西北大学化工原理电子教案 香 6.传热 6.1概述 6.1.1概述 几乎所有的化工生产过程都伴有传热操作，进行传热的目的通常是： ①加热或冷却，使物料达到指定的温度： ②换热，以回收利用热量或冷量： ③保温，以减少热量或冷量的损失。如高温设备的保温，低温设备的保冷。 化学工业能耗高，仅次于冶金工业，因此，应合理利用能源、节约能源。 通常，传热设备在化工厂设备投资中占很大比例，有些可达40%左右，所以传热是化 工重要的单元操作之一。同时，热能合理利用对降低产品成本和环境保护有重要意义。 传热过程中冷热流体的接触方式根据冷热流体的接触情况，工业上的传热过程可分为三种 基本方式，每种传热方式所用换热设备的结构也迥然不同。 (1)直接接触式传热 对某些传热过程，例如热气体的直接水冷及热水的直接空气冷却等，可使冷、热流体 直接接触进行传热。这种接触方式传热面积大，设备简单。如凉水塔，其中装填填料，填料 可以增大接触面积，增大湍动程度，增大传热系数K。 由于冷热流体直接接触，这种传热方式必伴有传质过程。 (2)间壁式传热 在多数情况下，工艺上不允许冷、热流体直接接触，因此直接接触式传热过程在工业 上并不很多。工业上应用最多的是间壁式传热过程。间壁式换热器类型很多，其中最简单而 又最典型的结构是套管换热器。在套管式换热器中，冷热流体分别通过环隙和内管，热量自 热流体传给冷流体，这种热量传递过程包括三个步骤： a热流体靠对流传热将热量Q传给金属壁一侧一给热： b热量自管壁一侧以热传导的形式传至另一侧一导热： c热量以对流传热形式从壁面传给冷流体一给热。 冷、热流体之间进行的热量传递总过程通常称为传热（或换热）过程，而将流体与壁 面之间的热量传递过程称为给热过程
西北大学化工原理电子教案 6. 传热 6.1 概述 6.1.1 概述 几乎所有的化工生产过程都伴有传热操作，进行传热的目的通常是： ① 加热或冷却，使物料达到指定的温度； ② 换热，以回收利用热量或冷量； ③ 保温，以减少热量或冷量的损失。如高温设备的保温，低温设备的保冷。 化学工业能耗高，仅次于冶金工业，因此，应合理利用能源、节约能源。 通常，传热设备在化工厂设备投资中占很大比例，有些可达 40%左右，所以传热是化 工重要的单元操作之一。同时，热能合理利用对降低产品成本和环境保护有重要意义。 传热过程中冷热流体的接触方式 根据冷热流体的接触情况，工业上的传热过程可分为三种 基本方式，每种传热方式所用换热设备的结构也迥然不同。 (1) 直接接触式传热 对某些传热过程，例如热气体的直接水冷及热水的直接空气冷却等，可使冷、热流体 直接接触进行传热。这种接触方式传热面积大，设备简单。如凉水塔，其中装填填料，填料 可以增大接触面积，增大湍动程度，增大传热系数 K 。 由于冷热流体直接接触，这种传热方式必伴有传质过程。 (2) 间壁式传热 在多数情况下，工艺上不允许冷、热流体直接接触，因此直接接触式传热过程在工业 上并不很多。工业上应用最多的是间壁式传热过程。间壁式换热器类型很多，其中最简单而 又最典型的结构是套管换热器。在套管式换热器中，冷热流体分别通过环隙和内管，热量自 热流体传给冷流体，这种热量传递过程包括三个步骤： a 热流体靠对流传热将热量Q 传给金属壁一侧——给热； b 热量自管壁一侧以热传导的形式传至另一侧——导热； c 热量以对流传热形式从壁面传给冷流体——给热。 冷、热流体之间进行的热量传递总过程通常称为传热（或换热）过程，而将流体与壁 面之间的热量传递过程称为给热过程。 1
