化工基础4.1-化工生产中传热过程91905

化工基础教学目的：重点：第四章传热过程了解学习传热过程的意义，掌握传热的一些基本物理量。传热中的一些基本物理量§4.1概述4.1化工生产中的传热过程及常见换热器

1．化工生产中的传热过程

单元操作中的蒸发、精馏、干燥等过程也需要按一定速率供给热量或移走热量；设备和管道在高温或低温下运行，尽量减少它们与外界的传热，就需要保温；传热过程不但为化工生产过程提供了必要的温度条件，保证了过程的热量平衡，满足了生产的要求，而且也是化学工业提高经济效益、保护环境的重要措施。系统内由于温度的差异使热量从高温向低温转移的过程称之为热量传递过程，简称传热过程。

化工生产对传热的要求有两类，一是要求热量的传递速率要高，目的是增大设备的传热强度、提高生产能力或减小设备尺寸、降低生产费用；另一类则是要求尽量避免热量传递，需要采用隔热等方法减小传热速率。化工生产中传热主要运用于：①应用于生产中原料的加热、成品的冷却或冷凝。②应用于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应用于某些稀溶液的加热、蒸发结晶、干燥等操作或某些浓溶液的冷却。④应用于生产中热量的合理利用和废热回收，以节省热能。传热过程也分为定态传热和非定态传热两种，换热器传热面上各点温度不随时间而改变的过程称为定态传热，反之，称为不定态传热。定态传热：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.非定态传热：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，因而我们主要讨论定态传热。换热方式

工业上的传热过程中，冷流体和热流体的接触有三种方式。

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。①直接接触式传热②

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。

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。③蓄热式传热传导传热

系统温度较高部分的粒子因热运动与相邻的粒子碰撞将热量传递给温度较低粒子的过程称为传导传热，简称热传导或导热。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。可见热传导不仅发生在固体中，同时也是流体内的一种传热方式。

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，换言之，这两类传热过程也应属于传导的范畴。所以说：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。很显然，传导过程的特点是：在传热过程中传热方向上无质点的宏观迁移。热量传递的基本方式有传导传热、对流传热和辐射传热三种。2．传热基本方式

对流传热流体中质点发生相对位移而引起的热量传递，称为对流传热

对流只能发生在流体中。强制对流

自然对流

用机械能（泵、风机等）使流体发生对流而传热。由于流体各部分温度的不均匀分布，形成密度的差异，在浮升力的作用下，流体发生对流而传热

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，同时有接受电磁波的能力，且物体的辐射能力大致与物体的绝对温度的4次方成正比。其特点是不需要任何传热介质，可在真空中传递。

实际生产中的传热过程很少是以一种方式进行，而是两种或三种基本方式的联合，如间壁式换热就是热对流和热传导的串联过程。3．间壁式换热器间壁式换热器中，热量自热流体传给冷流体的过程包括三个步骤：①热流体将热量传到壁面一侧；②热量通过固体壁面的热传导；③壁面的另一侧将热量传给冷流体。即给热一导热一给热的串联过程。依传热面的结构可分为管式换热器和板式换热器。管式换热器的传热面是由管子做成的，包括套管式、列管式、蛇管式、喷淋式和翅片管式等；板式换热器的传热面是由板材做成的，包括夹套式、螺纹板式、螺旋板式等。换热器的外形换热器的管束图4－1为简单的套管换热器

