第四章 传 热

第四章传热第一节概述传热是指由于温度差引起的能量转移，又称热传递。

热力学不研究引起传热的机理和传热的快慢，它仅研究物质的平衡状态，确定系统由一种平衡状态变到另一种平衡状态所需要的总能量；而传热学研究能量的传递速率，因此可以认为传热学是热力学的扩展。

热力学（能量守衡定律）和传热学（传热速率方程）两者的结合，才可能解决传热问题。

化工生产中对传热的要求经常有以下两种情况：一种是强化传热过程；另一种是削弱传热过程。

传热系统（例如换热器）中不积累能量（即输入能量等于输出的能量），称为定态传热。

定态传热的特点是传热速率（单位时间传递的热量）在任何时刻都为常数，并且系统中各点的温度仅随位置变化而与时间无关。

根据传热机理不同，热传递有三种基本方式：传导、对流和辐射。

在无外功输入时，净的热流方向总是由高温处向低温处流动。

若物体各部分之间不发生相对位移，仅借分子、原子和自由电子等微观粒子的运动而引起的热量传递称为热传导（又称导热）。

固体中的热传导属于典型的导热方式。

流体中各部分之间发生相对位移所引起的热传导过程称为热对流（简称对流）。

热对流仅发生在流体中。

流体中对流原因可分为两种：一是自然对流；二是强制对流。

在化工传热过程中，常遇到的并非单纯对流方式，而是流体流过固体表面时发生的对流和热传导联合作用的传热过程，即热由流体传到固体表面（或反之）的过程，通常将它称为对流传热（又称为给热）。

因热的原因而产生的电磁波在空间的传递，称为热辐射。

所有物体（包括固体、液体和气体）都能将热能以电磁波形式发射出去，而不需要任何介质，也就是说它可以在真空中传播。

物体之间相互辐射和吸收能量的总结果称为辐射传热。

任何物体只要在热力学温度零度以上都能发射辐射能，但只有在物体温度较高时，热辐射才能成为主要的传热方式。

传热过程中，热、冷流体热交换可分为三种基本方式：一、直接接触式换热器和混合式换热器；二、蓄热式换热器和蓄热器；三、间壁式换热和间壁式换热器。

通常，将流体与固体壁面之间的传热称为对流传热过程，将冷、热流体通过壁面之间的传热称为热交换过程，简称传热过程。

流体流经管束称为流经管程，将该流体称为管程（或管方）流体；流体流经管间环隙称为流经壳程，将该流体称为壳程（或壳方）流体。

对于特定的列管式换热器，其传热面积可按下式计算，即：传热速率Q是指单位时间内通过传热面的热量，其单位为W。

热通量q则是指每单位面积的传热速率，其单位为W/m2。

传热速率和热通量是评价换热器性能的重要指标。

在化工生产中，物料在换热器内被加热或冷却时，通常需要用另一种流体供给或取走热量，此种流体称为载热体，其中起加热作用的载热体称为加热剂（或加热介质）；起冷却（或冷凝）作用的载热体称为冷却剂（或冷却介质）。