西北大学化工原理电子教案 香 热流体T 冷流体t 套管换热器 (3)蓄热式换热器 首先使热流体通过蓄热器中固体壁面，用热流体将固体填充物加热，然后停止热流体， 使冷流体通过固体表面，用固体填充物所积蓄的热量加热冷流体。这样交替通过冷、热流体 达到换热的目的。 低温流体 高温流体 蓄热式换热器 为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，此流体称为载热 体。起加热作用的载热体称为加热剂：而起冷却作用的载热体称为冷却剂。 载热体及其选择工业上常用的加热剂有热水、饱和水蒸汽、矿物油、联苯混合物、熔盐和 烟道气等。当要求温度小于180℃时，常用饱和水蒸汽。饱和水蒸汽冷凝放出潜热，潜热大 大于显热，因此所需的蒸汽量小，且相变过程不发生温度变化。（注：若不将饱和水蒸汽中 的不凝性气体及时排走，会大大降低传热效果。) 工业上常用的加热剂及其使用温度范围可参见教材p231表6-1。 常用的冷却剂是水、空气和各种冷冻剂。水和空气可将物料最低冷却至周围环境的温 度。当温度不很低时，水是最适宜的冷却剂
西北大学化工原理电子教案 冷流体t1 t2 热流体T1 T2 套管换热器 (3) 蓄热式换热器 首先使热流体通过蓄热器中固体壁面，用热流体将固体填充物加热，然后停止热流体， 使冷流体通过固体表面，用固体填充物所积蓄的热量加热冷流体。这样交替通过冷、热流体 达到换热的目的。 低温流体 高温流体 蓄热式换热器 为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，此流体称为载热 体。起加热作用的载热体称为加热剂；而起冷却作用的载热体称为冷却剂。 载热体及其选择 工业上常用的加热剂有热水、饱和水蒸汽、矿物油、联苯混合物、熔盐和 烟道气等。当要求温度小于 180o C时，常用饱和水蒸汽。饱和水蒸汽冷凝放出潜热，潜热大 大于显热，因此所需的蒸汽量小，且相变过程不发生温度变化。（注：若不将饱和水蒸汽中 的不凝性气体及时排走，会大大降低传热效果。） 工业上常用的加热剂及其使用温度范围可参见教材 p231 表 6-1。 常用的冷却剂是水、空气和各种冷冻剂。水和空气可将物料最低冷却至周围环境的温 度。当温度不很低时，水是最适宜的冷却剂。 2
西北大学化工原理电子教案 在选用载热体时为提高传热过程的经济性，必须根据具体情况选择适当温位的载热体， 同时还应考虑以下几个方面问题： ①载热体的温度应易于调节： ②载热体的饱和蒸气压宜低，加热时不会分解： ③载热体毒性要小，使用安全，对设备应基本上没有腐蚀： ④载热体应价格低廉而且容易得到。 6.1.2传热过程 化工生产中应用最广的是间壁式换热器，因此我们以间壁式换热器来讨论传热过程。 传热速率 传热过程的速率可用以下两种方式表示： ①热流量Q：即单位时间内热流体通过整个换热器的传热面传递给冷流体的热量 (W=J/s),因此Q与传热面A有关。 ②热流密度（热通量)q:单位时间通过单位传热面积所传递的热量(Wm),即 9器 (6-1) 与热流量Q不同，热流密度与传热面积A大小无关，完全取决于冷、热流体之间的热 量传递过程，是反映具体传热过程速率大小的特征量。 工业上的传热过程包括定态和非定态传热情况，但是大多涉及到的都属于定态传热过 程，对于定态传热过程Q和q以及有关的物理量都不随时间而变。 换热器的热流量(Q)对于定态传热过程，热流密度不随时间而变，但沿着管长是变化 的，因此作为传热结果，冷、热流体的温度沿管长而变，冷、热流体的温差也必将发生相应 的变化。 设换热器的传热面积为4，由q=号可推出换热器的热流量为 0=∫9dA (6-2) 间壁两侧，冷、热流体的温差(T一1)沿管长而变，因此为计算换热器的热流量，还 必须找出热流密度沿传热面的变化规律
