化工基础课件第二章-传热过程

第二章传热过程

本章重点：传导传热，对流传热，热交换器的计算，强化传热的途径。难点：传导传热、对流传热机理和基本方程。第二章传热过程本章重点：传导传热，对流传热，热交换器在化工生产和科学实验中，随时会遇到热量传递的问题。例如，为了保证化学反应在一定的温度下进行，对于吸热反应，就需要外界供给热量，而对于放热反应，则要及时取走热量；在分离、提纯的操作中，如精馏、蒸发、干燥等操作中，都发生物相的变化，物质发生了相变，就要吸收或放出热量，也需要及时供给或取出热量；在预热或冷却过程中，又需要供给或取走物料在温度变化时所吸收或放出的“显热”；这些热量传递的过程简称传热。在化工生产中的加热炉和各种管道需要保温和阻止热量传递，这一类也属于传热的问题。在化工生产和科学实验中，随时会遇到热量传递的问题。例如，为了化工基础课件第二章-传热过程化工基础课件第二章-传热过程化工基础课件第二章-传热过程搅拌釜式反应器搅拌釜式反应器邻二甲苯氧化制苯酐多管式固定床反应器邻二甲苯氧化制苯酐多管式固定床反应器重油的催化裂化流化床反应器重油的催化裂化流化床反应器乙苯加氢气液塔式反应器乙苯加氢气液塔式反应器轻油裂解制乙烯管式非催化反应器轻油裂解制乙烯管式非催化反应器热量的传递有三种基本方式：传导、对流、辐射。实现传热过程的设备类型（传热中冷热流体的接触方式）：直接混和式传热（直接接触式传热），间壁式传热、蓄热式传热。直接混和式传热（直接接触式传热），冷热流体直接接触传热，如在真空蒸发操作中，将水蒸气流经混合冷凝器与冷却水直接接触而冷凝，冷水由液封管流走，只有不凝气由真空泵抽走，保证在恒定负压下的连续真空蒸发操作。热量的传递有三种基本方式：传导、对流、辐射。间壁式传热，主要通过传导、对流两种方式来传递热量。多数情况下工艺上不允许冷热流体直接接触，在热交换器中冷热流体分别流过间壁两侧，热量自热流体传给冷流体。蓄热式传热，主要通过传导、对流、辐射三种方式来传递热量。蓄热式换热器是由热容量较大的蓄热室构成，室内填充耐火砖等填料，它的传热方式是，首先将热流体通入蓄热室将填充物加热，之后再通入冷流体，使冷流体被已加温的蓄热室加热，达到冷热流体之间的传热目的。一般这种传热方式只适用于气体，且允许少量物质参混的情况。间壁式传热，主要通过传导、对流两种方式来传递热量。多数情况下化工生产中，间壁式传热设备用得最多。这类设备通常称作热交换器或换热器。在所有化工厂设备中换热器约占设置重量的40%左右，因此必须对传热机理、传热过程的影响因素、传热过程的强化或抑止、换热设备的传热面积计算，以及主要几种热交换器的基本结构和性能有所了解。化工生产中，间壁式传热设备用得最多。这类设备通常称作热交换器稳态传热：在传热进行时，物体各点温度不随时间而变、仅随位置变化的传热过程。传热过程非稳态传热：若物体各点温度随位置变化、也随时间变化的的传热过程。补充：稳态传热：在传热进行时，物体各点温度不随时传热过程非稳态传热§1

传导传热

1-1传导传热

传导传热也称热传导，是依靠物体内自由电子的运动或分子的振动来传递热量的。物体较热部分的分子因振动而与相邻的分子碰撞，并将其动能的一部分传给后者，借此，热能从物体的一部分传至另一部分。此种作用继续进行，直到整个物体中温度达到完全相同。§1传导传热1-1传导传热补充：发生导热时，物体各部分之间不发生宏观相对位移。对于气体，导热是由于气体分子做无规则热运动、相互碰撞而引起；对于固体，导电体的导热是由自由电子的运动而引起；而非导电体则通过晶格的振动来传递热量。对于液体，可以认为介于气体和固体之间。补充：发生导热时，物体各部分之间不发生宏观相对位移。

在一个均匀（各部分化学组成、物理状态相同）的物体内（图2-1），热量以传导方式沿着方向n通过物体。取热流方向的微分长度为，在瞬间内的热传量为。实践证明，单位时间内的传热量与垂直于热流方向的导热截面面积A和温度梯度成正比，即：（2-1）或写成：

(2-2)

上式为导热基本方程，或称为傅立叶（Fourier）定律。图2-1通过壁面的热传导在一个均匀（各部分化学组成、物理状态相同）的物体

在稳定导热时，因导热量Q不随时间而改变，即单位时间内的导热量为定值，故上式可写成：（2-3）式中：q

－单位时间内传导的热量，也称导热速率

[J/s]或

[W]；

A－导热面积[m2]；－比例系数，称为导热系数

[W/m·K]；－温度梯度[K/m]，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差也越大。

在稳定导热时，因导热量Q不随时间而改变，即单位时式（2-1）、（2-2）、（2-3）等号右边的负号表示热流方向与温度梯度方向相反，即热量沿着温度降低的方向传递（温度升高，温度梯度为正）。导热系数系温度梯度为1[K/m]，导热面积为1[m2]情况下，单位时间内传递的热量。物质的导热系数数值越大，说明该物质的导热能力越强。所以导热系数是物质导热能力的标志，为物质的物理性质之一。通常，需要提高导热速率时可选用导热系数大的材料；反之，要降低导热速率时，应选用导热系数小的材料。

式（2-1）、（2-2）、（2-3）等号右边的负号表示热流方影响导热系数λ值的主要因素：物质的化学组成；物理状态（固态的导热系数大，气态的小）；湿度（湿材料的比干材料的要大）；压强（对气体有影响）；温度。影响导热系数λ值的主要因素：各种物质的导热系数都可用实验方法测得，在常温常压下一些物质的导热系数大致如下：从右表数据可以看出，金属的值最大，气体的值最小，一些保温材料值之所以很小，就是因为保温材料内有很大部分空间是空气的缘故。

