然界和工程技术领域中非常普遍的一种这是自然界和工程技术领域中非常普遍的一种传递过程。由热力学第二定律知道，凡是有温差存传递过程。由热力学第二定律知道，凡是有温差存在时，就必然发生热从高温处传递到低温处。在时，就必然发生热从高温处传递到低温处。31 概述概述2021-11-174 化学工业与传热的关系更为密切，传热在化工化学工业与传热的关系更为密切，传热在化工生产中应用大为广泛，概括起来主要用于以下几个生产中应用

3、大为广泛，概括起来主要用于以下几个方面：方面： （1 1）化学反应有一定的温度要求，为此，物料需）化学反应有一定的温度要求，为此，物料需要加热和冷却。要加热和冷却。 化学反应是化工生产的核心，多数化学反应都化学反应是化工生产的核心，多数化学反应都有一定的温度条件且伴随着反应热。例如：氨合成有一定的温度条件且伴随着反应热。例如：氨合成反应的操作温度为反应的操作温度为420420480480，为了达到要求的反，为了达到要求的反应温度，必先对原料进行加热；而这个反应又是可应温度，必先对原料进行加热；而这个反应又是可逆放热反应，为了保持最佳反应温度、加快正反应逆放热反应，为了保持最佳反应温度、加快正反

4、应速度，则必须及时移走反应放出的热量（若是吸热速度，则必须及时移走反应放出的热量（若是吸热反应，要保持反应温度，则需及时补充热量）。反应，要保持反应温度，则需及时补充热量）。 2021-11-175 （2 2）某些单元操作，如蒸发、蒸馏、干燥、结晶等）某些单元操作，如蒸发、蒸馏、干燥、结晶等等单元操作中，都要向这些设备输入或输出热量。等单元操作中，都要向这些设备输入或输出热量。 对于上述单元操作过程只有输入或输出热量，才对于上述单元操作过程只有输入或输出热量，才能保证操作的正常进行。能保证操作的正常进行。 （3）回收废热，节省能源，达到绿色环保低碳经济）回收废热，节省能源，达到绿色环保低碳经济

5、的目的的目的 。 仍以合成氨生产过程为例，合成塔出口的合成气仍以合成氨生产过程为例，合成塔出口的合成气温度很高，为将合成气中的反应产物氨与反应原料氮温度很高，为将合成气中的反应产物氨与反应原料氮气、氢气加以分离必须要降温，为提高热量的综合利气、氢气加以分离必须要降温，为提高热量的综合利用和回收余热，可用其副产蒸气或加热循环气等。用和回收余热，可用其副产蒸气或加热循环气等。2021-11-176 此外，此外，高温设备与管路的保温或低温设备的隔高温设备与管路的保温或低温设备的隔热等也需要传热过程热等也需要传热过程。 传热是化工生产过程中最常用单元操作之一。传热是化工生产过程中最常用单元操作之一。

6、综上所述，化工生产中对传热过程的要求主要有综上所述，化工生产中对传热过程的要求主要有以下以下两种情况两种情况：其一是强化传热过程其一是强化传热过程，如在传热设备，如在传热设备中加热或冷却物料，希望以高传热速率来进行热量传中加热或冷却物料，希望以高传热速率来进行热量传递，使物料达到指定温度或回收热量，同时使传热设递，使物料达到指定温度或回收热量，同时使传热设备紧凑，节省设备费用；备紧凑，节省设备费用；其二是削弱传热过程其二是削弱传热过程，如对，如对高温设备或管道进行保温，以减少热损失。为此必须高温设备或管道进行保温，以减少热损失。为此必须掌握传热的共同规律。掌握传热的共同规律。2021-11-1

7、773 31 11 1 传热的基本方式传热的基本方式 热的传递是由于物体内部或物体之间存在热的传递是由于物体内部或物体之间存在温差引起的。据热力学第二定律，温差引起的。据热力学第二定律，当无外功输入当无外功输入时，热量总是自动地从温度较高的物体传给温度时，热量总是自动地从温度较高的物体传给温度较低的物体较低的物体。只有在消耗机械功的条件下，才有。只有在消耗机械功的条件下，才有可能由低温物体向高温物体传递热量。可能由低温物体向高温物体传递热量。本章只讨本章只讨论前一种情况，既无外功加入的传热。论前一种情况，既无外功加入的传热。 根据传热机理不同，热传递有三种基本方式：根据传热机理不同，热传递有三

8、种基本方式：热传导、热对流和热辐射。热传导、热对流和热辐射。2021-11-178一、热传导（又称导热）一、热传导（又称导热） 当物体内部或两个直接接触的物体之间有温差时，当物体内部或两个直接接触的物体之间有温差时，借分子、原子和自由电子等微观粒子的热运动而引起借分子、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，简称导热的热量传递称为热传导，简称导热。 在导热过程中，热量将从物体的高温部分传向低在导热过程中，热量将从物体的高温部分传向低温部分，或从高温物体传向与它相接触的低温物体，温部分，或从高温物体传向与它相接触的低温物体，直到整个物体的各部分温度相等为止。直到整个物体的各部

9、分温度相等为止。 热传导在固体、液体和气体中均可进行热传导在固体、液体和气体中均可进行。固体中。固体中的热传导属于典型的导热方式。在流体中，只有在静的热传导属于典型的导热方式。在流体中，只有在静止流体或流动边界层中导热才成为主要的传热方式。止流体或流动边界层中导热才成为主要的传热方式。 2021-11-179 导热的实质是：温度较高部分物质微粒（分子、导热的实质是：温度较高部分物质微粒（分子、原子、电子）具有较高的能量，因而热震动较剧烈，原子、电子）具有较高的能量，因而热震动较剧烈，当它与相邻的能量较低的微粒相互碰撞时，前者传给当它与相邻的能量较低的微粒相互碰撞时，前者传给后者的能量大于后者传

