化工原理传热.docx
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化工原理传热
化工原理（传热）
传热是指由于温度差引起的能量转移，又称热传递。
由热力学第二定律可知，凡是有温度差存在时，热就必定从高温处传递到低温处，因此传热是自然界和工程技术领域中极普遍的一种传递现象。
不管在能源、宇航、化工、动力、冶金、机械、建筑等工业部门，依旧在农业、环境爱护等其他部门中都涉及到许多有关传热的咨询题。
应予指出，热力学和传热学两门学科既有区别又有联系。
热力学不研究引起传热的机理和传热的快慢，它仅研究物质的平稳状态，确定系统由一种平稳状态变到另一种平稳状态所需的总能量；而传热学研究能量的传递速率，因此能够认为传热学是热力学的扩展。
热力学（能量守恒定律）和传热学（传热速宰方程）两者的结合，才可能解决传热咨询题：
化学工业与传热的关系尤为紧密；这是因为化工生产中的专门多过程和单元操作，都需要进行加热和冷却。
例如：
①化学反应通常要在一定的温度下进行，为了达到并保持一定的温度，就需要向反应器输入或从它输出热；
②在蒸发、蒸馏、干燥等单元操作中，都要向这些设备输入或输出热：
③化工设备的保温，生产过程中热能的合理利用以及废热的回收等都涉及传热的咨询题。
由此可见，传热过程普遍地存在于化工生产中，且具有极其重要的作用。
化工生产中对传热过程的要求经常有以下两种情形：
一种是强化传热过程，如各种换热设备中的传热；②另一种是削弱传热过程，如设备和管道的保温，以减少热缺失。
为此必须把握传热的共同规律。
本章讨论的重点是传热的差不多原理及其在化工中的应用4．1．1传热的差不多方式
按照传热机理的不同，热传递有三种差不多方式：
传导、对流和
热辐射
传热能够靠其中的一种方式或几种方式同时进行。
1．热传导（又称导热）
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热运动而引起的热量传递称为热传导（又称导热）。
热传导的条件是系统两部分之间存在温度差，现在热量将从高温部分传向低温部分，或从高温物体传向与它接触的低温物体，直至整个物体的各部分温度相等为止。
热传导在固体、液体和气体中均可进行，但它的微观机理因物态而
异。
固体中的热传导属于典型的导热方式。
在金属固体中，热传导起因于自由电子的运动；在不良导体的固体中和大部分液体中，热传导是通过晶格结构的振动，即原子、分子在平稳位置邻近的振动来实现的；在气体中，热传导则是由于分子不规则运动而引起的。
关于纯热传导的过程，它仅是静止物质内的一种传热方式，也确实是讲没有物质的宏观位移。
2，热对流
流体各部分之间发生相对位移所引起的热传递过程称为热对流（简称对流）。
热对流仅发生在流体中。
在流体中产生对流的原固有二：
一是因流体中各处的温度不同而引起密度的差别，使轻者上浮，重者下沉，流体质点产生相对位移，这种对流称为自然对流；
二是因泵（风机）或搅拌等外力所致的质点强制运动，这种对流称为强制对流。
流淌的缘故不同，对流传热的规律也不同。
应予指出，在同一种流体中，有可能同时发生自然对流和强制对流。
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）。
对流传热的特点是靠近壁面邻近的流体层中依靠热传导方式传热，而在流体主体中则要紧依靠对流方式传热。
由此可见，对流传热与流体流淌状况紧密有关。
尽管热对流是一种差不多的传热方式，然而由于热对流总相伴着热传导，要将两者分开处理是困难的，因此一样并不讨论单纯的热对流，而是着重讨论具有实际意义的对流传热。
3．热辐射
