第四章传热
第四章 传 热
第四章传热 4.1传热过程导论 物体或者系统内部由于温度不同而使热量发生转移的过程，称 为热量的传递，简称传热。根据热力学第二定律，只要有温度差 就将有热量自发地从高温处传到低温处，因此传热是自然界和工 程技术领域中普遍存在的一种物理现象。 4.1.1传热在化工生产中的应用 化学工业与传热问题更为密切，无论是化学反应过程，还是物 理操作过程，几乎都伴有热量的引入或导出。因此，传热是重要 的化工单元操作之一，其应用主要包括以下几方面： (1)加热或冷却流体，符合化学反应或单元操作的需要。 (2)对设备或管道进行保温、隔热，以减少热量（或冷量）损失。 (3)合理使用热源，进行热量的综合回收利用
第四章 传 热 4.1 传热过程导论 物体或者系统内部由于温度不同而使热量发生转移的过程，称 为热量的传递，简称传热。根据热力学第二定律，只要有温度差 就将有热量自发地从高温处传到低温处，因此传热是自然界和工 程技术领域中普遍存在的一种物理现象。 4.1.1 传热在化工生产中的应用 化学工业与传热问题更为密切，无论是化学反应过程，还是物 理操作过程，几乎都伴有热量的引入或导出。因此，传热是重要 的化工单元操作之一， (1) 加热或冷却流体，符合化学反应或单元操作的需要。 (2) 对设备或管道进行保温、隔热，以减少热量(或冷量)损失。 (3) 合理使用热源，进行热量的综合回收利用
4.1.2工业换热方式 化工生产中常见的热量交换方式分为： 4.1.2.1.直接混合换热法 冷、热两种流体直接进行接触，在混合过程中进行的热交换称 为直接混合式换热。这种换热方式方便有效，其设备结构也简单 常用于气体、液体的冷却和蒸汽的冷凝等。 4.1.2.2.蓄热式换热 冷、热两种流体交替地通过充填耐火砖等填料的蓄热室，利用 填料将热量储存起来由热流体传给冷流体，这种方式设备简单、 耐高温，缺点是体积大，且两流体难免存在混合，通常用于高温 气体换热。 4.1.2.3.间壁式换热 指冷热两种流体通过一固体壁面进行换热，这时两流体分别在 壁面两侧流动，热流体将热量传给固体壁面，再由壁面传给冷流 体，避免了两流体的混合，为化工中最常用的换热方式
4.1.2 工业换热方式 4.1.2.1. 冷、热两种流体直接进行接触，在混合过程中进行的热交换称 为直接混合式换热。这种换热方式方便有效，其设备结构也简单， 常用于气体、液体的冷却和蒸汽的冷凝等。 4.1.2.2. 冷、热两种流体交替地通过充填耐火砖等填料的蓄热室，利用 填料将热量储存起来由热流体传给冷流体，这种方式设备简单、 耐高温，缺点是体积大，且两流体难免存在混合，通常用于高温 气体换热。 4.1.2.3.间壁式换热 指冷热两种流体通过一固体壁面进行换热，这时两流体分别在 壁面两侧流动，热流体将热量传给固体壁面，再由壁面传给冷流 体，避免了两流体的混合，为化工中最常用的换热方式
4.1.3传热的基本方式 根据传热的机理不同，传热分为三种基本方式： 4.1.3.1.热传导（导热） 定义：热量从物质中温度较高的部分传递到温度较低的部分，或 者从高温物质传递到与之相邻的低温物质的热量传递现象。 仅借分子、原子和自由电子等微观粒子的热运动而引起热量传 递的过程，称为热传导。 特点： 由于物质微观粒子的热运动而引起的热量传递，在传热方向上 无物质的宏观位移。 √存在于固体、静止流体及滞流流体中。 发生热传导的条件是有温度差存在，其结果是热量从高温部分 传向低温部分
