* 模块四 传热 * 项目一 概述 一. 传热过程在化工生产中的应用 传热，即热量的传递，是自然界中普遍存在的物理 现象。由热力学第二定律可知，凡是有温度差存在的物 系之间，就会导致热量从高温处向低温处的传递，故在 科学技术、工业生产以及日常生活中都涉及许多的传热 过程。 化工生产过程与传热关系十分密切。这是因为化工 生产中的很多过程都需要进行加热和冷却。例如， * 为保证化学反应在一定的温度下进行，就需要向反应器输入或移 出热量；化工生产设备的保温或保冷；生产过程中的热量的合理 使用以及废热的回收利用，换热网络的综合；蒸发、精馏、吸收 、萃取、干燥等单元操作都与传热过程有关。 化工生产过程中对传热的要求有两种情况： （1） 强化传热 （2） 削弱传热 * 二. 传热的基本方式 根据热量传递机理的不同，传热基本方式有三种，即热传导 、对流和辐射。 1.热传导： 热传导又称导热。是指热量从物体的高温部分向同一物体的 低温部分、或者从一个高温物体向一个与它直接接触的低温物体 传热的过程。 特点：物体各部分之间不发生相对位移，仅借分子、原子和 自由电子等微观粒子的热运动而引起的热量传递。 * 2.对流传热： 对流传热是依靠流体的宏观位移，将热量由一处带到另 一处的传递现象。在化工生产中的对流传热，往往是指流体 与固体壁面直接接触时的热量传递。 由于引起质点发生相对位移的原因不同，可分为自然对 流和强制对流。自然对流：流体原来是静止的，但内部由于 温度不同、密度不同，造成流体内部上升下降运动而发生对 流。强制对流：流体在某种外力的强制作用下运动而发生的 对流。 * 3.辐射传热： 又称为热辐射，是指因热的原因而产生的电磁波在空间 的传递。物体将热能变为辐射能，以电磁波的形式在空中传 播，当遇到另一物体时，又被全部或部分地吸收而变为热能 。 热辐射不仅是能量的转移，而且伴有能量形式的转化。 此外，辐射能可以在真空中传播，不需要任何物质作媒介。 * 三、典型的传热设备 1.间壁式换热器 主要有套管式换热器和列管式换热器 套管式换热器 冷溶液进 冷溶液出 热溶液进 热溶液出 套管式换热器 * 列管式换热器 * 单程列管式换热器 双程列管式换热器 1 2 3 3 6 6 5 4 4 5 7 * 间壁式换热器热交换计算方程式 Q = KAtm 式中： Q-冷流体吸收或热流体放出的热流量，W； K-传热系数， W/（m2. ) A-传热面积， m2; tm-平均传热温差，。 上式称传热速率方程式或传热基本方程式。 * 2.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：方便和有效，而且设备结构较简单，常用于热气体 的水冷或热水的空气冷却。 缺点：在工艺上必须允许两种流体能够相互混合。 3.蓄热式换热 这种传热方式是冷、热两种流体交替通过同一蓄热室时， 即可通过填料将从热流体来的热量，传递给冷流体，达到 换热的目的。 * 优点：结构较简单，可 耐高温，常用于气体的 余热或冷量的利用。 缺点：由于填料需要蓄 热，所以设备的体积较 大，且两种流体交替时 难免会有一定程度的混 合。 * 四、热载体及其选择 热载体：为了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，此流体称为热载体。起加热作 用的热载体称为加热剂；而起冷却作用的热载体称为冷 却剂。 （1）加热剂 工业中常用的有热水（40100）、饱和水蒸气（ 100180）、矿物油或联苯或二苯醚混合物等低熔混 合物（180540）、烟道气（5001000）等；除 此外还可用电来加热。 * 用饱和水蒸汽冷凝放热来加热物料是最常用的加热方法 ，其优点是饱和水蒸汽的压强和温度一一对应，调节其 压强就可以控制加热温度，使用方便。其缺点是饱和水 蒸汽冷凝传热能达到的温度受压强的限制。 （2）冷却剂 工业中常用的有水（2030）、空气、冷冻盐水、 液氨（-33.4）等等。 水又可分为河水、海水、井水等，水的传热效果好，应 用最为普遍。在水资源较缺乏的地区，宜采用空气冷却 ，但空气传热速度慢。 * 五、稳定传热与不稳定传热 稳定传热：在传热系统中温度分布不随时间而改变的 传热过程称为稳定传热。 不稳定传热：在传热系统中温度分布随时间变化的传 热过程称为不稳定传热。 化工生产过程中的传热多为稳定传热。 * 第二节 热 传 导 一、基本概念和傅立叶定律 从微观角度来看，气体、液体、导电固体和非导电固 体导热机理各有不同。 气体-温度不同（能级不同）的分子相互碰撞，使温 度较高的分子将热能传递给温度较低的分子，造成热量 传递； 液体-液体中的分子比气体密集，分子间的作用力较 强，由分子振动的强弱导致热量传递； * 固体- 相邻分子的碰撞或电子的迁移导致热量传递 。这种碰撞和迁移，类似于分子运动。 在金属中自由电子的扩散运动对于导热起主导作用 ，即良好的导电体也是良好的导热体。 导热是一种以温度差为推动力的分子传递现象；没 有物质的宏观位移。 1.温度场和等温面 物体的温度分布是空间和时间的函数，即 t = f(x、y、z、 ) * 温度场：某一瞬间空间中各点的温度分布。 稳定温度场是指在温度场内各点的温度分布不 随时间而改变；不稳定温度场是指在温度场内各 点的温度分布随时间而改变。 等温面：同一瞬间，具有相同温度各点组成的 面称为等温面。温度不同的等温面彼此不会相交 。 * 2.温度梯度 沿等温面法线方 向的温度变化率称 为温度梯度。 * 3.傅立叶定律 傅立叶定律是热传导的基本定律，表示传导的热流量 和温度梯度以及垂直于热流方向的截面积成正比，即： 4.热导率 热导率定义由傅立叶定律给出： 一般金属的导热系数最大，非金属固体次之，液体的较 小，而气体的最小。 * 物质热导率的大致范围 物质种类 热导率 纯金属 金属合金 液态金属 非金属固体 非金属液体 绝热材料 气体 1001400 50500 30300 0.0550 0.55 0.051 0.0050.5 * （1）固体的热导率 对于固体: 金属 t , （高合金钢例外） 非金属 t , （冰例外） 多数匀质固体 和t有如下关系： 式中 t时的热导率，W/(m)或W/(mK)； 0 0时的导热系数，W/(m)或W/(mK)； a 温度系数，对大多数金属材料为负值（a 0）。 * （2）液体的导热系数 对于液体: t，（ 水、甘油例外） * （3）气体的热导率 对于气体: t， 1-水蒸气 2-氧 3-二氧化碳 4-空气 5-氮 6-氩 * 二、平壁的稳定热传导 1.单层平壁的稳定热传导 假设：(1) 平壁内温度只沿x方向变 化，y和z方向上无温度变化，即这 是一维温度场。 (2) 各点的温度不随时间而变， 稳定的温度场。 导热系数为常数，对于稳态的一 维平壁热传导，傅立叶定律可写为 ： * 过程传递速率=传热推动力/阻力 平壁内的温度分布： 边界条件为：当x=0时，t=t1；x=b时，t=t2。积分得： 沿壁厚方向温度分布为一直线。 * 二、多层平壁的稳定热传导 工业上常遇到由多层不同材 料组成的平壁,称为多层平壁,如 图所示.假设层与层之间接触良 好,即接触的两表面温度相同.由 于各等温面的温度保持恒定,仍 为一维稳态导热,通过各层的热 流量均等于Q,则: * 推广到至n层 * 例1：某燃烧炉的平壁由下列三种砖依次砌成：耐火 砖 b1 = 230mm，1 = 1.05W/(m)；绝热砖 b2 = 230mm，2 = 0.151W/(m)；普通砖 b3 = 240mm ，3 = 0.93W/(m)。若已知耐火砖内侧温度为 1000，耐火砖与绝热砖接触处的温度为940，而 绝热砖与普通砖接触处的温度不超过138，试问： （1）绝热层需几块绝热砖？