复旦大学 化工原理 第四章 传热

1、 第四章第四章 传热传热第一节第一节 概述概述一一. 传热过程在化工生产中的应用传热过程在化工生产中的应用 几乎所有的化工生产过程均几乎所有的化工生产过程均伴有传热操作，进行传热操作的伴有传热操作，进行传热操作的目的主要是：目的主要是：1. 加热或冷却，使物料达到指定加热或冷却，使物料达到指定 的温度；的温度；2. 换热，以回收利用热量；换热，以回收利用热量；3. 保温，以减少热损失。保温，以减少热损失。二二. 传热的基本方式传热的基本方式 根据传热的机理区分，传热的基本方式有：根据传热的机理区分，传热的基本方式有：热传导热传导：通过物质的分子、原子和自由电子等微观粒子的：通过物质的分子、原子

2、和自由电子等微观粒子的 热运动而进行热量传递的过程。热运动而进行热量传递的过程。对流对流 ： 在流体中，冷、热不同部位的流体质点作宏观移在流体中，冷、热不同部位的流体质点作宏观移 动和混合，将热量从高温处传递到低温处的过程。动和混合，将热量从高温处传递到低温处的过程。热辐射热辐射 ： 物质因本身的温度而激发产生电磁波，向空间物质因本身的温度而激发产生电磁波，向空间1. 传播来进行热量传递的过程。传播来进行热量传递的过程。三三. 间壁传热过程间壁传热过程 在工业生产中，冷、热两种流体的热交换，多数情况下不在工业生产中，冷、热两种流体的热交换，多数情况下不允许两种流体直接接触；要求用固体壁隔开，即

3、采用间壁传热。允许两种流体直接接触；要求用固体壁隔开，即采用间壁传热。 最常见的一种间壁传热设备是套管式的热交换器。最常见的一种间壁传热设备是套管式的热交换器。四四. 工艺过程的热负荷计算工艺过程的热负荷计算无相变时的热负荷计算无相变时的热负荷计算 如果工艺要求将质量流率为如果工艺要求将质量流率为 qm1 ( Kg / S ) 、 比热比热为为 Cp1 （ J / Kg.K ) 的热流体由温度的热流体由温度 T1 冷却至冷却至 T2 ；则在单位；则在单位时时间内热流体所释放出的热量（放热速率）间内热流体所释放出的热量（放热速率） Q1 为：为： Q1 = Cp1 qm1 ( T1 T2 ) 单

4、位是：单位是： W （ J / S ） 。 热流体所释放的热量必须被冷流体所带走。若冷流体在热流体所释放的热量必须被冷流体所带走。若冷流体在单单位时间内的吸热量位时间内的吸热量 （ 吸热速率吸热速率 ）为）为 Q2 : Q2 = Cp2 qm2 ( t2 t1 ) 单位是：单位是： W （ J / S ） 。 冷、热流体的热量交换必须通过热交换器来实施。若使冷、热流体的热量交换必须通过热交换器来实施。若使用用的热交换器传热速率为：的热交换器传热速率为：Q = Km Am D Dtm 。 则：则： Q1 = Q2 = Q 才能满足工艺要求。才能满足工艺要求。2. 有相变的热负荷计算有相变的热负荷

5、计算 如果热流体是温度为如果热流体是温度为 T 的蒸汽，现要将其冷凝为温度为的蒸汽，现要将其冷凝为温度为 T 的液体；则热流体在单位时间内所释放的热量的液体；则热流体在单位时间内所释放的热量 Q : Q = g g qm 式中：式中： g g 热流体在温度为热流体在温度为 T 时的汽化潜热，时的汽化潜热， KJ / Kg ； qm 热流体的质量流量热流体的质量流量 ， Kg / S 。五五. 热量传递的极限热量传递的极限 热量传递的极限是冷、热流体的温度相等。热量传递的极限是冷、热流体的温度相等。 如果一个逆流操作的热交换器，具有无穷大的换热面积，如果一个逆流操作的热交换器，具有无穷大的换热面

6、积，则有：则有： T1 = t2 或或 T2 = t1 第二节第二节 热传导热传导一一. 傅立叶定律傅立叶定律 单位时间内传导的热量与温度梯度及垂直于热流方向的截单位时间内传导的热量与温度梯度及垂直于热流方向的截面积成正比。即：面积成正比。即： 其中比例系数其中比例系数 l l ，称为物质的导热系数，称为物质的导热系数， W / m.K 。 公式中的负号表示热流方向与温度梯度方向相反。公式中的负号表示热流方向与温度梯度方向相反。二二. 导热系数导热系数 各类固体材料的导热系数的数量极为：各类固体材料的导热系数的数量极为： 金属金属 10 100 W / m.K 建筑材料建筑材料 0.1 10

7、W / m.K 绝热材料绝热材料 0.1 0.01 W / m.K 金属的导热系数最大，液体其次，气体的导热系数最小。金属的导热系数最大，液体其次，气体的导热系数最小。 对于固体材料，其导热系数随温度对于固体材料，其导热系数随温度 t 而变，近似为直线关系：而变，近似为直线关系： l l = l l0 0 ( 1 + a a t ) 其中：其中： a a 温度系数。对于大多数金属材料温度系数。对于大多数金属材料 a a 为负值；为负值； 对于大多数非金属材料对于大多数非金属材料 a a 为正值。为正值。三三. 平板壁的稳定热传导平板壁的稳定热传导 若热传导仅在若热传导仅在 x 方向进行传递，方

8、向进行传递，平板壁的传热面积为平板壁的传热面积为 A 。 则平板壁的热传导速率为：则平板壁的热传导速率为：四四. 多层平板壁的稳定热传导多层平板壁的稳定热传导 假定各板之间紧密接触。假定各板之间紧密接触。则多层平板壁的热传导速率：则多层平板壁的热传导速率：式中：式中： A 平板的传热面积，平板的传热面积， m2 ； l l1 1 、l l2 2 、l l3 3 分别为板分别为板1、板板2、板、板3 的导热系数，的导热系数，W / m.K 。五五. 圆筒壁的稳定热传导圆筒壁的稳定热传导 圆筒壁的稳定热传导速率为：圆筒壁的稳定热传导速率为：式中：式中：当当 A2 / A1 2 10 104 4 ，

9、 0.7 Pr 160 0.7 Pr 160 当流体被加热时当流体被加热时 n = 0.4 n = 0.4 ；当流体被冷却时；当流体被冷却时 n = 0.3 n = 0.3 。 设备尺寸为管内径；定性温度为流体主体进、出口温度的设备尺寸为管内径；定性温度为流体主体进、出口温度的算术平均值；流体为低粘度流体（小于水粘度的算术平均值；流体为低粘度流体（小于水粘度的 2 2 倍）倍） 。例题：例题： 水在一定的流量下通过某套管式热交换器的内管，水在一定的流量下通过某套管式热交换器的内管，温度从温度从 200C 升至升至 800C ；实验测得其对流传热系数为；实验测得其对流传热系数为1000 W / m2.0C