西北大学化工原理电子教案 在选用载热体时为提高传热过程的经济性，必须根据具体情况选择适当温位的载热体， 同时还应考虑以下几个方面问题： ① 载热体的温度应易于调节； ② 载热体的饱和蒸气压宜低，加热时不会分解； ③ 载热体毒性要小，使用安全，对设备应基本上没有腐蚀； ④ 载热体应价格低廉而且容易得到。 6.1.2 传热过程 化工生产中应用最广的是间壁式换热器，因此我们以间壁式换热器来讨论传热过程。 传热速率 传热过程的速率可用以下两种方式表示： ① 热流量 ：即单位时间内热流体通过整个换热器的传热面传递给冷流体的热量 （W=J/s），因此Q 与传热面 有关。 Q A ② 热流密度（热通量） ：单位时间通过单位传热面积所传递的热量（ q W/m2 ）,即 A Q q d d = （6-1） 与热流量Q 不同，热流密度与传热面积 大小无关，完全取决于冷、热流体之间的热 量传递过程，是反映具体传热过程速率大小的特征量。 A 工业上的传热过程包括定态和非定态传热情况，但是大多涉及到的都属于定态传热过 程，对于定态传热过程Q 和 以及有关的物理量都不随时间而变。 q 换热器的热流量（ ） 对于定态传热过程，热流密度不随时间而变，但沿着管长是变化 的，因此作为传热结果，冷、热流体的温度沿管长而变，冷、热流体的温差也必将发生相应 的变化。 Q 设换热器的传热面积为 ，由 A A Q q d d = 可推出换热器的热流量为 ∫ = A d AqQ （6-2） 间壁两侧，冷、热流体的温差（ − tT ）沿管长而变，因此为计算换热器的热流量，还 必须找出热流密度沿传热面的变化规律。 3
西北大学化工原理电子教案 非定态传热过程工业上不少传热过程是间歇进行的，即随着传热的进行，流体的温度随时 间而变，因此是非定态过程。如用饱和蒸汽加热搅拌釜内的液体就属于非定态传热过程。 对此换热器，夹套内为蒸汽冷凝，因而各处温度相同，釜内液体充分搅拌各处温度均一， 故在任何时刻传热面各点的热流密度相同。但是，作为传热结果，釜内液体温度随时间不断 上升，热流密度随时间不断减小。 对非定态传热问题通常关心的是一段时间内所传递的累积总热量Q,。设夹套传热面积 为A,则 g=dor (6-3) Adr Or=A[qdr (6-4) 因此，要求Q,,只知道热流密度q的计算式是不够的，还须知道q随时间的变化规律。 款水出口 味排漫 净海济 夹套换热器 传热机理任何热量的传递只能通过传导、对流、辐射三种方式进行。 固体内部的热量传递只能以传导的方式进行。流体与换热器壁面之间的给热过程往往同 时包含对流与传导，对高温流体还有热辐射。热传导、对流传热需介质，能量形式不变：而 辐射传热无须介质，但能量形式发生变化（热→波→热）。 工程上的传热过程一般都是三种形式同时存在的。 6.2热传导 热传导是物体内部分子微观运动的一种传热方式。但热传导的机理很复杂。固体内部的 热传导是由于相邻分子在碰撞时传递振动能的结果。在流体特别是气体中，除分子碰撞外， 4
西北大学化工原理电子教案 非定态传热过程 工业上不少传热过程是间歇进行的，即随着传热的进行，流体的温度随时 间而变，因此是非定态过程。如用饱和蒸汽加热搅拌釜内的液体就属于非定态传热过程。 对此换热器，夹套内为蒸汽冷凝，因而各处温度相同，釜内液体充分搅拌各处温度均一， 故在任何时刻传热面各点的热流密度相同。但是，作为传热结果，釜内液体温度随时间不断 上升，热流密度随时间不断减小。 对非定态传热问题通常关心的是一段时间内所传递的累积总热量 。设夹套传热面积 为 ，则 QT A dτ d T A Q q = （6-3） ∫ = τ τ 0 T qAQ d （6-4） 因此，要求 ，只知道热流密度 的计算式是不够的，还须知道 QT q q 随时间的变化规律。 夹套换热器 传热机理 任何热量的传递只能通过传导、对流、辐射三种方式进行。 固体内部的热量传递只能以传导的方式进行。流体与换热器壁面之间的给热过程往往同 时包含对流与传导，对高温流体还有热辐射。热传导、对流传热需介质，能量形式不变；而 辐射传热无须介质，但能量形式发生变化（热→波→热）。 工程上的传热过程一般都是三种形式同时存在的。 6.2 热传导 热传导是物体内部分子微观运动的一种传热方式。但热传导的机理很复杂。固体内部的 热传导是由于相邻分子在碰撞时传递振动能的结果。在流体特别是气体中，除分子碰撞外， 4