10、给前者的能量，从而净结果就后者的能量大于后者传给前者的能量，从而净结果就是使热量传到低温部分，直到整个物体的温度均匀一是使热量传到低温部分，直到整个物体的温度均匀一致为止。致为止。 在纯导热过程中，在在纯导热过程中，在介质质点宏观上介质质点宏观上不发生或无明显的相对位移，这是导热的特点。不发生或无明显的相对位移，这是导热的特点。T1T212342021-11-1710二、热对流二、热对流 热对流，是指在流体中存在温度差时，由于流热对流，是指在流体中存在温度差时，由于流体质点发生相对位移（流动混合），把热量从一处传体质点发生相对位移（流动混合），把热量从一处传到另一处的过程，简称对流。到另一处的

11、过程，简称对流。 热对流只能发生在流体中。热对流只能发生在流体中。因此它与流体的流动因此它与流体的流动状况密切相关状况密切相关。在对流传热时，必然伴随着流体质点。在对流传热时，必然伴随着流体质点间的热传导，只是此时，导热占次要地位。间的热传导，只是此时，导热占次要地位。2021-11-1711 流体的热对流，据产生的原因不同，可分为两种方流体的热对流，据产生的原因不同，可分为两种方式：式： 1 1、自然对流自然对流：由于：由于流体内部各点之间的温度不同流体内部各点之间的温度不同而引起的密度的差异而引起的密度的差异，使温度高的地方流体密度小而，使温度高的地方流体密度小而上浮，温度低的地方流体密度

12、大而下沉，这样引起质上浮，温度低的地方流体密度大而下沉，这样引起质点的相对位移而传递热量，这种对流称自然对流点的相对位移而传递热量，这种对流称自然对流。 2、强制对流强制对流: :流体质点的运动是由于外界的机械流体质点的运动是由于外界的机械作用，作用，如泵（风机）或搅拌等而强迫进行的，所以称如泵（风机）或搅拌等而强迫进行的，所以称为强制对流。为强制对流。 强制对流时，流体质点的运动较为剧烈，故强制强制对流时，流体质点的运动较为剧烈，故强制对流有较好的传热效果。对流有较好的传热效果。2021-11-1712 对流的方式不同，遵循的规律也不一样。在同一对流的方式不同，遵循的规律也不一样。在同一种流

13、体中，有可能同时发生自然对流和强制对流。种流体中，有可能同时发生自然对流和强制对流。 在化工传热的过程中，在化工传热的过程中，常遇到的常遇到的并非简单的热对并非简单的热对流，流，而是流体流过固体壁面时发生的热对流和热传导而是流体流过固体壁面时发生的热对流和热传导联合作用的传热过程，即热由流体传到固体壁面（或联合作用的传热过程，即热由流体传到固体壁面（或由固体壁面传到流体）的过程，由固体壁面传到流体）的过程，通常将这种传热过程通常将这种传热过程称为称为对流传热（又称给热）。对流传热（又称给热）。 其特点是：靠近壁面附近的流体层中依靠传导方其特点是：靠近壁面附近的流体层中依靠传导方式传热（传热边界

14、层），而在流体主体中则依靠对流式传热（传热边界层），而在流体主体中则依靠对流方式传热。固体壁面上是传导传热。方式传热。固体壁面上是传导传热。 2021-11-1713三、热辐射三、热辐射 热辐射是一种通过电磁波传递热能的过程。热辐射是一种通过电磁波传递热能的过程。由于由于物体本身有一定的温度，即可向外界发射能量，此能物体本身有一定的温度，即可向外界发射能量，此能量以电磁波的形式在空间传播，当被另一种物体部分量以电磁波的形式在空间传播，当被另一种物体部分或全部接受后，又重新转变为热能，此种传递方式称或全部接受后，又重新转变为热能，此种传递方式称为热辐射。为热辐射。 所有物体（包括固体、液体、气体

15、）都能将热能所有物体（包括固体、液体、气体）都能将热能以电磁波的形式发射出去，而不需要任何介质，即它以电磁波的形式发射出去，而不需要任何介质，即它可以在真空中传播。可以在真空中传播。 物体之间相互辐射和吸收能量的总结果就是辐射物体之间相互辐射和吸收能量的总结果就是辐射传热传热。辐射传热的。辐射传热的特点特点是：是：不仅有能量的传递，而且不仅有能量的传递，而且还有能量形式的转换。还有能量形式的转换。2021-11-1714 即在放热处，热能转变为辐射能，以电磁波的形即在放热处，热能转变为辐射能，以电磁波的形式向空间传送；当遇到另一能吸收辐射能的物体时，式向空间传送；当遇到另一能吸收辐射能的物体时

16、，即被其部分或全部地吸收而转变为热能。即被其部分或全部地吸收而转变为热能。 注意注意：任何物体，只要温度在绝对零度以上，都任何物体，只要温度在绝对零度以上，都能发射辐射能，能发射辐射能，但是只有在物体温度较高时，热辐射但是只有在物体温度较高时，热辐射才能成为主要的传热方式。才能成为主要的传热方式。2021-11-1715 实际上，上述的三种基本传热方式，在传热过程实际上，上述的三种基本传热方式，在传热过程中常常不是单独存在的，而是两种或三种传热的组合，中常常不是单独存在的，而是两种或三种传热的组合，称为复杂传热。称为复杂传热。 例如，在化工厂中普遍使用的间壁式例如，在化工厂中普遍使用的间壁式換

