化工基础(张四方),传热

四.传热中的一些基本物理量和单位
热量Q：是能量的一种形式， J 传热速率 常用q表示 是指单位时间传递的热量， W 传热速率也称为热流量，或热负荷
热流密度q：单位面积上的传热速率，W· m 潜热：单位质量的物质在发生相变化时伴随的热量变化J/kg 比定压热容cp：压力恒定时，单位质量的物质温度升高1K时 所需的热量，J· -1· -1 K kg
均值。
二. 平面壁的稳定热传导 1）单层平壁的稳定热传导
对于稳定传热，导热速率q不随时间而变。

t2
t1
q dt
A 0 d

q t 2 t1 A
t1 t2
q
A

t1 t 2
t1 t 2 t 推动力 (A) R 热阻

R——导热热阻，传导距离δ越大，传热面 积和导热系数越小，传导热阻越大。
3 间壁式传热
在多数情况下，化工工艺上不允许冷热流体直接接触，故直接接触式 传热和蓄热式传热在工业上并不很多，工业上应用最多的是间壁式传热过 程。这类换热器的特点是在冷、热两种流体之间用一金属壁(或石墨等导热 性能好的非金属壁)隔开，以便使两种流体在不相混合的情况下进行热量传 递。这类换热器中以套管式换热器和列管式换热器为典型设备。
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。
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
对数平均半径
2rm l t1 t 2 2l (t1 t 2 ) r2 r2 r1 ln r1
r2 r1 rm r2 ln r1
，Am和rm可用算术平均值代替， 若筒壁较薄， 误差不超过4%，在工程上是允许的。
z, t
2）多层圆筒壁的稳定热传导
多层圆筒壁的传热，可以看成是各 单层壁串联进行的热量传递。 2l (t1 t 2 ) q 对第1层： r 1
1.传导传热
又称热传导，是借助物质的分子或原子振动（非金属）、 自由电子的热运动（金属）而与相邻粒子碰撞来传递热量的 过程。在同一物体内或紧密相连的不同物体之间，只要存在 温度差，热量就会从温度高的部分传至温度低的部位。
在静止流体内部以及在作层流运动的流体层中垂直于流 动方向上的传热，是凭借流体分子的振动碰撞来实现的，这 两类传热过程也应属于传导的范畴。 ——可见，固体和静止流体中的传热以及作层流运动的流体 层中垂直于流动方向上的传热均属于传导传热。
三.两流体换热的基本方式
直接接触式 换热方式 间壁式 蓄热式
1 直接接触式传热
在这类传热中，冷、热流体在传热设备中通过直 接混合的方式进行热量交换，又称为混合式传热。 优点：方便、有效，设备结构较简单，常用于热 气体的水冷或热水的空气冷却。
t
T 直接接触式
缺点：工艺上必须允许两种流体能够相互混合。
dt d
温度梯度,单位为℃.m-1,表示热流方向温度变化的 强度,温度梯度越大,说明在热流方向单位长度上 的温度差就越大。
导热系数λ：
物性之一：是物质导热能力的标志，与物质种类、热力学状态 （T、P）有关。 物理含义：代表单位温度梯度下的热通量大小，即：当物体两个 面（等温面）间温差为1K，厚度为1m时，每经过1m2传热面积所能 传导的热量。故物质的越大，导热性能越好。在数值上等于单 位温度梯度下的传热强度，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。
①生产中原料的加热、成品的冷却或冷凝。
②控制化学反应所需要的一定温度范围而采取的加热、冷却或 保温。
③某些稀溶液的加热、蒸发结晶、干燥等操作或某些浓溶液的 冷却。
④生产中热量的合理利用和废热回收，以节省热能。
二.传热的基本方式
热传导 根据机理的不同，传热有三种基本方式： 传热方式 热对流 热辐射
传热过程可依靠其中的一种或几种方式同时进行。
推广到n层平壁有：

