化工原理 传热

套管式换热器 1—内管 2—外管
单程列管式换热器
1 —外壳 2—管束 3、4—接管 5—封头 6—管板 7—挡板
双程列管式换热器 1—壳体 2—管束 3—挡板 4—隔板
不同的换热器的传热面积计算：
A n d 2l
而流通截面积
Af
n m
4
d
2 1
式中m为管程数。
四、 热负荷的计算
生产中常把单位时间内的流体 所放出或吸收 的热量称为热负荷。如果无外功输入，位能， 动能可忽略，不考虑热损失，并传热良好时， 由能量守恒定律得，单位时间热流体放出的 热量Ｑ１应等于冷流体所吸收的热量Ｑ２。
（一） 热传导（导热）
一个物体的两部分连续存在温差，热就 要从高温部分向低温部分传递，直到个部 分的温度相等为止，这种传热方式就称为 热传导。
物质的三态均可以充当热传导介质，但导热 的机理因物质种类不同而异，具体为：
固体金属：自由电子运动在晶格之间；
液体和非金属固体：个别分子的动量传递；
气体：分子的不规则运动。
1.加热或冷却
2.换热
3.保温
可见，传热过程是普遍存在的。
二、 传热的三种基本方式
一个物系或一个设备只要存在温度差就会发 生热量传递，当没有外功加入时，热量 就总是 会自动地从高温物体传递到低温物体。根据传热 的机理不同，热传递有三种基本方式：热传导， 热对流和热辐射。化工生产中碰到的各种传热现 象都属于这三种基本方式。
Ｑ：
换热器的热负荷 ＫＪ／h
Ｗh，Ｗc： 热冷流体的质量流量ＫＧ／h
Ｃph，Ｃpc：热冷流体的平均比热
Ｔ１，Ｔ２：热冷流体的开始，终了温度，K
t1，t2： 热冷流体的h1－Ｈh2）
＝Ｗc（Ｈc２－Ｈc1）
Ｑ：
换热器的热负荷 ＫＪ／h
Ｗh，Ｗc： 热冷流体的质量流量ＫＧ／h
Ｈh1，Ｈh2：热流体的进出口的焓ＫＪ／Ｋg
Ｈc1，Ｈc2：冷流体的进出口的焓ＫＪ／Ｋg 。
（二）有相变的传热
换热器中热流体为饱和蒸汽，当冷凝时有相的变化， 但是冷凝液在饱和温度下离开换热器．
Ｑ＝Ｗhr＝ＷcＣpc（t1－t2） r ：为饱和蒸汽冷凝潜热
其值等于在饱和蒸汽的焓与该温度下的液体焓的差 如果冷凝液在低于饱和温度之下排出时，则用下式计 算热负荷 Ｑ＝Ｗh［r＋Ｃph（Ｔs－Ｔ２）］
第四章 传 热
第一节 概述
➢ 传热过程在化工生产中的应用 ➢ 传热的三种基本方式 ➢ 传热基本方程 ➢ 热负荷的计算 ➢ 稳定传热和不稳定传热
一、 传热 过程在化工中的应用
传热是自然界和工程领域中较为普遍的 一种传递过程，通常来说有温度差的 存在就 有热的传递，也就是说温差的存在是实现传 热的 前提条件或者说是推动力，在化工中很 多过程都直接或间接的与传热有关。但是进 行传热的 目的不外乎是以下三种：
金属 建筑材料 绝热材料 液体 气体
1-400 W/(m2·K) 0.1-1 W/(m2·K) 0.01-0.1 W/(m2·K) 0.1-0.6 W/(m2·K) 0.005-0.05 W/(m2·K)
工业上经常遇到多层平壁导热的情况，如用耐火砖、保温转 和青砖筑成的三层炉壁。仿照串联电路的欧姆定律，对于三 层热阻的串联导热，稳态下，有
（二） 对流传热
热对流是指物体中质点发生相对的位移而 引起的热量交换，热对流是流体所特有的一 种传热的方式，即存在气体或液体中，在固 体中 不存在这种传热方式。其中只有流体的 质点能发生的相对位移。据引起对流的原因 不同可分为：自然对流和强制对流。
热对流与流体运动状况有关，热对流还伴随 有流体质点间的热传导，工程上通常将流体 与固体之间的热交换称为对流传热，即包含 了热传导和热对流。
b
bR
kA
t
温度差称为传热推动力，R称为导热热阻。
导热系数k是物质的物理性质之一。其值的大小反映物质导 热能力的强弱，其值越大，导热能力越强。工程上通常根据 导热系数的数值来选择合适的导热材料，例如，需要提高导 热速率的场合选用导热系数大的材料，反之，需要减小导热 速率的场合选用导热系数小的材料。
各种物质导热系数的大致范围如下：
（三）热辐射
热辐射是一种通过电磁波传递能量的过程。 一切物体都能以这种方式传递能量，而不借助任 何传递介质。通常在高温下热辐射才是主要方式。
三、传热基本方程
当两种流体间需要进行换热而又不允许直接混 合时，需在间壁式换热器中进行换热。如在间壁式 换热器中，热流体通过管壁将热量传给冷流体．热 传递的快慢用传热速率Ｑ来表示。传热速率Ｑ是指 单位时间内通过传热面传递的能量．单位是Ｊ／ Ｓ．Ｗ。
＝ＷcＣpc（t2－t1） 式中Ｃph为冷凝液的比热; Ｔs为冷凝液的饱和温度
可见，热流体放出的热量被冷流体所吸收，冷流体获得的热 量等于热流体放出的热量。根据热量恒算式，可由既定的传 热任务求得载热体的消耗量。
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。
换热器的传热速率Q与传热面积A和冷热两种流体
的平均温差⊿tm成正比;
即Ｑ＝ＫA△tm Ｑ：传热速率 , Ｗ △tm：两流体的平均温度差,K Ｋ：比例系数，总传热系数 ，因次W/(m2·K)。 上式为传热速率方程或传热基本方程，是换热器 传热计算的重要依据。传热速率是换热器在一定 的操作条件下的换热速率。而热通量q是指单位传 热面积上的传热速率。常见的间壁式换热器有套 管换热器和列管换热器。见下图：
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。
第二节 热传导
一、平壁稳定热传导
单层平壁导热速率的工作方程式
Q kA t2 t1 t1 t2 t
Q放 Q吸
热流体冷却放出的热量
Q W1C p1 T1 T 2
冷流体加热需要得到的热量
Q W 2C p2 t2 t1
物料蒸发或冷凝需要供给或移除的热量是
Q W r
过热蒸汽冷凝，过冷液体蒸发，既有显热，又有潜热
Q W r C p t2 t1
（一） 无相变化时
（１）比热法
Ｑ＝ＷhＣph（Ｔ１－Ｔ２） ＝ＷcＣph（t２－t1）