因热的缘故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，也确实是讲它能够在真空中传播。
自然界中一切物体都在不停地向外发射辐射能，同时又持续地吸取来自其他物体的辐射能，并将其转变为热能。
物体之间相互辐射和吸取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取的多，而低温物体则相反，从而使净热量从高温物体传向低温物体。
辐射传热的特点是：
不仅有能量的传递，而且还有能量形式的转移，即在放热处，热能转变为辐射能，以电磁波的形式向空间传递；当遇到另一个能吸取辐射能的物体时，即被其部分地或全部地吸取而转变为热能。
应予指出，任何物体只要在热力学温度零度以上，都能发射辐射能，然而只有在物体温度较高时，热辐射才能成为要紧的传热方式。
实际上，上述的三种差不多传热方式，在传热过程中常常不是单独存在的，而是两种或三种传热方式的组合，称为复杂传热。
例如，在高温气体与固体壁面之间的换热就要同时考虑对流传热和辐射传热等。
4．1．2传热过程中热、冷流体（接触）热交换的方式
传热过程中热，冷流体热交换可分为三种方式，各种热交换方式所用换热设备的结构也各不相同，简述如下。
1．直截了当接触式换热和混合式换热器
对某些传热过程，例如气体的冷却或水蒸气的冷凝等，可使热、
图47混台式冷凝器
3）弄潼低忖孩駁器⑴）干式逆无高悅冷柢弄
I一外克？
—眸木担氛g—气用评车一赛桂迸口5-进水订&不栓汽出口？
亠分离傑
2.蓄热式换热和蓄热器
蓄热式换热是在蓄热器中实现热交换的一种方式。
蓄热器内装有固体填充物（如耐火砖等），冷、热流体交替地流过蓄热器，利用固体填充物来积蓄和开释热量而达到换热的目的。
由于不能完全幸免两种流体的混合，因此这类设备在化工生产中使用得不太多。
如图4-2.
3.
图4-2蓄热式换热器
间壁式换热和间壁式换热器
被固体壁面
洗L壁式换热器。
在化工生产中遇到的多是间壁两侧流体的热交换，即冷、热流体
'冷它们分别在壁面两侧流淌。
固体壁面即构成间
骤:
啻式换热器的类型专门多，它们差不多上典型的传热设备。
—以壷片間冷流体通过间壁两侧的传热过程三个差不多步
热流体将热量传至固体壁面左侧（对流传热）；热量自壁面左侧传至壁面右侧（热传导）；巴_热量自壁面右侧传至冷流体（对流传热）
通常，将流体与固体壁画之间的传热称为对流传热过程，将热、冷流体通过壁面之间的传热称为热交换过程，简称传热过程
间壁式换热是本章讨沦的重点。
4.1.3典型的间壁式换热器
换热器是实现传热过程的差不多设备。
为便于讨沦传热的差不多
原理，先简单介绍典型间壁式换热器，其他类型的换热器将在4.7节中详
细讨论。
图4-4为简单的套管式换热器。
它是由直径不同的两根管子同心套在一起构成的。
冷、热流体分别流经内管和环隙而进行热的交换。
图4—5为单程管壳式换热器。
一流体由左侧封头5的接管4进入换热器内，经封头与管板6间的空间（分配室）分配至各管内，流过管束2后,
由另一端的接管流出。
另一流体由壳体右侧的接管3进人，壳体内装有数块挡板乙使流体在
壳与管束间沿挡板作折流流淌，而从另一端的壳体接管流出。
通常,把流体流经管束称为流经管程，将该；经管间环隙称为流经壳程。
|
L管获JT1■:
在管束内只流过一次，故称为单程管壳换热
图4唸取程管壷式换热器
1—壳体-—悴束3—擱板4—阪板
图4-6为双程管壳式换热能，隔板4将分配室等分为二，管程流体只能先经一半管束，待流到另一端分配室折回再流经另一半管束，然后从接管流出换热器。
由于管程流体在管束内流经两次，故称为双程管壳式换热
器。