（2）普通砖外侧温度 为若干。 * 解： q=1(t1-t2)/b1=1.05(1000- 940)/0.23=273.9(W/m2) q=2(t2-t3)/b2 b2=2(t2-t3)/q = 0.151(940-138)/273.4=0.442(m) 0.442/0.23=1.9 所以需要2块绝热砖 t4 = 34.9 * 三、圆筒壁的稳定热传导 1.单层圆筒壁的稳定热传导 对于单层圆筒壁的傅立叶定律改写 为： 边界条件为：r=r1,t=t1;r=r2,t=t2 * 上式可改写为： 其中Sm为对数平均面积 * 对于多层圆筒壁： 2.多层圆筒壁的稳定热传导 * 注意：Q恒定，但 q 是变化的，故有 例2：有一蒸汽管外径为50mm，管外包以两层保温材 料，每层厚度均为25mm，外层与内层保温材料的导 热系数之比为2/1 = 4，此时的热损失为Q。现将内、 外两层材料互换位置，且设管外壁与保温层外表面的 温度均不变，则热损失为Q。求Q/Q，并说明何种 材料放在里层为好。 * 解：设管外壁与保温层外表面的温度分别为t1 和t2 r1=0.025m，r2=0.05m， r3=0.075m Q/Q=1.44 因此将保温性好的材料，即导热系数小的材料放在 里层为好 * 第三节 对流传热 一、对流传热方程 对流传热分析 根据流体在传热过程中的状态对流传热可分为：（1）流体无 相变的对流传热：强制对流传热、自然对流传热；（2）流体 有相变的对流传热：蒸气冷凝、液体沸腾。 对流传热是指流体中质点发生相对位移而引起的热交换。对流 传热仅发生在流体中，与流体的流动状况密切相关。实质上对 流传热是流体的对流与导热两者共同作用的结果。 * 流体在平壁上流过时，流体和壁面间将进行换热，引 起壁面法向方向上温度分布的变化，形成一定的温度 梯度，近壁处，流体温度发生显著变化的区域，称为 热边界层或温度边界层。 湍流流动热边界层与流动边界层关系： 湍流区：质点相互混合交换热量，t 小。 缓冲层：质点混合，分子运动共同作用，温度变化平 缓。 层流内层：导热为主，热阻大，温差大。 * (a)流体被平壁加热 (b)流体被平壁冷却 * 2.对流传热方程-牛顿冷却定律 对流传热大多是指流体与固体 壁面之间的传热，其传热速率 与流体性质及边界层的状况密 切相关。如图在靠近壁面处引 起温度的变化形成温度边界层 。温度差主要集中在层流底层 中。假设流体与壁面的温度 差全部集中在厚度为1的有效膜内，该膜既不是热边 界层，也非流动边界层，而是一集中了全部 * 传热温差并以导热方式传热的虚拟膜。对流传热速率方 程可用牛顿冷却定律来描述，该定律是一个实验定律： 对流传热过程的计算，归结为如何获取 。一般由实 验测定，采用科学的试验方法。 * 二、对流传热系数 1.影响对流传热系数的主要因素 （1） 流动状态的影响 Re层流底层薄，, Re动力消耗大。 （2）强制对流和自然对流的影响 强制对流：外部机械作功,一般u较大，故较大。 自然对流：依靠流体自身密度差造成的循环过程,一 般u较小，也较小。 * （3）流体物性的影响 的影响：, 的影响：, Re, Cp的影响：Cp , Cp单位体积流体的热容量大，则较 大。 的影响: Re （4）传热面条件的影响 不同的壁面形状、尺寸影响流型；会造成边界层分离 ，产生旋涡，增加湍动，使增大。 定型尺寸：对表面传热系数有决定性影响的特征尺寸 。 * （5）相变化的影响 一般情况下，有相变化时表面传热系数较大，机理 各不相同，复杂。 对流传热的分类： 无相变化传热: 强制对流 自然对流 有相变传热: 蒸汽冷凝 液体沸腾 * 2. 流体无相变化时的对流传热系数 利用因次分析的方法可获得描述对流传热的几个重要 的特征数： 努塞尔数 : 雷诺数 : * 普朗特数 : 格拉斯霍夫数: l