第6章化工原理传热1

1、第六章第六章 传热传热第一节第一节 概述概述 一、概述一、概述 （一）、传热过程在化工生产中的应用（三大方面（一）、传热过程在化工生产中的应用（三大方面）A、工生产中的化学反应过程，需控制在一定的温度下进行；B、 在蒸发、蒸馏、干燥等单元操作中也存在传热问题；C、在高温或低温下操作的设备或管道，需要保温或隔热。 总之，传热是化工过程中最常见的单元操作之一，了解和掌握传热的基本规律十分重要。 第六章第六章 传热传热 化工生产中常见的传热问题一般可分为两类：化工生产中常见的传热问题一般可分为两类： A、 一类要求传热速率一类要求传热速率Q 高高 B、 另一类要求另一类要求Q 低低 （二）（二） 、

2、传热过程中冷热流体的接触方式、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。 第六章第六章 传热传热1、 直接接触式传热直接接触式传热这种接触方式，传热面积大，设备亦简单。典型的直接接触式换热设备是由塔型的外壳及若干促使冷、热流体密切接触的内件（如填料等）组成。 由于冷、热流体直接接触，这种传热方式必伴有传质过由于冷、热流体直接接触，这种传热方式必伴有传质过程同时发生。因此，直接接触式传热在原理上与单纯传热过程程同时发生。因此，直接接触式传热在原理上与单纯传热过程有所不同。关于这方面的内容在第十二章将详细讨

3、论。有所不同。关于这方面的内容在第十二章将详细讨论。 第六章第六章 传热传热 2、 间壁式传热间壁式传热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P230 图6-2a 所示的套管式换热器。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这种热量传递过程包括三个步骤：个步骤：（1）、热流体给热于热流体侧的管壁；（2）、热量自热流体侧壁面传导至冷流体侧壁面；（3）、冷流体侧壁面给热于冷流体。 t1T1 T2 t2 套管式传热（或换热）过程：传热（或换热）过程： 是指在冷、热流体之间进行的热量传递总过程。给热过程

4、：（对流传热过程）给热过程：（对流传热过程） 是指热、冷流体与壁面之间的热量传递过程。 第六章第六章 传热传热 3、 蓄热式传热蓄热式传热蓄热式换热器又称蓄热器，是由热容量较大的蓄热室构成，室内可填充耐火砖等各种填料。 一般说来，这种传热方式只适用于气体介质，对于液体一般说来，这种传热方式只适用于气体介质，对于液体会有一层液膜粘附在固体表面上，从而造成冷热流体之间的少会有一层液膜粘附在固体表面上，从而造成冷热流体之间的少量掺混。量掺混。实际上，即使是气体介质，这种微量掺混也不可能完全避免。如果这种微量掺混也是不允许的话，便不能采用这种传热方式。这种传热方式只适用于气体的另一原因，是气体的这种传

5、热方式只适用于气体的另一原因，是气体的体积比热容较填充物小得多，液体则不然。体积比热容较填充物小得多，液体则不然。 第六章第六章 传热传热 （二）（二） 、载热体及其选择、载热体及其选择 载热体：载热体： 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。（即：在换热过程中，用于加热冷流体或冷却热流体的流体。）起加热作用的载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。热体称为加热剂；而起冷却作用的载热体称为冷却剂。 工业上常用的加热剂有：工业上常用的加热剂有： 热水、饱和水蒸气、矿物油、联苯混合物、熔盐和烟道气等，几种常用加热剂所适用的温度范围如P2

6、31 表6-1所示。若所需加热温度很高，须采用电加热。若所需加热温度很高，须采用电加热。 第六章第六章 传热传热工业上常用的冷却剂有：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周围环境的温度，随地区而异，一般不低于20300C（地下水可更低些）。如果工艺上要求将物料冷却至环境温度以下，则必须如果工艺上要求将物料冷却至环境温度以下，则必须采用经冷冻过程制取的冷冻剂。采用经冷冻过程制取的冷冻剂。 某些无机盐类（如CaCl2、NaCl等）的水溶液是最常用的冷冻剂，可将物料冷至零下十几度以至几十度的低温。 如果工艺上要求的冷却温度更低，则可借某些低沸点液体如果工艺上要求的