物质导热系数λ[W/m·K]金属5建筑材料0.5～2绝热材料0.01～0.4水0.6其他液体0.09～0.7气体0.007～0.17各种物质的导热系数都可用实验方法测得，在常温常压下一些物质的物料的导热系数值还随温度而变化。但金属和液体的导热系数变化较小。大多数液体的导热系数随温度升高而减小（水和甘油除外）。气体的导热系数随温度的升高而加大。在相当大的压力范围内，气体的导热系数和压力的关系不是很大，只有在压力大于2000[大气压]或是小于20[毫米汞柱]时，导热系数才随着压力的增加而加大。工程计算上较常涉及的混和气体或溶液的导热系数，一般应由实验测定比较可靠，若缺乏实验条件，也可以按纯物质的数据进行估算。物料的导热系数值还随温度而变化。但金属和液体的导热系数变

液体混合物的导热系数，可按质量加和法进行估算：

式中：、－混合液和各组分的导热系数[W/m·K]；－各组分的质量分数；

K

－常数，对一般混合物或溶液为1.0，对有机物的水溶液为0.9。液体混合物的导热系数，可按质量加和法进行估算：

气体混合物的导热系数，可按摩尔加和法估算：式中：、－气体混合物和各组分的导热系数

[W/m·K]；－i组分的摩尔分数；

Mi－i组分的摩尔质量[g/mol]。气体混合物的导热系数，可按摩尔加和法估算：1-2

平面壁的稳定热传导平面壁的传热面积沿传热方向没有改变；稳定热传导即单位时间内的传热量为定值（即不管此时彼时，单位时间内传递的热量相同）。图2-1为厚度为δ、面积为A的单层平面壁热传导的示意图。稳定情况下，单位时间传导的热量由式（2-3）可知：1-2平面壁的稳定热传导平面壁的传热面积沿传热方向没有改变当n由，t由时，则得

或方程式（2-6a）和（2-6b）都可用来计算单层平面壁的稳定热传导。q/为单位时间、单位面积的导热量，称热通量。q为导热速率。可认为是热传导的阻力，简称热阻R。（t1－t2）为传热推动力。当n由，t由时，则得因此上式也可以写成：

多层平面壁的稳定热传导：生产上常见的是多层平面壁，例如用耐火砖、保温砖和青砖构成的三层炉壁，如图2-2所示。由式（2-6b）可知，第一层（耐火砖）：即第二层（保温砖）：第三层（青砖）：因此上式也可以写成：对于稳定热传导：因此

式中：－多层串联壁两边外表面的温度差；

n

－壁的层数；

i

－壁层的序数。对于稳定热传导：图2-2多层平面壁的热传导图2-3单层圆筒壁化工基础课件第二章-传热过程补充：某燃烧炉的平壁由三种材料构成，最内层为耐火砖，中间层为保温砖，外层为普通砖，各层材料的厚度和导热系数依次为δ1=225mm，λ1＝1.4W/(m·K)；δ2=250mm，λ2

＝0.15W/(m·K)；δ3=225mm，λ3

＝0.8W/(·Km)。已测得内外表面温度分别为930℃和40℃，求单位面积的热损失和各层间接触面的温度。

补充：解:（1）单位面积热损失为

解:（1）单位面积热损失为（2）各层温差及各接触面的温度：（2）各层温差及各接触面的温度：（1）各种材料以单位面积计（即取A=1m2）的热阻R；（2）燃烧炉热通量q/及导热总温差；（3）燃烧炉平壁中各材料层的温差分布。

补充：如图所示，某燃烧炉的平壁由耐火砖、绝热砖和建筑砖三种材料砌成，各层材料的厚度和导热系数依次为δ1=200mm，λ1＝1.2W/(m·K)；δ2=250mm，λ2

＝0.15W/(m·K)；δ3=200mm，λ3

＝0.85W/(·Km)。若已知耐火砖内侧温度t1

为900℃，绝热砖和建筑砖接触面上的温度t3为280℃。从多层平面壁稳态热传导方面考虑，试求：

（1）各种材料以单位面积计（即取A补充：如图所示，某燃解：（1）以单位面积计的热阻为耐火砖：绝热砖：建筑砖：（2）在稳态条件下通过各材料层的热通量相等。燃烧炉热通量解：（1）以单位面积计的热阻为燃烧炉导热总温差（3）各材料层的温差分布燃烧炉导热总温差补充：某燃烧炉由三层砖砌成，内层为耐火砖，λ1＝1.00W/(m·K)，厚度为230mm；中间为保温砖，λ2

＝0.150W/(m·K)；外层为普通砖，λ3

＝0.900W/(·Km)，厚度为230mm。耐火砖内侧温度为700℃，要求普通砖内壁温度不超过150℃，外壁温度不超过60℃。试求保温砖的厚度及每平方米壁面损失的热量。

解：补充：某燃烧炉由三层砖砌成，内层为耐火砖，λ1＝1.00化工基础课件第二章-传热过程1-3

圆筒壁的稳定热传导化工生产上最常采用圆筒形设备传热。如热交换器里的管壁就是最常遇到的圆筒壁。圆筒壁的传热面积随着圆筒半径的增加而增加（平面壁的传热面积是不变的）。设在图2-3单层圆筒壁上取一厚度为dr的薄层，此薄层距轴线的距离为r，圆筒的长度为L，则，故1-3圆筒壁的稳定热传导化工生产上最常采用圆筒形设备传热

