传热传质学第5章—45学时相变换热

第五章 传热Key Words: Heat transfer, Conduction, Convection, Rediation, Fourier Law第一节 概述化工过程中经常遇到气一液，液－液，气－固，液－固的换热过程 加热冷却 过程强化 保温――削弱过程 一、传热的基本方式： 热传导 分子振动 无质点位移对流传热 流体质点相对移动 强制对流、自然对流 电磁波形式传播 热辐射 放热→辐射能→吸收无需中间介质、能量转换，T 高时的主要方式 传热方式相互依存，并不独立存在 二、冷热流体接触方式： 直接接触式 间壁式 蓄热式 三、传热速率：（传热速率）热流量Q ：J/s热流密度（热通量） q=dQ/ds J/m 2s 四、稳态传热和不稳态传热Q 、q 、及有关物理量（进出口T ， t ） 不随时间变化稳态 sQ qds =⎰q ： 不随变化（沿管长变化）不稳定：夹套加热T Q Qd θθ=⎰第二节 热传导一、温度场和温度梯度：在θ时刻物体（或空间）各点温度分布 t = f (x,y,z,) 若与θ无关→稳定温度场相同t 连结组成等温面 等温面不相交等温面上无热量传递温度梯度：0lim n t t n n∆→∂∆=∂∆ n ：法线方向 二、Fourier 定律t dQ dsnλ∂=-∂ (与牛顿粘性定律相似) λ：导热系数，负号：热流方向是温度降方向。

三、导热系数λ与物质组成、结构、温度、密度、压强等有关。

单位：/w mK金属 101～102T建材 10-1～100w/mK T绝缘材料 10-2～10-1液体 10-1T (水、甘油除外)气体 10-2～10-1固体：=o (1+KT) λ0：0℃导热系数，金属K<0，非金属K>0 液体：T λ(水、甘油除外)气体：T λ。

高于2000atm ，低于20mmHg ，p λ四、平壁稳定热传导：一平板，长宽与厚比无限大。

dt const Q sdxλλ==- 积分：()121212/s t t t t t t Q bb s Rλλ---===温度分布 11Qx q t t t x s λλ=-=- 直线o o a t λλλ'=+()()()()2212121212122(1)()12o o o o m a s Q t t t t b t t S sa t t a t t tb bλλλλ'⎡⎤=-+-⎢⎥⎣⎦+''=+-=+-多层：n 层 不同 ，b 不同存在n 个温度差（接触面良好） Q 相同（通过各层）()()()31212233412314312123isssQ t t t t t t b b b t t t Q b b b R s s sλλλλλλ=-=-=--∆==++∑由总温差和i，求Q ，由21~i i n QR t t t -=∆，求五、圆筒壁的稳定热传导2s rL π=、Q 相同、q 不同()12122122ln(/)L t t dt dtt t Q s rL Q dr dr r r Rπλλπλ--=-=-==21212m m b r r r rR s Lr s λλπλ--=== 2121ln(/)m r r r r r -= 对数平均值 当r 2 / r 1<2时，可用算术平均值计算，误差小于4％多层： ()23141433122412311223312111ln ln ln m m m L t t t t Q b r b b r r s s s r r r πλλλλλλ--==++++ 六、具有内热源的热传导：半径为r o 、长度为L 圆柱体（径向传热）单位时间单位体积产生热'q '2'22dt q rL r Lq dt rdr drλππλ-=∴=-若r ＝r o 时，t ＝t w2'2'2'2maxmax 124014w o tro w t r o o ww w o q r q r dt rdrt t r q r t t r r t t t t r λλλ⎡⎤⎛⎫⎢⎥=-=+- ⎪⎢⎥⎝⎭⎣⎦⎛⎫-==+∴=- ⎪-⎝⎭⎰⎰时温度沿半径方向呈抛物线分布。

第一节概述一、传热过程在石油加工和石油化工中的应用传热就是热量传递过程。

因为石油加工和几乎所有的化工过程都是在一定的温度和压力下进行的，因此不论是原料、中间产品，还是产品.都要根据生产工艺要求，进行加热和冷却。

如原油在365℃左右进行常压蒸馏，重油在405℃左右进行减压蒸馏(其真空度为720mmHg左右)，经过蒸馏所得到的汽油、煤油、柴油等产品又要冷却到25～40℃左右；再如氮肥生产中，氮气与氢气的混合气体要在一定压力和500℃左右的高温才能在催化剂的作用下合成氨，而氨与未反应的氮气、氢气的分离，则需要经过冷却与冷凝把混合气中的氨以液体形式分离出来。

可见，传热过程在石油加工和化工过程中的应用十分广泛。

除了生产中原料和产品的加热和冷却外，还常常将生产中排出的高温气体或液体中的热量通过换热加以回收利用；再有一些高温设备和管道的保温以及低温设备和管道的隔热，目的是消弱和抑制热量的传递。

