第四章 传 热
主讲人:吕利霞
第一节 概 述
一、传热在生产中的应用
强化传热
1、传热的应用
削弱传热
设计传热设备
2、传热计算问题的应用 计算传热量
减少热损失
二、传热的基本方式
1、热传导
传热机理：通过分子的热振动传递热量；
特 点：分子不发生宏观的位移；
2、热对流
传热机理：通过流体质点的相对位移传递热量；
特 点：流体质点互相混合、碰撞；
自然对流：由于温度不同导致密度差异而引 方式 起的移动； 强制对流：由于外力引起的移动；
对流传热：流体与固体壁面间的热量传递过程。
3、热辐射
传热机理：通过发射电磁波的形式向外辐射能量；
特 点：传热过程不需要介质；
注：实际传热过程中三种方式结合进行。
三、生产中的换热方式
1、混合式：冷热两种流体直接混合；
特点：传热速度快；
适用于：废热回收；
2、间壁式：冷热流体通过间壁传递热量；
特点：两种流体不直接混合，保持原状态；
3、蓄热式
四、间壁式换热器传热过程简述
1、过程：
（1）热流体 对流 间壁；
（2）间壁一侧 传导 间壁另一侧；
（3）间壁另一侧 对流 冷流体；
2、概念：
（1）传热速率（热流量）：Q
单位时间内通过传热面的热量，单位为：W 。
（2）热通量q
单位时间内通过单位面积所传递的热量，单位为W/m2。
（3）定常传热：
传热系统中各点的温度、传热速率、热通量仅随位置改变，不随时间而变的传热过程。
特点：同一传热方向上，传热速率是一常量。
第二节 热传导
一、热传导的基本定律
1、 傅立叶定律
其中：λ称为热导率，w/(m．℃);
2、热导率
w/(m．℃);
是表示物质导热能力大小的指标，是物质的物性。
（1）固体的导热系数 λ金属固体>λ非金属固体
金属：T升高，导热系数下降；
非金属： T升高，导热系数增加；
（2）液体的导热系数
λ固>λ液
T升高，液体的导热系数略有减小；
（3）气体的导热系数
λ液> λ气 T升高，气体的导热系数增加。
二、通过平壁的定常热传导
1、单层平壁
其中： 热阻（与导热系数成反比）
热通量：
w/m2;
例题：见P129。
2、多层平壁
(1)公式推导
化简后:
(2)温差与热阻成正比,热阻大,则温差也大。
例题：P130页。
三、圆筒壁的定常热传导
1、单层
（1）特点：传热面积随半径而变化。
（2）公式推导：
分变量积分并整理：
变形：
其中：
说明：Q不随半径而变，但热通量q随r的增大而减
小。
2、多层
以三层圆筒壁为例：
同样的方法可推导出：
同样，各层热阻越大，温差就越大。
例题：P132页。
第三节 对流传热
一、对流传热基本方程和对流传热系数
1、对流传热分析：
（1）在流动截面上
存在温度分布；
（2）温度差主要集中
在层流底层中。
2、对流传热基本方程
牛顿冷却定律
对热流体：
对冷流体：
其中： 反映对流传热程度的大小。
δt：代表层流内层的厚度，mm；
二、影响对流传热系数的因素
1、流体的物性：如导热系数λ、密度ρ、粘度μ和比热容cp；
2、流体的相态变化；
3、流动型态；
4、自然对流的影响；
5、传热面的形状特征与相对位置；
三、量纲分析法在对流传热中的应用
1、无相变化时，对流传热系数的特征关联式
2、通过量纲分析的无量纲数为：
努塞尔准数 雷诺数 普兰特准数 格拉斯霍夫准数
四、流体无相变化时的对流传热系数
1、圆形直管内强制对流
其中：当流体被加热时，n=0.4;
当流体被冷却时，n=0.3;
注：经验公式在使用时注意应用范围、应用条件
等问题。
2、管外强制对流
五、流体有相变化时的对流传热系数
膜状冷凝
1、蒸汽冷凝
滴状冷凝
自然沸腾
2、液体沸腾 核状沸腾
膜状沸腾
第四节 传热计算
一、热量衡算
1、焓差法
热流体：
冷流体：
2、显热法：
热流体：
冷流体：
3、潜热法
二、传热速率方程