在圆筒内壁r1和外壁r2间积分：

式（2-8）是圆筒壁的稳定热传导计算公式。当r2/r1≤2时，可以把当作壁厚，把当作传热面积。按平面壁热传导来计算，误差≤4％。在计算保温问题时，因绝热材料包得较厚，一般r2/r1都较大，仍应按圆筒壁来计算。在圆筒内壁r1和外壁r2间积分：式（2-8）是圆例2-1若在热交换器里的一根钢管，管内径是25[mm]，管壁厚3.25[mm]，管长5.00[m]，管内壁温度是373[K]，管外壁温度是371[K]，已知钢的导热系数=49[W/m·K]，这根钢管传递热量为多少？解已知[mm]=0.0125[m]=12.5+3.25=15.75[mm]=0.01575[m]=3.25[mm]=0.00325[m]L=5.00[m]=49[W/m·K][K][K]（1）按圆筒壁稳定热传导公式（2-8）计算：

[W]例2-1若在热交换器里的一根钢管，管内径是25[mm]，（2）按平面壁稳定热传导公式（2-6b）计算：

[W]从上述计算结果可以看出，其，用平面壁稳定热公式计算，误差仅为1％左右。（2）按平面壁稳定热传导公式（2-6b）计算：多层圆筒壁的稳定热传导或式中d

－圆筒直径[m]。多层圆筒壁的稳定热传导或补充：为安全并减少热损失，要在外径为140mm的蒸气管外包扎石棉保温层。石棉的λ=0.1＋0.0002t[W/m·℃]，式中t为摄氏温度。蒸气管外壁温度240[℃]，要求每米管长的热损失控制在300[W/m]之下，且保温层外壁温度不高于40[℃]。试求保温层的厚度及保温层中温度分布。解：补充：为安全并减少热损失，要在外径为140mm的蒸气管外包（1）保温层厚度（2）保温层中温度分布设保温层中半径为r处的温度为t，则（1）保温层厚度§2

对流传热

2-1对流给热

工业上所常遇到的对流传热，是将热量由流体传至固体壁（例如容器壁、导管壁等）或由固体壁传入周围的流体。此种由壁面传热给流体或相反的过程，也称为给热。

§2对流传热2-1对流给热补充：对流传热与流体的流动状况密切相关，流动流动主要由两种类型：对流自然对流，流体流动由流体内部温度不同引起密度差异而导致。强制对流，流体流动由人为输入机械能（如泵、风机等）而形成。补充：对流传热与流体的流动状况密切相关，流动流动主要由两种类对流给热是发生在流体对流的过程中，所以它与流体流动有密切关系。流体流过固体壁面时形成流动边界层，在边界层内有速度梯度存在；即使流体达到湍流时，在靠近壁面处总有一层层流底层存在，在此层内流体做层流运动。因而可知热量传递在此层内也只能以导热（传导传热）方式进行。由于流体的导热系数小，层流底层的热阻很大，故其中温度差很大，即温度梯度较大。在层流层底层外，从过渡区，再到外流区（湍流主体），逐步依靠流体质点的位移和混和来传热，温度的变化也逐渐减慢，至外流区后几乎不存在温度梯度了。对流给热是发生在流体对流的过程中，所以它与流体流动有密切关系

为了便于处理对流传热问题，运用流动边界层的概念，将有温度梯度存在的区域称为传热边界层，在传热边界层外，温度梯度可以认为已经消失。流动边界层与传热边界层的区别：（1）流动边界层表示流体的速度分布情况；（2）传热边界层表示流体的温度分布情况。通常两者的厚度也不相等，只是对于气体才可认为近似相等。为了便于处理对流传热问题，运用流动边界层的概

综上所述，对流传热是层流底层的导热和层流底层外的以流体质点作相对位移和混和为主的传热的总称。为了便于处理，一般把对流传热看作是相当于通过厚度为的传热边界层的导热。而在传热边界层中包括了真实的层流底层厚度和层流底层外与层流底层处的热阻相当的虚拟厚度，见图2-4。应当强调指出，实际上是不存在的，完全是为了处理问题的方便而假设的。综上所述，对流传热是层流底层的导热和层流底层外的图2-4

流体的对流传热化工基础课件第二章-传热过程

根据以上关于传热边界层的概念，将对流传热进行数学处理，当壁面向冷流体传热时因为实际上传热边界层的厚度是难以测定的，所以上式仍无法用来进行计算，因此以代入上式，得

同理，热流体对壁面给热时

式（2-10a）和（2-10b）为流体给热基本方程，又称牛顿（Newton）给热定律（牛顿冷却定律）。根据以上关于传热边界层的概念，将对流传热进行数学

式（2-10a）用文字来说明即是：壁面温度为tw的固体给热于温度为t的周围流体时，传热速率q与壁面面积A

和壁面与流体间的温度差（tw－t）成正比。式中a比例系数称为给热系数，也称传热分系数。由式（2-10a）得其单位为[W/m2·K]。a的物理意义是单位时间[s]或[h]、单位传热面积[m2]上，温差为1[K]时所能传递的热量[J]，所以它也是对流给热强度的标志。式（2-10a）用文字来说明即是：壁面温度为tw的实验表明，影响给热系数a的主要因素：流体的种类－液体、气体、蒸汽的给热系数都不同；流体的性质－密度（ρ），比热容（C），导热系数（λ），粘度（μ）等；流体运动的状况－滞流，过渡流或湍流，即与速度w有关；流体对流状况－自然对流或强制对流；传热壁的形状、位置及大小－管、板或管束，水平或垂直，直径，长度，高度等。概括以上影响因素，a

可用下列未定方程来表示：实验表明，影响给热系数a的主要因素：2-2

用因次分析法求无相变时流体的给热系数已知与单位时间单位面积传递的热量（热通量）有关的因素为流体的通道尺寸（也称传热表面的特性尺寸）L、流体的流速w、流体与传热表面之间温度差、粘度μ、导热系数λ、密度ρ、比热容CP以及膨胀系数与重力加速度的乘积（表示因温度升高使流体膨胀而引起流体重力的变化）等。将热通量同这些因素的关系用幂函数的形式表示：

