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流体力学与传热Ⅱ：第 221–230 页

流体力学与传热 Ⅱ 课堂笔记
间壁式换热器
• 套管式换热器：内管流一种流体，外管流另一种流体，通过壁面换热
• 列管式换热器： 管束插在管板上， 管内流一种流体， 壳内流另一种流体， 加挡板
使壳程流体绕行
• 传热面积计算：列管式 𝐴 = 𝑛𝜋𝐷𝐿（𝑛 为管数）
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流体力学与传热 Ⅱ 课堂笔记
载热体
定义
载热体是用于加热或冷却的介质，可以是加热介质，也可以是冷却介质
• 要求：温度易调节、不易分解、毒性小、不易燃易爆、价格便宜
• 常用加热剂： 热水 （40∼100℃） 、 饱和水蒸气 （100∼180℃） 、 烟道气 （可达1000℃）
• 常用冷却剂：水（ 30∼80℃） 、空气、冷冻盐水（-15℃） 、液氨（-30℃） 、液氮
（-196℃，较贵）
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流体力学与传热 Ⅱ 课堂笔记
热负荷、传热速率与热通量
定义
热负荷：完成工艺所需吸收或放出的热量（由工艺流体确定，即” 所需”）传热
速率 （热流量）： 单位时间通过换热器能传递的热量 （设备能提供的， 即” 所能”）
热通量（热流密度）：传热速率除以传热面积
注意
热负荷、传热速率、热通量三者含义不同，切勿混淆。热负荷是工艺所需，传
热速率是设备所能，热通量是单位面积上的传热速率。
传热章节考试重点
• 第四章传热在期末考试中占约 40 多分，加上流体力学内容共占 80∼85 分
• 重点：三种传热方式及其基本方程式、综合传热计算（第五节，最难） 、换热器
设备介绍
11 月 19 日
传热基本概念：热负荷、热流量、热通量
• 热负荷：按工艺要求，将物料加热 /降温到指定温度所必须吸收或放出的热量，
是工艺提出的要求。
• 热负荷计算：𝑄 = 𝑚𝑐𝑝(𝑡2 − 𝑡1)（质量 × 比热 × 温差） 。
• 热流量（传热速率）：单位时间通过换热器传递的热量，单位 J/s（W） ，是设备
能提供的传热能力。
• 热通量（热流密度）：单位时间通过单位面积传递的热量，𝑞 = 𝑄/𝐴。
• 三者关系：热负荷是工艺要求，热流量与热通量是换热器提供的性能。
定义
热流量指单位时间通过换热器传递的热量；热通量指单位时间通过单位面积传
递的热量，即热流量除以传热面积 𝐴。
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流体力学与传热 Ⅱ 课堂笔记
稳态传热与非稳态传热
• 稳态（定态）传热：温度只随位置变化，不随时间变化；传热速率是常数。
• 稳态传热特点：进口热量等于出口热量，每个传热面上不同时刻温度相同，但
并非不传热。
• 非稳态（非定态）传热：温度随时间变化，传热速率是变量。
• 类比：与第一章的稳态流动、非稳态流动概念一致。
• 例子： 一杯热水放凉、 热菜放进冰箱， 都是非稳态传热； 恒温电热水器、 恒温电
暖器属于稳态传热。
注意
一杯热水放着变凉的过程不是稳态传热。稳态传热要求一端持续供热、另一端
持续放热，各截面温度保持恒定，而非随时间逐渐降温。
间壁式换热过程
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流体力学与传热 Ⅱ 课堂笔记
• 间壁式换热是本章重点，热流体与冷流体被固体壁面隔开，热量通过壁面传递。
• 传热路径（三步） ：
1. 热流体 → 管外壁：对流传热
2. 管外壁 → 管内壁：热传导（固体壁面）
3. 管内壁 → 冷流体：对流传热
• 流体内部（除非层流或静止）以对流方式传热；固体壁面以传导方式传热。
• 稳态条件下，每个截面处的传热速率相等。
例
套管换热器： 蓝色内管走一种流体， 红色套管走另一种流体， 热量依次经对流—
传导—对流完成传递。
温度场与等温面
• 温度场：某一时刻物体各点的温度分布，用坐标 (𝑥, 𝑦, 𝑧)与时间 𝑡 描述。
• 稳态温度场：不随时间变化，只随位置变化。
• 一维稳态温度场：只沿一个传热方向变化。
• 等温面：将温度相同的点连成的面，类似地理中的等高线。
• 等温面上各点温度相同，故等温面本身不传热；热量只在不同的等温面之间传
递。
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流体力学与传热 Ⅱ 课堂笔记
• 不同的等温面不能相交。
定义
温度场指某一时刻物体各点的温度分布；等温面指温度相同的点所组成的面。
温度梯度
