第4章.傳熱(chuánrè)4.1概述(ɡàishù)一.傳熱的基本方式:熱傳導、熱對流和熱輻射熱傳導（導熱）:由于物質分子、原子或電子的熱運動，將熱量從物體高溫處向低溫處的傳遞過程稱為熱傳導。特點：物體內質點不發生宏觀的相互位移。熱對流:流體中質點發生相對位移和混合而引起的熱量傳遞，熱對流僅發生在流體中。自然對流傳熱強制對流傳熱熱輻射（輻射傳熱）:因熱的原因物體發出輻射能的過程稱為熱輻射。熱輻射是一種以電磁波傳遞熱能的方式。精品資料二.傳熱過程(guòchéng)中熱冷流體熱交換方式

1.直接(zhíjiē)接觸式換熱和混合式換熱器兩流體在換熱器中直接接觸，相互混合進行換熱。該類型換熱器結構簡單，設備及操作費用均較低，傳熱效率高，適用于兩流體允許混合的場合。2.蓄熱式

借助于蓄熱體將熱量由熱流體傳給冷流體。該類型換熱器結構簡單，可耐高溫；缺點是設備體積龐大，熱效率低且不能完全避免兩流體的混合。精品資料二.傳熱過程中熱冷流體(liútǐ)熱交換方式

3.間壁式

化工生產過程中冷熱流體之間進行的熱交換大多不允許直接(zhíjiē)混合，兩種流體常被固體壁面隔開，并在壁面兩側流動構成典型的間壁式換熱器。該類型換熱器的特點是兩流體在換熱過程中不混合。精品資料

間壁式換熱器中的傳熱(chuánrè)過程(對流傳熱(chuánrè))套管(tàoɡuǎn)式換熱器管殼式換熱器精品資料

傳熱速率(sùlǜ)Q(熱流量)：單位時間內傳遞的熱量,W熱通量q(熱流(rèliú)密度或傳熱速度)：單位傳熱面積、單位時間內傳遞的熱量,W/m2穩態傳熱：在傳熱系統中各點的溫度僅隨位置變化而不隨時間變化的傳熱過程。傳熱速率為常量。非穩態傳熱：在傳熱系統中各點的溫度不僅隨位置而變且又隨時間而變的傳熱過程。精品資料載熱體及其選擇(xuǎnzé)

物料在換熱器內被加熱或冷卻時,通常需要用另一種流體(liútǐ)供給或取走熱量,此種流體(liútǐ)稱為載熱體.載熱體的選擇原則:(1)載熱體的溫度易調節控制(2)載熱體的飽和蒸氣壓較低,加熱時不易分解(3)毒性小,不易燃易爆,不腐蝕設備(4)價廉易得精品資料4.2熱傳導

等溫面：溫度場中同一時刻下相同溫度各點所組成的面。溫度不同(bùtónɡ)的等溫面不會相交。溫度梯度：

傅立葉定律(dìnglǜ)(熱傳導的基本定律(dìnglǜ)):熱傳導速率和溫度梯度以及垂直于熱流方向的表面積成正比。

一維穩態熱傳導:精品資料

熱導率(導熱(dǎorè)系數)單位(dānwèi):W/(m·℃)或W/(m·K)。

λ是物性之一，與物質種類、熱力學狀態(T、p)有關。物理含義：代表單位溫度梯度下的熱通量大小，故物質的λ越大，導熱性能越好。精品資料

導熱系數(xìshù)的大小順序：λ(金屬固體)>λ(非金屬固體)>λ(液體)>λ(氣體)。大多數固體(gùtǐ)：非金屬的導熱系數T↑ λ非金屬↑金屬的導熱系數：純度增加，λ金屬↑，λ純金屬>λ合金，T↑，λ金屬↓液體:

非金屬液體：λ水最大；λ純液體>λ混合液體金屬液體：λ金屬液體較高，但T↑時，λ金屬液體↓。氣體T↑，λ↑。精品資料平壁的穩態熱傳導1.單層平壁的穩態熱傳導由傅立葉定律(dìnglǜ):若λ不隨溫度(wēndù)而變或取兩壁面處的平均值，則積分邊界為:x=0時，t=t1x=b時t=t2,積分得:或溫度分布:──導熱熱阻，℃/W精品資料多層平壁的穩態熱傳導穩態傳熱(chuánrè):Q1=Q2=Q3=Q(1)串聯(chuànlián)傳熱過程的總推動力（溫度差）是各分過程溫度差之和；總熱阻為各分過程熱阻之和.結論:（2）在穩態多層平壁導熱過程中，熱阻大，對應的溫度差就大；總溫度差一定時,Q的大小取決于總熱阻的大小.精品資料