2-2用因次分析法求无相变时流体的给热系数已知与单位时间单

以长度L、质量M、时间T、温度θ、热量Q为基本物理量。式中各物理量的单位及因次式为：

物理量单位因次式

q/[J/m2·s]QL-2T-1w[m/s]LT-1

L[m]L[K]θμ[kg/m·s]ML-1T-1λ[W/m·k]QT-1L-1-1ρ[kg/m3]ML-3[J/kg·k]QM-1-1[m/K·s2]LT-2

-1以长度L、质量M、时间T、温度θ、热量Q为基本物因此式（2-11）等号两边各物理量的因次式为：QL-2T-1=k[LT-1]a[L]b[θ]c[ML-1T-1]d[QT-1L-1θ-1]e[ML-3]f[QM-1θ-1]h[LT-2θ-2]i根据因次一致性，等式两边各基本物理量的因次应相等，故可得以下关系：对热量Q：

1=e+h对时间T：–1=–a–d–e–2i对温度：0=c–e–h–i对质量M：0=d+f–h

对长度L：–2=a+b–d–e–3f+i因此式（2-11）等号两边各物理量的因次式为：上述五个方程中有八个未知数，不能联立求解，但可以把八个未知数中的五个用其他三个未知数表示如下：

e=1–hd=–a+h–2ic=1+if=a+2ib=a+3i–1

代入式（2-11）得：上述五个方程中有八个未知数，不能联立求解，但可以把八个未知数或

移项得

式（2-11c）为一准数式，式中包括四个无因次数群，其名称、符号和物理含义如表2-1所示。或表2-1关于对流传热的几个准数准数名称符号准数的涵义努塞尔特准数（Nusselt）

表示传热系数的准数雷诺准数（Reynolds）

确定流动状态的准数普兰特准数（Prandtl）

表示物性影响的准数格拉斯霍夫准数（Grashof）

表示自然对流影响的准数表2-1关于对流传热的几个准数准数名称符号准数的

式（2-11c）也可用准数关联式表示如下：

上式说明，在Re、Pr、Gr确定后，Nu也就被确定了。而Nu中包含有特定的a，所以当流体一定、器壁的几何尺寸一定时，a也就可以得出。式（2-11d）适用于一般情况，其中有四个准数，针对不同情况，可以再加化简。例如只存在自然对流时，升力影响较大，而Re的影响可以忽略；在强制对流时，则代表自然对流的Gr可以忽略。即：

如将强制对流的函数关系整理成幂函数的形式，则得式中c、m、n都是常数，需由实验确定。式（2-11c）也可用准数关联式表示如下：2-3液体无相变时的a关联式1.流体在圆管内呈强制对流（1）对于低粘度（低于2倍常温水的粘度）流体，用下述关联式：

得

式中：m与热流方向有关：当流体被加热时，m=0.4；当流体被冷却时，m=0.3.2-3液体无相变时的a关联式1.流体在圆管内呈

应用范围：Re>104，0.7<Pr<120，管长和管径比L/d>60。若L/d<60时，将按（2-12a)式得到的a乘以[1+(d/L)0.7]进行校正。

特性温度：流体进、出口温度的算术平均值；

特征尺寸：管内径d（非圆管取当量直径）。应用范围：Re>104，0.7<Pr<120（2）对于高粘度液体，可采用以下关联式：应用范围：除Pr=0.7~16700外，其它均与（2-12a)式相同。

特性温度：除μm取壁温下的流体粘度外，其它取液体的进、出口温度的平均值；

特征尺寸：管内径d。（2）对于高粘度液体，可采用以下关联式：应用范围：除Pr=

2.流体在圆管内呈强制层流

当管径较小、流体与壁面温差较小、流体的μ/ρ值较大、自然对流可忽略时，可用下式计算a：应用范围：Re<2300，0.6<Pr<6700，。性温度和特征尺寸：同呈强制对流的高粘度液体。2.流体在圆管内呈强制层流

当管径较小3.流体在圆管内呈过渡流对于Re=2300～10000时，传热系数可先用湍流时的经验式计算，将算得的a乘以校正系数φ：应该指出，通常在换热器设计中，为了提高总传热系数，流体多呈湍流流动。3.流体在圆管内呈过渡流对于Re=2300～104.自然对流对大空间中的自然对流，如管道或传热设备表面与周围大气之间的对流传热就属于这类情况，通过实验测得上式中的c和n值列于下表中。加热表面形状特征尺寸（Gr·Pr）范围cn水平圆管外径104~1090.531/4109~10120.131/3垂直管或板高度104~1090.591/4109~10120.101/34.自然对流对大空间中的自然对流，如管道或传热设备表面与从表2-2（略）所列数据可以看出，流体发生相变时（例如液体沸腾或蒸气冷凝时），其给热系数值一般较大；粘度大的液体，其给热系数较小；气体的给热系数一般不大，但高压气体（尤其是含氢的气体）具有较高的给热系数。水的给热系数通常在500～800[W/m2·k]之间。从表2-2（略）所列数据可以看出，流体发生相变时（例如液体沸§3辐射传热

辐射传热也称热辐射，是一种以电磁波传递热量的方式。如图2-5所示，当辐射线投向一物体的表面时，投在物体上的总热量q中有一部分qA被吸收，一部分qR被反射，另一部分qD透射该物体。按能量守恒定律qA+qR+qD=q，故

或

A+R+D=1式中：，为物体的吸收率；

，为物体的反射率；，为物体的透过率。图2-5投在物体上辐射能的分布§3辐射传热辐射传热也称热能全部吸收辐射能的物体，即A=1，称为黑体。纯黑的煤和黑丝绒接近于黑体，其吸收率最高可达97％（即A=0.97）。能全部反射辐射能的物体，即R=1，称为绝对白体或镜体。磨光的金属面接近于镜体，其反射率可达97％（即R=0.97）。单原子和对称的双原子所构成的气体，一般视为能让热辐射完全透过，即其D=1，称为透热体。能部分地吸收所有波长范围内的辐射能的物体称为灰体，在一定的温度下灰体能以相等的吸收率吸收所有波长的辐射能。能全部吸收辐射能的物体，即A=1，称为黑体。纯黑的煤和