西北大学化工原理电子教案 连续而不规则的分子运动是导致热传导的重要原因。此外，热传导也可因物体内部自由电子 的转移而发生。金属的导热能力很强的原因就在于此。 6.2.1傅立叶定律和导热系数 傅立叶定律热传导的微观机理虽难以弄清，但这一基本传热方式的宏观规律可用傅立叶定 律加以描述，即 9=-10! (6-5) on 式中at/an一法向温度梯度，℃/m或K/m: 一比例系数，称为导热系数，Wm℃)或W/(mK)。 注：此处的入与第一章摩擦系数入的区别。 方程中由于at/am指向温度增加的方向，导热方向与t/am方向相反，所以加一“_”。 导热系数物体的导热系数与材料的组成、结构、温度、湿度、压强以及聚集状态等许多因 素有关。它是物性，一般通过实验测定。 各种材料的导热系数的大小依次为： 入金属>几一般周体非金属>入液体>周体绝缘材料>气体 ①固体入固体材料的导热系数随温度而变，绝大多数质地均匀的固体，导热系数与 温度呈线性关系，可用下式表示： 2=2o(1+at) 式中一1℃时固体的导热系数，W/(mC)或W(mK): 一0℃时固体的导热系数，W(mC)或W/(mK): a-温度系数，l℃。 对大多数金属材料（汞除外）为负值(a<0),t个，入↓：对大多数非金属材料为正值 (a>0),t个，2↑。若金属材料的纯度不纯，会使2大大降低。 ②液体入除水和甘油等少量液体物质外，绝大多数液体1个，入↓：水、甘油t个，入个。 一般来说，纯液体的2大于溶液1。 ③气体1气体的1比液体更小，约为液体的110。固体绝缘材料的导热系数之所以很 小，就是因为空隙率大，含有大量空气的缘故。 气体t个，2↑。在通常压力范围内，压力p对1无明显的影响。只有当p<20mmHg或
西北大学化工原理电子教案 连续而不规则的分子运动是导致热传导的重要原因。此外，热传导也可因物体内部自由电子 的转移而发生。金属的导热能力很强的原因就在于此。 6.2.1 傅立叶定律和导热系数 傅立叶定律 热传导的微观机理虽难以弄清，但这一基本传热方式的宏观规律可用傅立叶定 律加以描述，即 n t q ∂ ∂ −= λ （6-5） 式中 － / ∂∂ nt 法向温度梯度，o C/m或K/m； λ － 比例系数，称为导热系数，W/(m·o C)或W/(m·K)。 注：此处的λ 与第一章摩擦系数λ 的区别。 方程中由于∂ / ∂nt 指向温度增加的方向，导热方向与∂ / ∂nt 方向相反，所以加一“−”。 导热系数 物体的导热系数与材料的组成、结构、温度、湿度、压强以及聚集状态等许多因 素有关。它是物性，一般通过实验测定。 各种材料的导热系数的大小依次为： 金属 > λλ 一般固体非金属 液体 >> λλ 固体绝缘材料 > λ 气体 ① 固体λ 固体材料的导热系数随温度而变，绝大多数质地均匀的固体，导热系数与 温度呈线性关系，可用下式表示： )1( λ = λ0 + at 式中λ －t oC时固体的导热系数，W/(m·o C)或W/(m·K)； λ0－ 0o C时固体的导热系数，W/(m·o C)或W/(m·K)； a－ 温度系数，1/o C。 对大多数金属材料（汞除外）为负值（a < 0）， ， ；对大多数非金属材料为正值 （a > 0）， ， 。若金属材料的纯度不纯，会使 t ↑ λ ↓ t ↑ λ ↑ λ 大大降低。 ② 液体λ 除水和甘油等少量液体物质外，绝大多数液体 ，λ ；水、甘油 ，λ 。 一般来说，纯液体的 t ↑ ↓ t ↑ ↑ λ 大于溶液λ 。 ③气体λ 气体的λ 比液体更小，约为液体的 1/10。固体绝缘材料的导热系数之所以很 小，就是因为空隙率大，含有大量空气的缘故。 气体 ， 。在通常压力范围内，压力 t ↑ λ ↑ p 对λ 无明显的影响。只有当 p < mmHg20 或 5