套管式换热器1—内管2—外管套管式换热器由直径不同的两根圆管组成的同心套管。一种流体在内管中流动，另一种流体在套管的环隙中流动，两流体是通过内管壁面进行换热。优点：采用标准管子与管件。构造简单，加工方便，排数和程数伸缩性大，可距需要增减。适当地选择内、外管的直径，可使两种流体都达到较高流速，从而提高传热系数；两流体可始终以逆流方向流动，平均温度差最大。缺点：接头多易泄漏，占地面积大，单位面积消耗金属量大。列管式换热器为了改变套管式换热器传热面积小，设备不紧凑的状况，常将若干细管组成的管束放在一大的外管中，这种换热器称为列管式换热器一种流体由封头的进口管进入，流经封头与管板的空间分配至各管内，从另一端封头的出口管流出。另一种流体则由壳体的接管流入，在壳体与管束间的空隙流动中通过管束表面与管束内流体换热，然后从壳体的另一端接管排出。为增加流体湍动程度，通常壳体内安装若干与管束垂直的折流档板。流体流经管束的过程，称为流经管程，将该流体称为管程(管方)流体；流体流经壳体环隙的过程，称为流经壳程，将该流体称为壳程(壳方)流体。

图4—2为单程列管式换热器。图4—3为双程列管式换热器。若流体只在管程内流过一次的，称为单管程；只在壳程内流过一次的，称为单壳程。若列管换热器的传热面积较大，而需要的管数很多时，有时流体在管内的流速便较低，结果使流体的对流传热系数减小。为了提高管程流速，可在换热器封头内设置隔板，将全部管子平均分成若干组，流体在管束内来回流过多次后排出，称为多(管)程列管式换热器，如图示。程数增多，虽然提高了管内流体的流速，增大了管内的对流传热系数，但同时也使流动阻力增大，平均温度差降低。此外，设置隔板后占去部分布管面积而减少了传热面积。因此，程数不宜过多，一般为双程、四程、六程。传热中的一些基本物理量和单位1、热量Q：单位：kg·m2·s-2，Nm，J，cal，kcal1cal=4.186J2、热流量（传热速率）Φ：单位时间内传递的热量。单位：W，kcal·h-11kcal·h-1=1.163W3、传热强度q：单位：W·m-2

，kg·s-3单位时间单位面积传递的热量。也叫热流密度。§4.2传导传热教学目的：重点：掌握传导传热的机理，以及传导传热的基本方程及其应用。传导传热的机理难点：传导传热的基本方程1.热传导基本方程——傅里叶定律当均匀物体两侧有温度差(t1一t2)时，热量以传导的方式,由高温向低温传递。单位时间物体的导热量dQ／dτ与导热面积A和温度梯度dt／dδ呈正比。写为等式：

如图4－4所示，1）傅里叶定律上式称为傅里叶（Fourier）定律。定态传热时：

=

dt／dδ——温度梯度，K·m-1，表示传热方向上因距离而引起温度变化的程度；

A—导热面积，m2；λ—比例系数，热导率，也称为导热系数，W·m-1·K-1。负号是因为热量传递方向与温度升高方向相反。导热系数:是物质导热性能的标志，是物理性质之一。一般来说：

λ金属>λ非金属固体>λ液体>λ气体.导热系数λ的值越大，表示其导热性能越好λ的物理意义为：当温度梯度为1K/m时，每秒钟通过1m2的导热面积而传导的热量，其单位为W/m·K或W/m·℃。金属2.3～420w/m·K建筑材料0.25～3w/m·K液体0.09～0.6w/m·K

气体0.006～0.4w/m·K2）导热系数：λ数值的大小与物质的组成、结构、密度等有关。λ数值的大小也与外界条件温度、压力等有关。（金属）﹥（非金属）（固体）﹥（液体）﹥（气体）（紧密）﹥（疏松）2．间壁式换热器壁面的热传导

平面壁指间壁几何结构为平面的传热面，特点是沿传热方向导热面积A不发生变化。

如图4—5所示的单层平面壁，在定态传热条件下，其热导率不随时间发生变化，传热面的温度沿垂直于壁面的热量传递方向变化、但不随时间变化。

（1）平面壁的定态热传导Φ=Q/τ=λA/δ

=Δt/R

=

=

式中δ/λA──称为热阻，记作R,K·W-1圆筒壁面热传导的特点是传热面积A沿热量传递方向而变化，即传热面积A随圆筒的半径而变化。

（2）圆筒壁的定态热传导依据：过程速率＝过程推动力/过程阻力，单层平面壁的热流量也可写为由傅里叶公式如图所示，热量由管内壁面向管外壁面定态传导，考察厚度为dr的薄层，由博里叶定律得：

