浙江大学《化工原理》课件-第4章传热

浙江大学本科生课程化工原理1/26第四章传热第一节概述一、传热在化工生产中的应用二、传热的基本方式第二节热传导一、傅立叶定律二、无限大平壁一维稳态导热（无内热源）三、无限长圆筒壁一维稳态导热（无内热源）四、保温层的临界厚度第三节对流传热一、对流传热方程与对流传热系数二、因次分析法三、对流传热系数经验式四、对流传热系数小结浙江大学《化工原理》浙江大学本科生课程化工原理2/26§1概述§1

概述一、传热在化工生产中的应用

1.提供热量：如蒸发、干燥、蒸馏。

2.减小热损：通常需要保温。

3.热量的合理利用和废热回收：如换热器组合，热废气、废水的热量回收。浙江大学本科生课程化工原理3/26§1概述二、传热的基本方式浙江大学本科生课程化工原理4/26§2热传导一、傅立叶定律

§2

热传导浙江大学本科生课程化工原理5/26§2热传导负号表示q与温度梯度方向相反称为导热系数,单位为W/(mK)

物性之一：与物质种类、热力学状态（T、P）有关物理含义：代表单位温度梯度下的热通量大小，故物质的

越大，导热性能越好。

一般地，

导电固体>

非导电固体，

液体>

气体

T

，

气体

，

水

，其它液体的

。傅立叶定律：

浙江大学本科生课程化工原理6/26§2热传导二、无限大平壁一维稳态导热（无内热源）

1.单层平壁-------可见温度分布为直线若

为常数，则：浙江大学本科生课程化工原理7/26§2热传导2.多层平壁浙江大学本科生课程化工原理8/26§2热传导思考1：若上述平壁的右侧与环境进行对流传热，设环境温

度为t0、对流传热系数为

，则传热量表达式如何？浙江大学本科生课程化工原理9/26§2热传导三、无限长圆筒壁一维稳态导热（无内热源）

1.单层圆筒壁若

为常数，则：--------可见温度分布为对数关系浙江大学本科生课程化工原理10/26§2热传导浙江大学本科生课程化工原理11/26§2热传导Q=常数，但

q

常数2.多层圆筒壁浙江大学本科生课程化工原理12/26§2热传导思考1：

气温下降，应添加衣服，应把保暖性好的衣服穿在里面好，还是穿在外面好？思考2：保温层越厚，保温效果越好吗？bb

1

2Qbb

2

1Q

浙江大学本科生课程化工原理13/26§2热传导四、保温层的临界厚度浙江大学本科生课程化工原理14/26§3

对流传热一、对流传热方程与对流传热系数§3对流传热

牛顿冷却定律：()WttAQ-=a

流动的流体与外界的传热静止流体与外界的传热强制对流自然对流对流传热系数，W/m2K

边界层是对流传热的主要热阻所在。ttwQ浙江大学本科生课程化工原理15/26§3对流传热影响

的因素主要有：

1.引起流动的原因：自然对流和强制对流

2.流动型态：层流或湍流

3.流体的性质：

、

、cp、

等

4.传热面的形状、大小、位置：如圆管与平板、垂直与水平、管内与管外等

5.有相变与无相变：cp或汽化潜热r二、因次分析法

浙江大学本科生课程化工原理16/26§3对流传热D=223mrbtglGrr=Remul------格垃斯霍夫准数，表征自然对流对对流传热的影响无因次数群：-----努塞尔准数，表示导热热阻与对流热阻之比-----普兰特准数，反映物性的影响。

一般，气体的Pr<1，液体的Pr>1

------雷诺准数，表征流体的流动状态对对流传热的影响浙江大学本科生课程化工原理17/26§3对流传热故浙江大学本科生课程化工原理18/26§3对流传热三、对流传热系数经验式（一）

无相变时

当Gr>25000，需考虑自然对流对传热的影响，式（4-23）乘上一个大于1的校正系数：1.管内层流时

见教材P127页式（4-22）使用范围为：

Re<2300，Gr<25000（自然对流影响可以忽略），温差（壁温与流体主体温度之差）不大。浙江大学本科生课程化工原理19/26§3对流传热2．

管内湍流时

适用范围：

Re>104

0.7<Pr<120

充分发展段，即l/d

50或60

低粘度（<2m水）

温差（tw-t）较小

定性温度：2出进tttm+=定性尺寸：管内径

思考2：

与u、d有何比例关系？（教材式4-18）思考1：为什么加热时n取0.4，冷却时取0.3？=PrRe023.08.0Nun

浙江大学本科生课程化工原理20/26§3对流传热Why？因为：管内未充分发展，层流底层较薄，热阻较小。

若使用条件不满足上述条件时，需修正：

（1）对于短管，L/d<60乘上一个大于1的校正系数：见教材P126（2）对高粘度液体教材式4-20（4）流体流动处于过渡区时，Re=230010000上式仍可使用，但需乘上小于1的校正系数：见教材P127Why？（3）弯管内：乘上一个大于1的校正系数：教材P126浙江大学本科生课程化工原理21/26§3对流传热Why？III3.管外的强制对流传热（1）流体横向流过单管传热（2）流体横向流经管束（管簇）的传热：P128式(4-24)4.自然对流

