西北大学化工原理电子教案 香 6.传热 6.1概述 6.1.1概述 几乎所有的化工生产过程都伴有传热操作，进行传热的目的通常是： ①加热或冷却，使物料达到指定的温度： ②换热，以回收利用热量或冷量： ③保温，以减少热量或冷量的损失。如高温设备的保温，低温设备的保冷。 化学工业能耗高，仅次于冶金工业，因此，应合理利用能源、节约能源。 通常，传热设备在化工厂设备投资中占很大比例，有些可达40%左右，所以传热是化 工重要的单元操作之一。同时，热能合理利用对降低产品成本和环境保护有重要意义。 传热过程中冷热流体的接触方式根据冷热流体的接触情况，工业上的传热过程可分为三种 基本方式，每种传热方式所用换热设备的结构也迥然不同。 (1)直接接触式传热 对某些传热过程，例如热气体的直接水冷及热水的直接空气冷却等，可使冷、热流体 直接接触进行传热。这种接触方式传热面积大，设备简单。如凉水塔，其中装填填料，填料 可以增大接触面积，增大湍动程度，增大传热系数K。 由于冷热流体直接接触，这种传热方式必伴有传质过程。 (2)间壁式传热 在多数情况下，工艺上不允许冷、热流体直接接触，因此直接接触式传热过程在工业 上并不很多。工业上应用最多的是间壁式传热过程。间壁式换热器类型很多，其中最简单而 又最典型的结构是套管换热器。在套管式换热器中，冷热流体分别通过环隙和内管，热量自 热流体传给冷流体，这种热量传递过程包括三个步骤： a热流体靠对流传热将热量Q传给金属壁一侧一给热： b热量自管壁一侧以热传导的形式传至另一侧一导热： c热量以对流传热形式从壁面传给冷流体一给热。 冷、热流体之间进行的热量传递总过程通常称为传热（或换热）过程，而将流体与壁 面之间的热量传递过程称为给热过程
西北大学化工原理电子教案 6. 传热 6.1 概述 6.1.1 概述 几乎所有的化工生产过程都伴有传热操作，进行传热的目的通常是： ① 加热或冷却，使物料达到指定的温度； ② 换热，以回收利用热量或冷量； ③ 保温，以减少热量或冷量的损失。如高温设备的保温，低温设备的保冷。 化学工业能耗高，仅次于冶金工业，因此，应合理利用能源、节约能源。 通常，传热设备在化工厂设备投资中占很大比例，有些可达 40%左右，所以传热是化 工重要的单元操作之一。同时，热能合理利用对降低产品成本和环境保护有重要意义。 传热过程中冷热流体的接触方式 根据冷热流体的接触情况，工业上的传热过程可分为三种 基本方式，每种传热方式所用换热设备的结构也迥然不同。 (1) 直接接触式传热 对某些传热过程，例如热气体的直接水冷及热水的直接空气冷却等，可使冷、热流体 直接接触进行传热。这种接触方式传热面积大，设备简单。如凉水塔，其中装填填料，填料 可以增大接触面积，增大湍动程度，增大传热系数 K 。 由于冷热流体直接接触，这种传热方式必伴有传质过程。 (2) 间壁式传热 在多数情况下，工艺上不允许冷、热流体直接接触，因此直接接触式传热过程在工业 上并不很多。工业上应用最多的是间壁式传热过程。间壁式换热器类型很多，其中最简单而 又最典型的结构是套管换热器。在套管式换热器中，冷热流体分别通过环隙和内管，热量自 热流体传给冷流体，这种热量传递过程包括三个步骤： a 热流体靠对流传热将热量Q 传给金属壁一侧——给热； b 热量自管壁一侧以热传导的形式传至另一侧——导热； c 热量以对流传热形式从壁面传给冷流体——给热。 冷、热流体之间进行的热量传递总过程通常称为传热（或换热）过程，而将流体与壁 面之间的热量传递过程称为给热过程。 1
