第四章、传热
第一节、概述
一、传热过程在化工生产中的应用
1、需要进行热量传递的，要求设备传热效率高。
2、需要保温隔热的
二、热量传递的基本型式
1、热传导,物体内部或两个直接接触的物体之间的传热。
2、热对流,在流体中，冷、热不同部位的流体质点做
宏观移动将热量从高温处传到低温处的现象。
3、热辐射,物体因自身温度的原因激发产生电磁波，
向空中传播的现象。波长 0.38~100μ m,
属可见光、红外线。
实际传热中，三种传热方式或单独或同时存在。
三、流体通过间壁换热与传热速率方程
1、间壁式换热器,冷、热流体的热交换。
2、传热速率与热流密度
?传热速率（热流量）：指单位时间内通过传热面的热
量用 Q表示，单位 w或 J/s。
第四章、传热
?热流密度（热通量）,
指单位时间内通
过单位面积的传热量
用 q表示，单位 w/m2。
?二者关系,q=Q/A
3、稳态传热与非稳态传热
第四章、传热
4、两流体通过间壁
的传热过程
对流 — 导热 — 对流，
三个串联过程。
第四章、传热
5、传热速率方程
传热推动力 — 温度 Δ tm
稳态,=推动力 /热阻
K：比例系数，总传热系数,w/m2.k
KA
ttKAQ m
m 1
????
第四章、传热
第二节、热传导
一、傅立叶定律
1、温度场与温度梯度
?温度场：某瞬时物体
内各点的温度分布。
?等温面、等温线
第四章、传热
?温度梯度：等温面法线方向上的温度变化率（最大）。
dx
dt
+ 指温度增加
- 指温度减小
+
-
2,傅立叶定律
dx
dtAQ ??? ?
dx
dtq ??? ?
Q：热流量（ w） q：热通量 (w/m2)
第四章、传热
3、导热系数 λ
dx
dtA
Q???
w/m.0C
温度梯度为 10C/m，
单位时间通过单位
面积的热量，表示
物体导热能力的大小。
第四章、传热
一般规律（大小排序）,
?纯金属 — 合金 — 建筑材料
— 液体 — 绝热材料 — 气体
?金属 — 非金属
?固态 — 液态 — 气态
固体（银 427）；
液态（水 0.6）；
气态（氢 0.6）
—— 最大
第四章、传热
第四章、传热
二、平壁稳态传热
1、单层平壁稳态传热
=传热推动力 /热阻
传热推动力,t1-t2
热阻,b/λ A
热通量（热流密度）,
q=Q/A=
A
b
ttttA
bQ
?
? 21
21 )(
?????
)( 21 ttA ??
第四章、传热
2,多层平壁稳态传热（ 举例 ）
传热特点,Q =Q1 =Q2 =Q3
A
b
tQ
1
1
1
?
??
A
b
t
2
2
2
?
??
A
b
t
3
3
3
?
??
A
b
A
b
A
b
tttQ
???
??????
32
2
1
1
321
3 ??? R
t?=
Δ t=Δ t1+Δ t2+Δ t3=t1-t4
R=R1+R2+R3
第四章、传热
三、圆筒壁的稳态传热（ t只沿 r变化）
1、单层
?热流量计算式：
1
2
1
2
21
ln
2
1
ln
2
r
r
l
R
R
t
r
r
tt
lQ
??
?
?
?
?
??
??
?热通量：
lr
Q
A
Qq
?2??
Q与 r无关； q与 r有关。
?工程上习惯用单位长度的热流量：
1
2
21'
ln
2
r
r
tt
l
QQ ??? ??
第四章、传热
?公式推导：
1
2
1
2
21
ln
2
1
ln
2
r
r
l
R
R
t
r
r
tt
lQ
??
?
?
?
?
??
??