黑度

：物体吸收辐射能的能力与黑体吸收辐射能的能力之比，称为该物体的黑度。物体的黑度在数值上等于其吸收率。表2-3某些材料的黑度值材料温度（℃）黑度经氧化的铝200～6000.11~0.19磨光的铝225～5750.039~0.057耐火砖—0.8~0.9氧化的钢板200～6000.8磨光的钢板940～11000.55~0.61经氧化的铸铁200～6000.64~0.78黑度：物体吸收辐射能的能力与黑体吸收辐射能

物体只要其温度高于0[K]，都能有热辐射，但只有当物体的温度大于673[K]的时候，才发生明显的辐射传热量。所以一般的热交换器壁因辐射而传递损失的热量可以忽略不计。斯蒂芬－波尔兹曼（Stefan-Boltzmann）定律指出，黑体的辐射能力E0与绝对温度的四次方成正比。

式中：c0－黑体的辐射系数，其值为5.67，单位为

[W/m2·K4]。物体只要其温度高于0[K]，都能有热辐射，但只补充例题：试计算一黑体表面温度分别为20℃及600℃时辐射能力的变化。解：黑体在20℃时的辐射能力黑体在600℃时的辐射能力由此可见，同一黑体在温度变化600/20＝30倍，而辐射能力增加78.8倍，说明温度对辐射能力的影响在低温时较小，往往可以忽略，而在高温时则成为主要的传热方式。补充例题：试计算一黑体表面温度分别为20℃及600℃时辐实际物体的辐射能力较低，应为

因此固体在高温时热辐射放出的热量可以按下式计算：式中：E

－固体的辐射能力，即固体在高温时单位时间、单位面积因辐射放出的热量（W/m2）；

T

－固体的热力学温度[K]；－物体的黑度。实际物体的辐射能力较低，应为例题2-2钢在673[K]时，每秒每平方米因辐射放出多少热量？解钢的黑度ε=0.8，T=673[K]，按（2-13b）计算：例题2-2钢在673[K]时，每秒每平方米因辐射放出多由较高温度的物体1传给较低温度物体2的传热速率：

式中：C1-2－总辐射系数，包括两物体的黑度和相对位置的校正因素，其单位为[W/m2·K4]；Ａ－基准传热面积

[m2]，若一物体被另一物体包围，则取被包围物体的表面积；－角系数，表示第一个物体表面发射的辐射能投射到第二个物体表面上的百分数，若第一个物体表面被第二个物体完全包围，则；

T1、T2－分别为高温和低温的物体的温度[K]。由较高温度的物体1传给较低温度物体2的传热速率：

最常见和最简单的情况是被加热物体很大，把热源包在里面，如化工厂中处于室内的热源。这时，应取被包围的物体表面积为辐射面积，而且应取，而总辐射系数为：

式中：A1、A2－被包围物体和外围物体的表面积[m2]；、－被包围物体和外围物体的黑度。当A2>>A1时，得

最常见和最简单的情况是被加热物体很大，把热源包在§4热交换器的计算

4-1传热速率与传热系数

图2-6为冷、热流体通过热交换器进行热交换的示意图。热量的传递属于对流－传导－对流的形式。在热交换过程中，每一阶段的传热速率都相等。但不管计算哪一段的传热速率，都必须知道壁温tW，而在实际中要测定tW是比较困难的，也就是很难用计算热交换中某一阶段的传热速率来得到热交换器的传热速率。但是热交换器中冷、热流体的主体温度是很容易测定的，故可应用其主体温度求得热交换器的传热速率。图2-6

流体的热交换§4热交换器的计算4-1传热速率与传热系数流体的主体

热流体对（冷）器壁面的对流传热速率：或器壁间的传导传热速率：或（热）器壁面对冷流体的对流传热速率：或热流体对（冷）器壁面的对流传热速率：式中：T

－热流体的主体温度[K]；

tW1

－热流体一侧的壁温[K]；

tW2

－冷流体一侧的壁温[K]；

t

－冷流体的主体温度[K]；

A1－器壁热流体一侧的传热面积[m2]；

Am－器壁本身的平均传热面积[m2]；

A2－器壁冷流体一侧的传热面积[m2]；

a1－热流体的给热系数[W/m2·K4]；

δ

－壁厚[m]；

λ－器壁的导热系数[W/m·K]；

a2

－冷流体的给热系数[W/m2·K]；式中：T－热流体的主体温度[K]；将上面（a）、（b）、（c）三式相加得：在稳定情况下，热交换器的总传热速率等于各层的传热速率，即，所以：

式中：将上面（a）、（b）、（c）三式相加得：化工基础课件第二章-传热过程平面壁的总传热速率方程式

若间壁为平面壁或近于平面壁（如圆曲率很大的带夹套的反应釜），则于是总传热速率方程式应为

式中：，称为总传热系数或传热总系数，K的物理意义：间壁两侧流体主体间温度差为1[K]时，单位时间内通过单位间壁面积所传递的热量，其单位为[W/m2·K]，与a的单位相同。平面壁的总传热速率方程式若间壁为平面壁或近于平面壁（如圆在这种传热条件下的热阻力为当间壁为多层复合平面壁时：

在这种传热条件下的热阻力为圆筒壁的总传热速率方程式

通过圆筒壁传热的总传热速率方程，可按类似于上述的推导方法，以圆筒壁代替平面壁进行推导，得：

或其中，为圆筒壁半径的对数平均值（当时，可取算术平均值）；。圆筒壁的总传热速率方程式通过圆筒壁传热的总传

当圆筒壁厚度不大时，，故上式可简化为式中rm为算术平均半径。当圆筒壁厚度不大时，表2-4工业用热交换器的K值的大致范围

换热流体K[W/m2·K]由气体到气体20～30由气体到水10～60由油到水150～400由水到水800～1800由冷凝蒸气到水300～2000由冷凝蒸气到油50～400由冷凝蒸气到沸腾油300～800表2-4工业用热交换器的K值的大致范围换4-2