西北大学化工原理电子教案 香 热流体T 冷流体t 套管换热器 (3)蓄热式换热器 首先使热流体通过蓄热器中固体壁面，用热流体将固体填充物加热，然后停止热流体， 使冷流体通过固体表面，用固体填充物所积蓄的热量加热冷流体。这样交替通过冷、热流体 达到换热的目的。 低温流体 高温流体 蓄热式换热器 为将冷流体加热或热流体冷却，必须用另一种流体供给或取走热量，此流体称为载热 体。起加热作用的载热体称为加热剂：而起冷却作用的载热体称为冷却剂。 载热体及其选择工业上常用的加热剂有热水、饱和水蒸汽、矿物油、联苯混合物、熔盐和 烟道气等。当要求温度小于180℃时，常用饱和水蒸汽。饱和水蒸汽冷凝放出潜热，潜热大 大于显热，因此所需的蒸汽量小，且相变过程不发生温度变化。（注：若不将饱和水蒸汽中 的不凝性气体及时排走，会大大降低传热效果。) 工业上常用的加热剂及其使用温度范围可参见教材p231表6-1。 常用的冷却剂是水、空气和各种冷冻剂。水和空气可将物料最低冷却至周围环境的温 度。当温度不很低时，水是最适宜的冷却剂
西北大学化工原理电子教案 冷流体t1 t2 热流体T1 T2 套管换热器 (3) 蓄热式换热器 首先使热流体通过蓄热器中固体壁面，用热流体将固体填充物加热，然后停止热流体， 使冷流体通过固体表面，用固体填充物所积蓄的热量加热冷流体。这样交替通过冷、热流体 达到换热的目的。 低温流体 高温流体 蓄热式换热器 为将冷流体加热或热流体冷却，必须用另一种流体供给或取走热量，此流体称为载热 体。起加热作用的载热体称为加热剂；而起冷却作用的载热体称为冷却剂。 载热体及其选择 工业上常用的加热剂有热水、饱和水蒸汽、矿物油、联苯混合物、熔盐和 烟道气等。当要求温度小于 180o C时，常用饱和水蒸汽。饱和水蒸汽冷凝放出潜热，潜热大 大于显热，因此所需的蒸汽量小，且相变过程不发生温度变化。（注：若不将饱和水蒸汽中 的不凝性气体及时排走，会大大降低传热效果。） 工业上常用的加热剂及其使用温度范围可参见教材 p231 表 6-1。 常用的冷却剂是水、空气和各种冷冻剂。水和空气可将物料最低冷却至周围环境的温 度。当温度不很低时，水是最适宜的冷却剂。 2
西北大学化工原理电子教案 在选用载热体时为提高传热过程的经济性，必须根据具体情况选择适当温位的载热体， 同时还应考虑以下几个方面问题： ①载热体的温度应易于调节： ②载热体的饱和蒸气压宜低，加热时不会分解： ③载热体毒性要小，使用安全，对设备应基本上没有腐蚀： ④载热体应价格低廉而且容易得到。 6.1.2传热过程 化工生产中应用最广的是间壁式换热器，因此我们以间壁式换热器来讨论传热过程。 传热速率 传热过程的速率可用以下两种方式表示： ①热流量Q：即单位时间内热流体通过整个换热器的传热面传递给冷流体的热量 (W=J/s),因此Q与传热面A有关。 ②热流密度（热通量)q:单位时间通过单位传热面积所传递的热量(Wm),即 9器 (6-1) 与热流量Q不同，热流密度与传热面积A大小无关，完全取决于冷、热流体之间的热 量传递过程，是反映具体传热过程速率大小的特征量。 工业上的传热过程包括定态和非定态传热情况，但是大多涉及到的都属于定态传热过 程，对于定态传热过程Q和q以及有关的物理量都不随时间而变。 换热器的热流量(Q)对于定态传热过程，热流密度不随时间而变，但沿着管长是变化 的，因此作为传热结果，冷、热流体的温度沿管长而变，冷、热流体的温差也必将发生相应 的变化。 设换热器的传热面积为4，由q=号可推出换热器的热流量为 0=∫9dA (6-2) 间壁两侧，冷、热流体的温差(T一1)沿管长而变，因此为计算换热器的热流量，还 必须找出热流密度沿传热面的变化规律