17、換热器内，热器内，冷热流体分别流过间壁两侧，它是热流体通过固体壁冷热流体分别流过间壁两侧，它是热流体通过固体壁面将热传给冷流体的传热过程，涉及壁面两侧及与接面将热传给冷流体的传热过程，涉及壁面两侧及与接触流体间的对流传热和通过固体壁面间的热传导。触流体间的对流传热和通过固体壁面间的热传导。 化工生产中的传热主要是对流传热与传导传热，化工生产中的传热主要是对流传热与传导传热，所以本章着重讨论这两种传热方式。所以本章着重讨论这两种传热方式。2021-11-17163 31 12 2 定态传热与非定态传热定态传热与非定态传热 1 1、 定态传热定态传热：若传热系统（如：若传热系统（如換換热器）中热器

18、）中各点的温度只随位置变，而不随时间变，则此种传各点的温度只随位置变，而不随时间变，则此种传热为热为定态传热定态传热。 定态传热过程中，传热系统不积累能量，即输定态传热过程中，传热系统不积累能量，即输入热量等于输出热量，入热量等于输出热量，Q Q入入 =Q=Q出出。 定态传热的特点是：单位时间内传递的热量定态传热的特点是：单位时间内传递的热量( (即传热速率即传热速率) )在任何时刻恒为常数。在任何时刻恒为常数。 2 2、非定态传热非定态传热：若传热系统中各点的温度既：若传热系统中各点的温度既随位置变又随时间变，则此传热过程为随位置变又随时间变，则此传热过程为非定态传热。非定态传热。2021-

19、11-17173 31 13 3 典型传热设备间壁式換热典型传热设备间壁式換热器器 換換热器是实现传热过程的基本设备。为了热器是实现传热过程的基本设备。为了便于讨论传热的基本原理及其计算，先简单介绍便于讨论传热的基本原理及其计算，先简单介绍典型的典型的換換热器（热器（P85P85）。）。 2main.swf2main.swf2021-11-1718一、间壁式换热器一、间壁式换热器 间壁式间壁式換換热，是指进行热，是指进行換換热的冷热流体分别处于热的冷热流体分别处于固体间壁的两侧，热流体将热量传给间壁的一侧壁面，固体间壁的两侧，热流体将热量传给间壁的一侧壁面，通过间壁的另一侧壁面再将热量传给冷流

20、体，这就是通过间壁的另一侧壁面再将热量传给冷流体，这就是间壁式间壁式換換热。热。 见下图所示。见下图所示。间壁式间壁式換換热时，冷热流体被固体壁热时，冷热流体被固体壁面隔开，各走各的通道，不相混合面隔开，各走各的通道，不相混合。这是间壁式。这是间壁式換換热热器最大的优点，这种器最大的优点，这种換換热方法在化工生产中用的最多，热方法在化工生产中用的最多，其所用设备就是间壁式换热器。其所用设备就是间壁式换热器。 2021-11-1719流体通过间壁换热示意图流体通过间壁换热示意图 swf0022-03.swf2021-11-1720 间壁式间壁式換換热器类型很多，其典型代表就是套管式热器类型很多，

21、其典型代表就是套管式換換热器和列管式热器和列管式換換热器。热器。 1、套管式換热器套管式換热器：它是由直径不同的两根管子它是由直径不同的两根管子同同心心套在一起构成的。套在一起构成的。冷热流体分别流经内管和环隙进冷热流体分别流经内管和环隙进行热的交换。行热的交换。套管式換热器套管式換热器2021-11-1721 套管式换热器套管式换热器 1-1-内管内管;2-;2-外管外管; ;3-1803-180。回弯回弯 套管式套管式換換热器可作加热、冷却之用。热器可作加热、冷却之用。套管式换热器套管式换热器2021-11-17222、列管式換热器列管式換热器 下图为单程列管式下图为单程列管式換換热器。热

22、器。由外壳、管束、管板、由外壳、管束、管板、挡板和封头等部件组成挡板和封头等部件组成。管束固定在管板上，安装到。管束固定在管板上，安装到壳体内，壳体两端分别与封头用螺栓联接，在壳体和壳体内，壳体两端分别与封头用螺栓联接，在壳体和封头上装有流体进出口。封头上装有流体进出口。swf0022-03.swf列管式换热器列管式换热器2021-11-1723 通常，通常，把流体流经管束称为流经管程，将该流体把流体流经管束称为流经管程，将该流体称为管程（管方、管内）流体称为管程（管方、管内）流体；把流体流经管间环隙把流体流经管间环隙称为流经壳程，将该流体称为壳程（或壳方、环隙、称为流经壳程，将该流体称为壳程

23、（或壳方、环隙、管外）流体。管外）流体。 管程流体流经管程一次，称为单程列管式管程流体流经管程一次，称为单程列管式換換热器。热器。若管程流体在管束内流经两次，称为双程列管式若管程流体在管束内流经两次，称为双程列管式換換热热器。若流体流在管束内来回流过多次，称为多程（如器。若流体流在管束内来回流过多次，称为多程（如四程、六程）列管式四程、六程）列管式換換热器。热器。 換換热器在工作时，一流体由一侧封头进口管进入热器在工作时，一流体由一侧封头进口管进入換換热器，经过管束后，由另一端的出口管流出，另一热器，经过管束后，由另一端的出口管流出，另一流体由壳体一侧的进口管进入，壳体内装有数块挡板，流体由壳