Φ=-λAdt／dδ=-λ2πrl

积分：

整理得：∵=r2—r1又可改写为：＝

为半径的对数平均值，

为圆筒壁厚

圆筒壁面的半径较大且其厚度较薄时，可以用算术平均值取代对数平均值计算圆筒壁的rm和Am。

当r2/r1<2时可用算术平均半径代替：rm=(r1+r2)/2——圆筒壁的导热热阻

如图所示为三层不同材料组成的复合平面壁。定态导热时各分层的传热速率分别为：第一层（3）多层壁面的定态热传导第二层第三层因A1=A2=A3=A,定态热传导时,上三式加和后得可以看出，过程的总推动力为各层推动力之和，总阻力为各层热阻之和，即对多层壁面的定态热传导，传热推动力和传热阻力具有加和性。由过程分析还可得到：多层壁面的定态热传导，各分层温度降与该层的热阻呈正比。根据以上关系也可以求得两层壁交界处的温度或任何一点的温度.各层交界面上的温度求取：

或或推广到n层平壁有：

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。

多层圆筒壁的热流量式为：

或例:有一锅炉墙,有下列三种材料组成,耐火砖λ1=1.4w.m-1.c-1，＆1=225mm，保温砖λ2=0.15w.m-1.c-1,＆2=115mm,建筑砖λ3=0.8w.m-1.c-1＆3=225mm,今测得其内壁温度为930℃,外壁温度为55℃,求每秒钟每平方米壁面损失的热量,并求出各层接触面上的温度。例

Φ38×2.5mm的水蒸气管（钢的λ=50W.m-1.k-1

）包有隔热层。第一层是40mm厚的矿渣棉(λ=0.07W.m-1.k-1)，第二层是20mm厚的石棉泥（λ=0.15W.m-1.k-1

）。若管内壁温度为140℃

，石棉泥外壁温度为30℃

。试求每米管长的热损失速率。若以同量的石棉作内层，矿渣棉作外层时，情况如何？试作比较。解：由题意得：d1=0.033d2=0.038d3=0.118d4=0.158λ=1=50λ=0.07λ=0.15t1=140℃t4=30℃若以同量(即相同体积)的石棉作内层，矿渣棉作外层，根据体积关系得：d1=0.033d2=0.038d3=0.112d4=0.158λ=1=50λ2=0.15λ3=0.07t1=140t4=30第一层第二层第三层Φ/l交换前0.0028216.191.94638.1交换后0.002827.2064.91657.0

导热系数小的材料应用于内层。

金属管的热阻很小，可以忽略。§4.3对流传热教学目的：重点难点：了解对流传热的机理掌握对流传热的基本方程以及各种情况下给热系数的准数关联式对流传热的机理和对流传热的基本方程了解沸腾和冷凝时传热膜系数

过程分析（1）层流边界层（层流内层）内：热传导，热阻大；（2）过渡区：热传导与对流传热共同起作用；（3）湍流区：充满漩涡，混合很好，对流为主，热阻小。1、对流传热机理流体沿固体壁面的流动滞流内层过渡区湍流主体流体分层运动，相邻层间没有流体的宏观运动。（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。该层中温度差较大，即温度梯度较大。）热对流和热传导作用大致相同，在该层内温度发生较缓慢的变化。温度梯度很小，各处的温度基本相同。