第四章、传热
对照 4-8 4-9得：
圆筒壁内温度分布是一对数曲线。
r
r
r
tt
dr
dt 1
ln
1
2
21 ???? cr
r
r
ttt ????? ln
ln
1
2
21
Q也可改写成单层平壁热传导形式,4-11式
第四章、传热
第四章、传热
2、多层（三层为例）（ 举例 ）
Q=Q1=Q2=Q3
4-12
第四章、传热
第四章、传热
第三节、对流传热
一、对流传热方程
与对流传热系数
1、传热过程
?层流底层：热传导，热阻较大
?过渡区：热传导 +对流
?紊流区：热对流
第四章、传热
2、传热推动力,
热流体：湍流主体最高温、壁面温度 Tw；
冷流体：壁面温度 tw，湍流主体最低温。
3、对流传热的膜理论模型, p122
假设把过渡区和湍流主体热阻全部叠加到层流底层，
构成一厚度为 的流体膜（有效膜）,膜内为层流、膜
外为湍流，所有热阻集中在有效膜内。这一传热模型
称为 ….,。
第四章、传热
4、对流传热方程
A
ttAQ
?
? 1????
α,对流传热系数
第四章、传热
二、影响对流传热系数的因素
1、流体的物理性质,密度、比热容、导热系数、粘度、
膨胀系数
2、流体对流起因,强制对流、自然对流
3、流体流动状态,层流、湍流
4、流体的相态变化,沸腾、冷凝
5、传热面的形状,特性尺寸
第四章、传热
三、量纲分析与相似准数
1、准数的符号及意义
2、准数使用的条件
第四章、传热
—— 无相变、对流传热准数关联式一般形式
第四章、传热
四、流体无相变时对流传热系数的经验关联式
1、流体在管内强制对流传热（ 举例 ）
?圆形直管强制湍流时的对流传热系数
a、低粘度流体,4-18
4-19
第四章、传热
b、高粘度流体：
c、短管（ l/d<60）
第四章、传热
d、弯管
?圆形直管内过渡流时的对流传热系数（ 举例 ）,4-21
第四章、传热
?圆形直管内强制层流时的对流传热系数（ 举例 ）,4-22
第四章、传热
?流体在非圆管内强制对流时的对流传热系数
2、流体在管外强制对流传热
第四章、传热
第四章、传热
3、大空间自然对流传热
第四章、传热
4、选用对流传热系数关联式的注意事项,P134
五、流体有相变时的对流传热（略）
第四章、传热
第五节、传热计算
一、热量衡算
1、原理,单位时间内热流体放出的热量等于冷流体吸
收的热量。
第四章、传热
2、计算公式,：
4— 34 )()(
122211 hhGHHGQ ????
)()( 12222111 ttcGTTcGQ pp ???? 4-35
第四章、传热
二、传热平均温度差
1、恒温传热,蒸汽冷凝、液体沸腾 冷凝、沸腾温
度恒定
2、变温传热 （列管式换热器）
?一侧变温传热、两侧变温传热
第四章、传热
?换热器中流体流动的方式,逆流,并流、错流、折流
第四章、传热
3、平均温度差 Δtm （ 举例 ）
?为什么提出平均温度差：
a、找出传热推动力。
b、便于将热量计算式写成传热基本方程的形式
Q=KAΔ tm
第四章、传热
?平均温度差的推导
第四章、传热
第四章、传热
第四章、传热
第四章、传热
?对数平均温度差的计算：
通常 Δ t1为较大者； Δ t2为较小者
2
1
21
ln tt
ttt
m
?
?
?????