例:某平壁層由三層材料(cáiliào)組成,其厚度分別為30cm、25cm、40cm,導熱系數分別為1.16W/(m.℃)、0.58W/(m.℃)、0.93W/(m.℃),已知內層溫度為1100℃,最外層溫度為100℃,求各層溫度降.如果由于某種原因,在第二層和第三層之間有一3mm厚的空氣層(λ為0.031W/(m.℃)),而要求熱損失仍和原來相同,再求最外層壁溫為多少?各層溫度降又為多少?精品資料圓筒壁的穩態熱傳導

單層圓筒壁的穩態熱傳導:積分(jīfēn):溫度(wēndù)分布:多層圓筒壁的穩態熱傳導:或注意：圓筒壁的熱傳導速率：Q1=Q2=Q3=…….=Qn但q1≠q2≠q3≠……≠qn(各層S不同)精品資料4.3對流傳(liúchuán)熱概述

對流傳熱(chuánrè)是指流體與固體壁面間的傳熱(chuánrè)過程對流傳熱是集熱對流和熱傳導于一體的綜合傳熱現象,其熱阻主要集中在滯流內層。*減薄滯流內層的厚度、增加流體的湍動是強化對流傳熱的主要途徑牛頓冷卻定律:或α——對流傳熱系數，w/(m2.℃),α不是物性參數,它是受多種因素影響的一個物理量。精品資料

熱邊界層若流體自由(zìyóu)流的溫度與固體壁面的溫度不同時會形成熱邊界層熱邊界層越薄則層內溫度梯度越大,通過層流(cénɡliú)內層的傳熱速率為:又根據牛頓冷卻定律有:則可得:精品資料保溫層的臨界(línjiè)直徑

在小直徑圓管外包扎性能不良的保溫材料,隨保溫層厚度增加(zēngjiā),可能會使熱損失增大.保溫層的臨界直徑的確定:熱損失求得臨界半徑為:臨界直徑為:精品資料4.4傳熱過程(guòchéng)計算一.熱量(rèliàng)衡算忽略換熱器的熱損失，即Qh=QcQ=WhCph（T1-T2）=WcCpc（t2-t1）一側有相變時:Q=Whr=WcCpc（t2-t1）若冷凝液的溫度低于飽和溫度，則：無相變時:精品資料二.總傳熱速率(sùlǜ)微分方程總傳熱(chuánrè)速率微分方程:dQ=K(T-t)dS=K△tdS兩流體通過管壁的傳熱包括以下過程:①熱流體與器壁的對流傳熱②器壁的熱傳導③冷流體與器壁的對流傳熱穩態傳熱時：dQ1=dQ2=dQ3=dQ精品資料總傳熱系數

與dQ=KdS(T-t)比較(bǐjiào):K的三種(sānzhǒnɡ)形式:注意:傳熱系數K與傳熱面積S一一對應。精品資料

一般以外表面(biǎomiàn)為基準:若換熱器內外結垢(jiéɡòu)，存在污垢熱阻Rsi、Rso，則：精品資料

若傳熱(chuánrè)面為平壁或薄管壁時,可簡化為:當管壁(ɡuǎnbì)熱阻和污垢熱阻均可忽略時，可簡化為：又若，則K≈α*K值總是接近熱阻大的流體側的α值，總熱阻是由熱阻大的那一側的對流傳熱所控制，要提高K值，關鍵要提高對流傳熱系數較小一側的α值。精品資料三.平均(píngjūn)溫度差和總傳熱速率方程1.恒溫傳熱(chuánrè)時的平均溫度差

2.變溫傳熱時的平均溫度差

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總傳熱(chuánrè)速率方程:對數(duìshù)平均溫度差:當時，可以用算術平均溫度差代替對數平均溫度差。對于同樣的進出口條件，并可以節省加熱劑或冷卻劑的用量注意：對于一側溫度有變化，另一側恒溫，精品資料