24、体一侧的进口管进入，壳体内装有数块挡板，使流体在壳体与管束间沿挡板作折流流动，而从另一使流体在壳体与管束间沿挡板作折流流动，而从另一端的壳体接管流出。端的壳体接管流出。列管式换热器动画列管式换热器动画2021-11-1724双程列管式換热器双程列管式換热器2021-11-1725间壁式換热器的简单画法间壁式換热器的简单画法 2021-11-1726二、几个概念二、几个概念 1、传热面积传热面积 ： 由于两流体间的传热是通过管壁由于两流体间的传热是通过管壁进行的，故进行的，故管壁表面积即为传热面积管壁表面积即为传热面积。显然传热面积。显然传热面积越大，传递的热量越多，对于列管式越大，传递的热量越

25、多，对于列管式換換热器，传热面热器，传热面积积S: : S=n dL 单位：单位：m2 n-管数；管数； d-管径，管径，m; L-管长，管长，m. 式中的式中的d d可分别用管内径可分别用管内径 d di i ，外径，外径d do o或平均直径或平均直径d dm m 来计算，来计算， 则对应的传热面积分别为管内侧表面积则对应的传热面积分别为管内侧表面积Si i 、 外侧表面积外侧表面积 So o 或平均表面积或平均表面积 Sm m 。 2iomddd2021-11-1727 2、传热速率传热速率 ：換換热器中的传热一般是通过传导和热器中的传热一般是通过传导和对流等方式来实现的，传热的快慢用传

26、热速率来表示，对流等方式来实现的，传热的快慢用传热速率来表示，或用热通量表示。或用热通量表示。 传热速率（传热速率（Q）：单位时间内通过传热面的热量，单位时间内通过传热面的热量， 单位：单位：W W 3、 热通量（热通量（q）:单位时间内通过单位传热面积的单位时间内通过单位传热面积的热量，即每单位传热面积的传热速率，热量，即每单位传热面积的传热速率，又称热流密度又称热流密度（或传热强度），（或传热强度），单位：单位：W/mW/m2 2。 由于传热面积由于传热面积Si i、So o、Sm m 不同，因此相应的热通不同，因此相应的热通量数值不同，计算时应表明选择的基准面积。量数值不同，计算时应表明

27、选择的基准面积。2021-11-17283 32 2 传导传热传导传热 热传导是依靠物质微粒的热运动而实现的。热传导是依靠物质微粒的热运动而实现的。只要物体内部有温差存在，热量就会从高温部分只要物体内部有温差存在，热量就会从高温部分向低温部分传递，向低温部分传递，热量的传递过程称为热流热量的传递过程称为热流。3 32 21 1 传导传热的基本方程式传导传热的基本方程式- -傅立叶定律傅立叶定律2021-11-1729 物体内热流的产生，是由于存在温差的结果，而且物体内热流的产生，是由于存在温差的结果，而且热流的方向永远与温度降低的方向相一致。热流的方向永远与温度降低的方向相一致。 傅立叶定律就

28、是用以确定在物体内存在温差时，因傅立叶定律就是用以确定在物体内存在温差时，因热传导而产生的热流大小的一个定律，这是热传导的基热传导而产生的热流大小的一个定律，这是热传导的基本定律，也是求解导热问题的一个基本公式。本定律，也是求解导热问题的一个基本公式。 在一个质量均匀的平板内，当温度在一个质量均匀的平板内，当温度t t1 1tt2 2时，热量时，热量将以导热的方式通过物体，由将以导热的方式通过物体，由t t1 1向向t t2 2方向传递，如图。方向传递，如图。取热流方向微分厚度取热流方向微分厚度dndn，传递的热量为，传递的热量为dQdQ，平板面积为，平板面积为S。2021-11-1730导热

29、的基本关系导热的基本关系2021-11-1731 单位时间内通过平板传导的热量与温度梯度及单位时间内通过平板传导的热量与温度梯度及垂直于热流方向的导热面积成正比，即垂直于热流方向的导热面积成正比，即 ：dndtdSdQ 傅立叶（傅立叶（Fourier）定律）定律dndtdSdQ2021-11-1732 温度梯度温度梯度，即温度升高的方向上单位距离的温，即温度升高的方向上单位距离的温 度变化率，度变化率，K/m或或C /m。 比例系数，称为比例系数，称为导热系数，导热系数，w/m.K或或w/m.C。 温度梯度是一个向量，其方向指向温度升高的温度梯度是一个向量，其方向指向温度升高的方向，与热流的方

30、向相反，所以式中有负号。方向，与热流的方向相反，所以式中有负号。dndt式中：式中： Q导热速率，即单位时间内传导的热量，导热速率，即单位时间内传导的热量，W; S导热面积，即垂直于热流方向的面积，导热面积，即垂直于热流方向的面积，m2；2021-11-17333 32 22 2 导热系数导热系数一、定义式一、定义式 由傅立叶定律：由傅立叶定律： 单位：单位：w/m.K或或 w/m.二、物理意义二、物理意义 导热系数在数值上等于单位面积、单位温度梯导热系数在数值上等于单位面积、单位温度梯度下、在单位时间内传导的热量，其度下、在单位时间内传导的热量，其数值越大，物数值越大，物质的导热能力就越强质

31、的导热能力就越强。dndtdSdQ2021-11-1734 导热系数是表征物质导热能力大小的一个物理导热系数是表征物质导热能力大小的一个物理量，是物质的物理性质之一量，是物质的物理性质之一。其值与物质的组成、。其值与物质的组成、结构、密度、温度和压力等因素有关。通常由实验结构、密度、温度和压力等因素有关。通常由实验测定，不同的物质的导热系数相差很大，导热系数测定，不同的物质的导热系数相差很大，导热系数越大，导热性能越好。越大，导热性能越好。 一般来说，金属的导热系数最大，非金属固体一般来说，金属的导热系数最大，非金属固体的次之，非金属液体的更小，气体的导热系数最小，的次之，非金属液体的更小，气