若流体在管束内来回流过多次，称为多程（例如四程、六程等）换热器由于两流体间的传热是通过管壁进行的，故管壁表面积即为传热面积。
明显，传热面积愈大，传递的热量愈多。
SndL4-1
关于特式定的S管壳式热面积器,m其传热面积可按下式运算，即
n—管数；
d—管径，m;
L—管长，m。
应予指出，式中管径d可分别用管内径di、管外径do或平均直径
dm
（即（di+d。
）/2）来表示，则对应的传热面积分别为管内侧面积Si、外侧
面积
S。
或平均面积Sm。
关于一定的传热任务，确定换热器的传热面积是设计换
热器的主题，以后各节将要围绕此咨询题进行讨沦。
在换热器中两流体间传递的热，可能是相伴有流体相变化的潜热,例如冷凝
或沸腾；亦可能是流体无相变化、仅有温度变化的显热，例如加热或冷却。
换热器的热衡确实是传热运算的基础之一。
4.1.4传热速率和热通量
在换热器中传热的快慢用传热速率来表示，传热速率是传热过程的差不多参数。
传热速率（又称热流量）是指在单位时刻内通过传热面的热量，用Q表示，单位为W。
热通量（又称传热速度）是指单位传热面积的传热速率，用q表示，单位为W/m2。
热通量和传热速率间的关系为
dQ
dS
由于换热器的传热面积能够用圆管的内表面积Si、外表面积So或平均表面积Sm表示，因此相应的热通量的数值各不相同，运算时应标明选择的基准面积。
自然界中传递过程的普遍关系为：
传递过程速率与过程的推动力成正传热过程速率可表示为
屮温度差
传热阻力
温度差t,阻力R或R
比，与过程的阻’亠L"传热速率
Q—或Q—
RR
式对不同的传个情热面的热阻热阻的表达方式，即可求得传热速率。
为了
R—单位传热面积的热阻提升传热速率或热通量'，关键在于减小传热过程的热阻。
应予指出，传热速率和热通量是评判换热器性能的重要指标
4．1．5稳态传热和非稳态传热
在传热系统（例如换热器）中不积存能量（即输入的能量等于输出的能量）的传热过程称为稳态传热。
稳态传热的特点是传热系统中温度分布不随时刻而变，且传热速率在任何时刻都为常数。
连续生产过程中的传热多为稳态传热。
若传热系统中温度分布随时刻而变化，则这种传热过程为非稳态传热。
工业生产上间歇操作的换热设备和连续生产时设备的开工和停工时期，都为非稳态传热过程。
化工过程中遇到的大多是稳态传热。
因此，本章重点讨论稳态传热。
4.1.6载热体及其选择
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）。
对一定的传热过程，待加热或冷却物料的初始及终了温度常由工艺条件决定，因此需要提供或取出的热量是一定的。
热量的多少决定了传热过程的操作费用。
但应指出，单位热量的价格因载热体而异。
例如，当加热时，温度要求愈高，价格愈贵；当冷却时，温度要求愈低，价格愈贵。
因此为了提升传热过程的经济效益，必须选择适当温位的载热体。
同时选择载热体时还应考虑以下原则：
1载热体的温度易调剂操纵；
2载热体的饱和蒸气压较低，加热时不易分解；
3载热体的毒性小，不易燃、易爆，不易腐蚀设备
4价格廉价，来源容易。
工业上常用的加热剂有热水、饱和蒸汽、矿物油、联苯混合物、
熔盐及烟道气等。
它们所适用的温度范畴如表4—1所示。
若所需的加热温度专门高，贝懦采纳电加热。
工业上常用的冷却剂有水、空气和各种冷冻剂。
水和空气可将物料最
低冷却至环境温度，其值随地区和季节而异，一样不低于20-30C。
在水资
源紧缺的地区，宜采纳空气冷却。
一些常用冷却剂及其适用温度范畴如表4-2所示。
4-1常用加热剂及其适用温度范畴
加热剂
热水
饱和蒸
汽
联苯混合物
熔岩（KNO53%,
NaNO40%,NaNO37%）
烟道气