C、n为经验常数。见教材P129表4－4

式4-26浙江大学本科生课程化工原理22/26§3对流传热竖直壁面：层流：P130式(4-29)湍流：P130式(4-30)水平圆管外：P130式(4-27)1.

冷凝传热

浙江大学本科生课程化工原理23/26§3对流传热膜状冷凝传热的强化减薄冷凝液液膜厚度；选择正确的蒸汽流动方向；在传热面上垂直方向上刻槽或安装若干条金属丝等。水平管束第一排的

与单管相似，第二排的

比第一排小，第三排的

比第二排小，……影响冷凝传热的因素不凝性气体的存在：将大大下降。蒸汽流速和流向：流动方向相同时将增加，流动方向相反时将减小。蒸汽过热：需先冷却再冷凝，由于冷却过程的Q值很小，与总Q值相比可忽略，影响不大。传热面的形状与布置：对垂直面，液膜厚度逐渐增加，下降，对水平管束，下方管液膜厚度增加，下降浙江大学本科生课程化工原理24/26§3对流传热产生沸腾现象的必要条件：

液体过热、

有汽化核心沸腾曲线2.大容积沸腾传热核状沸腾传热系数的主要影响因素有：

液体物性、温差、操作压力、加热面状况等。浙江大学本科生课程化工原理25/26§3对流传热四、对流传热系数小结对流方式浙江大学本科生课程化工原理26/26§3对流传热总之：

的范围空气中水中油类中浙江大学本科生课程化工原理27/14第四章热量传递基础第四节热辐射一、基本概念二、物体的辐射能力与斯蒂芬－波尔兹曼定律三、克希霍夫定律四、两固体间的相互辐射五、设备热损失的计算浙江大学本科生课程化工原理28/14第四节热辐射一、基本概念§4

热辐射1.什么是辐射传热？是一种通过电磁波传递能量的过程（不需要介质）热辐射线波长在0.4

m~40

m，属可见光、红外线2．吸收率、发射率、透过率浙江大学本科生课程化工原理29/14§4

热辐射3．黑体、白体、透热体、灰体-----透热体，如单原子或对称双原子构成的气体（H2，O2，He

等等）灰体-----以相同的吸收率吸收所有波长的热辐射能的物体，如工业用的大多数固体材料。浙江大学本科生课程化工原理30/14§4

热辐射二、物体的辐射能力与斯蒂芬－波尔兹曼定律辐射能力：单位时间、单位面积上对所有波长辐射线的辐射能量，用E表示，单位W/m2。根据普朗克量子理论，

1．黑体的辐射能力E0浙江大学本科生课程化工原理31/14§4

热辐射---------黑度（或辐射率）属物性，与材料性质和温度、压力、浓度等有关三．克希霍夫定律2．灰体的辐射能力E

灰体

黑体

T

T

E

E0

α

E0浙江大学本科生课程化工原理32/14四、两固体间的相互辐射1.任意形状、任意放置的两物体间相互辐射的角系数dAjdAirθjθi角系数的性质§4

热辐射浙江大学本科生课程化工原理33/14§4

热辐射2.两无限大平行壁面之间的相互辐射灰体1和2，假设T1T2E1′—从1至2发射和反射的总能量E2′—从2至1发射和反射的总能量

12设壁面的面积为A，则有：浙江大学本科生课程化工原理34/14§4

热辐射总发射系数浙江大学本科生课程化工原理35/143.两非无限大平行相等壁面之间的相互辐射

此时从一个平面所发出的辐射能只有一部分到达另一平面4.两非无限大灰体之间的相互辐射§4

热辐射浙江大学本科生课程化工原理36/14§4

热辐射5.物体1被物体2包围的热辐射当A2

A1时（物体2刚好包围物体1）特例1：当A2包A1、且A2>>A1时特例2：浙江大学本科生课程化工原理37/14§4

热辐射五、设备热损失的计算其中：而

T计算可参考教材240页式（4－134）~式（4－137）浙江大学本科生课程化工原理38/14

概念：导热系数（单位、固液气

的相对大小、t对

的影响） 临界厚度

公式：

1.傅立叶定律

2.一维稳态导热

导热圆筒壁平壁本章小结浙江大学本科生课程化工原理39/14概念：热边界层、影响冷凝和