32、体的导热系数最小，即即 导热系数导热系数：金属：金属固体非金属固体非金属液体液体气体。气体。2021-11-1735三、影响因素三、影响因素 讨论讨论的影响因素是指外因，即温度与压强，而的影响因素是指外因，即温度与压强，而压强对任何物质的导热系数影响都不大，一般可忽略压强对任何物质的导热系数影响都不大，一般可忽略。 温度对任何物质的导热系数都影响较大温度对任何物质的导热系数都影响较大。 金属：金属：T，； 固体非金属：固体非金属：T, ； 大多数液体大多数液体：T, ； 但水与甘油例外但水与甘油例外， T,水水，甘油甘油；动画动画 气体气体： T, （包括水蒸气包括水蒸气）。2021-11-1

33、7363 32 23 3 平壁的定态热传导平壁的定态热传导一、单层平壁热传导一、单层平壁热传导 假设一均匀的面积很大的单层平壁，厚假设一均匀的面积很大的单层平壁，厚度为度为b b，平壁内的温度只沿着垂直于壁面的，平壁内的温度只沿着垂直于壁面的x x轴轴方向变化，如图所示，壁面两侧的温度为方向变化，如图所示，壁面两侧的温度为t t1 1、t t2 2 ，在定态导热时，导热速率，在定态导热时，导热速率Q Q不随时间变化，不随时间变化，传热面积传热面积S和导热系数和导热系数也是常数，则傅立叶也是常数，则傅立叶定律可简化为定律可简化为dxdtdSQ2021-11-1737t1t2bQ单层平壁定态热传导

34、单层平壁定态热传导2021-11-1738积分：积分：x=0，t=t1； x=b，t=t2，且，且t1t2 bttdtSQdx021RtSbttbttSQ2121RtSbttQ21单层平壁导热速率的单层平壁导热速率的计算式计算式2021-11-1739 b是平壁厚度，是平壁厚度，m 上式说明，上式说明，单层平壁的导热速率，与推动力单层平壁的导热速率，与推动力t成正比，与热阻成反比成正比，与热阻成反比。 这是自然界中传递过程的普遍规律：这是自然界中传递过程的普遍规律： 21tttSbR导热热阻，导热热阻，K/W 导热推动力，导热推动力，K过程的阻力过程的推动力过程的传递速率2021-11-174

35、0二、二、 多层平壁的热传导多层平壁的热传导 由几层不同厚度，不同材料组成的复合平面壁，由几层不同厚度，不同材料组成的复合平面壁，称为多层平面壁称为多层平面壁。 假设平壁的层数为假设平壁的层数为n n层，各层的壁厚分别为层，各层的壁厚分别为b b1 1、b b2 2、b bn n，各层的导热系数分别为，各层的导热系数分别为1 1、 2 2、 n n，各层之间相互接触良好各层之间相互接触良好，即层与层之间贴和紧密，无，即层与层之间贴和紧密，无任何空隙及杂物，所以任何空隙及杂物，所以相互接触的两个表面上温度相相互接触的两个表面上温度相等等。 假设内表面的温度为假设内表面的温度为t t1 1，外表面

36、的温度为，外表面的温度为t tn+1n+1，中，中间交界处的温度分别为间交界处的温度分别为t t2 2、t t3 3t tn n，且平壁内的温度，且平壁内的温度只沿着只沿着x x轴方向变化。轴方向变化。 2021-11-1741多层平面壁的定态热传导多层平面壁的定态热传导动画动画2021-11-1742 多层平壁的定态热传导的总推动力为各层温度多层平壁的定态热传导的总推动力为各层温度差之和，即总温度差，总热阻为各层热阻之和。差之和，即总温度差，总热阻为各层热阻之和。inniiinRttSbttQ11111在定态导热过程中，各层导热速率必然相等：在定态导热过程中，各层导热速率必然相等： Q1=Q

37、2=Qn=Q 则传过则传过各层热量的计算通式为：各层热量的计算通式为：2021-11-1743例例31 如图所示，有一平壁燃烧炉，炉壁由耐火砖、如图所示，有一平壁燃烧炉，炉壁由耐火砖、保温砖及建筑砖三种材料组成，相邻材料之间接触保温砖及建筑砖三种材料组成，相邻材料之间接触良好，已知：良好，已知： 耐火砖：耐火砖：b b1 1=150mm=150mm， 1 1=1.64W/(m)=1.64W/(m) 保温砖：保温砖：b b2 2=310mm=310mm， 2 2=0.15W/(m) =0.15W/(m) 建筑砖：建筑砖：b b3 3=240mm=240mm， 3 3=0.75W/(m)=0.75

38、W/(m) 已测得耐火砖与保温砖接触面上的温度为已测得耐火砖与保温砖接触面上的温度为t t2 2=850,=850,保温砖与建筑砖接触面上的温度保温砖与建筑砖接触面上的温度t t3 3=280,=280,试求：试求：（1 1）单位面积的热损失；）单位面积的热损失；（2 2）各层材料的以单位面积计的热阻；）各层材料的以单位面积计的热阻；（3 3）耐火砖内壁的温度；）耐火砖内壁的温度；（4 4）炉壁的总温差及在各层材料中的分配。）炉壁的总温差及在各层材料中的分配。2021-11-1744b1b2b3Q2021-11-1745建筑砖：建筑砖： 22232/27515. 0310. 0280850mW