3、折流、错流平均温度差的校核,4-40
第四章、传热
第四章、传热
第四章、传热
第四章、传热
三、总传热系数（举例 )
1、总传热系数计算式的推导
(a)
(b)
(c)
第四章、传热
4-41
第四章、传热
4-41a
4-41b
第四章、传热
4-41c
第四章、传热
注意,4-41a式：对应传热面积为 A1
4-41b式：对应传热面积为 A2
4-41c式：对应传热面积为 Am
2、污垢热阻
4-42
3、平壁与薄壁管传热系数,4-43式 4-44式
4、换热器总传热系数的经验值
第四章、传热
第四章、传热
四、壁温计算
1、思路,热量从热流体通过间壁传给冷流体，两侧
流体对壁面对流传热及间壁的导热速率，在稳态条件
下必相等。
2、计算式, 4-45式
4-46
考虑壁面污垢
第四章、传热
五、传热计算示例
1、计算式
?Q=传热推动力 /热阻
?传热基本方程,Q=KAΔ tm
?平均温度差（间壁传热推动力）：
?总传热系数,（ A1为基准面）
2
1
21
ln
t
t
ttt
m
?
?
?????
22
11
11
11
d
d
d
bd
K m ??? ???
第四章、传热
?热量衡算：
?热传导方程：
?对流传热方程：
?对流传热系数的计算,4-18（ 4-19） 4-20
)()( 12222111 ttcGTTcGQ pp ????
dx
dtAQ ??? ?
dx
dtq ??? ?
A
b
ttttA
bQ
?
? 21
21 )(
?????
A
ttAQ
?
?
1
????
2、举例
第四章、传热
第五节、热辐射
一、基本概念
1、热辐射,由物体温度所引起的热射线的传播过程。
2、吸收率, A=QA/Q
3、反射率, R=QR/Q
4、透射率, D=QD/Q
注意：
QA+QR+QD=Q
QA/Q+ QR/Q+ QD/Q=1
5、黑体、白体、灰体
黑体,QA=1 白体,QR=1
灰体：对各种波长辐射具有相同吸收率的理想化物体。
第四章、传热
二、物体的辐射能力、斯蒂芬 -波尔兹曼定律
1、辐射能力,物体在一定温度下单位时间、单位面积
所发射的全部波长的总能量。 E表示,w/m2
2、斯蒂芬 -波尔兹曼定律（黑体）
3、实际物体的辐射能力（黑度）
灰体：对各种波长辐射能具有相同吸收率的理想化物体。
大多数工程材料对波长 0.76~20微米的辐射能吸收率相同。
4
00 )100(
TCE ?
0E
E?? 4)100( TCE ?
第四章、传热
C：灰体的辐射系数
三、克希霍夫定律
四、两固体间的相互辐射
1、高温物体 1传给低温物体 2的热量
2、工业上常遇见的几种辐射情况,p151
])100()100[( 42412121 TTACQ ?? ?? ?
五、设备热损失的计算（略）
第四章、传热
第六节、换热器
一、换热器的分类
1、按用途分类,加热器、冷却器、蒸发器、冷凝器
2、按传递方式分类,
?间壁式换热器
?直接接触式换热器
?蓄热式换热器
第四章、传热
二、间壁式换热器
1、夹套式换热器
第四章、传热
2、套管式换热器
第四章、传热
3、蛇管式换热器
第四章、传热
4、板式换热器
第四章、传热
5、板翘式换热器
第四章、传热
6、螺旋板式换热器
第四章、传热
7、空冷式换热器
第四章、传热
8、热管
第四章、传热
9、列管式换热器
第四章、传热
第四章、传热
第四章、传热
三、列管式换热器选用计算问题
1、流体流经管程、壳程的选择原则,P160
第四章、传热
2、流体流速的选择,P160
第四章、传热
3、换热管规格和排列方式,P161
4、折流挡板
及对流换热系
数的计算：
P162
第四章、传热
四、系列标准换热器的选用步骤
1、了解传热任务、掌握工艺特点与基本数据
?冷、热流体的流量，进、出口温度，操作压力等。
?冷、热流体的工艺特点，如腐蚀性、悬浮物等
?冷、热流体的物性参数，如密度、粘度、比热容、
导热系数。
第四章、传热
2、选用计算内容与步骤
?计算热负荷。
?计算平均温度差，一般按单壳程多管程计算。
?预选总传热系数，估算传热面积。
?预选管径，管内流速，求管子根数，长度，预选换
热器。
?校核计算。