• 温度梯度：不同等温面之间，沿法线方向的温度变化率，即温度变化除以距离。
• 描述温度场不均匀程度的参数，是一个矢量。
• 方向：从低温指向高温（温度增加的方向）为正。
• 一维情况下只考虑传热方向上的分量。
• 类比：与第一章的速度梯度概念相似。
定义
温度梯度指在某个微元面上，温度沿法线方向的变化率，是矢量，方向为温度
增加的方向。
傅里叶定律
• 通过等温表面的热传导速率与温度梯度及传热面积成正比，比例系数为导热系
数。
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流体力学与传热 Ⅱ 课堂笔记
• 一维表达式：𝑞 = −𝜆 𝑑𝑇
𝑑𝑥 （热通量形式） 。
• 负号含义：温度梯度方向从低温指向高温，而传热方向从高温指向低温，故加
负号。
• 类比：与牛顿粘性定律形式相似（剪切力与速度梯度成正比） 。
定义
傅里叶定律：通过等温表面的热传导速率与温度梯度及传热面积成正比，比例
系数为导热系数 𝜆。
例
傅里叶定律与牛顿粘性定律对比：
• 牛顿粘性定律：剪切力 ∝ 表面积 × 速度梯度（动量传递）
• 傅里叶定律：传热速率 ∝ 传热面积 × 温度梯度（热量传递）
• 推动力：速度梯度 vs 温度梯度；比例系数：粘度 vs 热导率。
导热系数（热导率）
• 𝜆 是物性参数，可查表得到，𝜆 越大导热性能越好。
• 物理意义：单位温度梯度下的热通量。
• 影响因素：结构、组成、密度、温度、压力。
• 量级范围：
– 金属固体：10∼100 W/(m·K)
– 建筑材料：0.1∼1 W/(m·K)
– 绝热材料：0.01∼0.1 W/(m·K)
– 液体：约 1 W/(m·K)
– 气体：约 0.01 W/(m·K)
• 一般规律：金属固体 > 非金属固体 > 液体 > 气体。
• 金属中导热性能最好的是银，其次为铜。
• 气体热导率很小，通常用于保温而非导热。
• 气凝胶含 90% 以上气体，热导率仅零点零几，是优良绝热体。
• 石墨烯热导率可达 5300 W/(m·K)，是优良的热导体和电导体。
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流体力学与传热 Ⅱ 课堂笔记
注意
金属是良好的热导体同时也是良好的电导体（机理相同，均为自由电子运动） ；
但非金属不一定同时是良好的电导体。
导热系数与温度的关系
• 固体：𝜆 = 𝜆0(1 + 𝑎𝑡)，𝜆0 为 0℃ 时的热导率。
– 大多数金属：𝑎 < 0，温度越高，热导率越小。
– 大多数非金属：𝑎 > 0，温度越高，热导率越大。
• 金属中纯金属的热导率大于合金。
• 非金属在相同温度下，密度越大，导热性越好。
• 液体：水的热导率最大；金属液体 𝜆 较高；纯液体大于溶液；温度越高热导率
越小。
– 例外：水银、甘油温度越高热导率越高。
• 气体：温度越高热导率越低。
注意
不能笼统认为” 温度升高热导率一定增大”，需区分材料：大多数金属随温度升
高热导率减小，大多数非金属随温度升高热导率增大。
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流体力学与传热 Ⅱ 课堂笔记
平壁一维稳态热传导
• 应用实例：多层中空玻璃、高温炉壁的多层砖墙。
• 计算假设：
1. 平壁面积很大、厚度很薄，只考虑厚度方向的传热。
2. 材料均匀，导热系数用平均热导率。
3. 温度只沿 x 方向变化，不随时间变化（稳态） 。
• 推导方法：取厚度为 𝑑𝑥 的微元做热量衡算，稳态下各位置传热速率相等。
• 积分结果：𝑄 = 𝜆𝐴
𝑏 (𝑡1 − 𝑡2)，其中 𝑏 为壁厚，𝑡1、𝑡2 为两侧温度。
定义
平壁一维稳态热传导：热量只沿厚度方向传递，各截面传热速率相等，传热速
率 𝑄 = 𝜆𝐴
𝑏 (𝑡1 − 𝑡2)。
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流体力学与传热 Ⅱ 课堂笔记
圆筒壁热传导
• 应用实例：间壁式换热器通过管壁的传热、高温炉壁多层砖墙。
• 工业中比平壁更常见，因为换热器管壁均为圆筒壁。
• 分单层圆筒壁与多层圆筒壁两种情况。
注意
圆筒壁热传导与平壁不同：圆筒壁的传热面积沿半径方向变化，不能直接用平
壁公式，需考虑面积随半径的变化。
• 间壁式换热中更常见的是圆筒壁
• 壁厚 = r2 - r1
• 假定：稳态传热、仅考虑沿壁厚方向传热
• 与平壁的区别：传热面积 A = 2πrl 随半径 r 变化，面积不能移出积分
Study Notes 230 / 341 先看条件，再套公式

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