1/28
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 流体无相变时的对流传热
4.5 流体有相变时的对流传热
4.6 辐射传热
4.7 总传热速率和传热过程的计算
2/28
4.5 流体有相变时的对流传热
蒸气冷凝,
饱和蒸气与低于其饱和温度的冷壁接触时，将凝结为液体，
释放出气化潜热。
蒸气冷凝进行加热的优点,
①具有恒定的温度 ( ts饱和温度 )，操作时易于控制；
②表面传热系数 h大。
蒸气冷凝方式：膜状冷凝，滴状冷凝。
§ 4.5.1 蒸汽 冷凝对流传热
3/28
◇ 膜状冷凝,若冷凝液能润湿壁面，形成一层完整的液
膜布满液面并连续向下流动。
热流方向
蒸汽 t s
膜状冷凝时蒸汽放出的潜热必须穿过液膜才能
传递到壁面上去，此时，液膜层就形成壁面与蒸汽
间传热的主要热阻。若凝液籍重力沿壁下流，则液
膜越往下越厚，给热系数随之越小。
膜状冷凝
竖直壁面,
层流,P189式 4-40
湍流,式 4-43
水平圆管外,
层流：式 4-44
4/28
热流方向
蒸汽 t s
◇ 滴状冷凝,若冷凝液不能很好地润湿壁面，仅在其上凝
结成小液滴，此后长大或合并成较大的液滴而脱落。
在下滚过程中，一方面会合相遇液滴，合并成更大的液
滴，一方面扫清沿途所有的液滴，使壁重新暴露在蒸汽中。
没有完整液膜的阻碍，热阻很小。
滴状冷凝的表面传热系数比膜状冷凝的表面传热系数大
5∽ 10倍。但滴状冷凝难于控制，工业上大多是膜状冷凝。
5/28
影响蒸 气 冷凝传热的因素,
?流体物性的影响
物性 ρ ↑, μ ↓→ 膜流速加快 → 液膜厚度 ↓→h↑
?冷凝液膜两侧的温度差
Δ t↑→ 蒸气冷凝速率 ↑→ 液膜厚度 ↑→ h ↓
?蒸气流速和方向的影响
蒸气流动时, 将在汽液界面上产生一定的摩擦力, 如与液膜同向,
会使液膜加速, 膜层厚度减薄 → h↑,
若两者反向 → h↓
?不凝性气体的影响
不凝性气体 （ λ 小 ）, 在汽液界面处聚集, 形成一层气膜, 增加
了热阻 → h↓, 要定期排放 。
?蒸气过热的影响
温度高于其饱和温度的蒸汽称为过热蒸汽, 实验表明, 在大气压
力下, 过热 30℃ 的蒸汽较饱和蒸汽的表面传热系数高 1%,而过热 540℃
的蒸汽的表面传热系数高 30%。 所以在一定情况下不考虑过热的影响,
仍按饱和蒸汽进行计算 。
6/28
§ 4.5.2 沸腾 传热
（二）有相变时
工业上经常需要将液体加热使之沸腾蒸发，如：在锅炉
中把水加热成水蒸汽；在蒸发器中将溶剂汽化以浓缩溶液，
都是属于沸腾传热。
大空间沸腾是指沉浸于原为静止的大容器内的加热面上
的液体中所发生的沸腾现象，此时，液体的运动由自然对流
和汽泡成长、运动所形成的对流引起的。
7/28
产生沸腾现象的必要条件,液体过热 （ P194）,
有汽化核心
过热度不大，
气泡很少或没
有；
气泡产生
和脱离频
率很快
大量气泡
在加热面
上汇合，
形成蒸汽
膜
辐射影响加强
l ogh b 自然对流 泡状沸腾 膜状沸腾
过热度（ t w - t s ）
沸腾曲线
加热
8/28
4.6 辐射传热
一,基本概念
辐射传热是物体以发射电磁波形式传递能量的过
程，电磁波在一定波长范围内 (0.4～ 40 μm之间,主要
是可见光和红外光 )，表现为热能。
特点：传播方式以电磁波的形式，不需要任何介
质进行传递。
（ 1） 热辐射的特性
热辐射和可见光一样，具有反射、折射和吸收的
特性，服从光的反射和折射定律，能在均一介质中作
直线传播。
如图所示，假设投射到某一物体上的总辐射能为
Q,一部分能量 QA被吸收，一部分能量 QR被反射，余
下的能量 QD 透过物体。
9/28
QA+QR+QD =Q或 QA /Q+ QR /Q + QD /Q=1
令 A(吸收率 )＝ QA /Q R（ 反射率）＝ QR /Q
D（ 透射率） ＝ QD /Q
故 A(吸收率 )+R（ 反射率） +D（ 透射率） =1
10/28
（ 2）黑体、镜体、透热体和灰体
◎ 黑体：能全部吸收辐射能的物体 A=1；
无光泽的黑漆表面 A=0.96~0.98 近似黑体。
◎ 镜体（绝对白体）：能全部反射辐射能的物体 R=1；
磨光的铜表面 R=0.97。
黑白之分不据颜色 。
◎ 透热体：能全部透过辐射能的物体 D=1。
例如 He, N2, H2, O2等气体。
上面定义的物体多是理想物体，自然界中并不存在，只是
作为一种比较标准而建立。实际物体，象一般的固体都能部
分吸收所有波长范围的辐射能。
11/28
◎ 灰体：能以相同的吸收率 A吸收全部（ 0~∝ μm） 波长
辐射能的物体。
特点：①其吸收率不随辐射波长而变,
②是不透热体,D=0, A+R=1,大多数工程材料
可视为灰体。
工业上遇到的多数物体，能部分吸收所有波长的
辐射能，但 A不相同，相差不多，可近似视为灰体。
12/28
bE
E??