西北大学化工原理电子教案 在选用载热体时为提高传热过程的经济性，必须根据具体情况选择适当温位的载热体， 同时还应考虑以下几个方面问题： ① 载热体的温度应易于调节； ② 载热体的饱和蒸气压宜低，加热时不会分解； ③ 载热体毒性要小，使用安全，对设备应基本上没有腐蚀； ④ 载热体应价格低廉而且容易得到。 6.1.2 传热过程 化工生产中应用最广的是间壁式换热器，因此我们以间壁式换热器来讨论传热过程。 传热速率 传热过程的速率可用以下两种方式表示： ① 热流量 ：即单位时间内热流体通过整个换热器的传热面传递给冷流体的热量 （W=J/s），因此Q 与传热面 有关。 Q A ② 热流密度（热通量） ：单位时间通过单位传热面积所传递的热量（ q W/m2 ）,即 A Q q d d = （6-1） 与热流量Q 不同，热流密度与传热面积 大小无关，完全取决于冷、热流体之间的热 量传递过程，是反映具体传热过程速率大小的特征量。 A 工业上的传热过程包括定态和非定态传热情况，但是大多涉及到的都属于定态传热过 程，对于定态传热过程Q 和 以及有关的物理量都不随时间而变。 q 换热器的热流量（ ） 对于定态传热过程，热流密度不随时间而变，但沿着管长是变化 的，因此作为传热结果，冷、热流体的温度沿管长而变，冷、热流体的温差也必将发生相应 的变化。 Q 设换热器的传热面积为 ，由 A A Q q d d = 可推出换热器的热流量为 ∫ = A d AqQ （6-2） 间壁两侧，冷、热流体的温差（ − tT ）沿管长而变，因此为计算换热器的热流量，还 必须找出热流密度沿传热面的变化规律。 3
西北大学化工原理电子教案 非定态传热过程工业上不少传热过程是间歇进行的，即随着传热的进行，流体的温度随时 间而变，因此是非定态过程。如用饱和蒸汽加热搅拌釜内的液体就属于非定态传热过程。 对此换热器，夹套内为蒸汽冷凝，因而各处温度相同，釜内液体充分搅拌各处温度均一， 故在任何时刻传热面各点的热流密度相同。但是，作为传热结果，釜内液体温度随时间不断 上升，热流密度随时间不断减小。 对非定态传热问题通常关心的是一段时间内所传递的累积总热量Q,。设夹套传热面积 为A,则 g=dor (6-3) Adr Or=A[qdr (6-4) 因此，要求Q,,只知道热流密度q的计算式是不够的，还须知道q随时间的变化规律。 款水出口 味排漫 净海济 夹套换热器 传热机理任何热量的传递只能通过传导、对流、辐射三种方式进行。 固体内部的热量传递只能以传导的方式进行。流体与换热器壁面之间的给热过程往往同 时包含对流与传导，对高温流体还有热辐射。热传导、对流传热需介质，能量形式不变：而 辐射传热无须介质，但能量形式发生变化（热→波→热）。 工程上的传热过程一般都是三种形式同时存在的。 6.2热传导 热传导是物体内部分子微观运动的一种传热方式。但热传导的机理很复杂。固体内部的 热传导是由于相邻分子在碰撞时传递振动能的结果。在流体特别是气体中，除分子碰撞外， 4
西北大学化工原理电子教案 非定态传热过程 工业上不少传热过程是间歇进行的，即随着传热的进行，流体的温度随时 间而变，因此是非定态过程。如用饱和蒸汽加热搅拌釜内的液体就属于非定态传热过程。 对此换热器，夹套内为蒸汽冷凝，因而各处温度相同，釜内液体充分搅拌各处温度均一， 故在任何时刻传热面各点的热流密度相同。但是，作为传热结果，釜内液体温度随时间不断 上升，热流密度随时间不断减小。 对非定态传热问题通常关心的是一段时间内所传递的累积总热量 。设夹套传热面积 为 ，则 QT A dτ d T A Q q = （6-3） ∫ = τ τ 0 T qAQ d （6-4） 因此，要求 ，只知道热流密度 的计算式是不够的，还须知道 QT q q 随时间的变化规律。 夹套换热器 传热机理 任何热量的传递只能通过传导、对流、辐射三种方式进行。 固体内部的热量传递只能以传导的方式进行。流体与换热器壁面之间的给热过程往往同 时包含对流与传导，对高温流体还有热辐射。热传导、对流传热需介质，能量形式不变；而 辐射传热无须介质，但能量形式发生变化（热→波→热）。 工程上的传热过程一般都是三种形式同时存在的。 6.2 热传导 热传导是物体内部分子微观运动的一种传热方式。但热传导的机理很复杂。固体内部的 热传导是由于相邻分子在碰撞时传递振动能的结果。在流体特别是气体中，除分子碰撞外， 4