其中：K ：传热系数，w/(m2.℃)
A：传热面积， m2 ； A=nπdl
传热面积可以是Ai、Am、A0。
例题：P148页。
三、传热平均温度差
流体的流动方向：
并流 逆流
错流 折流
恒温传热：冷热流体在换热过程温度不变。
变温传热：冷热流体只要有一种流体的温度发生
变化。
1
2
1
2
2
2
1
1
2
1、恒温传热
2、变温传热：
（1）一类：
Δt1=T-t1 Δt2=T-t2
（2）二类：考虑流动方向
并流：
Δt1=T1-t1 Δt2=T2-t2
T
t
T
t
T
t1
T
t2
T1
t1
T2
t2
逆流
Δt1=T2-t1 Δt2=T1-t2
错流、折流：
校正系数可根据R、P值查图：
T2
t1
T1
t2
思考题：对于同样的进出口温度，选择什么 样的流型更好？
结论：逆流好。
原因：
1、传质推动力大；
2、所需传热介质少；
四、传热系数的计算
1、基本公式
（1）热流体的对流传热：
（2）管壁的热传导：
（3）冷流体的对流传热：
化简、整理后得：
又因为：
所以：
其中：A可以取A0、Am、Ai。
常取：基于外表面积下的传热系数K0。
考虑污垢热阻：
管外壁污垢热阻 管内壁污垢热阻
2、几点说明
（1）当传热面为平壁时：
（2）当忽略管壁热阻和污垢热阻时：
（3）提高K的方法：设法减小起决定性作用的热阻。
（4）K值也可以选取经验数据或进行实验测定。
五、传热计算举例 （P157）
1、设计型计算：根据已定的生产要求，确定所需换热面积。
2、操作型计算：判断已有换热器的面积能否完成指定的生产任务。
3、壁温的估算
壁温接近于热阻较小的一侧流体的温度。
六、工业热源与冷源
1、热源：电热、饱和水蒸汽、热水、烟道气等。
2、冷源：冷水、空气、冷却剂（低温盐水、液氨、液氮）
第五节 热辐射
一、热辐射的基本概念
1、热辐射:以电磁场波的形式传递能量的方式。
波长范围：0.76~20μm。
2、辐射能：Q；
吸收能：QA；吸收率：
反射能：QR；反射率：
透过能：QD；透过率：
A+R+D=1 注：不同的物体A、R、D的值不同。
固体和液体：D≈0；
单原子和由双原子气体：D ≈1；
3、黑体的辐射能力—斯蒂芬-波尔兹曼定律
(1)黑体：A=1；
(2)黑体的辐射能力：E0；
W/m2;
σ0-辐射常数， σ0=5.67×10-8 W/(m2.K4)。
也可写成：
C0：黑体辐射系数，为5.67 W/(m2.K4)。
3、实际物体的辐射能力
(1)黑度：ε
(2)实际物体的辐射能力：
常用工业材料的黑度值见P164。
4、灰体的辐射能力和吸收能力---克希荷夫定律
(1)灰体：对各种波长具有相同吸收率的理想化物体。
A=ε
(2)辐射能：
二、两固体间的热辐射
总辐射系数，W/(m2.K4) 角系数 （见P165表4-11）
三、辐射对流联合传热
1、对流传热：
辐射传热：
统一形式：
壁面散失的总热量为：
2、辐射对流联合传热系数
（1）空气自然对流，TW<423K，
在平壁保温层外：
在管道及圆筒壁外：
（2）空气沿粗糙表面强制对流
空气速度≤5m/s时：
空气速度> 5m/s时：
第六节 换热器
直接接触式
换热器 间壁式
蓄热式
一、间壁式换热器的类型
1、夹套式
2、沉浸式蛇管式
3、喷淋式蛇管式
4、套管式换热器
5、列管式换热器
（1）结构：筒体、管板、列管、封头、折流挡板。
（2）概念：
管程和壳程
折流挡板
（3）种类：固定管板式、浮头式和U形管式。
6、其他高效换热器
（1）螺旋板式
（2）平板式
（3）板翅式
（4）翅片管式
（5）热管
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二、列管式换热器的设计（略）
三、传热过程的强化
1、增大传热面积
2、增大传热系数
3、增大传热温度差