四章传热Heattransfer教案资料

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1、第四章 传热 ( Heat transfer ),1、掌握内容 传热基本方式、工业换热方式及适用范围；传热基本方程式及其相关参数的计算方法；傅立叶定律及其应用；传热系数计算及测定方法，换热面积的确定方法；强化传热的方法与途径。 2、理解内容 热负荷与传热速率间的关系，传热机理、传热膜概念，有相变传热过程的膜系数计算，列管换热器的选型方法。 3、了解内容 工业换热器的类型、结构、操作原理。,本章学习要求：,第一节 概述,传热是因温差导致的能量传递过程，又称热传递。由热力学第二定律可知，在有温度差存在时，热量会自发地从高温处传递到低温处。因此，传热是自然界和工程技术领域中普遍存在的能量传递现象。无

2、论是在能源、化工、冶金等工业部门，还是在农业、环境保护等行业中都会涉及到传热问题。,一、传热在化工生产中的应用 化学工业与传热的关系尤为密切。因为无论是生产中的化学反应过程，还是物理过程（即化工单元操作），几乎都伴有热量的传递。主要应用有以下方面：,1、为化学反应过程创造必要的条件； 众所周知，化学反应是化工生产的核心，多数化学反应都有一定的温度条件且伴随着反应热。例如：氨合成反应的操作温度为470520；氨氧化法制备硝酸过程的反应温度为800等等。为了达到要求的反应温度，必先对原料进行加热；而这两个过程的反应又都是可逆放热反应，为了保持最佳反应温度、加快正反应速度，则必须及时移走反应放出的热

3、量（若是吸热反应，要保持反应温度，则需及时补充热量）。,以合成氨生产过程为例：,2、为物理单元操作创造必要的条件； 对某些单元操作过程（如蒸发、结晶、蒸馏和干燥等）往往需要输入或输出热量，才能保证操作的正常进行。如蒸馏操作中，为使塔釜内的液体不断气化，就需要向塔釜内的液体输入热量，同时，为了使塔顶的蒸气冷凝得到回流液和液体产品，就需要从塔顶蒸气中移出热量。 3、提高热能的综合利用和余热的回收； 仍以合成氨生产过程为例，合成塔出口的合成气温度很高，为将合成气中的反应产物氨与反应原料氮、氢气加以分离必须要降温，为提高热量的综合利用和回收余热，可用其副产蒸气或加热循环气等。 因此，传热是化工生产过程

4、中的常规单元操作之一。,二、传热的基本方式 根据机理的不同，传热有三种基本方式：热传导、热对流和热辐射。传热过程可依靠其中的一种或几种方式同时进行。 （一）热传导 热传导又称导热，是借助物质的分子或原子振动以及自由电子的热运动来传递热量的过程。当物质内部在传热方向上无质点宏观迁移的前提下，只要存在温度差，就必然发生热传导。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导热的范畴。 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

5、热均属于导热。 很显然，导热过程的特点是：在传热过程中传热方向上无质点块的宏观迁移。,（二）热对流 热对流是利用流体质点在传热方向上的相对运动来实现热量传递的过程，简称对流。根据造成流体质点在传热方向上的相对运动的原因不同，又可分为强制对流和自然对流。 若相对运动是由外力作用引起的，则称为强制对流。如传热过程因泵、风机、搅拌器等对流体做功造成传热方向上质点块的宏观迁移。 若相对运动是由于流体内部各部分温度的不同而产生密度的差异，使流体质点发生相对运动的，则称为自然对流。 例如，我们可以观察到燃烧炉上方的空气是晃动的，这是因为靠近炉子表面的空气被加热升温后，密度减小而上浮，离炉子表面较远的空气温

6、度相对较低，由于密度较大而下沉，冷、热气团形成自然对流的结果。 流体在发生强制对流时，往往伴随着自然对流，但一般强制对流过程的速率比自然对流的大得多，故在工业换热设备中，流体中的热对流过程通常控制为强制对流方式。,（三）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。,因此，辐射传热