工业上常用的加热剂有热水、饱和蒸汽、矿物油、联苯混合物、熔岩及烟道气等。

冷却剂有水、空气、盐水、氨蒸气等。

第二节热传导物体或系统内的各点间的温度差是热传导的必要条件。

由热传导方式引起的热传递速率（简称导热速率）决定于物体内温度的分布情况。

温度场就是任一瞬间物体或系统内各点的温度分布总和。

一般情况下，物体内任一点的温度为该点的位置以及时间的函数。

若温度场内各点的温度不随时间而变，即为定态温度场。

若物体内的温度仅沿一个坐标方向发生变化，此温度场为定态的一维温度场。

温度场中同一时刻下相同温度各点所组成的面积为等温面。

不同的等温面彼此不能相交。

通常，将温度为（）与t相邻等温面之间的温度差，与两面间的垂直距离之比值的极限称为温度梯度。

温度梯度为向量，它的正方向是指向温度增加的方向。

傅立叶定律为热传导的基本定律，表示通过等温面的导热速率与温度梯度及传热面积成正比，即：，负号表示热流的方向总是和温度梯度的方向相反。

导热系数的定义可以由傅立叶定律的表达式给出：导热系数在数值上等于单位温度梯度下的热通量。

一般来说，金属的导热系数最大，非金属固体次之，液体较小，气体最小。

纯金属的导热系数一般随温度的升高而降低，合金的导热系数一般比纯金属要低。

非金属的导热系数通常随密度增加而增大，随温度升高而增大。

对于大多数固体，导热系数的值与温度大致成线性关系，即：液态金属的导热系数比一般液体的要高。

大多数液态金属的导热系数随温度升高而降低。

除水和甘油外，液体的导热系数随温度升高略有减小。

一般来说纯液体的导热系数比其溶液的要大。

气体的导热系数随温度的升高而增大。

气体的导热系数很小，对导热不利，有利于保温，绝热。

单层平壁的热传导：导热速率热通量导热速率与导热推动力成正比，与导热热阻成反比。

导热系数随温度呈线性关系时，可以用物体的平均导热系数进行热传导计算。

导热系数按变量计算：自然界中传递过程的普遍关系为：过程传递速率=n层平壁的热传导速率方程式为：单层圆筒壁的热传导：多层圆筒壁的热传导：圆筒壁的定态传热，通过各层的热传导速率都是相同的，但是热通量却都不相同。

导热系数为常数，圆筒壁内的温度分布也不是直线而是曲线。

第三节对流传热概述流体流过固体壁面（流体温度与壁面温度不同）时发生的对流和热传导联合作用的传热过程，即是热由流体传到固体表面（或反之）的过程，通常将它称为对流传热（又称为给热）。

根据流体在传热过程中的状态对流传热可分为两类：（一）流体无相变的对流传热，根据流体流动原因不同，可分为两种情况：（1）强制对流传热（2）自然对流传热（二）流体有相变的对流传热（1）蒸汽冷凝（2）液体沸腾对流传热速率系数×推动力以流体和壁面间的对流传热为例，对流传热速率方程可以表示为：上式又称为牛顿（Newton）冷却定律。

在换热器中，局部对流传热系数随管长而变化，但是在工程计算中，常使用平均对流传热系数（一般也用表示），此时牛顿冷却定律可以表示为：流体的平均温度是指流动截面上的流体绝热混合后测定的温度。

在传热计算中，流体的温度一般是指这种截面的平均温度。

若热流体在换热器的管内流动，冷流体在管间（环隙）流动，则对流传热速率方程式可分别表示为：及牛顿冷却定律也是对流传热系数的定义式，即：对流传热系数在数值上等于单位温度差下，单位传热面积的对流传热速率，其单位为W/（），它反映了对流传热的快慢，越大表示对流传热愈快。

对同一种流体，强制对流时的要大于自然对流时的，有相变时的要大于无相变时的。

第五节对流传热系数关联式对流传热系数决定于热边界层内的温度梯度。

通常，对流传热的热阻主要由边界层内的导热热阻构成，因为即使流体呈湍流状态，湍流主体和缓冲层的传热热阻较小，此时对流传热主要受滞流内层热阻控制。

当滞流内层的温度梯度一定时，流体的导热系数愈大，对流传热系数也愈大。

若管径和流速一定，液体粘度愈大其Re值愈小，即湍流程度低，因此边界层愈厚，于是对流传热系数就愈低。

比热容和密度代表单位体积流体所具有的热容量，其值愈大表示流体携带热量的能力愈强，因此对流传热的强度愈强。

体积膨胀系数值愈大的流体，所产生的密度差别愈大，因此有利于自然对流。

湍流时的对流传热系数远比滞流时大。

强制对流传热系数要比自然对流传热系数大几倍至几十倍。

努塞尔特准数表示对流传热系数的准数雷诺准数确定流动状态的准数普兰特准数表示物性影响的准数流体在圆管内作强制对流流体在弯管内流动时，由于受惯性离心力的作用，增大了流体的湍流程度，使对流传热系数较直管内的大。