7、冷却温度更低，则可借某些低沸点液体的蒸发达到目的。的蒸发达到目的。例如，在常压下液态氨蒸发可达到-33。40C 的低温，液态乙烷蒸发可达到-88。60C 的低温，而液态乙烯蒸发可达到-103。70C的低温。但是，低沸点液体的制取须经深度但是，低沸点液体的制取须经深度冷冻，而深度冷冻的能量消耗是巨大的。冷冻，而深度冷冻的能量消耗是巨大的。 第六章第六章 传热传热 对一定的传热过程，被加热或冷却物料的初始与终了温度由工艺条件决定，因而需要提供和移除的热量是一定的。此热量的大小( (热负荷）热负荷）就是传热过程的基本费用。 但必须指明，单位热量的价格是不同的，对加热而言，但必须指明，单位热量的价格是

8、不同的，对加热而言，温位越高，价值越大；对冷却而言，温位越低，价值越大。温位越高，价值越大；对冷却而言，温位越低，价值越大。因此，为提高传热过程的经济性，必须根据具体情况选择适因此，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。当温位的载热体。 除此之外，在选择载热体时还应参考以下几个方面： （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。 综上所述，在温度不超过综上所述，在温度不超过1800C的条件下，饱和水蒸气是最适宜的条件下，饱和水蒸气是最适宜的加

9、热剂；而当温度不很低时，水是最适宜的冷却剂。的加热剂；而当温度不很低时，水是最适宜的冷却剂。 第六章第六章 传热传热二、传热过程二、传热过程 间壁式传热在化工生产中的应用最为广泛，故以下讨论仅限于此种传热过程。1、 传热速率传热速率 传热过程的速率可用两种方式表示。（1）热流量）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；（2）热流密度（或热通量）热流密度（或热通量）q： 单位时间、通过单位传热面积所传递的热量W/m2，即 q=dQ/dA （6-1） 与热流量与热流量Q不同，热流密度不同，热流密度q与传热面积与传热面积A大小无关，大小无关，完全取决于冷、热流体之间

10、的热量传递过程，是反映具体传完全取决于冷、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。热过程速率大小的特征量。 第六章第六章 传热传热 工业上大多涉及定态传热过程。对于定态传热过程工业上大多涉及定态传热过程。对于定态传热过程Q和和q以及有关的物理量都不随时间而变。以及有关的物理量都不随时间而变。 本章本章25节着重建立定态传热过程的热流密度计算式。节着重建立定态传热过程的热流密度计算式。 2、 换热器的热流量换热器的热流量 对于定态传热过程，热流密度不随时间而变，但沿管长是变对于定态传热过程，热流密度不随时间而变，但沿管长是变化的。化的。因为在传热过程中，冷、热流体的温度沿管

11、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A，由式（6-1）可推出换热器的热流量为 Q=A q dA （6-2） 由上式可知，为计算换热器的热流量，单有热流密度的计算由上式可知，为计算换热器的热流量，单有热流密度的计算方法是不够的，还必须找出热流密度沿传热面的变化规律。方法是不够的，还必须找出热流密度沿传热面的变化规律。 本章第六节将导出换热器热流量的计算式。本章第六节将导出换热器热流量的计算式。 第六章第六章 传热传热 3、 非定态传热过程非定态传热过程 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QT。设上述夹套换热器的传热面积为A，则根据热流密度的定义

12、可写出 q = d QT/ A d （6-3） 将上式积分，可求出在任何时刻的累积传热量为 QT=A0qd （6-4） 显然，为计算累积传热量显然，为计算累积传热量QT，必须知道热流密度必须知道热流密度q随时间的变化随时间的变化规律。规律。 第六章第六章 传热传热 4、传热机理传热机理 热量的传递是由于物体内部、或物体之间的温度不同而引起的。根据热力学第二定律，热量总是自动地从温度较高的物根据热力学第二定律，热量总是自动地从温度较高的物体，传给温度较低的物体，只有在消耗机械功的条件下，才有体，传给温度较低的物体，只有在消耗机械功的条件下，才有可能由低温物体向高温物体传递热量，如：制冷过程。本章

13、只可能由低温物体向高温物体传递热量，如：制冷过程。本章只讨论高温物体自动向低温物体的传热。讨论高温物体自动向低温物体的传热。 热量传递的基本方式有三种热量传递的基本方式有三种：热传导简称导热、对流、热辐射。此三种传热方式的基本理论已在物理学中论述。 固体内部的热量传递只能以传导的方式进行，但流体与换热器壁面固体内部的热量传递只能以传导的方式进行，但流体与换热器壁面之间的给热过程则往往同时包含对流与传导，对高温流体则还有热辐之间的给热过程则往往同时包含对流与传导，对高温流体则还有热辐射。射。 第六章第六章 传热传热第二节第二节 热传导热传导 热传导是起因于物体内部分子微观运动的一种传热方式。热传