7、就是不同物体间相互辐射和吸收能量的结果。辐射传热不仅是能量的传递，同时还伴有能量形式的转换。热辐射不需要任何媒介，换言之，可以在真空中传播。这是热辐射不同于其他传热方式的另一特点。应予指出，只有物体温度较高时，辐射传热才能成为主要的传热方式（如化工生产现场的管式炉）。 实际上，传热过程往往并非以某种传热方式单独出现，而是两种甚至是三种传热方式的组合。例如，热水瓶抽真空的目的就是为了减少导热过程的损失；瓶口加塞就是为了减少对流损失；内胆镀银是为减少辐射传热的损失。再如，化工生产中普遍使用的间壁式换热器中的传热，主要是以热对流和导热相结合的方式进行的。有关内容将在后文中详细介绍。,三、工业换热器

8、1、混合式换热器 主要特点：冷热两种流体间的热交换，是依靠热流体和冷流体直接接触和混合过程实现的。 优点：传热速度快、效率高，设备简单，是工业换热器的首选类型。 典型设备：如凉水塔、喷洒式冷却塔、混合式冷凝器 适用范围：无价值的蒸气冷凝，或其冷凝液不要求是纯粹的物料等，允许冷热两流体直接接触混合的场合。,废蒸气,冷水,热水,2、间壁式换热器 主要特点：冷热两种流体被一固体间壁所隔开，在换热过程中，两种流体互不接触，热量由热流体通过间壁传给冷流体。以达到换热的目的。 优点：传热速度较快，适用范围广，热量的综合利用和回收便利。 缺点：造价高，流动阻力大，动力消耗大。 典型设备：列管式换热器、套管式

9、换热器。 适用范围；不许直接混合的两种流体间的热交换。,3、蓄热式换热器 蓄热式换热器，简称蓄热器。是借助蓄热体将热量由热流体传给冷流体的。在此类换热器中，热、冷流体交替进入，热流体将热量储存在蓄热体中，然后由冷流体取走，从而达到换热的目的。此类换热器结构简单，可耐高温，缺点是设备体积庞大，传热效率低且两流体有部分混合。常用于高温气体热量的回收或冷却。如在煤气发生炉中，就是利用空气煤气的生成热（即碳与氧气反应释放的热量）来提高炉温并在炉体中积蓄热量，为后续的水煤气制气过程提供热量的（即碳与水蒸气反应需吸收的热量）。,高温流体,低温流体,蓄热体,4、中间载热体式换热器 中间载热体式换热器，又称热

10、媒式换热器。其换热原理是：将两个间壁式换热器由在其中循环的载热体（称为热媒）连接起来，载热体在高温流体换热器中从热流体吸收热量后，带至低温流体换热器传给冷流体。如空调的制冷循环、太阳能供热设备、热管式换热器等均属此类。此类换热过程广泛应用于核能工业、冷冻技术及工厂余热利用中。,换热器还可以按其他方式进行分类，有关其他分类方法和换热器的结构、特点等内容，将在后文中详细介绍。,四、传热速率和热通量 1 、传热速率Q（热流量） 指单位时间内通过传热面的热量。整个换热器的传热速率表征了换热器的生产能力，单位为W； 2 、热通量q 指单位时间内通过单位传热面积缩传递的热量。在一定的传热速率下，q越大，所

11、需的传热面积越小。因此，热通量是反映传热强度的指标，又称为热流强度，单位为W/m2。,第五节 热传导,一、傅立叶定律 （一）导热的分类 由热传导引起的传热速率称为导热速率，其与导热体内部的温度分布情况有关。导热体内部在空间和时间上的温度分布称为温度场。,热传导又称导热，是物质借助分子和原子振动及自由电子运动进行热量传递的过程。前已述及，导热在固体、液体、气体中均可发生。但严格而言，只有固体中传热才是纯粹的热传导。而流体体即使处于静止状态，也会有因温差而引起的自然对流。所以，在流体中对流与传导是同时发生的。鉴此，本节只讨论固体中的导热问题，并结合工程实际介绍导热过程的计算方法。,若温度场内各点的