第四章、传热
五、加热介质与冷却介质
1、载热体的选择原则,P165
2、工业上常用的载热体,P165
六、传热过程的强化
第四章、传热
第四章、传热
第一节、概述
一、传热过程在化工生产中的应用
1、需要进行热量传递的，要求设备传热效率高。
2、需要保温隔热的
二、热量传递的基本型式
1、热传导,物体内部或两个直接接触的物体之间的传热。
2、热对流,在流体中，冷、热不同部位的流体质点做
宏观移动将热量从高温处传到低温处的现象。
3、热辐射,物体因自身温度的原因激发产生电磁波，
向空中传播的现象。波长 0.38~100μ m,
属可见光、红外线。
实际传热中，三种传热方式或单独或同时存在。
三、流体通过间壁换热与传热速率方程
1、间壁式换热器,冷、热流体的热交换。
2、传热速率与热流密度
?传热速率（热流量）：指单位时间内通过传热面的热
量用 Q表示，单位 w或 J/s。
第四章、传热
?热流密度（热通量）,
指单位时间内通
过单位面积的传热量
用 q表示，单位 w/m2。
?二者关系,q=Q/A
3、稳态传热与非稳态传热
第四章、传热
4、两流体通过间壁
的传热过程
对流 — 导热 — 对流，
三个串联过程。
第四章、传热
5、传热速率方程
传热推动力 — 温度 Δ tm
稳态,=推动力 /热阻
K：比例系数，总传热系数,w/m2.k
KA
ttKAQ m
m 1
????
第四章、传热
第二节、热传导
一、傅立叶定律
1、温度场与温度梯度
?温度场：某瞬时物体
内各点的温度分布。
?等温面、等温线
第四章、传热
?温度梯度：等温面法线方向上的温度变化率（最大）。
dx
dt
+ 指温度增加
- 指温度减小
+
-
2,傅立叶定律
dx
dtAQ ??? ?
dx
dtq ??? ?
Q：热流量（ w） q：热通量 (w/m2)
第四章、传热
3、导热系数 λ
dx
dtA
Q???
w/m.0C
温度梯度为 10C/m，
单位时间通过单位
面积的热量，表示
物体导热能力的大小。
第四章、传热
一般规律（大小排序）,
?纯金属 — 合金 — 建筑材料
— 液体 — 绝热材料 — 气体
?金属 — 非金属
?固态 — 液态 — 气态
固体（银 427）；
液态（水 0.6）；
气态（氢 0.6）
—— 最大
第四章、传热
第四章、传热
二、平壁稳态传热
1、单层平壁稳态传热
=传热推动力 /热阻
传热推动力,t1-t2
热阻,b/λ A
热通量（热流密度）,
q=Q/A=
A
b
ttttA
bQ
?
? 21
21 )(
?????
)( 21 ttA ??
第四章、传热
2,多层平壁稳态传热（ 举例 ）
传热特点,Q =Q1 =Q2 =Q3
A
b
tQ
1
1
1
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A
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2
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3 ??? R
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Δ t=Δ t1+Δ t2+Δ t3=t1-t4
R=R1+R2+R3
第四章、传热
三、圆筒壁的稳态传热（ t只沿 r变化）
1、单层
?热流量计算式：
1
2
1
2
21
ln
2
1
ln
2
r
r
l
R
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t
r
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?热通量：
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Q与 r无关； q与 r有关。
?工程上习惯用单位长度的热流量：
1
2
21'
ln
2
r
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QQ ??? ??