西北大学化工原理电子教案 连续而不规则的分子运动是导致热传导的重要原因。此外，热传导也可因物体内部自由电子 的转移而发生。金属的导热能力很强的原因就在于此。 6.2.1傅立叶定律和导热系数 傅立叶定律热传导的微观机理虽难以弄清，但这一基本传热方式的宏观规律可用傅立叶定 律加以描述，即 9=-10! (6-5) on 式中at/an一法向温度梯度，℃/m或K/m: 一比例系数，称为导热系数，Wm℃)或W/(mK)。 注：此处的入与第一章摩擦系数入的区别。 方程中由于at/am指向温度增加的方向，导热方向与t/am方向相反，所以加一“_”。 导热系数物体的导热系数与材料的组成、结构、温度、湿度、压强以及聚集状态等许多因 素有关。它是物性，一般通过实验测定。 各种材料的导热系数的大小依次为： 入金属>几一般周体非金属>入液体>周体绝缘材料>气体 ①固体入固体材料的导热系数随温度而变，绝大多数质地均匀的固体，导热系数与 温度呈线性关系，可用下式表示： 2=2o(1+at) 式中一1℃时固体的导热系数，W/(mC)或W(mK): 一0℃时固体的导热系数，W(mC)或W/(mK): a-温度系数，l℃。 对大多数金属材料（汞除外）为负值(a0),t个，2↑。若金属材料的纯度不纯，会使2大大降低。 ②液体入除水和甘油等少量液体物质外，绝大多数液体1个，入↓：水、甘油t个，入个。 一般来说，纯液体的2大于溶液1。 ③气体1气体的1比液体更小，约为液体的110。固体绝缘材料的导热系数之所以很 小，就是因为空隙率大，含有大量空气的缘故。 气体t个，2↑。在通常压力范围内，压力p对1无明显的影响。只有当p<20mmHg或
西北大学化工原理电子教案 连续而不规则的分子运动是导致热传导的重要原因。此外，热传导也可因物体内部自由电子 的转移而发生。金属的导热能力很强的原因就在于此。 6.2.1 傅立叶定律和导热系数 傅立叶定律 热传导的微观机理虽难以弄清，但这一基本传热方式的宏观规律可用傅立叶定 律加以描述，即 n t q ∂ ∂ −= λ （6-5） 式中 － / ∂∂ nt 法向温度梯度，o C/m或K/m； λ － 比例系数，称为导热系数，W/(m·o C)或W/(m·K)。 注：此处的λ 与第一章摩擦系数λ 的区别。 方程中由于∂ / ∂nt 指向温度增加的方向，导热方向与∂ / ∂nt 方向相反，所以加一“−”。 导热系数 物体的导热系数与材料的组成、结构、温度、湿度、压强以及聚集状态等许多因 素有关。它是物性，一般通过实验测定。 各种材料的导热系数的大小依次为： 金属 > λλ 一般固体非金属 液体 >> λλ 固体绝缘材料 > λ 气体 ① 固体λ 固体材料的导热系数随温度而变，绝大多数质地均匀的固体，导热系数与 温度呈线性关系，可用下式表示： )1( λ = λ0 + at 式中λ －t oC时固体的导热系数，W/(m·o C)或W/(m·K)； λ0－ 0o C时固体的导热系数，W/(m·o C)或W/(m·K)； a－ 温度系数，1/o C。 对大多数金属材料（汞除外）为负值（a 0）， ， 。若金属材料的纯度不纯，会使 t ↑ λ ↓ t ↑ λ ↑ λ 大大降低。 ② 液体λ 除水和甘油等少量液体物质外，绝大多数液体 ，λ ；水、甘油 ，λ 。 一般来说，纯液体的 t ↑ ↓ t ↑ ↑ λ 大于溶液λ 。 ③气体λ 气体的λ 比液体更小，约为液体的 1/10。固体绝缘材料的导热系数之所以很 小，就是因为空隙率大，含有大量空气的缘故。 气体 ， 。在通常压力范围内，压力 t ↑ λ ↑ p 对λ 无明显的影响。只有当 p < mmHg20 或 5
