化学工艺及原理

第3章传热3.1概述传热过程的应用用途广泛：能源、宇航、化工、动力、冶金、机械、建筑、农业、环保等传热过程在化工生产中的应用

1、化学反应，2、设备保温，3、热能回收两类1）要求传热量增大——强化传热

2）要求传热量减小——削弱传热本章讨论范围：传热基本原理及其在化工中的应用热量从高温向低温稳定、自发地进行太原工业学院电子课件太原工业学院电子课件根据传热机理分类1、热传导（导热）——物体内各部分质点不发生相对位移，仅靠分子、原子、自由电子在自己位置上振动（热运动）进行传热。发生在：固体、流体中2、热对流（对流传热）——流体内各部分质点发生相对位移而引起的传热。发生在：流体中相对位移：温差引起——自然对流受外力作用——强制对流3、热辐射——因热的原因而产生的电磁波在空间的传递。任何物体都能产生热辐射。特点：1）不需任何介质

2）过程伴随有能量形式的转换实际中，传热方式常以两种或三种方式同时存在，只是在不同的条件下，某种方式的传热占主要地位。3.1.2传热过程中热、冷流体（接触）热交换方式一、直接接触式换热和混合式换热器冷、热流体直接接触，实现设备——混合式换热器。图3-1优点：传热效果好，设备结构简单。二、蓄热式换热和蓄热器冷、热流体交替流过蓄热器，实现设备——蓄热式换热器。图3-2三、间壁式换热和间壁式换热器冷、热流体被固体壁面隔开，热需通过固体壁面传递实现设备——间壁式换热器太原工业学院电子课件冷流体t1t2热流体T1T2套管式换热器太原工业学院电子课件3.1.3传热过程1.传热速率和热通量传热速率Q——单位时间内通过传热面的热量,W

热通量q——单位面积的传热速率，W/㎡太原工业学院电子课件2.稳态传热和非稳态传热稳态传热——系统中各点的温度仅随位置变，不随时间变。任一时刻传热速率（单位时间传递的热量）为常数。连续操作过程。输入能＝输出能非稳态传热——系统中各点的温度不仅随位置变，也随时间变。间断操作过程。太原工业学院电子课件3.载热体及其选择物料在换热器内被加热或冷却时，由另一种流体供给或取走热量

载热体加热剂（加热介质）——起加热作用的载热体冷却剂（冷却介质）——起冷却作用的载热体工业常用加热剂——热水、饱和蒸汽、矿物油、联苯混合物、熔盐及烟道气等工业常用冷却剂——水、空气和各种冷冻剂。太原工业学院电子课件载热体3.2传热过程计算

3-2-1热量衡算间壁式换热器，假设：换热器绝热良好，热损失可以忽略有衡算式输入能＝输出能即放热＝吸热对整个换热器无相变焓衡算

Q＝Wh(Ih1－Ih2）＝Wc（Ic2－Ic1）比热法

Q＝Whcph(T1－T2）＝Wccpc（t2－t1）式中W——流体的质量流量，kg／h或kg／s；

I——流体的焓，kJ／kg；

Q——换热器的热负荷，kJ／h或kW；

下标1和2分别表示换热器的进口和出口有相变

Q＝Whr＝Wccpc（t2－t1）

Q＝Wh[r+

cph(Ts－T2）]＝Wccpc（t2－t1）

Wh——饱和蒸气（即热流体）的冷凝速率，kg/s

r——饱和蒸气的冷凝潜热，kJ/kg。

cph——冷凝液的比热容，kJ/(kg·℃)

Ts——冷凝液的饱和温度，℃。上式应用条件

1）定态流动即Wh、Wc为常数,kg/h

2）cp取为常数或平均值，kJ/(kg.°C)

小结二、热负荷计算无相变Q＝Wh(Ih1－Ih2）＝Wc（Ic2－Ic1）

Q＝Whcph(T1－T2）＝Wccpc（t2－t1），有相变Q＝Whr＝Wccpc（t2－t1）

Q＝Wh[r+

cph(Ts－T2)]＝Wccpc(t2－t1）3-2-2总传热速率方程和总传热系数一、总传热速率方程从热流体到冷流体的传热过程，包括对流、热传导、对流三个过程，整个过程热量的传递，服从总传热速率方程式速率方程，仿照牛顿冷却定律有