矿物油
适用温度厂C
40-100
100-180
255-380
142-530
1000
180-250
4-2常用冷却剂及其适用温度范畴
冷却剂
水（自来水、河水、井水）
空气
盐水
氨蒸汽
适用温度/C
0-80
>30
0~-15
<-15~-30
4.2热传导
4.2.1差不多概念和傅里叶定律
1.温度场和温度梯度，
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形。
温度场确实是任一瞬时物体或系统内各点的温度分布总和。
一样情形下，物体内任一点的温度为该点的位置以及时刻的函数，
故温度场的数学表达式为
式中x,y,z—物体内任一点的空间坐标；
t—温度，C或K;B—时刻，s。
若温度场内各点的温度随时刻而变，此温度场为非稳态温度场，这种温度场对应于稳态的导热状态。
若温度场内各点的温度不随时刻而变，即为稳态温度场。
稳态温度场的数学表达式为
t
tfx,y,z,045
稳态的一维温度场
tft,—0,——046
yz
在专门的情形下.若物体内的温度仅沿一个坐标方向发生变化，此温度场为稳态的一维温度场。
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。
由于某瞬时内空间任一点上不可能同时有不同的温度，故温度不同的等温面彼此不能相交。
由于某瞬时内空间任一点由于等温面上温度处处相等，故沿等温面将无热量传递，而沿与等温面相交的任何方向，因温度发生变化则有热量的传递。
温度随距离的变化程度以沿与等温面的垂直方向为最大。
通常，将温度为（t+△t）与t两相邻等温面之间的温度差△t与两面间的垂直距离△n之比值的极限称为温度梯度。
温度梯度的数学定义式为
t
温度梯度可表示为
graWi
图心7温雯梯度和（S
里叶定律
补充内容：
一、热传导的差不多概念和傅立叶定律
1傅里叶（Fourier）定律
傅立叶定律为热传导的差不多定律，表示通过等温表面的导热速率
与温度梯度及传热面积成正比，即
dQdS-^或dQ=-dS-^4—7
nn
式中Q—导热速率，即单位时刻传导的热，其方向与温度梯度的
方向相反，W;
S—等温表面的面积，m2;
入一比例系数，称为导热系数，W/（m「C）。
式4-7中的负号表示热流方向总是和温度梯度的方向相反，如图4—7
所示。
应予指出，傅里叶定律不是按照差不多原理推导得到的，它与牛顿黏性定律相类似，导热系数入与黏度卩一样，也是粒子微观运动特性的表现。
可见，热量传递和动量传递具有类似性。
4.2.2导热系数
由式（4—7）改写后可知，即
dQ
dS」
导热系数在数值上等于单位温度梯度下的热通量。
因此，导热系数表征物
质导热能力的大小，是物质的物理性质之—；导热系数的数值与物质的组成、结构、密度、温度及压强有关。
各种物质的导热系数通常用实验方法测定。
导热系数数值的变化范畴专门大。
一样来讲，金属的导热系数最大，非金属固体次之，液体较小，气体最小。
工程运算中常见物质的导热系数可从有关手册中查得，本书附录中也有部分摘录，供做习题时查用。
一样情形下各类物质的导热系数大致范畴见衷4-3。
表中数据表明了气体、液体和固体的导热系数的数量级范畴。
1．固体的导热系数在所有的固体中，金属是最好的导热体。
纯金属的导热系数一样随温度升高而降低。
金属的导热系数大多随其纯度的增高而增大，因此，合金的导热系数一样比纯金属要低。
非金属的建筑材料或绝热材料的导热系数与温度、组成及结构的紧密程度有关，通常随密度增加而增大，随温度升高而增大。
对大多数固体，入值与温度大致成线性关系，即
01at48
式中入一固体在温度为tc时的导热系数，W/（m•C）;