39、bttSQqWmbR/.0914. 064. 115. 02111WmbR/.07. 215. 0310. 02222WmbR/32. 075. 024. 02333解：（解：（1）在定态导热过程中，通过各层材料中的传在定态导热过程中，通过各层材料中的传热速率相等，又各层平壁面积相同，所以单位面积的热速率相等，又各层平壁面积相同，所以单位面积的热损失为热损失为：（2）各层材料以单位面积计的热阻：）各层材料以单位面积计的热阻：耐火砖：耐火砖：保温砖：保温砖：2021-11-1746则则 t1=275R1+t2=2750.0914+850=875（4）总温差及各层材料中的温度差：）总温差及各层材料

40、中的温度差：总温差：总温差：t=qR=275(R1+R2+R3) =275(0.0914+2.07+0.32) = 682.4各层温差：各层温差：t1=qR1=27 5 0.0914=25.1 t2=qR2=275 2.07=569.3 t3=qR3=275 0.32=88.0 2751211Rttqq （3）耐火砖内壁温度）耐火砖内壁温度: 对耐火砖可按单层平壁计算：对耐火砖可按单层平壁计算：2021-11-1747 由计算结果可以看出：由计算结果可以看出：在定态导热过程中，热在定态导热过程中，热阻大，分配于该层的温差也大阻大，分配于该层的温差也大，即，即温差与热阻成正温差与热阻成正比比，而

41、比例系数即为单位面积的传热速率，即热通，而比例系数即为单位面积的传热速率，即热通量。量。5 . 3:7 .22:132. 0:07. 2:0914. 0:321321RRRttt2021-11-17483 32 24 4 圆筒壁的定态热传导圆筒壁的定态热传导 化工生产常用圆筒形的设备或容器。圆筒化工生产常用圆筒形的设备或容器。圆筒壁的热传导与平壁热传导的不同之处在于壁的热传导与平壁热传导的不同之处在于圆筒壁圆筒壁的传热面积不是常量，而是随半径而变，同时温的传热面积不是常量，而是随半径而变，同时温度也随半径而变。度也随半径而变。2021-11-1749一、单层圆筒壁的定态热传导一、单层圆筒壁的定

42、态热传导 单层圆筒壁的热传导如下图所示。单层圆筒壁的热传导如下图所示。 2021-11-1750单层单层圆筒壁的定态热传导圆筒壁的定态热传导2021-11-1751 设圆筒内半径为设圆筒内半径为r r1 1，外半径为，外半径为r r2 2，长度为，长度为L L。导热。导热系数为系数为，圆筒内外壁面温度分别为，圆筒内外壁面温度分别为t t1 1、t t2 2 ，且，且t t1 1tt2 2, ,并且温度只沿半径方向而变。并且温度只沿半径方向而变。 在圆筒半径在圆筒半径r r处沿半径方向取微分厚度为处沿半径方向取微分厚度为drdr的薄的薄壁圆筒，其传热面积可视为常数，即壁圆筒，其传热面积可视为常数

43、，即 d dS =2rL=2rL 同时通过该薄层的温度变化为同时通过该薄层的温度变化为dtdt，则由傅立叶定，则由傅立叶定律知，通过这一微分厚度律知，通过这一微分厚度drdr的圆筒壁的导热速率即为的圆筒壁的导热速率即为通过整层圆筒壁的导热速率：通过整层圆筒壁的导热速率：2021-11-1752 1221ln1)(2rrttLQdrdtrLdrdtdSQ)2(整理整理：)(2ln2121122121ttLrrQdtLdrrQttrr单层单层圆筒壁导热速率的计算式圆筒壁导热速率的计算式2021-11-1753二、多层圆筒壁的定态热传导二、多层圆筒壁的定态热传导 对于对于n n层圆筒壁，若各层之间接

44、触良好，各层层圆筒壁，若各层之间接触良好，各层的导热系数为的导热系数为1 1、2 2n n，相应的厚度分别为，相应的厚度分别为b b1 1、b b2 2b bn n，则，则b b1 1=r=r2 2-r-r1 1，b b2 2=r=r3 3-r-r2 2，b bn n=r=rn n1 1-r-rn n，则则通过通过n n层及穿过各层圆筒壁的导热速率计算通式为：层及穿过各层圆筒壁的导热速率计算通式为：niiiinrrttLQ1111ln1)(2 例例32 P 68 自学自学2021-11-1754 2021-11-1755 例例32 38382.52.5的蒸汽管，导热系数的蒸汽管，导热系数1 1

45、50W/m. 50W/m. ，外包，外包40mm40mm厚的石棉绒，导热系数厚的石棉绒，导热系数2 20.29W/m.,0.29W/m.,若管内温度为若管内温度为140140，石棉外壁温度为，石棉外壁温度为3030，试求每米管长的热损失。若保持温度差不变，试求每米管长的热损失。若保持温度差不变，为使热损失减少为使热损失减少6060，在石棉绒外再包一层保温灰，在石棉绒外再包一层保温灰，导热系数导热系数3 30.07 W/m.,0.07 W/m.,计算保温灰的厚度为多少？计算保温灰的厚度为多少？解：多层圆筒壁的定态热传导解：多层圆筒壁的定态热传导 mmr5 .1625 . 22381mmrrmmr