Q＝KtmdS(3-25)上式为总传热速率方程式K－－总传热系数，W/(m2.℃)，与传热面积对应3-2-3平均温度差法简化假定1）传热为定态操作过程2）两流体的比热容均为常量（取换热器进、出口下的平均值）3）K为常量4）换热器的热损失可忽略一、恒温传热时的平均温度差随换热器管长不同，两侧流体温差处处相等t=T－t二、变温传热时的平均温度差两种流体流向逆流并流错流折流1、两侧变温1）逆流与并流以逆流为例放热dQ=－WhcphdT

吸热dQ=WCcpcdt有T=mQ+k两式相减T－t=t=(m–m/)Q+(k－k/)

所以t－Q关系也为直线t=m/Q+k/直线斜率对数平均温度差一、总传热速率方程式

Q＝KStm

热负荷与传热速率的区别二、总传热系数K小结一、传热平均温差tm恒温传热tm

＝T－t

变温传热注意（1）当t22t1

时tm可用算术平均值代（2）换热器两端温差大者为t2

（3）并流时的tm同式（3-25）2）错流与折流tm＝ttm逆2、一侧变温另一侧不变温tm逆？tm并

3、流向的选择（1）在相同进出口温度下，tm逆＞tm折＞tm并，

Q＝KStm，当Q、K一定，tm越大，S越小（2）逆流并流

T2接近t1T2接近t2，（T1－T2)逆＞（T1－T2)并

Q一定∴Wh

逆<Wh

ua

Whcph一定

Whcph(T1－T2）逆＞Whcph(T1－T2）并

∴Q逆＞

Q并（3）如对某流体出口温度有限制，应采用并流（4）设计时，t

＞0.8三、总传热系数K不为常数时的传热计算K随温度呈线性变化时K随温度不呈线性变化时，换热器分段计算小结一、传热平均温差tm恒温传热tm

＝T－t

变温传热二、流向选择

Whcph一定，

Q逆＞Q并

Q一定，Wh

逆<Wh

并

错流和折流tm＝ttm逆

两测变温tm逆＞tm并一测变温tm逆＝tm并3.2热传导

3.2.1基本概念和傅立叶定律一、温度场和温度梯度温度场——任一瞬间物体或系统内各点温度分布总和

t=f(x,y,z,)

非稳态温度场：温度场内各点的温度不仅随位置变，也随时间而变稳态温度场：温度场内各点的温度仅随位置变，不随时间变

t=f(x,y,z,)

稳态一维温度场——在稳态温度场中温度仅沿一个方向发生变化等温面——同一时刻下由相同温度点组成的面为之，太原工业学院电子课件温度梯度——沿等温面法线方向上的温度变化率向量，方向——指向温度减少的方向稳态一维温度场二、傅立叶定律实验Q——导热速率，单位时间传导的热量，其方向与温度梯度的方向相反，W——比例系数，称为导热系数，W/(m.·C)，或W/m·K。太原工业学院电子课件3.2.2导热系数上式改写为

的物理意义单位温度梯度下的热通量，表征物体的导热能力，物性参数。一般：纯金属＞合金＞建筑材料＞液＞气1、固体的一般＝

0（1+a/t)

2、液体的非金属液体中，水的最大，一般纯液＞溶液估算式有机化合物水溶液m=0.9aii有机化合物互溶混合液m=aiI3、气体的随温度升高而升高，常用于保温、隔热等估算式太原工业学院电子课件3.2.3平壁的热传导一、单层平壁

t仅沿x方向变，稳态一维热传导由R——导热热阻，℃/W

R/——导热热阻，·

℃/W

b增大，R增大

Q一定，R增大，t增大例3-1结论：各层温差与热阻成正比二、多层平壁以三层为例稳态传热时，通过各层的导热速率相等有Q＝Q1＝Q2＝Q3则太原工业学院电子课件图3-6接触热阻的影响接触热阻太原工业学院电子课件3.2.4圆筒壁的热传导一、单层圆筒壁设t1>t2

t随r