入0――固体在0C时的导热系数，W/（m•C）;
ax—常数，又称温度系数，1/C。
对大多数金属材料，a，为负值对大多数非金属材料，a/为正值。
2.液体的导热系数液体可分为金属液体和非金属液体。
液态金属的导热系数比一样液体的要高。
在液态金属中，纯钠具有较高的导热系数。
大多数液态金属的导热系数随温度升高而降低。
在非金属液体中，水的导热系数最大。
除水和甘油外，液体的导热系数随温度升高略有减小。
一样讲来，纯液体的导热系数比其溶液的要大：
溶液的导热系数在缺乏实验数据时，可按纯液体的入值进行估算。
有机化合物水溶液的导热系数估算式为
m0・9aii
式中a组分的质量分数;
下标m表示混合液，i表示组分的序号
有机化合物的互溶混合液的导热系数估算式为
aii49a
3.气体的导热系数
气体的导热系数随温度升高而增大。
在相当大的压强范畴内，气体的导热系数随压强的变化甚微，能够忽略不计。
只有在过高或过低的压强（高于2x105kPa或低于3kPa）下，才考虑压强的阻碍，现在随压强增高导热
dQWW
系数增大位：
—-——kmv
气体的导热系数专门小,对导热不利，然而有利于保温、绝热。
工业上所义的保温材料表示温如玻度棉I为1,确实是积为其间隙中有气体，因此其导热系数士
3影晌因素：
与物质
热能力的一个物性参数
越的导热系数可用下式估算，即
同一种材料，密度越大，则
，例如冰、水、水汽的各不相同，同一物质，固、液、气，以
y--气体混合物中组分的摩体分数小
分的摩尔质量，kg/kmolo
o—0C时导热系数
金属a0
a—温度系数韭
非金属a0
:
曰
iyiMi与物质内部结构有关,与物质的物理状态有关
式中
温度的影响
液体：
般液体，t
固体：
补充:
01at
气体：
一般随t,,而气体的都很小
4.2.3通过平壁的热传导
1.单层平壁的热传导
h
—8所示。
或Q—
bR
S
Qtt
假设平壁材料平均，导热系数入不随温度而变（或取平均导热系数）；
平壁内—平壁度仅沿垂直于壁面的x方向变化，因此等温面是垂直于x轴的平面；平壁面积与热推相力比是专门大的，故从壁的边缘处缺失的热能够忽
应予指出，式4—12适用于入为常数的稳态热传导过程。
实际上，物体内不同位置上的温度并不相同，因而导热系数也随之而异。
然而在工程运算中，关于各处温度不同的固体，其导热系数能够取固体两侧面温度下入值的算术平均值，或取两侧面温度之算术平均值下的入值。
能够证明,
当导热系数随温度呈线性关系时，用物体的平均导热系数进行热传导的运算，将可不能引起太大的误差。
在以后的热传导运算中，一样都米纳平均导热系数。
当入为常数时，平壁内温度分布为直线，当入为温度的函数时，平壁内温度分布为曲线。
见例4-1。
式4-12表明导热速率与导热推动力成正比，与导热热阻成反比；还可看出，导热距离愈大，传热面积和导热系数愈小，则导热热阻愈大。
必须强调指出，应用热阻的概念，对传热过程的分析和运算差不多上十分有用的。
由于系统中任一段的热阻与该段的温度差成正比，利用这一关系能够运算界面温度或物体内温度分布。
反之，可从温度分布情形
判定各部分热阻的大小。
此外，还可利用串、并联电阻的运算方法来类比运算复杂导热过程的热阻。
运算结果表明，将导热系数按常量或变量运算时，所得的导热通量是相同的，而温度分布则不同，前者为直线，后者为曲线。
因此工程中运算热通量时，可取平均温度下的导热系数的数值，即导数系数按常数处理是可行的。
2.多层平壁的热传导
如图4-9所示。
图4-9三层平壁的热传导
出1,b2,b3导热系数分别为入1、入2和入3。
假设层
QQiQ2Q3,
贝在稳态导热时Q通过各层的导热速率必相等，即t2t2t3Q"b*,