4.1.3 传热的基本方式 根据传热的机理不同， 4.1.3.1.热传导(导热) 定义：热量从物质中温度较高的部分传递到温度较低的部分，或 者从高温物质传递到与之相邻的低温物质的热量传递现象。 仅借分子、原子和自由电子等微观粒子的热运动而引起热量传 递的过程，称为热传导。 特点： ✓由于物质微观粒子的热运动而引起的热量传递，在传热方向上 无物质的宏观位移。 ✓存在于固体、静止流体及滞流流体中。 发生热传导的条件是有温度差存在，其结果是热量从高温部分 传向低温部分
从微观角度看，气体、液体、导电固体和非导电固体的机理各 不相同。 √气体：是气体分子做不规则热运动时相互碰撞的结果。气体分 子的动能与其温度有关，高温区的分子运动速度比低温区的大。 热量水平较高的分子与热量水平较低的分子相互碰撞的结果，热 量就由高温区传递到低温区。 √导电固体：有许多的自由电子在晶格之间运动，正如这些自由 电子能传导电能一样，它们也能将热量从高温处传递到低温区。 √非导电固体：导热是通过晶格结构的振动（即原子、分子在其平 衡位置附近的振动)来实现的。物体中温度较高部分的分子，因 振动而与相邻的分子相碰撞，并将热能的一部分传递给后者。 一般，通过晶格振动传递的热量比依靠自由电子迁移传递的热 量少，这就是良好的导电体也是良好导热体的原因
从微观角度看，气体、液体、导电固体和非导电固体的机理各 不相同。 ✓气体：是气体分子做不规则热运动时相互碰撞的结果。气体分 子的动能与其温度有关，高温区的分子运动速度比低温区的大。 热量水平较高的分子与热量水平较低的分子相互碰撞的结果，热 量就由高温区传递到低温区。 ✓导电固体：有许多的自由电子在晶格之间运动，正如这些自由 电子能传导电能一样，它们也能将热量从高温处传递到低温区。 ✓非导电固体：导热是通过晶格结构的振动(即原子、分子在其平 衡位置附近的振动)来实现的。物体中温度较高部分的分子，因 振动而与相邻的分子相碰撞，并将热能的一部分传递给后者。 一般，通过晶格振动传递的热量比依靠自由电子迁移传递的热 量少，这就是良好的导电体也是良好导热体的原因
液体： 冬一种观点认为它定性地和气体类似，只是液体分子间的距 离比较近，分子间的作用力对碰撞过程的影响比气体大得多， 因而更复杂。 冬另一种观点认为其导热机理类似于非导电固体，即主要依 靠原子、分子在其平衡位置附近的振动，只是振动的平衡位 置间歇地发生移动。 总的来说，关于导热过程的微观机理，目前仍不很清楚。本 章只讨论导热现象的宏观规律
✓液体： ❖一种观点认为它定性地和气体类似，只是液体分子间的距 离比较近，分子间的作用力对碰撞过程的影响比气体大得多， 因而更复杂。 ❖另一种观点认为其导热机理类似于非导电固体，即主要依 靠原子、分子在其平衡位置附近的振动，只是振动的平衡位 置间歇地发生移动。 总的来说，关于导热过程的微观机理，目前仍不很清楚。本 章只讨论导热现象的宏观规律
4.1.3.2.热对流（对流） 定义：由于流体质点发生相对位移而引起的热量传递过程 特点： √热对流只发生在流体中。 流体各部分间产生相对位移。 产生对流的原因 √由于流体内部温度不同形成密度的差异，在浮力的作用下产生 流体质点的相对位移，使轻者上浮，重者下沉，称为自然对流： √由于泵、风机或搅拌等外力作用而弓引起的质点强制运动，称为 强制对流。 流动的原因不同，热对流的规律也不同。在强制对流的同时常 常伴随有自然对流