12、温度随时间变化，则称为不稳定温度场。可用数学表达式表示为： t = f (x, y, z, ),式中 t温度，； x、y、z任一点的空间坐标； 时间，s。 显然，不稳定温度场中的导热为不稳定导热（又称非定态导热）。 例如，从燃烧炉夹出的煤块，内外温度随时间变化，其导热速率也随时间变化。,若温度场内各点的温度不随时间改变，则称为稳定温度场。稳定温度场中的导热即为稳定导热（又称定态导热）。可用数学表达式表示为：t = f (x, y, z),稳定温度场中温度相同的点所组成的面称为等温面。由于稳定温度场中任一点不可能有两个温度，因此，温度不同的等温面不能相交。 当稳定温度场中的温度只沿空间某一方向变

13、化时，称为一维稳定温度场，此时的导热称为一维稳定导热。可用数学表达式表示为： t = f (x),在化工生产过程中，一维稳定导热体的等温面： 在直角坐标系中往往是垂直于温度变化方向的平壁面； 在柱坐标系中往往是垂直于温度变化方向的圆柱面； 在球坐标系中往往是垂直于温度变化方向的球面。 对后两者可用数学表达式表示为： t = f (r),化工生产过程中所涉及的导热问题多为一维稳定导热问题，如方形燃烧炉的炉壁、蒸汽管的管壁、列管或套管换热器的管壁以及球形容器等。限于篇幅和实用性，本节只讨论一维稳定导热问题。,（二）傅立叶定律,导热过程的导热速率可借助傅立叶定律确定。傅立叶定律表明了导热体的导热速率

14、与导热方向上温度的变化率和垂直于导热方向的导热面积成正比。对一维稳定导热过程，傅立叶定律可表述为,上式中, 称为温度梯度。由于导热方向为温度下降的方向，故需在右端加一负号。 若要将上式写成等式，则需引入一比例系数，即 （4-16） 式中 Q导热速率，指导热体在单位时间内传递的热量，J/s或W； 比例系数，称为导热系数，J/sm或W/m； S导热面积，m2。 式（4-16）即为一维稳定导热过程的傅立叶定律的数学表达式，是一维稳定导热计算的基本公式。,（三）导热系数 将式（4-16）改写为,上式即为导热系数的定义式。其表明导热系数在数值上等于单位温度梯度下的热通量。它是表征物质导热性能的一个物性参

15、数，越大，导热性能越好。导热性能的大小与物质的组成、结构、温度及压强等有关。 物质的导热系数通常由实验测定。各种物质的导热系数数值差别极大，一般而言，金属的导热系数最大，非金属次之，而气体最小。工程上常见物质的导热系数可从有关手册中查得，本教材附录亦有部分摘录。,1气体的导热系数,与液体和固体相比，气体的导热系数最小，对导热不利，但却有利于保温和绝热。工业上所使用的保温材料（如玻璃棉等）就是因为其空隙中有大量静止的空气，所以其导热系数很小，适用于保温隔热。 气体的导热系数随着温度的升高而增大；这与温度升高后气体分子的热运动加剧，碰撞机会增多有关。而在相当大的压强范围内，气体的导热系数随压强的变

16、化很小，可以忽略不计，只有当压强很高（大于200MPa）或很低（小于2.7kPa）时，才应考虑压强的影响，此时导热系数随压强的升高而增大。,常压下气体混合物的导热系数可用下式估算： （4-17）,式中 m气体混合物的导热系数，W/m； i气体混合物中i组分的导热系数，W/m； yi气体混合物中i组分的摩尔分数； Mi气体混合物中i组分的摩尔质量，kg/kmol。,2液体的导热系数,液体可分为金属液体（液态金属）和非金属液体。液态金属的导热系数比一般液体的高，其中熔融的纯纳具有较高的导热系数，大多数金属液体的导热系数随温度的升高而降低。在非金属液体中，水的导热系数最大。除水和甘油外，大多数非金属液体的导热系数亦随温度的升高而降低。通常纯液体的导热系数较其溶液的要大。液体的导热系数基本上与压强无关。,液体混合物的导热系数在实验数据缺乏的情况下，可按下法估算： 有机化合物水溶液的导热系数估算式为 （4-18） 有机化合物的互溶混合液的导热系数估算式为