西北大学化工原理电子教案 香 p>2katm时，p个，z个。 因此，一般气体=f(t),可查latm时的元。 62.2通过平壁的定态导热过程 假设有一高度和宽度均大大于厚度的平壁，厚度为δ， 两侧表面温度保持均匀，分别为t1、t2,且t1>t2。若t1、t2 不随时间而变，则壁内传热系定态一维热传导（即平壁内温 度只沿x方向变化，y和：方向上无温度变化)，则傅立叶定 律可写为： 9s-2 (6-7) dx 平壁内的温度分布在平壁内部取厚度为△x的薄层，对此薄层取单位面积作热量衡算可得 g.=q4s+Axp-cp 01 对定态导热，0t/ax=0,薄层内无热量累积，则 g=-元d=常数 (6-8) dx 当元为常数时，止为常量，即平壁内温度呈线性分布。一般取，、，的平均值1。=十 dr 2 来查（算）元m。 思考：若1随t而变，即a>0或a<0时，平壁内的温度分布又是怎样的？ 提示：q=-1d=-,1+am)业，则~x抛物线关系。 dx dx 热流量对于平壁定态热传导，热流密度q不随x变化，将式(6-8)积分得 dr--4fdx g=2= (6-9) Q==4-推动力 石=R=热阻 (6-10) 元A 上式表明热流量Q正比于推动力△1，反比于热阻R。6个或A↓或1↓，R个。 6
西北大学化工原理电子教案 6 p > atmk2 时， ， 。 p ↑ λ ↑ 因此，一般气体λ = tf )( ，可查 1atm 时的λ 。 6.2.2 通过平壁的定态导热过程 假设有一高度和宽度均大大于厚度的平壁，厚度为δ ， 两侧表面温度保持均匀，分别为 、 2t 且 1t 若 1t 、 2t 随时间而变，则壁内传热系定态一维热传导（即平壁内温 度只沿 x 方向变化，y 和 z 方向上无温度变化），则傅立叶定 1t ， 2 > t 。 不 律可写为： x t q d d −= λ （ ） 6-7 平壁内的温度分布 在平壁内部取厚度为 Δx 的薄层，对此薄层取单位面积作热量衡算可得 ∂τ ∂ ρ t cxqq xxx p Δ+ ⋅⋅Δ+= 对定态导热，∂t τ =∂ 0/ ，薄层内无热量累积，则 =−= 常数 x t q d d λ （ ） 6-8 当 为常量，即平壁内温度呈线性分布。一般取 、 的平均值 1t 2t 2 21 m tt t + λ 为常数时， = x t d d 来查（算）λ m 。 思考：若λ 随t 而变，即 或 a > 0 a < 0 时，平壁内的温度分布又是怎样的？ 提示： x t at x t q d d )1( d d λλ 0 +−=−= ，则 抛物线关系。 热流量 对于平壁定态热传导，热流密度 不随 t～x q x 变化，将式（ ）积分得 6-8 ∫∫ −= 2 1 2 1 d d x x t t x q t λ δ λ t A Q q Δ == （ ） 6-9 热阻 推动力 = Δ = Δ = R t A t Q λ δ （ ） 6-10 上式表明热流量 正比于推动力 Q Δt ，反比于热阻 R 。δ A 或或 λ ↓↓↑ ， 。 R ↑