属物性, 与物质性质和表面状况等有关
角系数 (P203)
从辐射面积 A发射出的能量为另一物体表面所截
获的分数, 用 ?12,? 21表示
与 两物体的几何排列、两物体表面积等 等有关 。
黑度（或发射率） (P199)
灰体的辐射能力
黑体的辐射能力
13/28
影响辐射传热的因素,
1, 温度：与 T
4
呈正比,?? QT,
4.介质：如插入热屏，增大热阻,Q↓
3.几何位置,?1-2
(P200 表 4－ 4)
?? Q,?2.表面黑度,
14/28
4.7 总传热速率和传热过程的计算
化工生产中，间壁式较多。由于固体壁面或流体
温度一般不高，辐射传热量很小，一般不予考虑。
?
?
?
?
?
蓄热式
间壁式
直接接触式
T t
间壁式
t
T
直接接触式
换热器分类
冷流体
15/28
T T
w
t
w
t
T1
T2 t1
t2
三个串联传热环节,
热流体侧的对流传热
间壁的导热
冷流体侧的对流传热
16/28
§ 4.7.1 总传热速率方程
2211
1
'
1
''
dAh
tt
dA
b
tt
dAh
ttdQ w
m
www ??????
?
K d A
tt
1
'?
?
?
总热阻
总推动力
2211
11
'
dAhdA
b
dAh
tt
m
??
??
?
式中 A 可取 A 1, A m, A 2 等。
总传热系数
t ’ t w ’ t w t
17/28
00
1
'
1
'
dAK
tt
dAK
ttdQ
ii
?????
总热阻
总推动力
－－－－总传热速率方程的微分式
00 dAKdAK ii ?
由上式可见,
也即总传热系数 K与 A相对应
Ki→ Ai
K0→ A0
18/28
§ 4.7.2 热量衡算
无相变时：
? ?
? ?12
21 ''
ttcq
ttcqQ
pccm
phhm
??
??
rqQ mh?
? ?12 ttcq pccm ??
有相变时，例如热流体为饱和蒸汽冷凝，则,
若饱和蒸汽冷凝后，冷凝液温度还会下降，则还要考虑温度
下降放出的热量,
? ?'' 2ttcqrqQ sphhmhm ???