传热的平均温度差传热可分为恒温传热和变温传热两种，其平均温差各不相同。恒温传热是指两种流体经过壁面进行热量交换时，在任何时间内两种流体的温度都不发生变化，即热流体始终保持一个温度T，冷流体也始终保持一个温度t。例如蒸发器中间壁的一侧是用饱和蒸汽加热，另一侧是沸腾的液体，两种流体的温度都是保持不变的，所以它们之间的传热温差可以简单地表示为：4-2传热的平均温度差传热可分为恒温传热和变温传热两种，其变温传热是指在传热过程中，间壁一侧或两侧的流体温度沿着传热壁面随着位置不同而不同，分为两种情况：稳定的变温传热：各点的温度都不随时间而变化；不稳定的变温传热：间壁一侧或两侧的流体温度沿着壁面不仅随位置而改变，还随时间而改变。热交换器在一般情况下都是稳定变温传热。变温传热是指在传热过程中，间壁一侧或两侧的流体温度沿着传热壁

在稳定的变温传热情况下，温度差也是沿着传热壁面在不同的位置上各不相同，而且是沿着壁面按指数函数变化的。由于温差发生变化，所以传热速率公式

应写成式中为平均温度差。在稳定的变温传热情况下，温度差也是沿着传热壁生产上常用的换热器内流体流向类型：（1）并流：彼此同向；（2）逆流：彼此对向；（3）错流：彼此垂直；（4）折流：如图2-7（d）所示。参与热交换的两种流体，其中之一在间壁一侧只沿一个方向流动，而另一种流体在另一侧先沿一个方向流动，然后折回以相反方向流动，或如此反复地做折流流动，称之为简单折流，在折流时，两侧流体间并流和逆流交替存在。图2-7热交换器流体流向示意图生产上常用的换热器内流体流向类型：

工业上最常用的是并流和逆流。图2-8所示为并流和逆流时温差沿传热壁面的变化，图中T代表热流体的温度，t代表冷流体的温度，、分别代表热交换器两端的温差，且。

图2-8温差沿传热壁面的变化工业上最常用的是并流和逆流。图2-8所示为并流和这时的平均温差要用进出口温差的对数平均值计算，即

在运用式（2-20）计算时，注意两端温差中大的为，小的为，以使式中的分子与分母都是正数。如，可用算术平均温差值，即

这时的平均温差要用进出口温差的对数平均值计算，即§5

热交换设备工业上最常见的热交换器，按热交换的目的不同，可以分为加热器、冷却器和冷凝器等三类。但从构造上来看并不多大区别，较为主要的、应用比较广泛的热交换器不外有下列几种：夹套式热交换器；蛇管式热交换器；套管式热交换器；列管式热交换器；板式热交换器。热交换器的材料一般使用钢材，但对某些有特殊工艺要求的，可采用有色金属，如铜、钛，也可采用非金属材料如耐磨腐蚀的石墨材料等等。§5热交换设备工业上最常见的热交换器，按热交换的目的不5-1夹套式热交换器

广泛应用于反应物料的加热或冷却。优点：构造简单。加热时，蒸气由上口进入，冷凝水从下口流出；冷却时，冷却水由下部连接口进入，由上部流出。缺点：传热面积小，传热系数小。图2-10夹套式热交换器1－容器；2－夹套5-1夹套式热交换器广泛应用于反应5-2蛇管式热交换器

在容器内装有蛇形换热管，可以安装成排，也可以排成一个平面，水平地安装于器底，还可以焊在器壁上。蛇管不宜太长或太粗。蛇管过长，则管内流体的流动阻力较大，消耗能量多；若太粗，则设备费用较大。

图2-11沉浸式蛇管热交换器5-2蛇管式热交换器在容器内装有蛇形换热管，可以安装成5-3套管式热交换器

优点：构造比较简单，内管和外管的流体可严格地进行逆流，传热效果良好，而排数和程数地伸缩性也很大，可以任意增添或拆除。

缺点：接头很多，容易发生泄漏；占地较大，单位长度的传热面积有限。图2-12套管式热交换器5-3套管式热交换器优点：构造比较简单，内管5-4列管式热交换器

样式很多，主要结构为在一个圆形壳体内装有很多管子所组成的换热器。图2-13列管式热交换器5-4列管式热交换器样式很多，主要结构为5-5板式热交换器

图2-14板式热交换器图2-15螺旋板式热交换器优点：传热温差较大；结构紧凑，制作简便并能节约金属管材等。缺点：操作压力和温度不能太高，不易检修，流动阻力大。5-5板式热交换器§6

热交换过程的强化途径

从传热基本方程不难看出，提高K、A、中任何一个，均可强化传热。但究竟哪一个因素起决定作用，则要做具体分析。

增加传热面积A

对于间壁式换热器，增大A，意味着增加金属材料的用量，使设备费用提高，所以这是不经济的。但有时增加单位体积内的传热面积，例如翅片式换热器或用螺纹管、粗糙管代替光滑管，能使设备紧凑、结构合理，是强化传热的重要途径。§6热交换过程的强化途径从传热基本方程

增大传热温差

传热温差是传热过程的推动力，所以如其他条件一定，则温差越大，传热速率也越大。在生产上常用增大温差的办法来强化传热，例如用水蒸气加热时增加水蒸气压力来提高温度，但要注意，蒸气压力增高时，设备材料即气密性就要求高，而且热损失会因之加大。此外，在冷、热流体进出口温度相同的情况下，尽量采用逆流操作，因为逆流操作有较大的平均温差。增大传热温差