这些都是为了节约能源和维持操作稳定进行。

因此，传热过程在石油加工和化工生产中占有很重要的地位。

此外，人们日常生活也与传热过程密切相关。

化工中的传热过程，常常是在冷流体与热流体之间进行的。

冷、热流体有三种基本的接触方式：即直接混合式、间壁式及蓄热式二、工程上常用的换热方法1.混合式的换热混合式换热是冷、热两流体在直接接触和混合中进行的。

例如，乙醇水溶液的精馏塔，塔釜中液体可以采取间接蒸汽加热，也可采用直接蒸汽加热。

当采用直接蒸汽加热时，即把蒸汽直接通入釜内液体中，用蒸汽冷凝放出的热量来加热液体。

生产中常用的混合式换热器有凉水塔、湿式混合冷凝器等。

由此可见，混合式换热方法仅适用于无须回收的蒸汽冷凝，或其凝液不要求很纯的物料，允许冷热两种流体直接接触混合的场合。

混合式换热具有传热速度快、效率高、设备简单等优点。

2.蓄热式换热蓄热式换热器又称蓄热器，蓄热式换热就是在蓄热器中进行，如图5-2所示。

蓄热器内装有耐火砖之类的蓄热介质(填充物)。

可编辑修改精选全文完整版《传热学》课程教学大纲一、课程名称：传热学/ Heat Transfer二、课程编号：0300302三、学分学时：3学分/48学时四、使用教材：《传热学》（第4版）杨世铭、陶文铨编，高等教育出版社，2014年12月五、课程属性：专业基础课/必修六、教学对象：新能源科学与工程专业七、开课单位：机械工程学院八、先修课程：高等数学、大学物理、流体力学九、教学目标：1、掌握传热学的基本概念、基本理论和基本计算方法，2、培养和建立学生的工程观点和理论联系实际解决工程实际问题的初步能力，并为学习后续的专业课程提供必要的理论基础支撑。

十、课程要求：通过本课程的学习，学生需掌握热量传递的三种基本方式及综合传热过程所遵循的基本规律，学会对传热过程进行分析处理和计算的基本方法，能运用这些规律提出增强传热、提高热经济性和削弱传热减少热损失的途径，具备分析工程传热问题的能力，并基本掌握换热设备的两种基本计算方法；结合热工实验课，使学生掌握一定的传热实验的技能。

主要以课堂讲授为主，充分采用多媒体教学。

十一、教学内容：本课程主要由以下内容组成（理论教学48学时）第一章绪论（2学时）知识要点：传热学的研究对象及其在工程技术中应用；热量传递的基本方式；导热、对流和辐射，传热过程及热阻重点难点：热量传递的三种基本方式，传热过程与传热系数教学方法：课堂讲授、讨论第二章稳态热传导（6学时）知识要点：温度场、等温面、等温线，温度梯度及傅立叶定律，导热系数，各向同性、具有内热源的导热微分方程及导热过程单值性条件的确定；通过单层、多层和复合平壁的稳态导热，通过单层和多层圆筒壁的稳态导热，通过肋壁的稳态导热，具有变导热系数的单层平壁导热问题的处理方法，肋效率、等截面直肋和环肋的工程计算，接触热阻及形状系数。

重点难点：傅立叶定律，导热微分方程及其单值性条件；能够依据直角坐标系下导热微分方程和导热过程单值性条件对常物性、无内热源、简单几何形状的物体的一维稳态导热问题进行分析计算教学方法：课堂讲授、讨论第三章非稳态导热（4学时）知识要点：非稳态导热过程特点，一维非稳态导热问题分析解及其讨论，诺模图，简单几何形状一维、二维和三维非稳态导热的计算，周期性变化边界条件和常热流通量边界条件下半无限大物体非稳态导热。

第五章传热主要内容：热量传递基础；传热过程的计算；传热设备。

重点内容：傅里叶传导定律；牛顿冷却对流传热定律；传热过程基本方程；换热器的计算；管壳式换热器的设计和选用。

难点内容：传热过程基本方程。

课时安排：20第一节概述一、传热过程由热力学第二定律可知，凡有温度差存在的地方，就必然有热量的传递。

化学工业与传热密切相关，化工生产过程中许多单元操作都需要加热和冷却。

化工生产中进行传热操作的目的——1．料液的加热和冷却，为达到反应所需的温度；2．为维持反应温度，需不断输入或输出热量；3．许多单元操作需输入或输出热量；4．化工设备的保温；5．生产过程中热能的综合利用及废热的回收。

化工生产对传热过程的要求：1．强化传热——要求传热速率高，降低设备成本；2．削弱传热——可减少热损失。

二、传热的基本方式（传热机理）传热原因——传热推动力（温度差）传热方向——在无外功输入时，由热力学第二定律，热流方向由高温处向低温处流动。

传热的三种基本方式：1．热传导——物体内部或两个直接接触物体之间的传热方式。

金属导体—自由电子运动不良导体，大部分液体—温度高的分子振动，与相邻分子碰撞，造成的动量传递。

气体—分子无规则运动热传导是静止物体内的一种传递方式，没有物质的宏观位移。

2．对流传热——是指流体由质点发生相对位移而引起的热交换。

对流传热仅发生在流体中，所以与流体的流动方式密切相关。

自然对流——质点位移是由于流体内部密度差引起的，使轻者浮，重者沉；强制对流——质点运动是由外力作用所致。

对流传热同时伴有热传导，事实上无法将其分开——又称给热。

化工中所讨论的给热，都是指流体与固体壁面之间的传热过程——间壁式换热3．热辐射——是一种通过电磁波传递能量的过程任何物体，只要在0K 以上都能发射电磁波，而不依靠任何介质，当被另一物体接收后，又重新变为热能。