第四章、传热
?公式推导：
1
2
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2
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ln
2
r
r
l
R
R
t
r
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lQ
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第四章、传热
对照 4-8 4-9得：
圆筒壁内温度分布是一对数曲线。
r
r
r
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ln
1
2
21 ???? cr
r
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ln
1
2
21
Q也可改写成单层平壁热传导形式,4-11式
第四章、传热
第四章、传热
2、多层（三层为例）（ 举例 ）
Q=Q1=Q2=Q3
4-12
第四章、传热
第四章、传热
第三节、对流传热
一、对流传热方程
与对流传热系数
1、传热过程
?层流底层：热传导，热阻较大
?过渡区：热传导 +对流
?紊流区：热对流
第四章、传热
2、传热推动力,
热流体：湍流主体最高温、壁面温度 Tw；
冷流体：壁面温度 tw，湍流主体最低温。
3、对流传热的膜理论模型, p122
假设把过渡区和湍流主体热阻全部叠加到层流底层，
构成一厚度为 的流体膜（有效膜）,膜内为层流、膜
外为湍流，所有热阻集中在有效膜内。这一传热模型
称为 ….,。
第四章、传热
4、对流传热方程
A
ttAQ
?
? 1????
α,对流传热系数
第四章、传热
二、影响对流传热系数的因素
1、流体的物理性质,密度、比热容、导热系数、粘度、
膨胀系数
2、流体对流起因,强制对流、自然对流
3、流体流动状态,层流、湍流
4、流体的相态变化,沸腾、冷凝
5、传热面的形状,特性尺寸
第四章、传热
三、量纲分析与相似准数
1、准数的符号及意义
2、准数使用的条件
第四章、传热
—— 无相变、对流传热准数关联式一般形式
第四章、传热
四、流体无相变时对流传热系数的经验关联式
1、流体在管内强制对流传热（ 举例 ）
?圆形直管强制湍流时的对流传热系数
a、低粘度流体,4-18
4-19
第四章、传热
b、高粘度流体：
c、短管（ l/d<60）
第四章、传热
d、弯管
?圆形直管内过渡流时的对流传热系数（ 举例 ）,4-21
第四章、传热
?圆形直管内强制层流时的对流传热系数（ 举例 ）,4-22
第四章、传热
?流体在非圆管内强制对流时的对流传热系数
2、流体在管外强制对流传热
第四章、传热
第四章、传热
3、大空间自然对流传热
第四章、传热
4、选用对流传热系数关联式的注意事项,P134
五、流体有相变时的对流传热（略）
第四章、传热
第五节、传热计算
一、热量衡算
1、原理,单位时间内热流体放出的热量等于冷流体吸
收的热量。
第四章、传热
2、计算公式,：
4— 34 )()(
122211 hhGHHGQ ????
)()( 12222111 ttcGTTcGQ pp ???? 4-35
第四章、传热
二、传热平均温度差
1、恒温传热,蒸汽冷凝、液体沸腾 冷凝、沸腾温
度恒定
2、变温传热 （列管式换热器）
?一侧变温传热、两侧变温传热
第四章、传热
?换热器中流体流动的方式,逆流,并流、错流、折流
第四章、传热
3、平均温度差 Δtm （ 举例 ）
?为什么提出平均温度差：
a、找出传热推动力。
b、便于将热量计算式写成传热基本方程的形式
Q=KAΔ tm
第四章、传热
?平均温度差的推导
第四章、传热
第四章、传热
第四章、传热
第四章、传热
?对数平均温度差的计算：
通常 Δ t1为较大者； Δ t2为较小者
2
1
21
ln tt
ttt
m
?
?
?????
3、折流、错流平均温度差的校核,4-40
第四章、传热
第四章、传热
第四章、传热
第四章、传热
三、总传热系数（举例 )
1、总传热系数计算式的推导
(a)
(b)
(c)
第四章、传热
4-41
第四章、传热
4-41a
4-41b
第四章、传热
4-41c
第四章、传热
注意,4-41a式：对应传热面积为 A1
4-41b式：对应传热面积为 A2
4-41c式：对应传热面积为 Am
2、污垢热阻
4-42
3、平壁与薄壁管传热系数,4-43式 4-44式
4、换热器总传热系数的经验值
第四章、传热
第四章、传热
四、壁温计算
1、思路,热量从热流体通过间壁传给冷流体，两侧
流体对壁面对流传热及间壁的导热速率，在稳态条件
下必相等。
2、计算式, 4-45式
4-46
考虑壁面污垢
第四章、传热
五、传热计算示例
1、计算式
?Q=传热推动力 /热阻
?传热基本方程,Q=KAΔ tm
?平均温度差（间壁传热推动力）：
?总传热系数,（ A1为基准面）
2
1
21
ln
t
t
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m
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?????