提高传热系数K

从传热系数的关系式可以看出，要提高K值，必须设法提高、及，降低值，重点应放在最薄弱的环节上，即增加较小的一方，但当两个值相近时，应同时予以提高。提高传热系数K根据对流传热的分析可知，对流传热的热阻主要集中在传热边界层，热量在此层中以传导方式进行传递。而流体的导热系数很小。针对这种情况，强化传热可采取如下措施：（1）增加湍流程度，以减小传热边界层厚度。（a）增大流体流速；（b）改变流动条件，通过设计特殊的传热壁面，使流体在流动过程中不断地改变流动方向，促使形成湍流。（2）采用导热系数大的流体做载热体，降低传热边界层的热阻，增大传热速率。（3）消除垢层热阻。（4）增加给热系数小的一方的传热面积，这相当于增大给热系数小的一方的给热系数。

根据对流传热的分析可知，对流传热的热阻主要集中在传热边界层，第二章作业（习题）第3、4、5、7、8、15题。第二章作业（习题）第3、4、5、7、8、15题。第二章传热过程

本章重点：传导传热，对流传热，热交换器的计算，强化传热的途径。难点：传导传热、对流传热机理和基本方程。第二章传热过程本章重点：传导传热，对流传热，热交换器在化工生产和科学实验中，随时会遇到热量传递的问题。例如，为了保证化学反应在一定的温度下进行，对于吸热反应，就需要外界供给热量，而对于放热反应，则要及时取走热量；在分离、提纯的操作中，如精馏、蒸发、干燥等操作中，都发生物相的变化，物质发生了相变，就要吸收或放出热量，也需要及时供给或取出热量；在预热或冷却过程中，又需要供给或取走物料在温度变化时所吸收或放出的“显热”；这些热量传递的过程简称传热。在化工生产中的加热炉和各种管道需要保温和阻止热量传递，这一类也属于传热的问题。在化工生产和科学实验中，随时会遇到热量传递的问题。例如，为了化工基础课件第二章-传热过程化工基础课件第二章-传热过程化工基础课件第二章-传热过程搅拌釜式反应器搅拌釜式反应器邻二甲苯氧化制苯酐多管式固定床反应器邻二甲苯氧化制苯酐多管式固定床反应器重油的催化裂化流化床反应器重油的催化裂化流化床反应器乙苯加氢气液塔式反应器乙苯加氢气液塔式反应器轻油裂解制乙烯管式非催化反应器轻油裂解制乙烯管式非催化反应器热量的传递有三种基本方式：传导、对流、辐射。实现传热过程的设备类型（传热中冷热流体的接触方式）：直接混和式传热（直接接触式传热），间壁式传热、蓄热式传热。直接混和式传热（直接接触式传热），冷热流体直接接触传热，如在真空蒸发操作中，将水蒸气流经混合冷凝器与冷却水直接接触而冷凝，冷水由液封管流走，只有不凝气由真空泵抽走，保证在恒定负压下的连续真空蒸发操作。热量的传递有三种基本方式：传导、对流、辐射。间壁式传热，主要通过传导、对流两种方式来传递热量。多数情况下工艺上不允许冷热流体直接接触，在热交换器中冷热流体分别流过间壁两侧，热量自热流体传给冷流体。蓄热式传热，主要通过传导、对流、辐射三种方式来传递热量。蓄热式换热器是由热容量较大的蓄热室构成，室内填充耐火砖等填料，它的传热方式是，首先将热流体通入蓄热室将填充物加热，之后再通入冷流体，使冷流体被已加温的蓄热室加热，达到冷热流体之间的传热目的。一般这种传热方式只适用于气体，且允许少量物质参混的情况。间壁式传热，主要通过传导、对流两种方式来传递热量。多数情况下化工生产中，间壁式传热设备用得最多。这类设备通常称作热交换器或换热器。在所有化工厂设备中换热器约占设置重量的40%左右，因此必须对传热机理、传热过程的影响因素、传热过程的强化或抑止、换热设备的传热面积计算，以及主要几种热交换器的基本结构和性能有所了解。化工生产中，间壁式传热设备用得最多。这类设备通常称作热交换器稳态传热：在传热进行时，物体各点温度不随时间而变、仅随位置变化的传热过程。传热过程非稳态传热：若物体各点温度随位置变化、也随时间变化的的传热过程。补充：稳态传热：在传热进行时，物体各点温度不随时传热过程非稳态传热§1

传导传热

1-1传导传热

传导传热也称热传导，是依靠物体内自由电子的运动或分子的振动来传递热量的。物体较热部分的分子因振动而与相邻的分子碰撞，并将其动能的一部分传给后者，借此，热能从物体的一部分传至另一部分。此种作用继续进行，直到整个物体中温度达到完全相同。§1传导传热1-1传导传热补充：发生导热时，物体各部分之间不发生宏观相对位移。对于气体，导热是由于气体分子做无规则热运动、相互碰撞而引起；对于固体，导电体的导热是由自由电子的运动而引起；而非导电体则通过晶格的振动来传递热量。对于液体，可以认为介于气体和固体之间。补充：发生导热时，物体各部分之间不发生宏观相对位移。

在一个均匀（各部分化学组成、物理状态相同）的物体内（图2-1），热量以传导方式沿着方向n通过物体。取热流方向的微分长度为，在瞬间内的热传量为。实践证明，单位时间内的传热量与垂直于热流方向的导热截面面积A和温度梯度成正比，即：（2-1）或写成：

(2-2)