14、导的机理相当复杂，目前还了解得很不完全。简而言简而言之，固体内部的热传导是由于相邻分子在碰撞时传递振动能之，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的结果。 在流体特别是气体中，除上述原因以外，连续而不规则在流体特别是气体中，除上述原因以外，连续而不规则的分子运动（这种分子运动不会引起流体的宏观流动）更是的分子运动（这种分子运动不会引起流体的宏观流动）更是导致热传导的重要原因。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。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，其原因就在于此。金属的导热能力很强，其原因就在于此。 第六章第六章

15、 传热传热 温度场和温度梯度温度场和温度梯度 温度场：物体（或空间）各点温度在时空中的分布温度场：物体（或空间）各点温度在时空中的分布。 t = f （x、y、z、） 不稳定温度场： 稳定温度场：t = f （x、y、z、） 等温面：等温面：t 相同的点所组成的面。温度不同的等温面彼此不会相同的点所组成的面。温度不同的等温面彼此不会相交。相交。 等温线：不同的等温面与同一平面相交的交线。等温线：不同的等温面与同一平面相交的交线。温度梯度温度梯度：自等温面上某一点出发，沿不同方向自等温面上某一点出发，沿不同方向的温度变化率不相同，而以该点等温面法的温度变化率不相同，而以该点等温面法 线方向线方向

16、上的温度变化率最大，称为温度梯度上的温度变化率最大，称为温度梯度。它表示温它表示温度场内某一点等温面法线方向的温度变化率。它度场内某一点等温面法线方向的温度变化率。它是一个向量，其方向与给定点等温面的法线方向是一个向量，其方向与给定点等温面的法线方向一致，以温度增加的方向为正一致，以温度增加的方向为正 t+ t t n l等温面及温度梯度第六章第六章 传热传热 一、一、 傅立叶定律和导热系数傅立叶定律和导热系数 1、 傅立叶定律傅立叶定律 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（Fourier）定律加以描述，即 q= - （dt/dn） （6-5） 式中：q导热热流

17、密度，W/m2 ； dt/dn法向温度梯度，法向温度梯度，0C /m ；（教材为偏导数教材为偏导数） 比例系数，称为导热系数， W/（m0C）或W/（mK）傅立叶定律指出，热流密度正比于传热面的法向温度梯度，式中傅立叶定律指出，热流密度正比于传热面的法向温度梯度，式中负号表示热流方向与温度梯度方向相反，即热量从高温传至低温负号表示热流方向与温度梯度方向相反，即热量从高温传至低温。式中的比例系数（即导热系数）是表征材料导热性能的一个参数，愈大，导热性能越好。与粘度系数与粘度系数一样，导热系数一样，导热系数也是分子微观运动的一种宏观表现。也是分子微观运动的一种宏观表现。 第六章第六章 传热传热2、

18、 导热系数导热系数由傅立叶定律得： = - q/（ dt/dn） 此式即导热系数此式即导热系数的定义式。导热系数在数值上等于温度的定义式。导热系数在数值上等于温度梯度为梯度为1 O OC/m C/m ，单位时间内通过单位导热面积的热量。故导热单位时间内通过单位导热面积的热量。故导热系数的大小，表征着物质的导热能力，它是物质的一个重要热系数的大小，表征着物质的导热能力，它是物质的一个重要热物性参数。物性参数。 =f（物质组成、结构、密度、物质组成、结构、密度、t 、P、湿度等湿度等 ） 各种物质的可用实验方法测定，P388 附录六给出了常用固体材料的导热系数。从表中所列数据可以看出，各类固体材料

19、导热系数的数量级为：金属金属 10102 W/（mOC）建筑材料建筑材料 10-1 10 W/（mOC）绝热材料绝热材料 10 10-2-2 10 10-1-1 W/W/（mmO OC C） 第六章第六章 传热传热 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，导热系数与温度近似成线性关系，可用下式表示： = 0（1+t） （6-6）式中：固体在t OC 时的导热系数W/（m OC）； 0固体在0 OC 时的导热系数W/（m OC）； 温度系数 1/OC 对于大多数金属材料和液体：对于大多数金属材料和液体：为负值为负值 0 提高温度提高温度 增大。增大。 金属材料和非金属材料的金属材料