19/28
例 1.判断题,
1.热量传递过程的规律与流体流动过程相似，
流速越大，则其过程的阻力越大。
（ × ）
2.在同一种流体中, 不可能同时发生自然对流
和强制对流 。
（ × ）
3.当保温材料的厚度加大时, 内外壁面的总温
度差增大, 总的热阻也增大, 总推动力与总阻
力之比为定值, 即导热速率不变 。
（ × ）
20/28
4.在冷凝传热过程中，壁面与蒸汽的温差增大，
则冷凝传热膜系数亦增大。
（ × ）
5.沸腾传热时，壁面与沸腾流体的温差愈大，则
h愈大。
（ × ）
21/28
1.为了减少室外设备的热损失，保温层外所包的
一层金属皮应该是 （ ）。
A.表面光滑，颜色较浅； B.表面粗糙，颜
色较深；
C.表面粗糙，颜色较浅； D.都可以。
例 2.选择题,
A
2.用饱和水蒸汽加热空气时, 传热管的壁温接近 （ ）
A,蒸汽的温度； B,空气的出口温度；
C,空气进、出口平均温度 D,空气的进口温度；
A
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 流体无相变时的对流传热
4.5 流体有相变时的对流传热
4.6 辐射传热
4.7 总传热速率和传热过程的计算
2/28
4.5 流体有相变时的对流传热
蒸气冷凝,
饱和蒸气与低于其饱和温度的冷壁接触时，将凝结为液体，
释放出气化潜热。
蒸气冷凝进行加热的优点,
①具有恒定的温度 ( ts饱和温度 )，操作时易于控制；
②表面传热系数 h大。
蒸气冷凝方式：膜状冷凝，滴状冷凝。
§ 4.5.1 蒸汽 冷凝对流传热
3/28
◇ 膜状冷凝,若冷凝液能润湿壁面，形成一层完整的液
膜布满液面并连续向下流动。
热流方向
蒸汽 t s
膜状冷凝时蒸汽放出的潜热必须穿过液膜才能
传递到壁面上去，此时，液膜层就形成壁面与蒸汽
间传热的主要热阻。若凝液籍重力沿壁下流，则液
膜越往下越厚，给热系数随之越小。
膜状冷凝
竖直壁面,
层流,P189式 4-40
湍流,式 4-43
水平圆管外,
层流：式 4-44
4/28
热流方向
蒸汽 t s
◇ 滴状冷凝,若冷凝液不能很好地润湿壁面，仅在其上凝
结成小液滴，此后长大或合并成较大的液滴而脱落。
在下滚过程中，一方面会合相遇液滴，合并成更大的液
滴，一方面扫清沿途所有的液滴，使壁重新暴露在蒸汽中。
没有完整液膜的阻碍，热阻很小。
滴状冷凝的表面传热系数比膜状冷凝的表面传热系数大
5∽ 10倍。但滴状冷凝难于控制，工业上大多是膜状冷凝。
5/28
影响蒸 气 冷凝传热的因素,
?流体物性的影响
物性 ρ ↑, μ ↓→ 膜流速加快 → 液膜厚度 ↓→h↑
?冷凝液膜两侧的温度差
Δ t↑→ 蒸气冷凝速率 ↑→ 液膜厚度 ↑→ h ↓
?蒸气流速和方向的影响
蒸气流动时, 将在汽液界面上产生一定的摩擦力, 如与液膜同向,
会使液膜加速, 膜层厚度减薄 → h↑,
若两者反向 → h↓
?不凝性气体的影响
不凝性气体 （ λ 小 ）, 在汽液界面处聚集, 形成一层气膜, 增加
了热阻 → h↓, 要定期排放 。
?蒸气过热的影响
温度高于其饱和温度的蒸汽称为过热蒸汽, 实验表明, 在大气压
力下, 过热 30℃ 的蒸汽较饱和蒸汽的表面传热系数高 1%,而过热 540℃
的蒸汽的表面传热系数高 30%。 所以在一定情况下不考虑过热的影响,
仍按饱和蒸汽进行计算 。
6/28
§ 4.5.2 沸腾 传热
（二）有相变时
工业上经常需要将液体加热使之沸腾蒸发，如：在锅炉
中把水加热成水蒸汽；在蒸发器中将溶剂汽化以浓缩溶液，
都是属于沸腾传热。
大空间沸腾是指沉浸于原为静止的大容器内的加热面上
的液体中所发生的沸腾现象，此时，液体的运动由自然对流
和汽泡成长、运动所形成的对流引起的。
7/28
产生沸腾现象的必要条件,液体过热 （ P194）,
有汽化核心
过热度不大，
气泡很少或没
有；
气泡产生
和脱离频
率很快
大量气泡
在加热面
上汇合，
形成蒸汽
膜
辐射影响加强
l ogh b 自然对流 泡状沸腾 膜状沸腾
过热度（ t w - t s ）
沸腾曲线
加热
8/28
4.6 辐射传热
一,基本概念
辐射传热是物体以发射电磁波形式传递能量的过
程，电磁波在一定波长范围内 (0.4～ 40 μm之间,主要
是可见光和红外光 )，表现为热能。
特点：传播方式以电磁波的形式，不需要任何介
质进行传递。
（ 1） 热辐射的特性
热辐射和可见光一样，具有反射、折射和吸收的
特性，服从光的反射和折射定律，能在均一介质中作
直线传播。
如图所示，假设投射到某一物体上的总辐射能为
Q,一部分能量 QA被吸收，一部分能量 QR被反射，余
下的能量 QD 透过物体。
9/28
QA+QR+QD =Q或 QA /Q+ QR /Q + QD /Q=1
令 A(吸收率 )＝ QA /Q R（ 反射率）＝ QR /Q
D（ 透射率） ＝ QD /Q
故 A(吸收率 )+R（ 反射率） +D（ 透射率） =1
10/28
（ 2）黑体、镜体、透热体和灰体
◎ 黑体：能全部吸收辐射能的物体 A=1；
无光泽的黑漆表面 A=0.96~0.98 近似黑体。
◎ 镜体（绝对白体）：能全部反射辐射能的物体 R=1；
磨光的铜表面 R=0.97。
黑白之分不据颜色 。
◎ 透热体：能全部透过辐射能的物体 D=1。
例如 He, N2, H2, O2等气体。
上面定义的物体多是理想物体，自然界中并不存在，只是
作为一种比较标准而建立。实际物体，象一般的固体都能部
分吸收所有波长范围的辐射能。
11/28
◎ 灰体：能以相同的吸收率 A吸收全部（ 0~∝ μm） 波长
辐射能的物体。
特点：①其吸收率不随辐射波长而变,
②是不透热体,D=0, A+R=1,大多数工程材料
可视为灰体。
工业上遇到的多数物体，能部分吸收所有波长的
辐射能，但 A不相同，相差不多，可近似视为灰体。
12/28
bE
E??
