学习化工单元第六讲

化工单元过程及操作第六讲传热原理及换热器(1)第四章传热原理及换热器(1)学习目标传热的基本方式热传导的基本原理和方式平壁热传导的简单计算了解传热在化工中的应用第四章传热原理及换热器(1)一、传热在化工中的应用二、热源和冷源三、传热的三种基本方式四、两种流体热交换的基本方式概述一、传热在化工中的应用传热：就是热的传递，是自然界和工程技术领域中极普遍的一种传递过程。1、化工与传热1）绝大多数化学反应过程都要求在一定的温度下进行，为了使物料达到并保持指定的温度，需要预先对物料进行加热或冷却，并在过程中及时取出放出的热量或补充需要吸收的热量；2）一些单元操作过程，例如蒸发、蒸馏、干燥等，需要按一定的速率向设备输入或输出热量；3）在高温或低温下操作的设备，要求保温，以减少它们和外界传热；4）对于废热也需合理的利用与回收。2、化工生产中传热过程的两种情况1）强化传热：各种换热设备中的传热2）削弱传热：如对设备和管道的保温，以减少热损失

二、热源和冷源

1、热源1）电热：特点是加热能达到的温度范围广，而且便于控制，使用方便，比较清洁。但费用比较高。2）饱和水蒸气：

优点：饱和水蒸气的冷凝温度和压强有一一对应的关系，调节饱和水蒸汽的压强就可以控制加热温度，使用方便，而且饱和蒸汽冷凝过程的传热速率快。

缺点：饱和水蒸气冷凝传热能达到的温度受压强的限制。3）烟道气

烟道气的温度可达700℃以上，可以将物料加热到比较高的温度。

缺点：传热速度慢，温度不易控制。4）高温载热体：

优点：沸点高（饱和蒸汽压低），化学性质稳定。2、冷源一般采用水、空气和冷冻盐水等作为冷源。三、传热的三种基本方式

1、热传导热量从物体内部温度较高的部分传递到温度较低的部分或者传递到与之相接触的温度、较低的另一物体的过程称为热传导，简称导热。

特点：物质间没有宏观位移，只发生在静止物质内的一种传热方式。2、热对流流体中质点发生相对位移而引起的热量传递，称为热对流对流只能发生在流体中。强制对流

自然对流

用机械能（泵、风机、搅拌等）使流体发生对流而传热。由于流体各部分温度的不均匀分布，形成密度的差异，在浮升力的作用下，流体发生对流而传热3、辐射辐射是一种通过电磁波传递能量的过程。物体由于热的原因而发出辐射能的过程，称为热辐射。辐射传热，不仅是能量的传递，还伴随着能量形式的转化。辐射传热不需要任何介质作媒介，可以在真空中传播。

四、两种流体热交换的基本方式

1、直接接触式传热直接接触式传热的特点是冷、热两流体在传热器中以直接混合的方式进行热量交换，也称混合式换热。2、蓄热式换热蓄热式换热器是由热容量较大的蓄热室构成。室中充填耐火砖作为填料，当冷、热流体交替的通过同一室时，就可以通过蓄热室的填料将热流体的热量传递给冷流体，达到两流体换热的目的。3、间壁式换热间壁式换热的特点是冷、热流体被一固体隔开，分别在壁的两侧流动，不相混合，通过固体壁进行热量传递。传热过程可分为三步：热流体将热量传给固体壁面（对流传热）热量从壁的热侧传到冷侧（热传导）

热量从壁的冷侧面传给冷流体（对流传热）壁的面积称为传热面，是间壁式换热器的基本尺寸。第四章传热原理及换热器(1)热传导一、基本概念和傅立叶定律二、导热系数三、平壁的稳定热传导四、圆筒壁的稳定热传导一、基本概念和傅立叶定律

1、温度场和等温面温度场

物体或系统内部的各点温度分布的总和

温度场的数学表达式为

稳定温度场

不稳定温度场温度场中各点的温度随时间而改变

温度场中各点的温度不随时间而改变

等温面温度场中温度相同的点组成的面

2、温度梯度温度梯度：等温面法线方向上的温度变化率，用gradt表示。

温度梯度是向量，正方向指向温度增加的方向。对于一维稳定的温度场，温度梯度可表示为：3、付立叶定律λ——比例系数，称为导热系数。w/m·k负号表示热流方向与温度梯度方向相反。

——付立叶定律二、导热系数

1、导热系数的定义在数值上等于单位温度梯度下的热通量

，是物质的物理性质之一。一般，金属的导热系数最大，非金属的固体次之，液体的较小，气体的最小。

2、固体的导热系数纯金属的导热系数一般随温度的升高而降低，金属的导热系数大都随纯度的增加而增大。非金属的建筑材料或绝热材料的导热系数随密度增加而增大，也随温度升高而增大。3、液体的导热系数在非金属液体中，水的导热系数最大。除水和甘油外，绝大多数液体的导热系数随温度的升高而略有减小，纯液体的导热系数比溶液的导热系数大。3、气体的导热系数气体的导热系数很小，不利于导热，但有利于保温。气体的导热系数随温度升高而加大。在相当大的压强范围内，气体的导热系数随压强变化极小

注意：在传热过程中，物质内不同位置的温度可能不相同，因而导热系数也不同，在工程计算中常取导热系数的算术平均值。讨论：说说日常生活中利用导热系数大小的实例三、通过平壁的稳定热传导

1、单层平壁的稳定热传导边界条件为：x=0时，t=t1

x=b时，t=t2

R——导热热阻，K/W；r——单位面积的导热热阻。传导距离b越大，传热面积和导热系数越小，传导热阻越大2、多层平壁的稳定热传导推广到n层平壁有：多层平壁导热是一种串联的导热过程，串联导热过程的推动力为各分过程温度差之和，即总温度差，总热阻为各分过程热阻之和，也就是串联电阻叠加原则。

3、接触热阻若以r0表示单位传热面的接触热阻，通过两层平壁的热通量变为：

接触热阻与接触面的材料，表面粗糙度及接触面上压强等因素有关。

四、圆筒壁的稳定热传导1、单层圆筒壁的热传导仿照平壁热传导公式，通过该圆筒壁的导热速率可以表示为：

分离变量积分：

——圆筒壁的导热热阻

这个式子也可以写成与平壁传导速率方程类似的形式

——圆筒壁的内外表面的对数平均面积，m2

当r2/r1≤2时可用算术平均值代替对数平均值

2、多层圆筒壁的热传导

与多层平壁的稳定热传导计算类似，可导出：例：某平壁燃烧炉内层为0.1m厚的耐火砖，外层为0.08m厚的普通砖，内、外层的热导率分别为1.0W/(m•K)和0.8W/(m•K)。操作稳定后，测得炉内壁温度为700℃，外表面温度为100℃.为了减少热损失，在普通砖的外表面增加一层厚0.03m、热导率为0.03W/(m•K)的隔热材料。待操作稳定后，又测得炉内壁温度为800℃，外表面温度为70℃。假设原有两层材料的