20、和非金属材料的随温度的不同变化趋势是因为它们的导随温度的不同变化趋势是因为它们的导热机理不同而引起的。前者主要靠自由电子在晶格之间的定向运动导热机理不同而引起的。前者主要靠自由电子在晶格之间的定向运动导热，而后者主要靠原子、分子在其平衡位置附近的振动导热。热，而后者主要靠原子、分子在其平衡位置附近的振动导热。第六章第六章 传热传热 一般来说，一般来说， 金属金属非金属非金属液体液体气体气体 P234 图64给出了几种液体的导热系数。液体的较小，但比固体绝热材料为大。 从图6-4上可以看出： A、 除水和甘油外，绝大多数液体的除水和甘油外，绝大多数液体的随温度随温度的升高而略有减小。的升高而略有

21、减小。 B、 对于水和甘油，对于水和甘油，随温度升高而增加。随温度升高而增加。 C、 从右边的坐标可看出：水的从右边的坐标可看出：水的最大。最大。第六章第六章 传热传热 P235 图6-5给出几种气体的导热系数。气体的导热系数比液体更小，约为液体导热系数的1/10。固体绝热材料的导热系固体绝热材料的导热系数之所以很小，就是因为空隙率很大，含有大量空气的缘故。数之所以很小，就是因为空隙率很大，含有大量空气的缘故。由图可知：气体的很小（比较坐标数字），它不利于导热，但有利于保温、隔热。如：保温瓶的软木塞、玻璃棉等，就是因为其细小的空隙中有气体存在其很小。气体靠分子运动导热，为此气体的气体靠分子运动

22、导热，为此气体的随温度升高而随温度升高而加大。加大。注意：绝热材料的多孔结构，容易吸收水分，使其注意：绝热材料的多孔结构，容易吸收水分，使其值增大，保值增大，保温性能变差，所以露天设备进行隔热保温时，应采取防水措施。温性能变差，所以露天设备进行隔热保温时，应采取防水措施。 第六章第六章 传热传热 一、一、 通过平壁的定态导热过程通过平壁的定态导热过程 设有一高度和宽度均很大的平壁，厚度为，两侧表面温度保持均匀，分别为t1及t2，且t1t2。若t1、t2不随时间而变，壁内传热系定态一维热传导。（P235图66 平壁的热传导） （因长和宽的尺寸相对于厚度而言为无限大，所以（因长和宽的尺寸相对于厚度

23、而言为无限大，所以长和宽方向的热量传导可忽略不计，温度梯度近似为零；长和宽方向的热量传导可忽略不计，温度梯度近似为零；温度只沿垂直于壁面的厚度（温度只沿垂直于壁面的厚度（x轴）方向发生变化，所有轴）方向发生变化，所有等温面都是垂直于等温面都是垂直于x轴的平面；由于温度只沿轴的平面；由于温度只沿x轴方向发轴方向发生变化，故为定态一维热传导。）生变化，故为定态一维热传导。）此时傅立叶定律可写成：此时傅立叶定律可写成： q= - （dt/dx） （6-7）第六章第六章 传热传热1、 平壁内的温度分布平壁内的温度分布 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 qx=qx+x+xCP

24、dt/d对于定态导热，对于定态导热，dt/d=0，薄层内无热量累积，上式化为薄层内无热量累积，上式化为 q= - （dt/dx）=常数常数 （6-8）由此式可以看出，当导热系数为常量时，dt/dx=常量，即平常量，即平壁内温度呈线性分布，如壁内温度呈线性分布，如P235 图图6-6所示。所示。 第六章第六章 传热传热2、热流量、热流量 由式（6-8）可知，对于平壁定态热传导，热流密度q不随x变化，将式（6-8）分离变量后积分： t1t2 dt =- （q/）x1x2 dx 即 q = Q/A =（t1-t2）/ （6-9） 上式又可写成如下形式 Q = （t1-t2）/（/A） = t / R = 导热的推动力导热的推动力/导热的热阻（导热的热阻（6-10）由上式可知：导热流量由上式可知：导热流量Q与传热推动力与传热推动力t 成正比，与热阻成正比，与热阻R= /A 成反比。壁厚成反比。壁厚越厚，或传热面积越厚，或传热面积A与导热系数与导热系数越小，则越小，则热阻热阻R就