46、5940192382322021-11-1756 （2）求保温层的厚度）求保温层的厚度b：再包一层保温层后变为三层圆筒壁的热传导。再包一层保温层后变为三层圆筒壁的热传导。 r4=r3+b=59+b(mm)，30140131ttmL（1）求每米管长的热损失：）求每米管长的热损失：WrrrrttQ8 .1761959ln29. 015 .1619ln501)30140( 12ln1ln1)( 12232121312021-11-1757要保持温差不变，即要保持温差不变，即t1-t4=140-30=110， 热损失减少热损失减少60，若三层圆筒壁的热损失为，若三层圆筒壁的热损失为Q，则，则 保温层的

47、厚度为保温层的厚度为29.5mm。QQQ4 . 0%)601 (QrrrrrrttQ4 . 0ln1ln1ln1)( 12343232121418 .1764 . 05959ln07. 011959ln29. 015 .1619ln5013014012b）（mmb5 .292021-11-17583 33 3 对流传热对流传热 如前所述，由于流体质点的宏观运动（如流动、如前所述，由于流体质点的宏观运动（如流动、混和）引起的热传递称为热对流，且当流体内部温混和）引起的热传递称为热对流，且当流体内部温度分布不均匀时，必然发生热传导，因此流体的对度分布不均匀时，必然发生热传导，因此流体的对流总是伴随

48、着热传导。流总是伴随着热传导。通常将流体流过固体壁面通常将流体流过固体壁面（流体温度和壁面温度不同）时的传热过程称为对（流体温度和壁面温度不同）时的传热过程称为对流传热，即给热流传热，即给热。 3 33 31 1 对流传热机理对流传热机理2021-11-1759 对流传热主要是借流体质点的移动和混合来完成对流传热主要是借流体质点的移动和混合来完成的，因此的，因此对流传热与流体的流动状况密切相关。对流传热与流体的流动状况密切相关。 1 1、在湍流主体，在湍流主体，流体充分湍动，内部充满大大小流体充分湍动，内部充满大大小小的漩涡，使流体的温度比较均匀，小的漩涡，使流体的温度比较均匀，几乎不存在温度

49、几乎不存在温度差。差。 2 2、在滞流底层（厚度为在滞流底层（厚度为b b）中，）中，由于在垂直于流由于在垂直于流动方向上不存在热对流，该方向上的热传递只能通过动方向上不存在热对流，该方向上的热传递只能通过流体内部的热传导来实现流体内部的热传导来实现（实际上，在滞流流动时，（实际上，在滞流流动时，传热总要受到自然对流的影响，使传热加剧）。而流传热总要受到自然对流的影响，使传热加剧）。而流体的导热系数比较小，体的导热系数比较小，滞流底层内的导热热阻很大，滞流底层内的导热热阻很大，该层中的温度差也比较大，即温度梯度较大。该层中的温度差也比较大，即温度梯度较大。 2021-11-1760 3 3、在

50、滞流底层和湍流主体之间，还存在着一个过在滞流底层和湍流主体之间，还存在着一个过渡区，又称缓冲层，渡区，又称缓冲层，在这区域中，流体的流动既不象滞在这区域中，流体的流动既不象滞流那样平稳，也不象湍流那样剧烈，热对流和热传导的流那样平稳，也不象湍流那样剧烈，热对流和热传导的作用大致相同，在该区域温度发生比较缓慢的变化，也作用大致相同，在该区域温度发生比较缓慢的变化，也就是说就是说仍存在一定的温度差。仍存在一定的温度差。 将过渡区的温差连同湍流主体中可能存在的很小的将过渡区的温差连同湍流主体中可能存在的很小的温度差一起，按温度变化的相应关系温度差一起，按温度变化的相应关系折算成折算成一定的滞流一定的

51、滞流底层厚度，称为底层厚度，称为虚拟厚度，以虚拟厚度，以f f表示表示。f f与滞流底层与滞流底层厚度厚度b b之和即为传热边界层的厚度之和即为传热边界层的厚度t t。即。即t t=b b+f f。见下图。见下图。2021-11-1761对流传热时沿热流方向的温度分布情况及传热边界层的厚度对流传热时沿热流方向的温度分布情况及传热边界层的厚度2021-11-1762 由图可知，由图可知，传热边界层就是沿传热方向存在着显传热边界层就是沿传热方向存在着显著的温度梯度的区域著的温度梯度的区域，对流传热的阻力就集中在这一对流传热的阻力就集中在这一区域内，区域内，而在湍流主体即使存在很小的温差，也已折而在

52、湍流主体即使存在很小的温差，也已折算在算在f f中，所以中，所以湍流主体是可以看成不存在热阻的。湍流主体是可以看成不存在热阻的。 所以，对流传热是集热对流和热传导于一体的综所以，对流传热是集热对流和热传导于一体的综合现象。对流传热的热阻主要集中于传热边界层内，合现象。对流传热的热阻主要集中于传热边界层内，减薄减薄传热边界层的传热边界层的厚度是强化传热过程的关键厚度是强化传热过程的关键。2021-11-17633 33 32 2 对流传热基本方程对流传热基本方程 Q= StQ= St这是这是对流传热速率方程，又称对流传热速率方程，又称牛顿冷却定律牛顿冷却定律，该定律，该定律是一个实验定律，是对流

53、传热的基本方程。是一个实验定律，是对流传热的基本方程。tt流体平均温度与壁面平均温度之差值流体平均温度与壁面平均温度之差值 对流传热分系数或膜系数，对流传热分系数或膜系数，W/mW/m2 2，非物性常数。，非物性常数。 对流传热系数越大，对流传热越剧烈。对流传热系数越大，对流传热越剧烈。 由前面讨论知，对流传热是一个复杂的过程，影响由前面讨论知，对流传热是一个复杂的过程，影响因素很多，因此计算时只能用半理论半经验的公式：因素很多，因此计算时只能用半理论半经验的公式：对流传热推动力对流传热系数对流传热阻力对流传热推动力对流传热速率2021-11-1764)(wTTSQ对于热流体与壁面间的对流传热