对流传热是流体流动过程中发生的热量传递.工业过程的流动多为湍流状态，湍流流动时，流体主体中质点充分扰动与混合，所以在与流体流动方向垂直的截面上，流体主体区的温度差很小。由于壁面的约束和流体内部的摩擦作用，在紧靠壁面处总存在滞流底层，故主要热阻及温度差都集中在滞流底层。强制湍流的情况分析如下：如图为热流体与壁面对流传热及壁面与冷流体的对流传热，工程上将湍流主体和过渡区的热阻予以虚拟，折合为相当厚度为δt的滞流底层热阻，流体与壁面之间的温度变化可认为全部发生在厚度为δt的一个膜层内，通常将这一存在温度梯度的区域称为传热边界层。传热边界层以外，温度是一致的、没有热阻.式中λ——流体的热导率，

δt——传热边界层厚度，m；

ΔT——对流传热温度差，

或

将湍流状态复杂的对流传热归结为通过传热边界层的热传导，用热传导基本方程来描述对流传热过程实际上对流传热过程：

物理意义

是指当流体主体与壁面间的温度差为1K时,每秒通过1m2壁面所传给流体(或有流体给出)的热量。该式称为牛顿（Newton）冷却定律或给热方程，就是：固体对流体的给热传热速率Φ，与壁面积A成正比，与壁面和流体间的温度差Δt成正比。h为表面传热系数,或称为对流传热系数，亦称给热系数，单位为对流给热强度的标志。

2.对流传热系数的影响因素及其求取

影响h的因素很多，主要有以下几个方面：①流体的种类和性质②流体的流动形态滞流、过渡流或湍流时h各不相同。当流体种类确定后，根据温度、压力（气体）查对应的物性，影响h较大的物性有：，，，cp。滞流：热流主要依靠热传导的方式传热。由于流体的导热系数比金属的导热系数小得多，所以热阻大。

湍流：质点充分混合且滞流底层变薄，h较大。但Re，动力消耗大。④传热壁面的形状、排列方式和尺寸③流体的对流状态强制对流较自然对流时h为大。自然对流：由于流体内部存在温差引起密度差形成的浮升力，造成流体内部质点的上升和下降运动，一般u较小，h也较小。强制对流：外力作用引起的流动运动，一般u较大，故h较大。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h增大。

（1）形状：比如管、板、管束等；

（2）大小：比如管径和管长等；

（3）位置：比如管子得排列方式（如管束有正四方形和三角形排列）；管或板是垂直放置还是水平放置。

工程上采用量纲分析的方法，将影响h诸多因素归纳为较少的几个量纲为一的特征数群，确定这些特征数在不同情况下的相互联系，从而得到经验性的关联公式。（1）流体无相变过程表面传热系数的求取描述对流传热过程的特征数关系为：各特征数的含义如下表4-1所示影响h的主要因素可用下式表示：流体在圆形直管内作强制湍流时，对于低粘度流体，则有m=0.4被加热m=0.3被冷却应用范围：Re＞10000；0.6＜Pr＜160；长径比L／d＞50，适用于低粘度流体,且过程中无相变化。定性温度：取流体进、出口温度的算术平均值。特征尺寸：取为管内径de。

液体通过固体壁面被加热的对流传热过程中，若伴有液相变为气相，即在液相内部产生气泡或气膜的过程称为液体沸腾，又称沸腾传热。（2）流体有相变过程的表面传热系数化工生产中多见的相变给热是液体受热沸腾和饱和水蒸气的冷凝。①液体的沸腾液体沸腾

大容积沸腾

管内沸腾

液体在一定压差作用下，以一定的流速流经加热管时所发生的沸腾现象。管内沸腾时，管壁上所产生的汽泡被管内液体裹挟与其一起流动，管内造成了复杂的两相流动。这种沸腾的机理更为复杂。将加热壁面沉浸在无强制对流的液体中所发生的沸腾现象。图4-9水的沸腾曲线液体沸腾的情况因固体壁面温度tw与液体饱和温度ts之间的差值而变化，图4—9为水的沸腾曲线：当∆t较小时，∆t≺5℃时，此时紧贴加热