属物性, 与物质性质和表面状况等有关
角系数 (P203)
从辐射面积 A发射出的能量为另一物体表面所截
获的分数, 用 ?12,? 21表示
与 两物体的几何排列、两物体表面积等 等有关 。
黑度（或发射率） (P199)
灰体的辐射能力
黑体的辐射能力
13/28
影响辐射传热的因素,
1, 温度：与 T
4
呈正比,?? QT,
4.介质：如插入热屏，增大热阻,Q↓
3.几何位置,?1-2
(P200 表 4－ 4)
?? Q,?2.表面黑度,
14/28
4.7 总传热速率和传热过程的计算
化工生产中，间壁式较多。由于固体壁面或流体
温度一般不高，辐射传热量很小，一般不予考虑。
?
?
?
?
?
蓄热式
间壁式
直接接触式
T t
间壁式
t
T
直接接触式
换热器分类
冷流体
15/28
T T
w
t
w
t
T1
T2 t1
t2
三个串联传热环节,
热流体侧的对流传热
间壁的导热
冷流体侧的对流传热
16/28
§ 4.7.1 总传热速率方程
2211
1
'
1
''
dAh
tt
dA
b
tt
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ttdQ w
m
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?
K d A
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1
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总热阻
总推动力
2211
11
'
dAhdA
b
dAh
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式中 A 可取 A 1, A m, A 2 等。
总传热系数
t ’ t w ’ t w t
17/28
00
1
'
1
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dAK
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dAK
ttdQ
ii
?????
总热阻
总推动力
－－－－总传热速率方程的微分式
00 dAKdAK ii ?
由上式可见,
也即总传热系数 K与 A相对应
Ki→ Ai
K0→ A0
18/28
§ 4.7.2 热量衡算
无相变时：
? ?
? ?12
21 ''
ttcq
ttcqQ
pccm
phhm
??
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rqQ mh?
? ?12 ttcq pccm ??
有相变时，例如热流体为饱和蒸汽冷凝，则,
若饱和蒸汽冷凝后，冷凝液温度还会下降，则还要考虑温度
下降放出的热量,
? ?'' 2ttcqrqQ sphhmhm ???
19/28
例 1.判断题,
1.热量传递过程的规律与流体流动过程相似，
流速越大，则其过程的阻力越大。
（ × ）
2.在同一种流体中, 不可能同时发生自然对流
和强制对流 。
（ × ）
3.当保温材料的厚度加大时, 内外壁面的总温
度差增大, 总的热阻也增大, 总推动力与总阻
力之比为定值, 即导热速率不变 。
（ × ）
20/28
4.在冷凝传热过程中，壁面与蒸汽的温差增大，
则冷凝传热膜系数亦增大。
（ × ）
5.沸腾传热时，壁面与沸腾流体的温差愈大，则
h愈大。
（ × ）
21/28
1.为了减少室外设备的热损失，保温层外所包的
一层金属皮应该是 （ ）。
A.表面光滑，颜色较浅； B.表面粗糙，颜
色较深；
C.表面粗糙，颜色较浅； D.都可以。
例 2.选择题,
A
2.用饱和水蒸汽加热空气时, 传热管的壁温接近 （ ）
A,蒸汽的温度； B,空气的出口温度；
C,空气进、出口平均温度 D,空气的进口温度；
A