西北大学化工原理电子教案 6.2.3通过圆筒壁的定态导热过程 工程上更多的情况是圆筒壁的导热，设有内、外半径分别为，2的圆筒，内、外表面 维持恒定的温度1、2，管长1足够大，则圆筒壁内的传热 可以看作一维热传导。由傅立叶定律得 9= (6-11) dr 圆筒壁内的温度分布 ,r是变化的，∴.g是变化的，不是一常数。 ,是一维定态导热，所以热流量Q=qA=常数 .q= =-1di 20l dr 即∫a=-2动7 o rdr 1 r+C (6-13) 2πl 由上式可以看出，圆筒壁内的温度按对数曲线变化。 热流量将上式边界条件分别代入(6-13)进行积分，得 Q=2m-4)_24-4) (6-14) In d 或改写成 0=分= (6-15) 6 Am 4,二4为对数平均面积，上式与平壁的形式相同，但R与半径r有关。 其中Am=nA,A 6.2.4通过多层壁的定态导热过程 蒸汽输送时要进行保温，经常是在输送管道外包上多层保温材料进行保温，下面以三层 平壁为例，说明多层壁导热过程的计算
西北大学化工原理电子教案 6.2.3 通过圆筒壁的定态导热过程 工程上更多的情况是圆筒壁的导热，设有内、外半径分 维持恒定的温度 1t 、 2t ，管长l 足够大，则圆筒壁内的传热 可以看作一维热传导。由傅立叶定律得 别为r1，r2的圆筒，内、外表面 r t q d d −= λ （6-11） 圆筒壁内的温度分布 ∵ r 是变化的，∴ q 是变化的，不是一常数。 ∴ ∵是一维定态导热，所以热流量 qAQ == 常数 r t rl Q d q λ π d2 −== 即 ∫∫ −= r r l Q t d 2 d πλ Cr l Q t −= ln + 2πλ （6-13） 由上式可以看出，圆筒壁内的温度按对数曲线变化 热流量 将上式边界条件分别代入（6-13）进行积分，得 。 1 2 21 1 2 (2)(2 tlttl 1 2 ln ) ln d d t r r Q − = − = πλ πλ （6-14） 或改写成 m m A ttt AQ λ δ δ λ Δ = − = 21 （6-15） 其中 12 12 m /ln AA AA A − = 为对数平均面积，上式与平壁的形式相同，但 R 与半径 r 有关。 .2.4 通过多层壁的定态导热过程 在输送管道外包上多层保温材料进行保温，下面以三层 平壁 6 蒸汽输送时要进行保温，经常是 为例，说明多层壁导热过程的计算。 7
西北大学化工原理电子教案 e 推动力和阻力的加和性对于定态一维热传导，热量在平壁 t平 内没有积累，因而数量相等的热量依次通过各层平壁，是一 典型的串联传递过程。假设各相邻壁面接触紧密，接触面两 侧温度相同，各层导热系数都为常量，则 Q==5-4=5-14 (6-18) 612d3 元A元2A元A t 或 总推动力 (6-19) R 总阻力 即通过多层壁的定态热传导，传热推动力和热阻可以加和的：总热阻等于各层热阻之和， 总推动力等于各层推动力之和。 各层的温差从上面的式子可以推出： 6-)62-1)6-4)==RR,R (6-20) 元1A2A元3A 即 △11△t2:△t3=R1:R2:R3 上式说明，在稳定多层壁导热过程中，哪层热阻大，哪层温差就大：反之，哪层温差大， 哪层热阻一定大。当总温差一定时，传热速率的大小取决于总热阻的大小。 对于多层圆筒壁 ∑.△t 总推动力 0=- (6-21) 总阻力 L Am 上述结论可以推广到多层壁中去，但前提是壁面是光滑 的，壁与壁之间的接触紧密。 接触热阻多层平壁相接时，在接触面上不可能是理想光滑的，粗糙的界面必增加传导的热 阻，此项附加的热阻称为接触热阻以」 表示，a。为接触系数