54、：对于热流体与壁面间的对流传热：式中：式中： Q Q传热速率，传热速率，W;W; S 热流体一侧的传热面积，热流体一侧的传热面积，m m2 2。 T T热流体主体温度，热流体主体温度，K K， T TW W热流体一侧壁面温度，热流体一侧壁面温度，K K， 热流体一侧的对流传热分系数，热流体一侧的对流传热分系数，W/mW/m2 2.K .K 或或 W/mW/m2 2. . 。2021-11-1765 如果是如果是壁面与冷流体间的对流传热壁面与冷流体间的对流传热，则，则牛顿冷却牛顿冷却定律定律为：为： Q S（tWt） S 冷流体一侧的传热面积，冷流体一侧的传热面积，m2。 冷流体一侧的对流传热分

55、系数，冷流体一侧的对流传热分系数，W/m2.K 或或 W/m2.。 t tW W冷流体一侧壁面的温度，冷流体一侧壁面的温度，K K或或； t t冷流体主体温度，冷流体主体温度，K K或或。 2021-11-1766 注意，用注意，用对流传热速率方程对流传热速率方程计算时计算时，对流传热分对流传热分系数系数 要与传热面积要与传热面积S S以及温差相对应以及温差相对应。 对流传热速率方程对流传热速率方程虽然形式简单，但是并没有减虽然形式简单，但是并没有减少计算的困难，少计算的困难，只是将所有复杂的因素都转移到传热只是将所有复杂的因素都转移到传热系数系数 中，中，所以如何确定在各种情况下的所以如何确

56、定在各种情况下的 计算公式，计算公式，是对流传热的中心问题。是对流传热的中心问题。2021-11-17673 33 33 3 对流传热分系数对流传热分系数二、物理意义二、物理意义 传热分系数传热分系数 表示在单位温差下，由对流传表示在单位温差下，由对流传热产生的热通量热产生的热通量，亦即，当流体与壁面间的温差，亦即，当流体与壁面间的温差为为1K时，单位时间通过单位传热面积所传递的热时，单位时间通过单位传热面积所传递的热量。量。)()(ttSQTTSQww或一、定义式一、定义式 对流传热分系数的定义式由对流传热分系数的定义式由对流传热速率方程对流传热速率方程得来：得来：2021-11-1768

57、越大，表示单位时间内传递的热量就越多。越大，表示单位时间内传递的热量就越多。所以所以对流传热分系数反应了对流传热的强弱程度对流传热分系数反应了对流传热的强弱程度。 2021-11-1769三、影响因素三、影响因素 影响传热分系数的因素很多，由对流传热机理可影响传热分系数的因素很多，由对流传热机理可知，对流传热分系数取决于知，对流传热分系数取决于传热边界层的厚度，而边传热边界层的厚度，而边界层的厚度与流体的物性、温度、流动状况以及壁面界层的厚度与流体的物性、温度、流动状况以及壁面的几何状况等很多因素有关。总结起来，主要有以下的几何状况等很多因素有关。总结起来，主要有以下几个方面：几个方面：202

58、1-11-17701、引起流动的原因引起流动的原因 流体的热对流，据引起流动的原因不同，分为流体的热对流，据引起流动的原因不同，分为自然对流和强制对流。自然对流和强制对流。 自然对流自然对流是由于流体内部存在温差，因而各部是由于流体内部存在温差，因而各部分的流体密度不同，引起质点的相对位移，流速较分的流体密度不同，引起质点的相对位移，流速较低，低，对流传热分系数较小对流传热分系数较小。 强制对流强制对流是由于外力的作用，如泵、搅拌器等是由于外力的作用，如泵、搅拌器等迫使流体流动，流速较快，因此迫使流体流动，流速较快，因此强制对流的强制对流的 大大。 一般情况下，强制对流的一般情况下，强制对流的

59、 要比自然对流的要比自然对流的 大大几倍或几十倍。几倍或几十倍。 2021-11-17712、流体的种类流体的种类 液体、气体和蒸汽的对流体传热分系数都不同，液体、气体和蒸汽的对流体传热分系数都不同，牛顿型流体和非牛顿型流体的对流传热分系数也相差牛顿型流体和非牛顿型流体的对流传热分系数也相差很大。很大。 2021-11-1772 3 3、流体的物性流体的物性 对传热影响较大的流体物性有对传热影响较大的流体物性有、 、C Cp p以及以及对自然对流影响较大的体积膨胀系数对自然对流影响较大的体积膨胀系数，对于同一种，对于同一种流体，这些物性又是温度的函数，其中某些物性还与流体，这些物性又是温度的函

60、数，其中某些物性还与压强有关。压强有关。 （1 1）导热系数）导热系数：由于对流传热的热阻主要由传：由于对流传热的热阻主要由传热边界层内的导热热阻构成，湍流主体和过渡区域的热边界层内的导热热阻构成，湍流主体和过渡区域的传热热阻较小，所以对流传热主要受滞流底层热阻控传热热阻较小，所以对流传热主要受滞流底层热阻控制。制。当滞流底层厚度一定时，流体的当滞流底层厚度一定时，流体的值越大，热阻越值越大，热阻越小，小， 也就越大。也就越大。2021-11-1773（2 2）粘度：由流体的流动规律知道，当流体在管中）粘度：由流体的流动规律知道，当流体在管中流动时，若流动时，若管径和流速一定，流体的粘度管径和