热辐射不仅是能量转移，也伴随着能量形式的转移。

三、间壁式换热1． 间壁式换热过程—由对流、导热、对流三过程串联而成（1）热流体以对流方式将热量传递到间壁一侧； （2）热量以导热方式通过间壁； （3）热量以对流方式传至冷流体。

传热学课程教学大纲英文名称：Heattransfer课程编号：62000208学时数：64其中实验学时数：8课外学时数：0学分数：4.0适用专业：热能与动力工程一、课程的性质、目的和任务本课程为热能与动力工程专业的专业技术基础课之一，必修课，总学时为64学时，4.0学分。

课程分为课堂教学与实验两部分。

本课程的任务是使学生明确传热研究对象，掌握传热传质基本原理、基本规律，为后续专业课的学习提供充分的理论准备；也为学生以后应用基本规律解决生产实际问题、将来从事科学研究打下必要的理论基础。

在教学中要注重培养学生运用技术基础课的能力，培养其分析和解决实际问题的综合素质。

二、课程教学内容的基本要求、重点和难点第1章绪论重点：传热过程的基本概念及其传热量的计算公式1.1 热能传递的三种基本方式了解传热学的发展简史、现状及发展方向和趋势掌握热量传递的三种基本方式及传热过程1.2 传热过程和传热系数理解传热系数的物理意义第2章稳态热传导重点：导热的基本定律和稳态导热问题的分析解法难点：稳态导热问题的分析解法1.1导热基本定律理解温度场、等温面（线）、热扩散率、导热系数、热流密度等基本概念的物理意义及特点1.2导热问题的数学描写掌握导热的基本定律及导热微分方程2.3 典型一维稳态导热问题的分析解熟练掌握工程中常见的三种典型几何形状物体的热流量及温度分布的计算方法3.4 通过肋片的导热理解肋片导热的分析方法和肋片效率2.5 具有内热源的一维导热问题理解具有内热源的导热问题的分析解法第3章非稳态热传导重点：非稳态导热的基本概念难点：非稳态导热问题的分析解法3.1 非稳态导热的基本概念理解毕渥数、傅立叶数等准则数和非稳态导热、半无限大物体等基本概念的物理意义3.2集总参数法掌握集总参数法的分析解法3.3 典型一维物体非稳态导热的分析解理解一-维非稳态导热稳态的分析解法3.4 半无限大物体的非稳态导热了解半无限大物体非稳态导热问题的分析解法第4章热传导问题的数值解法重点：导热问题数值解法的基本思想和基本方法。

《传热传质学》概念汇总第一章绪论1.传热学：研究热量传递规律的科学。

2.热量传递的基本方式：导热、对流、辐射。

3.热传导：物体的各部分之间不发生相对位移，依靠微观粒子的热运动产生的热量传递现象。

4.纯粹的导热只能发生在不透明的固体之中。

5.热流密度：单位时间内通过单位面积的热流量（W/m2）。

6.常温下导热系数（W/m℃）：银：427；纯铜：398；纯铝：236；普通钢：30~50；水：；空气：；保温材料：；水垢：1~3；烟垢：~7.热对流：由于流体各部分之间发生相对位移而产生的热量传递现象。

8. 热对流只发生在流体之中，并伴随有导热现象。

9.自然对流：由于流体密度差引起的相对运动。

10. 强制对流：由于机械作用或其它压差作用引起的相对运动。

11. 对流换热：流体流过固体壁面时，由于对流和导热的联合作用，使流体与固体壁面间产生热量传递的过程。

12. 辐射：物体通过电磁波传播能量的方式。

13. 热辐射：由于热的原因，物体的内能转变成电磁波的能量而进行的辐射过程。

14. 辐射换热：不直接接触的物体之间，由于各自辐射与吸收的综合结果所产生的热量传递现象。

15. 传热过程：热流体通过固体壁面将热量传给另一侧冷流体的过程。

16. 传热系数：表征传热过程强烈程度的标尺，数值上等于冷热流体温差1℃时，单位面积上的热流量（W/m 2℃）。

17. 单位面积上的传热热阻：kR K 118. 单位面积上的导热热阻：λδλ=R 19. 单位面积上的对流换热热阻：h R 1=α 20. 对比串联热阻大小可以找到强化传热的主要环节。

21. 单位：物理量的度量标尺。

22. 基本单位：基本物理量的单位。

23. 导出单位：由物理含义导出，以基本单位组成的单位。

24. 单位制：基本单位与导出单位的总和。

25. 常用单位换算： Wh kcal kJ kcal N kgf Pa atm 163.1/1;1868.4180665.91;1013251==== 第二章 导热基本定律及稳态导热26. 温度场：物体中温度分布的总称。