第四章 传热
本章介绍了三种基本传热方式，即导热、对流传热、辐射传热的基本概念和定律；详细分析了对流传热过程机理，建立了对流传热速率方程以及表面传热系数的经验关联式；由总传热速率方程出发，对传热过程进行设计计算和操作分析、诊断；介绍了换热设备的类型和列管式换热器的设计和选用。本章重点要求掌握：
①对流传热过程的基本概念、定律、传热速率方程；
②管内强制湍流流动时表面传热系数的经验关联及影响因素；
③总传热速率方程以及传热过程的计算。
4.1 概述
4.1.1 传热在化工生产中的应用
传热，即热量的传递，是自然界中普遍存在的物理现象。由热力学第二定律可知，凡是有温度差存在的物系之间，就会导致热量从高温处向低温处的传递，故在科学技术、工业生产以及日常生活中都涉及许多的传热过程。
化工生产过程与传热关系十分密切。这是因为化工生产中的很多过程都需要进行加热和冷却。例如，为保证化学反应在一定的温度下进行，就需要向反应器输入或移出热量；化工生产设备的保温或保冷；生产过程中的热量的合理使用以及废热的回收利用，换热器网络的综合利用；蒸发、精馏、吸收、萃取、干燥等单元操作都与传热过程有关。
化工生产过程中需要解决的传热问题大致分为两类：(1)传热过程的计算，包括设计型计算和操作型计算；(2)传热过程的改进与强化。这两类问题的解决，都需要从总的传热速率方程出发，即：
（4.1.1）
式中：Q—冷流体吸收或热流体放出的热流量，W；K—传热系数，W/(m2·℃)；A—传热面积，m2；Δtm—平均传热温差，℃。
4.1.2 传热的基本方式
根据热量传递机理的不同，传热基本方式有三种，即热传导、对流和辐射。
热传导：热传导又称导热。是指热量从物体的高温部分向同一物体的低温部分、或者从一个高温物体向一个与它直接接触的低温物体传热的过程。
对流传热：对流传热是依靠流体的宏观位移，将热量由一处带到另一处的传递现象。在化工生产中的对流传热，往往是指流体与固体壁面直接接触时的热量传递。
第四章 传 热
热传导
【4-1】有一加热器，为了减少热损失，在加热器的平壁外表面，包一层热导率为(m·℃)、厚度为300mm的绝热材料。已测得绝热层外表面温度为30℃，另测得距加热器平壁外表面250mm处的温度为75℃，如习题4-1附图所示。试求加热器平壁外表面温度。
解 2375℃, 30℃tt
计算加热器平壁外表面温度1t，./()Wm016℃
....1757530025005016016t ..14502575300005t℃
【4-2】有一冷藏室，其保冷壁是由30mm厚的软木做成的。软木的热导率λ=
W/(m·℃)。若外表面温度为28℃，内表面温度为3℃，试计算单位表面积的冷量损失。
解 已知.(),.123℃, 28℃, =0043／℃ 003ttWmbm，
则单位表面积的冷量损失为
【4-3】用平板法测定材料的热导率，平板状材料的一侧用电热器加热，另一侧用冷水冷却，同时在板的两侧均用热电偶测量其表面温度。若所测固体的表面积为0.02m2，材料的厚度为0.02m。现测得电流表的读数为2.8A，伏特计的读数为140V，两侧温度分别为280℃和100℃，试计算该材料的热导率。
解 根据已知做图
热传导的热量 .28140392QIVW
.().()12392002002280100QbAtt
【4-4】燃烧炉的平壁由下列三层材料构成：耐火砖层，热导率λ=(m·℃)，厚度230bmm；绝热砖层，热导率λ=(m·℃)；普通砖层，热导率λ=(m·℃)。
耐火砖层内侧壁面温度为1000℃，绝热砖的耐热温度为940℃，普通砖的耐热温度为130℃。
(1) 根据砖的耐热温度确定砖与砖接触面的温度，然后计算绝热砖层厚度。若每块绝热砖厚度为230mm，试确定绝热砖层的厚度。
(2) 若普通砖层厚度为240mm，试计算普通砖层外表面温度。
-1-第四章传热
【热传导】
【4-3】用平板法测定材料的热导率，平板状材料的一侧用电热器加热，另一侧用冷水冷却，同时
在板的两侧均用热电偶测量其表面温度。若所测固体的表面积为0.02m2
，材料的厚度为0.02m。现测
得电流表的读数为2.8A，伏特计的读数为140V，两侧温度分别为280℃和100℃，试计算该材料的热
导率。
解根据已知做图
热传导的热量
.28140392QIVW()12AQttb
.