西北大学化工原理电子教案 推动力和阻力的加和性 对于定态一维热传导，热量在平壁 x t 1t 2t 3t 4t ←⎯→←⎯→ 1 δ λ1 λ2 λ3 2 δ 3 δ ←⎯→ 内没有积累，因而数量相等的热量依次通过各层平壁，是一 典型的串联传递过程。假设各相邻壁面接触紧密，接触面两 侧温度相同，各层导热系数都为常量，则 A tt tttt 21 32 43 AA Q 3 3 2 2 1 1 λ δ λ δ λ δ − == − − = （6-18） 或 总阻力 总推动力 = Δ = − = ∑ ∑ ∑ R t A tt Q λ δ 14 （6-19） 即通过多层壁的定态热传导，传热推动力和热阻可以加和的；总热阻等于各层热阻之和， 总推 各层的温差 从上面的式子可以推出： 动力等于各层推动力之和。 ( )( )( ) 321 3 3 2 2 1 1 b 433221 :: :::: RRR A b A b A tttttt =−−− = λλλ （6-20） 即 321321 Δ Δ Δ = :::: RRRttt 上式说明，在稳定多层壁导热过程中，哪层热阻大，哪层温差就大；反之，哪层温差大， 哪层热阻一定大。当总温差一定时，传热速率的大小取决于总热阻的大小。 对于多层圆筒壁 总阻力 总推动力 = Δ = ∑ ∑ Am t Q λ δ （6-21） 上述结论可以推广到多层壁中去， 提 壁 的，壁与壁之间的接触紧密。 接触面上不可能是理想光滑的 阻，此项附加的热阻称为接触热阻以 但前 是 面是光滑 接触热阻 多层平壁相接时，在 ，粗糙的界面必增加传导的热 α c A 1 表示，α c 为接触系数。 8
西北大学化工原理电子教案 6.3对流给热 工业生产中大量遇到的是流体流过固体表面时与该表面所发生的热量交换。这一过程称 为对流给热。 6.3.1对流给热过程分析 流动对传热的贡献流体的宏观流动使传热速率加快，现以流体与壁面的给热为例加以说 明。设有一冷平壁其温度保持1w,热流体流过平壁时被冷却。取某一流动截面MN,考察 该截面上的温度分布和通过壁面的热流密度。 当流体静止时（图6-10b),流体只能以传导的方 式将热量传给壁面，流体温度T在垂直于壁面方向呈 直线分布，流体至壁面的热流密度为流体导热系数和 77N 流动方向工 壁面处温度梯度之积，即 。一维夜动 b.静止藏体 9静止 = (最小) y=0,静止 当流体层流流过平壁时 c.层 9层流= (较大) 图610流体流过平壁时的温度分布 y=0,层流 当流体以湍流状态流过平壁时，由于湍流脉动促使流体在y方向上的混合，主体部分的 温度趋向均一，只有在层流内层中才有明显的温度梯度，显然在壁面附近的温度梯度更大， 热流密度也更大， (最大) =0,流 对流给热系数是流体流动载热与热传导的联合作用的结果，流体对壁面的热流密度因流 动阻力而增大。 湍流流动主要热阻集中在层流内层（湍流主体温差小），因此强化传热主要是破坏层流 内层的厚度（如粗糙管的传热效果比光滑管好）。 9
西北大学化工原理电子教案 6.3 对流给热 工业生产中大量遇到的是流体流过固体表面时与该表面所发生的热量交换。这一过程称 为对流给热。 6.3.1 流动对传热的贡献 流体的宏观流动使传热速率加快，现以流体与壁面的给热为例加以说 明。设有一冷平壁其温度保持 ，热流体流过平壁时被冷却。取某一流动截面 MN，考察 过壁面的热流密度。 对流给热过程分析 wt 该截面上的温度分布和通 当流体静止时（图 6-10b），流体只能以传导的方 式将热量传给壁面，流体温度T 在垂直于壁面方向呈 直线分布，流体至壁面的热流密度为流体导热系数和 壁面处温度梯度之积，即 δ λ λ T T q Δ ⎟ ⎟ ⎞ ⎜ ⎜ ⎛ ∂ 静止 −= （最小） 当流体层流流过平壁时 y y = ∂ ⎠⎝ = ,0 静止 层流 层流 = ,0 ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ∂ ∂ −= y y T q λ （较大） 当流体以湍流状态流过平壁时，由于湍流脉动促使流体在 温度趋向均一，只有在层流内层中才有明显的温度梯度，显然在壁面附近的温度梯度更大， 热流密度也更大， y 方向上的混合，主体部分的 湍流 湍流 ⎟ ⎟ ⎞ ⎜ ⎜ ⎛ ∂ −= T q λ （最大） 对流给热系数是流体流动载热与热传导的联合作用的结果， ⎠⎝ = ,0 ∂ y y 流体对壁面的热流密度因流 动阻力而增大。 湍流流动主要热阻集中在层流内层 温差小），因此强化传热主要是破坏层流 内层的厚度（如粗糙管的传热效果比光滑管好）。 （湍流主体 9