套管换热器环形截面内传热当量直径为：水的值较空气的大的多。

同一种流体，流速愈大，也愈大；管径愈大，则愈小。

蒸汽冷凝和液体沸腾都是伴有相变化的对流传热过程。

这类传热过程的特点是相变流体要放出或吸收大量的潜热，但流体温度不发生变化。

因此在壁面附近流体层中的温度梯度较高，从而对流传热系数较无相变时更大。

当饱和蒸汽与温度较低的壁面相接触时，蒸气放出潜热，并在壁面上冷凝成液体。

蒸气冷凝有膜状冷凝和滴状冷凝两种方式。

由于没有液膜阻碍热流，因此滴状冷凝传热系数比膜状冷凝可高几倍甚至几十倍。

工业上遇到的大多是膜状冷凝，因此冷凝器的设计总是按膜状冷凝来处理。

影响冷凝传热的因素：凡是有利于减薄液膜厚度的因素都可提高冷凝传热系数：液膜呈滞流流动时，若冷凝液膜两侧的温度差加大，则蒸气冷凝速率增加，因而液膜厚度增加，使冷凝传热系数降低。

若蒸气和液膜同向流动，则摩擦力将使液膜加速，厚度减薄，使增大；若逆向流动，则减小。

但这种力若超过液膜重力，液膜会被蒸气吹离壁面，此时随蒸气流速的增加，急剧增大。

工业上液体沸腾的方法有二：一是将加热面浸没在液体中，液体在壁面受热沸腾，称为大容积沸腾；另一是液体在管内流动时受热沸腾，称为管内沸腾。

壁温的估算方程：第六节辐射传热物体以电磁波形式传递能量的过程称为辐射，被传递的能量称为辐射能。

其中因热的原因引起的电磁波辐射，即是热辐射。

所谓辐射传热就是不同物体间相互辐射和吸收能量的综合过程。

显然，辐射传热的净结果是高温物体向低温物体传递了能量。

）热辐射和光辐射的本质完全相同，不同的仅仅是波长的范围。

可见光线（0.4～0.8和红外光线（0.8～20只有在很高的温度下，才能觉察到可见光线的效应。

热射线和可见光线一样，都服从反射和折射定律，都能在均一的介质中作直线传播。

但对大多数的固体和液体，热射线则不能透过。

因此只有能够相互照见的物体间才能进行辐射传热。

能全部吸收辐射能，即吸收率A1的物体，称为黑体或绝对黑体；能全部反射辐射能，即反射率R1的物体，称为镜体或绝对白体；能透过全部辐射能，即透过率D1的物体，称为透热体。

一般单元子气体和对称的双原子气体均可视为透热体。

根据能量守衡定律，可得A＋R＋D1。

凡能以相同的吸收率且部分地吸收由零到所有波长范围的辐射能的物体，定义为灰体。

灰体有以下特点：（1）灰体的吸收率A不随辐射的波长而变。

（2）灰体是不透热体，即A＋R1。

物体的辐射能力是指物体在一定的温度下，单位表面积、单位时间所发射的全部波长的总能量，用E表示，其单位为W/m2。

在相同的条件下，物体发射特定波长的能力，称为单色辐射能力，用表示。

普郎克定律揭示了黑体的辐射能力按照波长的分配规律。

斯蒂芬－波尔茨曼定律揭示黑体的辐射能力与其表面温度的关系式。

通常称为四次方定律：通常将灰体的辐射能力与同温度下黑体辐射能力之比定义为物体的黑度（又称发射率），用表示，即：或克希霍夫定律：上式表明任何物体的辐射能力和吸收率的比值恒等于同温度下的黑体的辐射能力，即仅和物体的绝对温度有关。

对两很大的平行平板间辐射，则：若平行板的平板面积均为S，则辐射传热速率为：很大的物体2包住物体1，将辐射传热速率方程改变为与对流传热速率方程相同的形式，即：称为辐射传热系数。

总的热损失为：上式中，称为对流－辐射联合传热系数。

第七节换热器依据传热原理和实现热交换的方法，换热器可分为间壁式、混合式及蓄热式三类，其中以间壁式换热器应用最普遍，而此类换热器中，以列管式应用最广。