2S
t3t3t4
3S
三式相加并整理得
对n层平壁，热传导速率方程式为
trtn1t
QnbiR篦14
式中下S喻示平壁的序号有柜同
由式州面14可见，多层平壁热传导的总推动力为各层温度差之和，即i总温度差，总热阻为各层热阻之和。
的缘&
穴内又充满空气，因此，传热过程包括通过实际接触面的热传导和通过空穴的热传导〈高温时还有辐射传热）二一般来说,因气体的导热系数很小,接触热阻主要由空穴造成匸接触热阻的影响如图470所示。
所以R1120-0.9012.83m2C/W
图4-11单层圆薛璧的热转导
化工生产中常遇到圆筒壁的热传导，它与平壁热传导的不同处在于圆筒壁的传热面积不是常量，随半径而变；同时温度也随半径而变。
1•单层圆筒壁的热传（导
Q仿平壁热传导公式,d通过该薄圆筒壁的导热速率为
Sm
SmEt2Smllt2q—7；；石
ri
r式中2rm——圆筒壁的对数平均半径，m；
Sm――圆筒壁的内、外表面的对数平均面积，m2。
化工运算中，经常采纳两量的对数平均值。
当两个物理量的比值等于2时，算术平均值与对数平均值相比，运算误差仅为4%,这是工程运算承诺的。
因此当两个变量的比值小于或等于2时，经常用算术平均值代替对数平均值，使运算较为简便。
2.多层圆筒壁的热传导
多层（以三层为例）圆筒壁的热传导，如图4-12所示
图*12零层间简辞热件导
例1：
在外径为壁厚0分的为汽b道外面包一热系数分别为m,唇热系数2和为）胭。
假设层与层缘材料，管壁温度为180C，环境温度为20C，保温层外表面与环境的总给热系数为101
1每间接
P相接?
保温层外表面度相同为各表面温度为t1,t2,t3，t级若在原保温层外面再包一层厚度相同，导热系数为0.15WmK1的绝缘材料，则每米管长热损失与外表。
面温度有何变化？
解：
1r1150/275mm0.075m
Q75140t2115tmm0.115m-t4
Q
Ed2r11b3.14bs0.075R1
S21Sm?
®2S2n23.14^S031151q$+裂九场0.722
热与导热系数为设对层保温层的其QtQ匚區衣Q0芒
1n40mm,2
R247Rm2
2
0.722m
0.5966m2
内的温度分布也不是直线而是曲线。
保温
导速8率方程式为
5—〜。
1■希\20忆4C
S?
若若再包一层狀140mm,2045W^mK1的材料，设两材料之间
那7$2+0.q4i221L180r20
十丁止4『帀0塩t21
BE
询询2TS2
的温度为to,则:
Sm2
23i1气「1
0Q734!
b~
jS赢0z2莎戲340059668m10°.722
Q.3对流传热概述2
197.8W
匚
0.040.04_V
|Smi2612r-Ss-
0.10.59660.150.8478100.9734
t如前所述，流体流过固体壁面c流体温度与壁面温度不同；m.
称为对流传热。
1它在化3工传热过程（如间壁式换热器）中占有重要的地位因此，每
147.1W
）时的传热过程
因此，对流传热过程机理较复杂W，其传热速率与专门多C因素有关。
按照流体在传热过程中的状态，对流传热可分为两类。
（1）流体无相变的对流传热流体在传热过程中不发生相变化，依
据流体流淌缘故不同，可分为两种情形。
①强制对流传热，流体因外力作用而引起的流淌；
②自然对流传热，仅因温度差而产生流体内部密度差引起的流体对流流淌。
（2）流体有相变时的对流传热流体在传热过程中发生相变化，它分为两种情形。
1蒸气冷凝，气体在传热过程中全部或部分冷
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