西北大学化工原理电子教案 香 对流给热过程的分类 强制对流{ 湍流 无相变的给热过程 层流 根据流体是否有相变化 自然对流 有相变的给热过程 蒸汽冷凝 液体沸腾 强制对流与自然对流根据引起流动的原因，可将对流给热分为强制对流和自然对流两类。 ①强制对流 流体在外力（如泵、风机或其他势能差)作用下引起的宏观流动，湍流时对流给热的阻 力主要集中在边壁附近，因此温差也主要集中在边壁附近，而流体主体温度比较均匀。 ②自然对流 如图，一高度为L的垂直平板与液体间给热过 程，平板一侧设有电热器，热量由平板另一侧传给 液体。在加热过程中，近壁的流体因温度升高，密 度下降，而向上流动，而下方未被加热的液体补充 上进而形成环流。环流的速度 ugLBAT 式中B一体积膨胀系数：△T-温差，℃。 环流速度与流动阻力有关，因而与流体的性质、流动空间的几何形状与尺寸有关。可见， 只要流体内部存在温差就会有环流。这种由温差引起的流动称为自然对流。可见，在流体中 传导过程常伴有自然对流。 自然对流的强弱与加热面的位置密切有关。除上述垂直放置以外，加热面也可以水平放 置。 问：采暖器、制冷空调应安装在房间的上方还是下方？为什么？ 6.3.2对流给热过程的数学描述 牛顿冷却定律和给热系数壁面对流体的加热或冷却由于对流的存在变得非常复杂。严格的 数学处理要求推导出流体中的温度分布，求出壁面上的温度梯度，再求出热流密度。目前， 只有少数简单的情况（如流体层流流过等温平壁）时才能获得q的解析式。工程上将对流给 热的热流密度写成： 10
西北大学化工原理电子教案 对流给热过程的分类 根据 强制对流与自然对流 根据引起流动的原因，可将对流给热分为强制对流和自然对流两类。 ① 强制对流 流体在外力（如泵、风机或其他势能差）作用下引起的宏观流动，湍流时对流给热的阻 过程中，近壁的流体因温度升高，密 度下 ⎪ ⎪ ⎩ ⎪ ⎪ ⎨ ⎧ ⎩ ⎨ ⎧ ⎪⎩ ⎪ ⎨ ⎧ ⎩ ⎨ ⎧ 液体沸腾 有相变的给热过程 蒸汽冷凝 自然对流 层流 强制对流 湍流 无相变的给热过程 流体是否有相变化 力主要集中在边壁附近，因此温差也主要集中在边壁附近，而流体主体温度比较均匀。 ② 自然对流 如图，一高度为 L 的垂直平板与液体间给热过 程，平板一侧设有电热器，热量由平板另一侧传给 液体。在加热 降，而向上流动，而下方未被加热的液体补充 上进而形成环流。环流的速度 βΔ∝ TgLu 式中 β －体积膨胀系数； ΔT －温差，o C。 环流速度与流动阻力有关，因而与流体的性质、流动空间的几何形状与尺寸有关。可见， 只要流体内部存在温差就会有环流。这种由温差引起的流动称为自然对流。可见，在流体中 安装在房间的上方还是下方？为什么？ 对流给热过程的数学描述 牛顿 得非常复杂。严格的 学处理要求推导出流体中的温度分布，求出壁面上的温度梯度，再求出热流密度。目前， 流过等温平壁）时才能获得 的解析式。工程上将对流给 传导过程常伴有自然对流。 自然对流的强弱与加热面的位置密切有关。除上述垂直放置以外，加热面也可以水平放 置。 问：采暖器、制冷空调应 6.3.2 冷却定律和给热系数 壁面对流体的加热或冷却由于对流的存在变 数 只有少数简单的情况（如流体层流 q 热的热流密度写成： T w t ρ ' ρ b a 10