22
11
11
11
d
d
d
bd
K m ??? ???
第四章、传热
?热量衡算：
?热传导方程：
?对流传热方程：
?对流传热系数的计算,4-18（ 4-19） 4-20
)()( 12222111 ttcGTTcGQ pp ????
dx
dtAQ ??? ?
dx
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A
b
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bQ
?
? 21
21 )(
?????
A
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1
????
2、举例
第四章、传热
第五节、热辐射
一、基本概念
1、热辐射,由物体温度所引起的热射线的传播过程。
2、吸收率, A=QA/Q
3、反射率, R=QR/Q
4、透射率, D=QD/Q
注意：
QA+QR+QD=Q
QA/Q+ QR/Q+ QD/Q=1
5、黑体、白体、灰体
黑体,QA=1 白体,QR=1
灰体：对各种波长辐射具有相同吸收率的理想化物体。
第四章、传热
二、物体的辐射能力、斯蒂芬 -波尔兹曼定律
1、辐射能力,物体在一定温度下单位时间、单位面积
所发射的全部波长的总能量。 E表示,w/m2
2、斯蒂芬 -波尔兹曼定律（黑体）
3、实际物体的辐射能力（黑度）
灰体：对各种波长辐射能具有相同吸收率的理想化物体。
大多数工程材料对波长 0.76~20微米的辐射能吸收率相同。
4
00 )100(
TCE ?
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E?? 4)100( TCE ?
第四章、传热
C：灰体的辐射系数
三、克希霍夫定律
四、两固体间的相互辐射
1、高温物体 1传给低温物体 2的热量
2、工业上常遇见的几种辐射情况,p151
])100()100[( 42412121 TTACQ ?? ?? ?
五、设备热损失的计算（略）
第四章、传热
第六节、换热器
一、换热器的分类
1、按用途分类,加热器、冷却器、蒸发器、冷凝器
2、按传递方式分类,
?间壁式换热器
?直接接触式换热器
?蓄热式换热器
第四章、传热
二、间壁式换热器
1、夹套式换热器
第四章、传热
2、套管式换热器
第四章、传热
3、蛇管式换热器
第四章、传热
4、板式换热器
第四章、传热
5、板翘式换热器
第四章、传热
6、螺旋板式换热器
第四章、传热
7、空冷式换热器
第四章、传热
8、热管
第四章、传热
9、列管式换热器
第四章、传热
第四章、传热
第四章、传热
三、列管式换热器选用计算问题
1、流体流经管程、壳程的选择原则,P160
第四章、传热
2、流体流速的选择,P160
第四章、传热
3、换热管规格和排列方式,P161
4、折流挡板
及对流换热系
数的计算：
P162
第四章、传热
四、系列标准换热器的选用步骤
1、了解传热任务、掌握工艺特点与基本数据
?冷、热流体的流量，进、出口温度，操作压力等。
?冷、热流体的工艺特点，如腐蚀性、悬浮物等
?冷、热流体的物性参数，如密度、粘度、比热容、
导热系数。
第四章、传热
2、选用计算内容与步骤
?计算热负荷。
?计算平均温度差，一般按单壳程多管程计算。
?预选总传热系数，估算传热面积。
?预选管径，管内流速，求管子根数，长度，预选换
热器。
?校核计算。
第四章、传热
五、加热介质与冷却介质
1、载热体的选择原则,P165
2、工业上常用的载热体,P165
六、传热过程的强化
第四章、传热
第四章、传热