上式为导热基本方程，或称为傅立叶（Fourier）定律。图2-1通过壁面的热传导在一个均匀（各部分化学组成、物理状态相同）的物体

在稳定导热时，因导热量Q不随时间而改变，即单位时间内的导热量为定值，故上式可写成：（2-3）式中：q

－单位时间内传导的热量，也称导热速率

[J/s]或

[W]；

A－导热面积[m2]；－比例系数，称为导热系数

[W/m·K]；－温度梯度[K/m]，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差也越大。

在稳定导热时，因导热量Q不随时间而改变，即单位时式（2-1）、（2-2）、（2-3）等号右边的负号表示热流方向与温度梯度方向相反，即热量沿着温度降低的方向传递（温度升高，温度梯度为正）。导热系数系温度梯度为1[K/m]，导热面积为1[m2]情况下，单位时间内传递的热量。物质的导热系数数值越大，说明该物质的导热能力越强。所以导热系数是物质导热能力的标志，为物质的物理性质之一。通常，需要提高导热速率时可选用导热系数大的材料；反之，要降低导热速率时，应选用导热系数小的材料。

式（2-1）、（2-2）、（2-3）等号右边的负号表示热流方影响导热系数λ值的主要因素：物质的化学组成；物理状态（固态的导热系数大，气态的小）；湿度（湿材料的比干材料的要大）；压强（对气体有影响）；温度。影响导热系数λ值的主要因素：各种物质的导热系数都可用实验方法测得，在常温常压下一些物质的导热系数大致如下：从右表数据可以看出，金属的值最大，气体的值最小，一些保温材料值之所以很小，就是因为保温材料内有很大部分空间是空气的缘故。

物质导热系数λ[W/m·K]金属5建筑材料0.5～2绝热材料0.01～0.4水0.6其他液体0.09～0.7气体0.007～0.17各种物质的导热系数都可用实验方法测得，在常温常压下一些物质的物料的导热系数值还随温度而变化。但金属和液体的导热系数变化较小。大多数液体的导热系数随温度升高而减小（水和甘油除外）。气体的导热系数随温度的升高而加大。在相当大的压力范围内，气体的导热系数和压力的关系不是很大，只有在压力大于2000[大气压]或是小于20[毫米汞柱]时，导热系数才随着压力的增加而加大。工程计算上较常涉及的混和气体或溶液的导热系数，一般应由实验测定比较可靠，若缺乏实验条件，也可以按纯物质的数据进行估算。物料的导热系数值还随温度而变化。但金属和液体的导热系数变

液体混合物的导热系数，可按质量加和法进行估算：

式中：、－混合液和各组分的导热系数[W/m·K]；－各组分的质量分数；

K

－常数，对一般混合物或溶液为1.0，对有机物的水溶液为0.9。液体混合物的导热系数，可按质量加和法进行估算：

气体混合物的导热系数，可按摩尔加和法估算：式中：、－气体混合物和各组分的导热系数

[W/m·K]；－i组分的摩尔分数；

Mi－i组分的摩尔质量[g/mol]。气体混合物的导热系数，可按摩尔加和法估算：1-2

平面壁的稳定热传导平面壁的传热面积沿传热方向没有改变；稳定热传导即单位时间内的传热量为定值（即不管此时彼时，单位时间内传递的热量相同）。图2-1为厚度为δ、面积为A的单层平面壁热传导的示意图。稳定情况下，单位时间传导的热量由式（2-3）可知：1-2平面壁的稳定热传导平面壁的传热面积沿传热方向没有改变当n由，t由时，则得

或方程式（2-6a）和（2-6b）都可用来计算单层平面壁的稳定热传导。q/为单位时间、单位面积的导热量，称热通量。q为导热速率。可认为是热传导的阻力，简称热阻R。（t1－t2）为传热推动力。当n由，t由时，则得因此上式也可以写成：

多层平面壁的稳定热传导：生产上常见的是多层平面壁，例如用耐火砖、保温砖和青砖构成的三层炉壁，如图2-2所示。由式（2-6b）可知，第一层（耐火砖）：即第二层（保温砖）：第三层（青砖）：因此上式也可以写成：对于稳定热传导：因此

式中：－多层串联壁两边外表面的温度差；

n

－壁的层数；

i

－壁层的序数。对于稳定热传导：图2-2多层平面壁的热传导图2-3单层圆筒壁化工基础课件第二章-传热过程补充：某燃烧炉的平壁由三种材料构成，最内层为耐火砖，中间层为保温砖，外层为普通砖，各层材料的厚度和导热系数依次为δ1=225mm，λ1＝1.4W/(m·K)；δ2=250mm，λ2

＝0.15W/(m·K)；δ3=225mm，λ3

＝0.8W/(·Km)。已测得内外表面温度分别为930℃和40℃，求单位面积的热损失和各层间接触面的温度。

补充：解:（1）单位面积热损失为

解:（1）单位面积热损失为（2）各层温差及各接触面的温度：（2）各层温差及各接触面的温度：（1）各种材料以单位面积计（即取A=1m2）的热阻R；（2）燃烧炉热通量q/及导热总温差；（3）燃烧炉平壁中各材料层的温差分布。

补充：如图所示，某燃烧炉的平壁由耐火砖、绝热砖和建筑砖三种材料砌成，各层材料的厚度和导热系数依次为δ1=200mm，λ1＝1.2W/(m·K)；δ2=250mm，λ2

＝0.15W/(m·K)；δ3=200mm，λ3

＝0.85W/(·Km)。若已知耐火砖内侧温度t1

为900℃，绝热砖和建筑砖接触面上的温度t3为280℃。从多层平面壁稳态热传导方面考虑，试求：

（1）各种材料以单位面积计（即取A补充：如图所示，某燃解：（1）以单位面积计的热阻为耐火砖：绝热砖：建筑砖：（2）在稳态条件下通过各材料层的热通量相等。燃烧炉热通量解：（1）以单位面积计的热阻为燃烧炉导热总温差（3）各材料层的温差分布燃烧炉导热总温差补充：某燃烧炉由三层砖砌成，内层为耐火砖，λ1＝1.00W/(m·K)，厚度为230mm；中间为保温砖，λ2

＝0.150W/(m·K)；外层为普通砖，λ3

＝0.900W/(·Km)，厚度为230mm。耐火砖内侧温度为700℃，要求普通砖内壁温度