4.1.3.2.热对流(对流) 定义：由于流体质点发生相对位移而引起的热量传递过程 特点： ✓热对流只发生在流体中。 ✓流体各部分间产生相对位移。 产生对流的原因 ✓由于流体内部温度不同形成密度的差异，在浮力的作用下产生 流体质点的相对位移，使轻者上浮，重者下沉，称为自然对流； ✓由于泵、风机或搅拌等外力作用而引起的质点强制运动，称为 强制对流。 流动的原因不同，热对流的规律也不同。在强制对流的同时常 常伴随有自然对流
4.1.3.3.热辐射 定义：物体以电磁波的形式在空间传递能量，被其他物体吸收后 又转变成热能的过程称为热辐射。 物体之间相互辐射和吸收能量的总结果，称为辐射传热。由于 高温物体发射的能量比吸收的多，而低温物体则相反，从而使净 热量从高温物体传递向低温物体。 特点： √可在真空中传播 √能量传递同时伴随有能量的转换 任何物体只要在绝对零度以上，都能发射辐射能，但是只有在 物体温度较高时，热辐射才能成为主要的传热方式。 实际进行的传热过程，住往不是上述三种基本方式单独出现， 而是两种或三种传热的组合，而又以其中一种或两种方式为主
4.1.3.3.热辐射 定义：物体以电磁波的形式在空间传递能量，被其他物体吸收后 又转变成热能的过程称为热辐射。 物体之间相互辐射和吸收能量的总结果，称为辐射传热。由于 高温物体发射的能量比吸收的多，而低温物体则相反，从而使净 热量从高温物体传递向低温物体。 特点： ✓可在真空中传播 ✓能量传递同时伴随有能量的转换 任何物体只要在绝对零度以上，都能发射辐射能，但是只有在 物体温度较高时，热辐射才能成为主要的传热方式。 实际进行的传热过程，往往不是上述三种基本方式单独出现， 而是两种或三种传热的组合，而又以其中一种或两种方式为主
4.1.4传热速率与热通量 衡量传热的快慢用传热速率及热通量表示。 √传热速率Q:单位时间内通过传热面的热量，W √热通量Q/S:每单位面积的传热速率，W/m2 【说明】 √传热速率和热通量是评价换热器性能的重要指标。 冬q↑，换热器性能愈好 √由于传热面积具有不同的表示形式，因此同一传热速率所对于 的热通量的数值各不相同。计算时应标明选择的基准面积。 对不同的传热方式，传热速率、热通量的名称略有差异。 传热方式 传热速率Q 热通量q 导热 导热速率 导热热通量 对流传热 对流传热速率 对流传热热通量 辐射传热 辐射传热速率 辐射传热热通量
4.1.4 传热速率与热通量 衡量传热的快慢用传热速率及热通量表示。 ✓传热速率Q：单位时间内通过传热面的热量，W ✓热通量Q/S：每单位面积的传热速率，W/m2 〖说明〗 ✓传热速率和热通量是评价换热器性能的重要指标。 ❖q↑，换热器性能愈好 ✓由于传热面积具有不同的表示形式，因此同一传热速率所对于 的热通量的数值各不相同。计算时应标明选择的基准面积。 ✓对不同的传热方式，传热速率、热通量的名称略有差异。 传热方式 传热速率Q 热通量q 导热 导热速率 导热热通量 对流传热 对流传热速率 对流传热热通量 辐射传热 辐射传热速率 辐射传热热通量
4.1.5稳态传热与非稳态传热 √稳态传热：温度仅随位置变化而不随时间变化的传热方式。 显著特点是传热速率Q为常量。 连续传热过程属于稳态传热。 √非稳态传热：温度既随位置变化又随时间变化的传热方式。 显著特点是传热速率Q为变量。 间歇传热过程属于非稳态传热
4.1.5 稳态传热与非稳态传热 ✓稳态传热：温度仅随位置变化而不随时间变化的传热方式。 显著特点是传热速率Q为常量。 连续传热过程属于稳态传热。 ✓非稳态传热：温度既随位置变化又随时间变化的传热方式。 显著特点是传热速率Q为变量。 间歇传热过程属于非稳态传热