().()
12392002
002280100Qb
Att
./218Wm℃
【4-4】燃烧炉的平壁由下列三层材料构成：耐火砖层，热导率λ=1.05W/(m·℃)，厚度
230bmm；
绝热砖层，热导率λ=0.151W/(m·℃)；普通砖层，热导率λ=0.93W/(m·℃)。
耐火砖层内侧壁面温度为1000℃，绝热砖的耐热温度为940℃，普通砖的耐热温度为130℃。
(1)根据砖的耐热温度确定砖与砖接触面的温度，然后计算绝热砖层厚度。若每块绝热砖厚度为
230mm，试确定绝热砖层的厚度。
(2)若普通砖层厚度为240mm，试计算普通砖层外表面温度。
解(1)确定绝热层的厚度
2b
温度分布如习题4-4附图所示。通过耐火砖层的热传导计算
热流密度q。
()
1
12
1qtt
b
.
()/
.Wm
2105
1000940274
023
绝热砖层厚度
2b
的计算
()
2
23
2qtt
b
.
().bm
20151
9401300446
274
每块绝热砖的厚度为
023m．，取两块绝热砖的厚度为
.
20232046bm．。
(2)计算普通砖层的外侧壁温
4t
先核算绝热砖层与普通砖层接触面处的温度
3t
.
.
.2
32
2274046
9401053
0151qb
tt
℃习题4-3附图
习题4-4附图-2-3t小于130℃，符合要求。
通过普通砖层的热传导，计算普通砖层的外侧壁温
4t。
()
3
34
3qtt
b
.
..
.3
43
39 第四章 传 热
热传导
【4-1】有一加热器，为了减少热损失，在加热器的平壁外表面，包一层热导率为0.16W/(m·℃)、厚度为300mm的绝热材料。已测得绝热层外表面温度为30℃，另测得距加热器平壁外表面250mm处的温度为75℃，如习题4-1附图所示。试求加热器平壁外表面温度。
解 2375℃, 30℃tt
计算加热器平壁外表面温度1t，./()Wm016℃
231212ttttbb
....1757530025005016016t ..14502575300005t℃
【4-2】有一冷藏室，其保冷壁是由30mm厚的软木做成的。软木的热导率λ=0.043
W/(m·℃)。若外表面温度为28℃，内表面温度为3℃，试计算单位表面积的冷量损失。
解 已知.(),.123℃, 28℃, =0043／℃ 003ttWmbm，
则单位表面积的冷量损失为
../.qttWmb2120043328358 003
【4-3】用平板法测定材料的热导率，平板状材料的一侧用电热器加热，另一侧用冷水冷却，同时在板的两侧均用热电偶测量其表面温度。若所测固体的表面积为0.02m2，材料的厚度为0.02m。现测得电流表的读数为2.8A，伏特计的读数为140V，两侧温度分别为280℃和100℃，试计算该材料的热导率。
解 根据已知做图
热传导的热量 .28140392QIVW
()12AQttb
.().()12392002002280100QbAtt
./218Wm℃
【4-4】燃烧炉的平壁由下列三层材料构成：耐火砖层，热导率λ=1.05W/(m·℃)，厚度230bmm；绝热砖层，热导率λ=0.151W/(m·℃)；普通砖层，热导率λ=0.93W/(m·℃)。