錯流和折流時的平均(píngjūn)溫度差:(先按逆流計算對數平均溫度差△tm'，再根據實際流動情況乘以溫度差校正(jiàozhèng)系數)精品資料

例:在列管換熱器中用1.5kgf/cm2的飽和蒸汽將470m3/h的某溶液從40℃加熱到45℃,采用φ38×3×2000mm的鋼管(λ=46.5W/m.℃),若無垢層,試計算(jìsuàn)傳熱面積S和所需的管數.已知:水蒸汽1.5kgf/cm2時其飽和溫度為126℃,其αo=11600W/(m2.℃),溶液αi=3700W/(m2.℃),ρ=1320kg/m3,Cp=3.4kJ/kg.℃.精品資料4.5對流(duìliú)傳熱系數關聯式(1)流體的種類和相變化(biànhuà)的情況流體的種類不同，其對流傳熱膜系數各不相同;流體有相變化時,α較大.(2)流體的物性μ，α↓；（ρCp、）

，α，體積膨脹系數β，α。(3)流體的流動狀態滯流：α值較小；湍流：Re，滯流內層的厚度減薄,α。

(4)流體流動的原因

α強制α自然(6)傳熱面的形狀、位置和大小

影響對流傳熱系數的因素(5)流體的溫度精品資料對流傳(liúchuán)熱過程的特征數(準數)

準數名稱符號準數式意義努塞爾準數（給熱準數）Nu表示對流傳熱系數的準數雷諾準數（流型準數）Re確定流動狀態的準數普蘭特準數（物性準數）Pr表示物性影響的準數格拉曉夫準數（升力準數）Gr表示自然對流影響的準數強制對流傳(liúchuán)熱準數關聯式:自然對流傳熱準數關聯式:Nu=f(Gr,Pr)精品資料無相變時對流(duìliú)傳熱系數的經驗關聯式流體(liútǐ)在圓形管內作強制湍流（1）對于低粘度（μ小于2倍常溫水的粘度）的流體流體被加熱時，n=0.4流體被冷卻時，n=0.3應用范圍：Re>10000，0.7<Pr<120，L/di≥60定性溫度：取流體進、出口溫度的算術平均值(2)對于高粘度的流體：精品資料

流體在非圓形管內強制對流(duìliú),特征尺寸常采用傳熱當量直徑de’:例：對套管(tàoɡuǎn)式換熱器環隙內傳熱時：精品資料流體(liútǐ)有相變時的對流傳熱系數1.蒸氣(zhēnɡqì)冷凝時的對流傳熱系數冷凝方式

膜狀冷凝滴狀冷凝α滴狀>α膜狀

工業上遇到的大多為膜狀冷凝膜狀冷凝特點:冷凝液膜是蒸氣冷凝傳熱的主要熱阻精品資料流體(liútǐ)有相變時的對流傳熱系數

影響冷凝(lěngníng)傳熱的因素(影響冷凝(lěngníng)液膜厚度的因素):(1)液膜兩側的溫度差的影響:液膜呈滯流流動時，t，液膜厚度,(2)流體物性的影響：、，；

、；r、。

(3)蒸汽的流速和流向的影響:同向流動,u,；若逆向流動，則u,減小.若u足夠大,液膜會被蒸汽吹離壁面,此時隨蒸汽流速的增加急劇增大。(4)蒸汽中不凝性氣體含量的影響:使急劇下降.(5)冷凝壁面的影響(6)冷凝液的排出(在換熱器中蒸氣必須上進下出)精品資料2.液體沸騰(fèiténg)時的對流傳熱系數大容積(róngjī)沸騰

℃時自然對流階段℃-25℃

泡核沸騰階段℃膜狀沸騰階段影響沸騰傳熱的因素:(1)流體的物性:、則；、則。(2)溫度差t(3)操作壓強:操作壓強升高，液體飽和溫度提高，則增大。(4)加熱表面的狀況精品資料

例：有一臺運轉中的單程逆流列管式換熱器，熱空氣在管程由120℃降至80℃，其對流傳熱系數α1=50W/（m2·K）。殼程的冷卻(lěngquè)水從15℃升至90℃，其對流傳熱系數α2=2000W/（m2·K），管壁熱阻及污垢熱阻皆可不計。當冷卻(lěngquè)水量增加一倍時，試求①水和空氣的出口溫度t'2和T'2，忽略流體物性參數隨溫度的變化；②傳熱速率Q'比原來增加了多少？精品資料壁溫的估算(ɡūsuàn)

若不考慮(kǎolǜ)污垢熱阻,則:

注意：管壁溫度接近于熱阻小的那一側流體的溫度。精品資料4.6熱輻射

一.基本概念熱輻射(fúshè):物體因熱的原因引起的電磁波輻射(fúshè).被傳遞的能量為輻射(fúshè)能。理論上，熱輻射的電磁波長(bōcháng)從0→∞，但是具有實際意義的波長(bōcháng)范圍為0.4~20μm(0.4~0.8μm為可見光；0.8~20μm為紅外光線）熱輻射的特點：（1）無需中間介質，可在真空中傳遞；（2）熱射線同光一樣，服從反射和折射定律，具有反射性、吸收性和透過性。精品資料4.6熱輻射

根據(gēnjù)能量守恒定律有：A+R+D=1（A—吸收率；R—反射率；D—透過(tòuɡuò)率）黑體：能全部吸收輻射能，即吸收率A=1的物體。

鏡體或絕對白體：能全部反射輻射能，即反射率R=1的物體。透熱體：能透過全部輻射能，即透過率D=1的物體。灰體：凡能以相同的吸收率且部分地吸收由0到∞的所以波長范圍的輻射能的物體。灰體有以下特點：

(1)A不隨輻射線的波長而變；(2)灰體是不透熱體，即A+R=1。精品資料二.物體的輻射(fúshè)能力和有關的定律

斯蒂芬-玻耳茲曼定律(dìnglǜ)：黑體的輻射能力與絕對溫度關系輻射能力:物體在一定溫度下,單位表面積,單位時間內所發射的全部波長的總輻射能,W/m2--黑體的輻射常數，其值為

--黑體的輻射系數，其值為

推廣到灰體的輻射能力：物體的黑度：或

精品資料

克希霍夫定律(dìnglǜ)：*在同一溫度下，物體的吸收率和黑度(hēidù)在數值是相同的。物體的輻射能力越強，則其吸收能力越強。精品資料三.兩固體間的輻射(fúshè)傳熱

1、極大的兩平行面：面積(miànjī)S=S1或S2，角系數φ=1，2、很大的物體2包住物體1：面積S=S1，角系數φ=1，

3、物體2恰好包住物體1：面積S=S1，角系數φ=1，精品資料4.7換熱器

一、換熱器的分類(fēnlèi)1、根據換熱器的用途(yòngtú)可分為：加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發器、分凝器和再沸器等。2、根據換熱器的傳熱原理可分為：混合式換熱器、蓄熱式換熱器、間壁式換熱器。蓄熱式換熱器精品資料二.間壁式換熱器

1．夾套式換熱器結構：夾套安裝在容器外部，夾套與器壁之間形成的空間為加熱(jiārè)介質和冷卻介質的通道。特點：結構簡單，加工方便，傳熱(chuánrè)面積小，傳熱(chuánrè)效率低，廣泛用于反應釜的加熱和冷卻。精品資料2.蛇管式換熱器

沉浸(chénjìn)式蛇管換熱器噴淋式換熱器

噴淋式換熱器蛇管的形狀(xíngzhuàn)優點：結構簡單，造價低廉、能承受高壓，可用耐腐蝕材料制造。缺點：傳熱面積小，蛇管外對流傳熱系數較小，檢修和清洗不便。精品資料3．套管(tàoɡuǎn)式換熱器

優點：結構簡單，應用方便。能耐高壓，傳熱系數較大。傳熱面積可根據需要增減，能保持完全逆流(nìliú)使對數平均溫度差最大。缺點：結構不緊湊，金屬消耗量大，管間接頭較多，易泄漏，占地面積較多。用途：適用于流量不大、所需傳熱面積不多而要求壓強較高的場合。精品資料4.列管式換熱器（管殼式換熱器）

優點：單位體積設備所提供的傳熱面積大，傳熱效果好，結構簡單，操作彈性大，可用多種材料(cáiliào)制造，適用性較強，在大型裝置中普遍采用。列管式換熱器殼體內安裝一定數目與管束相垂直的折流擋板，其作用是提高殼程流體的流速，迫使流體按規定路徑多次錯流，防止流體短路，增加殼程流體的湍動程度。精品資料

具有補償圈的固定(gùdìng)管板式換熱器U形管式換熱器U形管式換熱器特點(tèdiǎn)：結構簡單，質量輕，適用于高溫和高壓的場合。管程清洗困難，管程流體必須是潔凈和不易結垢的物料。浮頭式換熱器的特點：結構復雜、造價高，便于清洗和檢修，完全消除溫差應力，應用普遍。精品資料流體(liútǐ)流動流道的選擇

①不潔凈和易結垢的流體宜走管程，以便(yǐbiàn)于清洗管子；