3 1 2 1 A 2 A 3 A
t1 t 4
q
t1 t n 1
R
i 1
n

t1 t n 1
n
i
i A i 1 i
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。
t1
L
1
2
t2
3
t3
t4
Q
1
对1-n层：
ln
2
r1
O
r1
r
r2
2l (t1 t n 1 ) q n ri 1 1 ln r i 1 i i
r3
r4
§2-3 对 流 传 热
2－3.1 对流传热过程分析
热

b
f
冷
上图表示垂直放置的列管式热交换器中一根管的节点剖面示意图。
在垂直于流动方向上不存在热对流，该方向上的热传递仅为流 体的热传导。
该层中温差较大，即 温度梯度较大。通过实验测定：
δ b内的温度变化占一侧流体温度变化的90%以 上。所以对传热速率具有决定性的影响。 在层流内层以外的过渡区，流体质点的运 动开始出现混合，但仍有温度梯度存在，是热 传导和热对流共同作用的结果。

b
f
在湍流主体内，流体质点剧烈混合，可认
为无传热阻力，温度梯度已消失。 由上所述，对流传热是层流内层的传导传 热和层流内层以外的对流传热的总称。
对流传热是一个复杂的过程,为了便于处理，把对流传热 看作相当于通过厚度为δ 的传热边界层的热传导过程（将温 度梯度有显著变化的区域称为传热边界层）,这一传热边界层 称为有效膜。有效膜中包括了真实的层流内层的厚度δ b和与 层流内层外的与其热阻相当的虚拟厚度δ f 。 b δ =δ b＋δ f f 即把层流内层之外的热阻折合成的 厚度δf 。 必须指出：δf是不存在的，它完全 是为了处理问题的方便而假设的。 即：有效膜是虚拟的，而层流内层 是真实存在的。
2 1
2l (t1 t 2 )(r2 r1 ) A2 A1 t1 t 2 t1 t 2 q Am 2r2 l A2 r2 r1 (r2 r1 ) ln ln 2r1l A1
A2 A1 式中： Am A2 ln A1
为对数平均面积 ，
r2 r1
t 2 t3 t 2 q 2 2 A 2 2 q 3 3 A t3 t 4

2 A
t 2 R2 t 3 R3
3
3 3 A
t 3
1
2
3
t1 QR1 , t2 QR2 , t3 QR3
t1 t 2 t 3 q R1 R2 R3
化工基础
Elementary Chemical Engineering
第2章
本章主要内容：
传 热
1. 主要讨论流体传导传热、对流传热的机理和传热方程式
及其应用； 2. 冷热流体通过固体间壁进行换热的过程和计算； 3. 强化或削弱传热的途径； 4. 列管式换热器的基本结构和性能。
§2-1 概
一.化工生产中的传热过程
t1 t dt t dt do t2 n o
dt dQ A d d
负号表示传热的方向与温度升高的 方向相反
引入一个比例系数, 将上式变为一个等式
dQ dt dq A d d
——傅立叶定律
λ——比例系数， 称为导热系数。单位：w/m· k 在稳定导热时,导热量不随时间而改变,即单位时间内的导热 量为定值。
3.热辐射
热辐射是一种通过电磁波来传递热量的方式。具体地 说，物体先将热能转变成辐射能，以电磁波的形式在空中 进行传送，当遇到另一个能吸收辐射能的物体时，即被其 部分或全部吸收并转变为热能，从而实现传热。 根据赫尔－波尔兹曼定律：凡温度高于绝对零度的物 体均具有将其本身的能量以电磁波的方式辐射出去同时接 受电磁波的能力。物体的辐射能力大致与物体的绝对温度 的4次方成正比。通常物体温度大于400℃时，才会有明显 的热辐射传递。 热辐射可在真空中传播，不需要任何介质，这是热辐 射与热传导、热对流的主要区别。
圆筒壁导热的特殊性： 1）单层圆筒壁的稳定热传导 1、温度沿半径方向而改变 2、导热面积（A=2π rL） dt dt 随半径而变
三.圆筒壁的稳定热传导
q A
dr
(2rl )
dr
z, t
分离变量积分，

t2
t1
q r2 dr dt 2l r1 r
r2 q t1 t 2 ln 2l r1
§2－2 传 导 传 热
一. 热传导基本方程－－傅立叶定律
在一个均匀（各部位化学组成物 理状态相同）的物体内，如图， t1>t2，热量以传导方式沿着单方向 n（单向传导）通过物体。取热流方 向的微分厚度为dδ ，在dτ 的瞬间 内传递的热量为dQ。 实验证明，单位时间内的传热量 与温度梯度及导热面积A成正比。
显热：
2
m c p t
五.稳定传热和不稳定传热
稳定传热：在传热体系中各点的温度只随换热器的位置的
变化而变，不随时间而变．特点：通过传热表面的传热速 率为常量，热通量不一定为常数。 不稳定传热：若传热体系中各点的温度，既随位置的变化，
又随时间变化。特点：传热速率、热通量均为变量。
通常连续生产多为稳定传热，间歇操作多为不稳定传热。 化工过程中连续生产是主要的，因而我们主要讨论稳定传 热。